Технология непрерывной разливки стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Приоритетное развитие электрометаллургии определяется преимуществами, которые электроплавка имеет перед другими способами выплавки металла.

Электропечь является универсальным агрегатом. В ней можно плавить углеродистый, низколегированный, легированный и высоколегированный сортамент сталей и сплавов. Дуговые печи работают непрерывно или периодически. Они быстрее расплавляют лом, поскольку нагрев осуществляется «изнутри», в колодцах шихты. В кислородном конвертере и мартеновской печи легко создать окислительную, восстановительную и нейтральную атмосферы. Угар легирующих и раскислителей в электропечи на 25 - 30 % меньше, чем в других плавильный агрегатах. Электропечь незаменима для переработки металлизованного сырья, доля которого с каждым годом увеличивается.

Ранее перед электросталеплавильным производством стояли задачи повышения производительности печей, снижения времени плавки, расхода электроэнергии, электродов, огнеупоров и трудовых затрат. Затем на первый план вышли экологических фактор и необходимость использования различных видов металлошихты. Результатом решения этих задач была разработка сверхмощных трехфазных дуговых печей, оборудованных водоохлаждаемыми панелями стен и свода, топливно-кислородными горелками и фурмами для вдувания кислорода и угля.

Значительные достижения в электрометаллургии связаны с разработкой и внедрением в производство технологии высокого уровня, направленной на достижение высокой производительности, снижение себестоимости продукции, повышение качества и конкурентоспособности стали и сплавов, реализацию энерго- и ресурсосберегающих и экологически чистых технологий. Такая технология предполагает использование электропечи только для расплавления шихты и выплавки полупродукта.

1. Технология непрерывной разливки стали

Этот способ состоит в том, что жидкий металл непрерывно заливается в верхнюю часть водоохлаждаемой формы -- кристаллизатор, постепенно затвердевает и охлаждается, проходя вдоль всей технологической оси.

Основными узлами машин непрерывного литья заготовок являются охлаждаемый кристаллизатор или формообразователь, зона вторичного охлаждения слитка (ЗВО), поддерживающая система, тянущее устройство и механизмы для разделения и транспортировки слитков.

Принцип работы МНЛЗ рассмотрим на примере криволинейной машины, конструктивная схема которой показана на рис. 1. Жидкая сталь из разливочного ковша поступает в промежуточный ковш (1), который предназначен для снижения и стабилизации ферростатического давления и динамического напора струи, отделения шлака и стабилизации температуры перед кристаллизатором. Промежуточный ковш также распределяет металл в кристаллизаторы в зависимости от количества ручьев. Далее сталь попадает в водоохлаждаемый кристаллизатор (2), где происходит начальное формирование непрерывного слитка. Перед началом разливки в кристаллизатор вводят так называемую затравку, которая является дном кристаллизатора на начальной стадии разливки.

Сформировавшийся в кристаллизаторе слиток с затвердевшей оболочкой попадает в зону вторичного охлаждения (3), где проводится его дальнейшее охлаждение с помощью водяных форсунок (4) или другими способами. Для предохранения слитка от увеличения объема зона вторичного охлаждения оборудуется специальной поддерживающей системой (5) в виде роликов, брусьев и др. Затем слиток проходит через тянущую клеть (6) и попадает в зону резки (7).

Принципиальные схемы непрерывной разливки отличаются положением продольной технологической оси кристаллизующегося слитка, однако основы технологии разливки являются общими для всех типов машин.

Рисунок 1 - схема криволинейной МНЛЗ

Жидкая сталь поступает в разливочное отделение при t = 1560 - 1580°С. Из сталеразливочного металл подается в промежуточный ковш, предварительно нагретый до 1100°С.

Если принять температуру кристаллизации tкр для большинства сталей 1500°С, то в промежуточный ковш сталь должна поступать с небольшим перегревом. Обычно температура стали в промковше поддерживается на уровне 1540 -- 1560°С, что обеспечивает удовлетворительное качество поверхности слитков и стабильность процесса разливки. Однако с повышением температуры металла более 1570°С возрастает пораженность слитков наружными продольными и поперечными трещинами.

Для обеспечения стабильности процесса разливки температура металла в кристаллизаторе должна быть на 15 -- 20°С выше температуры затвердевания, однако по условиям качества слитка перегрев должен быть не более 30°С.

В кристаллизаторе за счет интенсивного охлаждения но периметру слитка затвердевают поверхностные слои металла, образуя твердую корочку или оболочку слитка. Внутри слитка по центральной оси сохраняется жидкая фаза. Стальная заготовка формируется в соответствии с формой и размерами кристаллизатора. Застывшая в кристаллизаторе сталь сцепляется с затравкой, а образующийся слиток вытягивается вниз с помощью тянущих клетей.

Для предотвращения прилипания жидкой стали к стенке кристаллизатора предусмотрен механизм качания. Кристаллизатор совершает возвратно-поступательное движение с заданной частотой качания, а в зазор между стенкой кристаллизатора и поверхностью слитка подается специальная смазка.

Толщина затвердевшей корочки на выходе из кристаллизатора должна быть > (25-30) мм, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность вытягиваемой заготовки и исключить возможность прорыва жидкого металла. По некоторым зарубежным данным толщина корочки должна быть > (15 -25) мм в зависимости от размеров заготовки.

Температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора составляет < (1100-1200)°С при средней температуре корочки -- (1300- 1350)°С. Прочность такой корочки достаточна, чтобы противостоять силам трения и действия ферростатического давления жидкого металла.

Слиток с затвердевшей корочкой, попадающий из кристаллизатора в зону вторичного охлаждения, в результате форсированного поверхностного охлаждения затвердевает по всему сечению. Форма слитка сохраняется за счет специальной поддерживающей системы (роликовой, брусьевой и др.). После прекращения подачи воды слиток охлаждается на воздухе.

В конце зоны вторичного охлаждения температура поверхности (t_п) слитка снижается до уровня 800-900°С. Слиток принудительно вытягивается с помощью тянущих клетей, а затем поступает в газорезку, где разрезается на мерные куски заданной длины. Далее заготовки по рольгангу транспортируются на склад.

Успешное внедрение способа непрерывной разливки стали в металлургической промышленности стало возможным только после разработки устойчивого процесса разливки, обеспечивающего стабильное металлургическое производство и получение высококачественной продукции из литых заготовок.

2. Автоматизация непрерывной разливки стали

В работе машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) можно выделить три режима: гидравлический, связанный непосредственно с разливкой жидкого металла и наполнением кристаллизатора; тепловой, определяющий кристаллизацию и охлаждение непрