Общая характеристика агрегатов "ковш-печь"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общая характеристика агрегатов «ковш-печь»

сталь ковш печь нагрев

Возможность комплексной доводки стали на металлургических предприятиях, по существу, создает уникальные возможности по совмещению отдельных элементов технологической схемы выплавки и разливки стали в единый энерго- и ресурсосберегающий комплекс.

При организации энергосберегающего цикла производства стали важнейшей задачей является совмещение дискретного цикла выплавки стали с квазинепрерывным процессом ее разливки на МНЛЗ в условиях уменьшения запаса энтальпии в металле вследствие потерь тепла при транспортировке и обработке в ковше.

Компенсация тепловых потерь металла может быть выполнена только за счет его подогрева в ковше. На практике операция подогрева металла в ковше происходит за счет экзотермических и электрофизических процессов дугового разряда. В трехфазных установках, работающих на переменном токе промышленной частоты, электрические дуги горят между тремя вертикально расположенными графитированными электродами и расплавом, выполняющим роль нулевой точки электрического соединения трех дуг в «звезду».

Устройство для нагрева стали в ковше впервые использовано в 1964 г. шведскими фирмами «ASEA» и «SKF» при разработке процесса рафинирования стали в вакууме. Такие установки для комплексной обработки получили название «ковш-печь» (УКП) «ASEA-SKF». При этом процесс «ASEA-SKF» предполагал скачивание шлака из ковша посредством машины скребкового типа, перемешивание металла посредством электромагнитного поля, его подогрев электрическими дугами, наведение синтетического рафинирующего шлака, а также вакуумирование и раскисление. Процесс перемешивания металла вдуваемым через пористую пробку арго-ном при пониженном давлении в сочетании с дуговым подогревом впервые опробован в США на металлургическом заводе «Finkl and Sons» в середине 60-х годов прошлого столетия. В дальнейшем этот процесс получил название «FINKL-VAD».

В течение последних двух десятилетий агрегаты «ковш-печь» непрерывно совершенствовались как в технологическом, так и в конструкционном плане. Это позволило достичь весьма высоких показателей, как в части качества стали, так и в части энерго- и ресурсосбережения в технологической схеме её выплавки и разливки. Более того, на практике убедительно доказана высокая конкурентоспособность агрегатов «ковш-печь» практически для всего диапазона вместимости сталеразливочных ковшей: от 12-15 т до 350-360 т.

Современная установка дугового нагрева стали в ковше имеет устоявшуюся архитектуру и конструкцию, которая подобна ДСП и включает следующие основные элементы:

· печной трансформатор, мощность которого обеспечивает нагрев стали в ковше со скоростью 3-6 ^oС/мин;

· короткую сеть;

· колонны электрододержателей с приводами перемещения электродов;

· электрододержатели различного исполнения: - с трубошинами или токопроводящие - могут применяться как индивидуально управляемые, так и спаренные (электроды неподвижны один относительно другого); взаимное расположение токопроводящих элементов электрододержателей выполняется триангулированным или копланарным с петлей симметрии;

· водоохлаждаемый свод, который имеет технологические отверстия, а также отверстия для электродов и газоотсоса, что приводит к необходимости увеличивать его поверхность за счет изменения формы; наибольшее распространение получила шляпообразная форма свода.

В состав современного агрегата «ковш-печь» (рисунок 1) входят также средства для принудительного перемешивания металла инертным газом, а также система подачи ферросплавов и материалов для рафинирования стали в ковше.

Непрерывный ввод различных веществ (углерода, раскислителей, модификаторов) проводят с применением порошковой проволоки, имеющей в своем сечении круг или прямоугольник, стальная оболочка, которой обычно завальцована. Ввод порошковой проволоки в расплав осуществляется по направляющей трубе с помощью специального трайбаппарата, состоящего из подающего и разматывающего устройств.

Вакуумирование стали (если оно предусмотрено технологическим регламентом) осуществляется на отдельной установке. Как правило, это вакууматор камерного типа VD/VAD. При этом насыщенность процесса вакуумирования различными технологическими операциями обусловливает дополнительные потери тепла сталью в процессе обработки.

Наибольшее влияние на рабочие параметры агрегатов «ковш-печь» оказывает, прежде всего, вместимость сталеразливочного ковша. Причем существует прямая зависимость между увеличением вместимости ковша, расходом вдуваемого аргона и мощностью трансформатора. В то же время, скорость нагрева металла в ковше для большинства УКП составляет 3,5-4,0 ^oС/мин. Исключением являются ковши малой вместимости (15-40 т), в которых скорость нагрева может достигать 5-6 0С/мин, что, вероятно, объясняется необходимостью компенсации более высоких удельных потерь тепла в малых ковшах.

Рисунок 1 - Общая схема установки «ковш-печь»

Между тем, говоря об эффективности обработки стали в агрегатах «ковш-печь», необходимо обязательно принимать во внимание удельные расходы, связанные с затратами энергии на нагрев металла и расходом огнеупоров. При этом на величину затрат существенное влияние оказывает рациональная организация технологического процесса в совокупности с условиями совмещения работы сталеплавильных агрегатов и МНЛЗ. Вместе с тем, следует отметить, что условия эксплуатации ковшей в агрегатах типа «ковш-печь» могут существенно различаться по целому ряду квалификационных признаков. В настоящее время агрегатами типа «ковш-печь» оснащены практически все электросталеплавильные цехи мини-заводов, а также большинство конвертерных цехов заводов с полным циклом. Характерным является тот факт, что эти агрегаты сооружены в различное время в цехах с разной стратегией функционирования и развития. Соответственно, они имеют некоторые отличные друг от друга производственные показатели, которые не всегда корректно сравнивать с показателями других аналогичных агрегатов.

При производстве сортовой заготовки наибольшее распространение в мире получили УКП, работающие по совмещенной модульной схеме в комплексе с дуговой сталеплавильной печью или кислородным конвертером и высокопроизводительной МНЛЗ. При этом режим работы УКП соответствует технологической цикличности разливки стали на сортовой МНЛЗ, а для обеспечения некоторого демпфирующего резерва времени (для поддержания непрерывности процесса литья) перед началом процесса разливки предусматривается один дополнительный ковш металла, что, соответственно, предполагает увеличение времени пребывания стали в нем.

Значительные отличия появляются в работе агрегатов «ковш-печь» в случае их функционирования в структуре предприятий, ориентированных на выпуск качественной продукции вполне конкретного назначения. Для таких УКП расширяются задачи по рафинированию и доводке стали по химическому составу. Очень часто в технологическую схему производства заготовки включается операция вакуумирования, что предполагает увеличение времени пребывания стали в ковше в среднем на 40-50 минут и дополнительные потери тепла (на 40-60 ^oС), компенсируемые за счет подогрева металла на УКП [183-185]. Суммарная длительность пребывания металла в ковше в этом случае может возрастать примерно в 2 раза при увеличении нагрузки на огнеупоры шлакового пояса.

Значительные отличия появляются в работе УКП в условиях предприятий, ориентированных на выпуск высококачественной уникальной продукции. Обычно такие предприятия имеют небольшие объемы производства (10-50 тыс. т в год), а, следовательно, не нуждаются в высокой удельной производительности сталеплавильных агрегатов и УКП. В любом случае в технологическом их построении имеется, по меньшей мере, одна установка для вакуумной обработки стали. Кроме того, сложный сортамент выплавляемой стали предопределяет увеличение цикла нахождения металла в установке «ковш-печь», поскольку расширяется спектр операций по легированию, рафинированию и модифицированию металла. Такие агрегаты имеют небольшую вместимость ковшей (соответственно, 50 т и 15 т) и обеспечивают получение стали специального назначения [186-188]. Между тем, для таких УКП наблюдается повышенный износ футеровки ковшей в зоне шлакового пояса, что объясняется значительным перегревом шлака и близким расположением электродов по отношению к огнеупорному слою.

В целом же функциональная эффективность УКП может существенно отличаться в зависимости от стратегии завода и структуры металлургического производства, что соответственно определяет круг требований к отдельным параметрам обработки и огнеупорам, используемым в ковшах, в зависимости от длительности пребывания в них металла и уровня качества стали.

Регулирование температуры жидкой стали в ковше

На современном этапе развития металлургического производства высокий уровень качества металлопродукции в значительной степени обеспечивается сочетанием различных технологических приемов внепечного рафинирования жидкого металла, что неизбежно приводит к увеличению продолжительности пребывания расплава в ковше. Ковшевые процессы глубокого рафинирования металла на всех этапах сопровождаются существенным снижением температуры расплава, которые, например, для сталеразливочных ковшей вместимостью 100-150 т могут составлять:

· в позиции ожидания и при перестановках ковша - со скоростью 0,5-0,6 ^oС/мин без защиты зеркала расплава, и 0,2-0,3 ^oС/мин - с защитой различными средствами, например, крышкой;

· при усреднении металла путем продувки инертным газом - со скоростью 1,1-1,4 ^oС/мин;

· 60-80 ^oС за цикл ковшевого вакуумирования;

· 30-40 ^oС в процессе десульфурации, включающем формирование шлака и перемешивание расплава газом;

· 10-15 ^oС при вводе ферросплавов с последующим усреднением химического состава и температуры стали в ковше (в зависимости от вида и количества добавок).

Как показывает практика работы ряда металлургических предприятий, общее снижение температуры в ходе внепечной обработки стали массового сортамента составляет 50-60 ^oС и более, а при производстве специальных марок стали с технологией однократного или двойного вакуумирования - от 150 ^oС до 250-300 ^oС, соответственно [189].

В целом же величина потерь тепла при внепечной обработке стали в ковше зависит от целого ряда производственных факторов и колеблется от плавки к плавке. К наиболее значимым параметрам, которые влияют на величину теплопотерь, следует отнести: температуру и продолжительность выпуска плавки; состояние (степени изоляции и износа рабочего слоя, величина теплопроводности материалов и пр.) и температуру огнеупорной футеровки сталеразливочного ковша; количество и вид вводимых в ковш добавочных материалов; длительность и интенсивность продувки жидкой ванны инертным газом; продолжительность операций ввода и растворения легирующих; пребывание металла в ковше (с учетом времени «ожидания» разливки) и пр.

Вместе с тем, даже в условиях жесткой минимизации потерь тепла, для обеспечения требуемых параметров разливки стали температура выпуска должна быть повышена до 1700-1750 ^oС и более, что неизбежно приводит к дополнительным потерям железа шихты и электроэнергии, а также к повышенному износу футеровки. Более того, для проведения последующего длительного комплексного рафинирования стали однократный перегрев перед выпуском, как правило, не в состоянии обеспечить:

· чистоту полупродукта, выпускаемого из плавильной печи, в связи с существенным увеличением растворимости газов при перегреве расплава;

· точность и стабильность получения заданной температуры стали в соответствии с требованиями разливки;

· экономическую целесообразность из-за увеличения потерь энергии, связанных со значительным перегревом металла, существенным снижением стойкости печных и ковшевых огнеупоров и удлинения цикла плавки.

Несмотря на то, что технологические параметры получения заданной температуры металла на выпуске из конвертера рассчитывают с высокой точностью, возникают ситуации, когда температура в сталеразливочном ковше снижается до уровня, при котором разливка на МНЛЗ становится затруднительной. В этом случае для исправления «холодных» плавок некоторые сталеплавильные цехи применяют метод химического подогрева стали в ковше.

Известно, что химический подогрев стали в ковше основан на вводе в расплав дополнительного количества алюминия с последующим окислением его газообразным кислородом в объеме металла. Реакция окисления растворенного алюминия сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии, которая практически полностью усваивается расплавом. После проведения процесса металл подвергают очистительной продувке инертным газом в течение 15-20 мин для удаления продуктов реакции.

Различные технологические варианты реализации технологии химического подогрева отличаются способом ввода алюминия и кислорода. Так, процесс IR-UT, разработанный компанией «Sumitomo Metal Ind», включает ввод порошкообразных материалов в металл под специальным колоколом, перемешивание инертным газом и подачу кислорода на поверхность стали. В процессе CAS-OB для ввода добавок также используют погружаемый колокол, которым накрывают так называемое «аргонное пятно». Разработанные в СНГ технологические варианты основаны на вводе в металл первичного алюминия в виде катанки (с помощью трайб-аппарата), вторичного алюминия в виде чушек или монолитного блока на ложном стопоре с продувкой кислородом через погружаемую фурму. Примерный расход материалов для нагрева стали на 60 ^oС составляет: алюминия - 2,5-2,6 кг/т стали (1 кг алюминия на 1 т стали обеспечивает подогрев на 23-25 ^oС); кислорода - 1,0 м³/т; дополнительный расход огнеупоров 0,1-0,2 кг/т стали.

Тем не менее, внедрение технологии химического подогрева стали в конвертерных цехах при непрерывной разливке на сортовую заготовку представляется достаточно проблематичным, поскольку наличие включений глинозема в жидкой стали будет приводить к ускоренному зарастанию отверстия стакана-дозатора.

Современная идеология компенсации тепловых потерь в ходе ковшевой обработки основывается на обеспечении порционного дозированного подвода тепла к расплаву в ковше с целью обеспечения минимального перегрева на всех стадиях внепечной обработки от выпуска до транспортировки готовой стали на разливку. Реализация такого подхода достигается путем применения мощного высокотемпературного источника локального нагрева, который обеспечивает непрерывную компенсацию тепловых потерь. При этом с одной стороны, тепловая энергия концентрируется в зоне шлака для поддержания его необходимых физических свойств и плавления высокотемпературных компонентов шлаковой смеси, а, с другой, в сочетании с пневматическим перемешиванием в процессе нагрева происходит усреднение температуры во всем объеме.

Как известно, возможность ввода большого количества тепловой энергии в сочетании с простотой регулирования подводимой мощности является неоспоримым преимуществом дугового нагрева, поэтому нагрев стали в ковше проводят с помощью электрической дуги переменного трехфазного тока. Очевидно, что применение электрической дуги постоянного тока в этом случае представляется достаточно спорным.

Взаимодействие тока дуги с окружающим ее магнитным полем нельзя рассматривать изолированно от шлака на поверхности металла, так как глубина погружения дуги в ванну при прочих равных условиях, прежде всего, зависит от толщины слоя жидкоподвижного шлака и его плотности. Поэтому идея ковшевого электрического нагрева состоит в применении коротких сильноточных дуг, которые горят в глубоких лунках и передают тепловой поток металлу и шлаку вблизи электродов. При этом нагрев металла происходит также за счет теплопроводности и электродинамической конвекции, а свободное излучение на футеровку сводится к минимуму. Очевидно, что величина глубины погружения электрической дуги в жидкий шлак в существенной степени определяет степень усвоения тепловой энергии расплавом.

Результаты оценки глубины лунки для различной величины силы тока дуги представлены на рисунке 2.

Чтобы избежать шунтирования электрической дуги и растворения углерода графитированных электродов во время нагрева, длина дуги должна несколько превышать глубину лунки. С другой стороны, для уменьшения потерь тепла излучением и потребления шлакообразующих материалов, длина дуги должна быть ограничена величиной толщины слоя шлака. Выполнение этих условий должно обеспечиваться регулированием электрических параметров дугового разряда и ведением технологического процесса.

Таким образом, эффективная работа установки дугового нагрева возможна при строгом соответствии ряда параметров, в т.ч.: величины падения напряжения дугового разряда (напряжения дуги), которая определяет ее длину; силы тока дуги, влияющей на глубину шлаковой лунки; шлакового режима, обеспечивающего устойчивый нагрев металла.

Рисунок 2 - Зависимость глубины шлаковой лунки электрической дуги от силы тока

В благоприятных условиях, при большой силе тока и высокой степени экранирования шлаком дуговой промежуток все время ионизирован до такой степени, что его электропроводность практически постоянна в течение полупериода. Понятно, что толщина слоя шлака оказывает непосредственное влияние на условия горения дуги, электрический режим и выделяемую мощность. Так, установлено, что для плавки массой 100-150 т величина слоя шлака 100-120 мм обеспечивает спокойное и устойчивое горение электрической дуги. При этом она в меньшей степени «выдувается» в сторону футеровки ковша и обеспечивает износ торца графитированного электрода в горизонтальной плоскости. В случае чрезмерной толщины шлака скорость нагрева металла в сталеразливочном ковше существенно снижается, так как теплопроводность шлака на порядок ниже, чем теплопроводность стали.

Если же толщина шлака недостаточна, то он «раздувается» дугой. В таких условиях дуга горит менее устойчиво, что, по-видимому, связано с оголением зеркала жидкой стали и повышением концентрации паров железа в разрядном промежутке.

Горение дуг в период формирования шлака протекает в неблагоприятных условиях: дуги горят неспокойно, часто обрываются на время, необходимое для восстановления дугового разряда. В паузах столб дуги резко охлаждается, отдавая значительное количество энергии окружающим его твердым шлакообразующим материалам, и теряет электропроводность.

Величина мощности электрической дуги должна обеспечить проведение (в заданных графиком внепечной обработки временных рамках) следующих технологических операций: компенсацию тепловых потерь металла в ковше на всех стадиях внепечной обработки; формирование рафинировочного шлака; корректировку температуры жидкой стали перед разливкой. Принимая во внимание вышеуказанные ограничения, для заданной величины мощности дуги можно оценить ее силу тока и напряжение.

На практике значения электротехнических показателей установок «ковш-печь» являются устоявшимися величинами. Сложившееся конструктивное оформление, применение новых технологий и качественное изготовление элементов короткой сети установки ковш-печь обеспечивают значение электрического КПД на уровне _э = 0,90 и выше.

Величина коэффициента мощности характеризуется компромиссным решением проблемы нагрева, так как, с одной стороны, повышение (за счет снижения силы тока и увеличения напряжения при одинаковой полной мощности печного трансформатора) приводит к уменьшению глубины лунки и росту длины дуги, что сокращает долю полезно используемой тепловой энергии. А с другой - снижение вызывает уменьшение активной мощности электрической дуги с одновременным повышением ее КПД. Принято считать, что оптимальное значение коэффициента мощности для УКП не превышает 0,70.

Величина мощности трансформатора установки ковш-печь является основным энерготехнологическим параметром агрегата для дугового нагрева и оказывает многоплановое влияние на эффективность ее работы. В частности, величина мощности трансформатора оказывает непосредственное влияние на скорость нагрева стали в ковше и продолжительность цикла обработки, условия работы футеровки ковша и расход огнеупоров, а также качество проведения технологического процесса.

Анализ известных данных ведущих мировых производителей УКП свидетельствует о том, что:

· средняя удельная установленная мощность трансформатора УКП снижается от 0,30 до 0,14 МВА/т по мере увеличения массы стали в ковше с 20 до 400 т, соответственно, что вызвано сокращением потерь тепла в более крупных ковшах;

· пониженная величина удельной мощности печного трансформатора (более чем на 20 % от средней) характерна, прежде всего, для двухпозиционных установок, работающих в условиях ритмичной подачи ковша с запасом времени на нагрев;

· повышенную мощность (более чем на 20 % от средней), как правило, имеют агрегаты внепечного нагрева для производства специальных марок стали.

Обычно мощность печного трансформатора ограничивается интенсивностью нагрева металла, обусловливающего износ огнеупоров ковша. Излишне высокая величина подводимой мощности приводит к увеличению интенсивности износа футеровки ковша в шлаковой зоне и в «горячих точках». Практикой установлено, что величина износа огнеупоров стен ковша находится в допустимых пределах при величине удельной активной мощности, не превышающей 2,0-2,5 МВт/м² площади зеркала ванны.

Опыт эксплуатации современных УКП показывает, что при дуговом нагреве доля тепловых потерь с отходящими газами, а также водой используемой для охлаждения панелей свода относительно постоянна и составляет около 19-22% всех затрат тепла.

Принудительное перемешивание расплава в ковше

Перемешивание расплава в ковше является обязательной операцией внепечной обработки. Известно, что в сочетании с интенсивным перемешиванием скорость рафинирования металла различными технологическими средствами существенно возрастает, становится возможным реализация эффективного дугового нагрева и вакуумной обработки раскисленной стали. Более того, путем перемешивания достигают требуемые по условиям разливки степень однородности температуры и химического состава стали, которые в значительной мере определяют технико-экономические показатели процесса производства.

Количественная оценка изменения температуры стали по ходу разливки из 160-т ковша в кислородно-конвертерном цехе комбината им. Ильича приведена в работе. Установлено, что для плавок без перемешивания аргоном перепад температуры стали по ходу разливки составляет в среднем 30-32 ^oС, а на плавках, обработанных продувкой аргоном через пористый блок, этот перепад уменьшается до 7-8^oС (то есть, примерно в четыре раза). Следует отметить, что величина потерь тепла металлической ванны на нагрев вдуваемого газа оказывается пренебрежительно малой. Так, падение температуры стали составляет 1,8 ^oС на 1м³/т, что в приведенном случае не превышает 0,05 ^oС. Перемешивание жидкой ванны в ковше по способу организации разделяют на пневматическое (путем продувки инертным газом) и электромагнитное (за счет взаимодействий индуцируемого в жидкой стали электрического тока с внешним переменным электромагнитным полем).

Принято считать, что для достижения максимальной равномерности химического состава целесообразнее использовать электромагнитное перемешивание, а для глубокого рафинирования (десульфурация и дегазация) - продувку аргоном.

Пузырьки газа, которые проходят при продувке весь металл по высоте, способствуют его рафинированию. Интенсивное перемешивание ускоряет доставку неметаллических включений к поверхности раздела металл - шлак и удаление их из стали, чему способствует флотация неметаллических включений пузырьками продуваемого газа. Так как парциальное давление, например, водорода в пузырьках инертного газа практически равно нулю, они по отношению к растворенному водороду являются «вакуумными» полостями и экстрагируют газ из металла.

Известно, что характер и интенсивность движения стали в ковше зависят от ряда параметров продувки, которые влияют на ее эффективность, в частности на степень гомогенизации металлической ванны . На основании исследований поведения металла при продувке в различных агрегатах установлена зависимость времени, необходимого для достижения определенной степени гомогенизации, от параметров продувки, основным из которых является диссипация энергии. Так, величина диссипации энергии увеличивается, а время, необходимое для гомогенизации стали в ковше при заданной температуре, уменьшается с повышением скорости поступления газа в металл, а также с увеличением глубины барботажной зоны. С увеличением массы металла и диаметра ковша время гомогенизации увеличивается.

Современная техника пневматического перемешивания сравнительно проста и надежна в обслуживании и эксплуатации. Разработанные и широко применяемые технологические варианты обеспечивают необходимый уровень мощности перемешивания, что позволяет удалять неметаллические включения, а также интенсифицировать массообменные процессы между металлической и шлаковой фазами.

На практике для вдувания инертного газа в металл на этапе внепечной обработки применяют либо погружаемые в расплав фурмы, либо специальные огнеупорные блоки, устанавливаемые в днище ковша.

Применение погружаемой продувочной фурмы не требует изменения конструкции сталеразливочного ковша, устройство ввода надежно и просто в эксплуатации, что и предопределило применение способа как резервного для перемешивания стали на установке «ковш-печь». Большое количество установок «ковш-печь» оснащены дополнительной погружаемой фурмой, которая находится в поднятом положении и вводится в расплав только в случае нарушения газопроницаемости продувочных устройств в днище ковша. В большинстве случаев такой способ аварийного перемешивания позволяет восстановить работу донных продувочных устройств.

Основной тенденцией развития новых конструкций продувочных устройств является все более широкое применение специальных керамических пробок, устанавливаемых в днище ковша. Это стало возможным благодаря повышению их эксплуатационной стойкости и снижению удельных затрат. Применение донных продувочных блоков позволяет более точно регулировать расход вдуваемого газа при его стабильной подаче, а также обеспечить вдувание газа в нескольких точках. В целом, за исключением каких-то специальных случаев, следует отметить стремление технологов уменьшить интенсивность продувки металла в ковше при увеличении ее продолжительности в ходе цикла обработки.

В соответствии с основными технологическими задачами продувку стали инертным газом ведут на различных этапах пребывания стали в ковше с изменением интенсивности в широких пределах: от 3-6 до 35-50 м³/ч (от 50-100 до 600-800 л/мин), что предъявляет продувочному узлу требование универсальности. Характеристика газового потока из продувочного узла зависит от профиля и расположения газовых каналов.

Для продувочного узла выбирают огнеупорный материал, исходя из условий эрозии и абразивного износа при службе с учетом конструктивного исполнения и особенностей изготовления:

· пористые пробки из материала с высокой пористостью, где газ протекает через произвольно расположенные капиллярные каналы, имеющие большой спектр величины диаметра;

· комбинированные пробки с круглыми каналами заданного диаметра, которые соединены между собой или являются независимыми;

· сборные сегментные пробки со щелевыми каналами заданного сечения, расположенные по какой-либо схеме.

Как показал опыт промышленной эксплуатации, пористые пробки рекомендуется применять только для условий работы с относительно коротким временем продувки и пребывания металла в ковше. Это объясняется тем, что из-за высокой пористости и несистематизированного расположения газовых каналов на практике происходит быстрое проникновение стали в поры продувочного узла. Последующие термические удары и химическая (кислородная) очистка приводит к быстрому разрушению пробки (в течение 7-15 плавок). При удлинении времени продувки разрушение пробки может происходить еще быстрее и приводить к аварийным ситуациям.

Более высокая эксплуатационная стойкость продувочных узлов может быть достигнута в случае применения специальных блоков с направленной пористостью. При этом сборная пробка со щелевыми каналами оказывается наиболее предпочтительной с точки зрения организации процесса продувки и подбора наилучших по стойкости материалов для отдельных керамических элементов, входящих в конструкцию продувочного узла. При использовании пробки сегментного типа их проницаемость для газа сохраняется в 90 % и более случаев без применения кислородной очистки перед очередным наливом. Эксплуатационная стойкость такой пробки может сохраняться в течение 30-50 плавок и более (до 4000 минут продувки), что обеспечивает ее равную стойкость в сравнении с огнеупорами днища ковша. При этом посредством выбора начальной высоты пробки возможно регулирование показателя ее эксплуатационной стойкости.

Усреднение стали в объеме сталеразливочного ковша сопровождается рядом процессов, которые оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на её качество и себестоимость:

· энергичное перемешивание жидкой ванны металла в ковше путем формирования восходящего газометаллического циркуляционного потока в месте инжекции газа и нисходящих конвективных потоков стали по периферии;

· взаимодействие потоков металла и покровного шлака, как по всей поверхности, так и в зоне выхода газа из металла в шлак (степень развития этого процесса зависит от интенсивности вдувания газа и способа его инжектирования);

· повышение степени чистоты стали по неметаллическим включениям за счет эффекта флотации во всплывающих пузырьках инжектируемого газа и их взаимодействия с рафинировочным шлаком;

· ускорение процессов расплавления и усвоения вводимых в жидкую ванну твердых реагентов, раскислителей, модификаторов и лигатур;

· ускорение процесса вакуумной дегазации стали за счет транспортировки к поверхности зеркала расплава порций металла, расположенных в нижней части ковша;

· развитие процесса вторичного окисления и насыщения стали газами в случае чрезмерно интенсивной продувки;

· ускорение износа футеровки сталеразливочного ковша, что во многом предопределяет повышение требований к качеству и химическому составу огнеупоров.

При проектировании технологии внепечной обработки все вышеперечисленные процессы необходимо количественно оценить и соизмерить в зависимости от целей, а также технических и технологических ограничений в конкретных условиях производства. Наряду с обеспечением требуемого уровня рафинирования стали оптимизируют конструкцию ковша, тип и расположение продувочных устройств, а также режим продувки с целью экономии энергетических и материальных ресурсов.

Для разработки рациональных схем технологии перемешивания металла в ковше при вдувании инертного газа требуется изучение гидродинамики жидкой ванны и интенсивности перемешивания. Прямое определение рабочих параметров в промышленных условиях не представляется возможным, поэтому для этих целей широко используются методы физического и математического моделирования.

Физическое моделирование, как правило, применяют с целью визуальной оценки рационального расположения и количества продувочных устройств, а также характера гидродинамических процессов в системе, от которых в значительной мере зависит размер зоны контакта покровного шлака с футеровкой, а, следовательно, и скорости ее локального износа.

Альтернативным методом перемешивания металла в ковше является воздействие на расплав электромагнитного поля (рисунок 3). Характерной особенностью этого метода перемешивания является то, что индуктор расположен с внешней поверхности ковша, и воздействие проникает от стены ковша внутрь жидкой ванны. При этом в оборудовании отсутствуют движущиеся части и элементы, непосредственно контактирующие с жидким металлом. Кроме того, при наложении электромагнитного поля на металл имеются весьма широкие возможности по регулированию мощности перемешивания, а также по реверсированию направления движения потоков.

Рисунок 3 - Схематическое представление характера перемещения потоков металла при продувке газом (а) и ЭМП (б)

Между тем, нельзя не отметить и достаточно очевидные недостатки электромагнитного перемешивания: ограничения в глубине проникновения поля в металл и необходимость наличия «немагнитных» вставок в стальных кожухах ковшей в зоне расположения индуктора. Достаточно очевидным также представляется и тот факт, что в случае повышения интенсивности перемешивания значительно возрастает скорость износа огнеупоров в зоне расположения индуктора.

Сопоставительный анализ функциональных различий методов электромагнитного перемешивания и продувки металла аргоном через пористый блок приведены в таблице 1.

В литературе имеются достаточно противоречивые данные относительно величины удельных затрат на организацию электромагнитного перемешивания. Однако с учетом обязательных затрат на оснащение ковшей немагнитными вставками и приобретение дорогостоящего оборудования для электромагнитного перемешивания, видимо, следует считать, что этот метод представляется более дорогостоящим. Исключение могут составить ковши малой вместимости (15-40 т), поскольку в них существенно возрастает доля удельных затрат на огнеупоры и повышаются потери тепла.

Так, выполненная в условиях ЭСПЦ ДП «Завод утяжеленных и ведущих бурильных труб» (г. Сумы) оценка времени перемешивания металла в 20-тонном ковше показала, что для широкого диапазона изменения величины мощности перемешивания (100-600 Вт/т) интенсивность электромагнитного перемешивания примерно на 20-30 % ниже, чем при продувке металла газом. Оценка выполнялась посредством введения в расплав фиксированного количества (500 кг) ферроникеля ФН-5 (30% Ni) и определения времени выравнивания концентрации никеля в объеме ковша [208]. Это, видимо, следует связывать с тем, что при продувке аргоном в зону активного принудительного перемешивания вовлекаются значительно большие объемы металла. Кроме того, при выходе пузырьков газа из жидкой ванны в атмосферу интенсифицируется перемешивание верхних слоев металла в ковше (рисунок 3).

Таблица 1 - Сравнение характерных технологических эффектов для методов ЭМП и продувки

В технологическом плане интенсификация перемешивания металла в зоне, непосредственно прилегающей к шлаку, имеет большое практическое значение. Это, в первую очередь, относится к эффективности десульфурации стали синтетическим шлаком. В промышленных условиях ДП «Завод утяжеленных и ведущих бурильных труб» выполнена также серия экспериментов по оценке эффективности удаления серы различными методами. Для обработки использовался шлак следующего химического состава: 50-60% CaO; 10-15% SiO₂; 6-8% MgO; 15-20% Al₂O₃; FeO < 1,5%. Сравнение полученных данных представлено на рисунке 2.4.

Обобщая полученные результаты, отметим, что эффективность процесса десульфурации в значительной степени зависит от интенсивности перемешивания металла и шлака, что в наилучшей степени достигается при продувке жидкой ванны аргоном. Причем продувка производится под нагревательным сводом с незначительным оголением зеркала, что предупреждает вторичное окисление стали. По сути, применение только электромагнитного перемешивания (рисунок 4) не может обеспечить быстрого и эффективного удаления серы из металла.

Рисунок 4 - Рисунок 4 - Динамика десульфурации стали синтетическим шлаком при продувке аргоном (), а также ЭМП в ковше под атмосферным давлением (*) и в процессе вакуумирования (o)

Применение метода электромагнитного перемешивания в процессе вакуумирования существенно повышает степень десульфурации стали при прочих равных условиях. Это следует связывать с дополнительным перемешиванием металла со шлаком в ходе интенсивного всплытия пузырьков СО.

В целом технологическая схема агрегата «ковш-печь» с применением электромагнитного перемешивания для ковшей малой вместимости представляется вполне конкурентоспособной в сравнении с продувкой аргоном в случае ее использования в технологической цепочке с вакуумированием стали.

Огнеупоры для агрегатов «ковш-печь»

Одной из основных затратных статей при внепечной обработке стали в УКП является удельный расход огнеупоров, который существенным образом зависит от рационального выбора номенклатуры изделий, условий их эксплуатации и ремонта.

Оптимизация выбора огнеупорных материалов для сталеразливочного ковша в УКП является актуальной задачей, при решении которой необходимо учитывать не только общие принципы построения футеровки, но также принимать во внимание условия эксплуатации ковшей, как неотъемлемого элемента технологической цепочки всего сталеплавильного цеха. К числу главных факторов, которые необходимо учитывать при конструировании футеровки ковша, следует отнести: удельную стоимость огнеупоров и их гарантируемое качество (стойкость); способ изготовления и методы ремонта элементов футеровки (в том числе промежуточных); методы контроля износа элементов футеровки в ходе эксплуатации; степень влияния футеровки на качество стали (загрязненность неметаллическими включениями); вероятность быстрого аварийного разрушения футеровки в экстремальных условиях.

Учитывая стремление большинства сталеплавильщиков к максимальному снижению удельного расхода огнеупоров, следует считать, что одним из базовых принципов конструирования футеровки должен быть принцип обеспечения равной и высокой стойкости различных участков футеровки и универсальности отдельных заменяемых элементов.

Обобщая известные данные по характеру износа футеровки и огнеупорных элементов сталеразливочных ковшей агрегатов «ковш-печь», выделим наиболее быстро и неравномерно изнашиваемые зоны: зона шлакового пояса и область, прилегающая к шлаковому поясу снизу; зона контакта футеровки с падающим из печи металлом (днище или нижняя часть стенки); зона контакта футеровки (стена) с быстро движущимися восходящими потоками (при донной продувке инертным газом); область днища, непосредственно прилегающая к продувочному узлу; продувочный узел и гнездовой блок. На практике скорость износа вышеперечисленных зон достаточно сильно различается между собой и в несколько раз превышает скорость износа остальных участков футеровки ковша.

В основу выбора элементов футеровки ковшей для УКП могут быть положены два альтернативных принципа (рисунок 5):

· применение для футеровки ковша только (штучных) кирпичных изделий различной прочности и толщины;

· использование в рабочем слое наливных тиксотропных масс, которые дают возможность осуществлять общий ремонт футеровки за счет ее многократной доливки.

Применение кирпичной футеровки рабочего слоя следует считать традиционной и наиболее рациональной схемой подготовки сталеразливочных ковшей к эксплуатации. Основным недостатком такой футеровки было принято считать ее недостаточную стойкость, которая обычно связывалась с локальным износом отдельных зон футеровки и необходимостью вывода из эксплуатации всего ковша.

Вместе с тем, достигнутые в последнее десятилетие показатели эксплуатационной стойкости огнеупоров на основе магнезита и доломита позволили значительно расширить возможности внепечной обработки в ковше как технологического приема повышения качества стали.

Рисунок 5 - Схема футеровки сталеразливочного ковша штучными изделиями (слева) и наливными бетонами (справа): 1,2 - фиксирующий и теплоизолирующий слой; 3 - шлаковый пояс; 4 - стена; 5 - выравнивающая защита; 6 - выравнивающий слой; 7 - блоки, установленные в месте падения струи; 8,9 - начальный и ремонтный слой бетона

По существу, ведущие производители огнеупоров (а их насчитывается в мире более двух десятков) для сталеплавильной технологии располагают весьма широкими возможностями в части получения огнеупорных изделий с различными эксплуатационными параметрами, что позволяет реализовать принцип равностойкости различных зон ковша. Этот принцип достигается как за счет варьирования номенклатуры (химического состава и механических свойств) изделий, так и за счет разной толщины футеровки в зависимости от скорости износа. На практике это означает, что при выборе огнеупоров первоначально определяется (задается) стойкость наиболее изнашиваемых элементов, которая определяет эксплуатационные показатели работы ковша в целом. Как показали исследования, такими элементами являются шлаковый пояс и продувочный узел. В настоящее время представляется возможным и экономически целесообразным обеспечивать соотношение стойкости футеровки ковша к стойкости шлакового пояса либо 2:1, либо 1:1.

Аналогичным образом подбираются огнеупоры для днища ковша. При этом стойкость продувочного узла выбирается на уровне стойкости днища или шлакового пояса. Преимущество спроектированной таким образом кирпичной футеровки заключается в уменьшении затрат на промежуточные ремонты, снижении чувствительности футеровки к длительному пребыванию в ней металла, уменьшении затрат на огнеупоры за счет использования изделий отечественных производителей в местах, которые меньше подвержены износу, повышении качества стали и т.п.

Метод изготовления наливной футеровки на основе высокоглиноземистых тиксотропных и саморастекающихся масс получил широкое применение на мини-заводах в США, Западной Европе и Японии в последние два десятилетия [220]. На первый взгляд, основным преимуществом различных типов наливной футеровки принято считать высокую степень автоматизации процесса изготовления и последующей подготовки ковшей к эксплуатации, а также возможность периодического ремонта футеровки за счет ее подливки после каждых 40-70 плавок. Однако использование ковшей с наливной футеровкой требует оснащения участка их подготовки специальным оборудованием: смесителями для приготовления наливной массы с выдачей материала, шаблоном для формирования внутренней поверхности футеровки, виброустановками для уплотнения бетона, специальными сушильными агрегатами для длительной (в течение нескольких суток) термообработки футеровки по заданному режиму, специальным участком в цехе, в котором поддерживается положительная температура в зимнее время и пр.

Между тем, сравнительно быстрый цикл изготовления футеровки ковша (2-3 ч) не обеспечивает дальнейших преимуществ в силу того, что длительность периода «выдержка - сушка - разогрев» ковша составляет, по меньшей мере, двое суток. В этих условиях негативным фактором следует считать невозможность оперативного ввода ковша в эксплуатацию, так как персонал цеха должен планировать вывод его из работы за 3-4 суток, что при значительном износе футеровки представляется достаточно сложной производственной задачей. Наличие эксплуатационного резерва по футеровке у ковша, который запланирован к выводу из эксплуатации, приводит к ситуации, когда новый ковш продолжает стоять под разогревом (соответственно происходит потеря топлива), либо приходится выводить из эксплуатации старый ковш, который мог бы еще работать некоторое время (это повышает удельный расход огнеупоров). Эта проблема представляется достаточно актуальной, в условиях, когда в обороте одновременно находится ограниченное количество ковшей. С точки зрения технологии изготовления и эксплуатации наливная футеровка имеет ряд весьма существенных особенностей, которые необходимо учитывать при принятии решения об ее применении:

· обязательная специальная центровка шаблона относительно стенок ковша, которая достаточно часто представляется крайне затруднительной и неэффективной из-за коробления (появления эллиптичности) металлического кожуха ковша в ходе эксплуатации;

· необходимость равномерного прогрева всей поверхности футеровки во время ее сушки, что требует использования специальных горелок и программного обеспечения;

· возможность растрескивания футеровки и нарушения ее сплошности на больших участках во время сушки и при первых наливах (вследствие внутренних напряжений и деформации ковша при транспортировке);

· необходимость тщательной подготовки и ручной очистки футеровки от шлака и металла во время ее промежуточного ремонта и доливки новым слоем бетона; образование трещин в такой футеровке представляется еще более опасным с точки зрения высокой вероятности расслоения бетона.

В определенной степени влияние технологической разнотолщинности футеровки, ее растрескивания и повышенного локального износа удается уменьшить при рациональном выборе толщины футеровки. Лимитирующим звеном при оценке показателей работоспособности монолитной футеровки является ее минимально допустимая толщина, которая обычно принимается в пределах 70-80 мм, и минимально необходимая толщина подливаемого слоя, которая из технологических соображений не должна быть менее 60-70 мм. Соответственно, минимальная начальная толщина монолитной футеровки может колебаться в пределах 140-150 мм. Однако работа сталеразливочного ковша с минимальной начальной толщиной монолитной футеровки не может быть признана рациональным решением по следующим соображениям:

· низкая конструкционная прочность ковша из-за недостаточной толщины слоя футеровки;

· высокая вероятность образования сквозных трещин в футеровке вследствие низкой конструкционной прочности ковша (деформация при транспортировке со сталью);

· высокая температурная нагрузка на весь монолитный слой при длительном нахождении в ковше жидкой стали;

· повышенные требования к равномерности износа футеровки из-за малого интервала между допустимым износом футеровки и минимальной толщиной подливаемого слоя.

Увеличение толщины наливной футеровки также имеет свои ограничения, которые связаны, в первую очередь, с заданной вместимостью сталеразливочного ковша. Кроме того, утолщение слоя наливной футеровки предполагает увеличение срока ее эксплуатации, что ужесточает общие требования к однородности и прочности материала по всей поверхности ковша.

Другим крайне важным элементом футеровки сталеразливочного ковша для агрегатов «ковш-печь» является зона шлакового пояса. Известно, что износ огнеупоров в зоне шлакового пояса для таких ковшей является достаточно быстрым. Часто именно критический износ футеровки зоны шлакового пояса становится причиной вывода ковша из эксплуатации (рисунок 6). Повышенный износ огнеупоров в этой зоне обычно связывают с развитием следующих факторов: использование активного синтетического рафинирующего шлака с высоким содержанием извести и плавикового шпата; применение электродугового подогрева металла в ковше, что значительно повышает температуру шлака и его агрессивность по отношению к футеровке; длительное нахождение футеровки в условиях контакта со шлаком (нескольких часов) при каждом наливе; термоциклический характер работы шлакового пояса и пр.

На практике наибольшее распространение для зоны шлакового пояса получили периклазоуглеродистые изделия с содержанием MgO - 97%. Определенное влияние на стойкость шлакового пояса также оказывает требование проведения вакуумирования стали в ковше.

При рациональной эксплуатации ковша стойкость шлакового пояса может составить 50-70 плавок и более, а согласование стойкости стен ковша и шлакового пояса обычно достигается путем регламентирования марки кирпича и толщины футеровки шлакового пояса. При этом наиболее предпочтительными вариантами следует считать либо равную стойкость шлакового пояса и стен ковша (преимущественно для ковшей с кирпичной футеровкой стен), либо использование двух шлаковых поясов для одного цикла эксплуатации футеровки стен (предпочтительно при использовании монолитных бетонных футеровок).

Рисунок 6 - Внешний вид шлакового пояса 120-т сталеразливочного ковша при механическом скалывании штучных изделий (а) и при химической эрозии (б)

Функционально важным и аварийно опасным элементом футеровки ковша является его днище. Характерной особенностью эксплуатации футеровки днища сталеразливочного ковша является ее контакт с падающей при выпуске струей стали, которая интенсивно размывает футеровку в месте контакта. С другой стороны, футеровка днища ковша обязательно имеет определенные конструктивные ослабления, которые формируются в местах установки продувочных узлов и сталевыпускных стаканов. Таких отверстий в футеровке днища ковша может быть от 2 до 4 шт. При этом каждое отверстие оформляется специальным набором керамических изделий, которые имеют свою скорость износа и свои коэффициенты линейного расширения материала. В условиях различных температурных деформаций отдельных элементов футеровки днища это приводит к неравномерности распределения внутренних напряжений и повышает вероятность появления трещин и разрушений футеровки днища на всем протяжении периода эксплуатации (рисунок 7).

Поэтому в большинстве случаев стойкость футеровки днища как функционального элемента ковша оказывается значительно ниже, чем футеровки стен ковшей, даже в случае использования специальных утолщений из более прочных материалов. Достаточно часто стойкость днища ковша принимается равной стойкости футеровки шлакового пояса, что обеспечивает возможность их одновременного промежуточного ремонта.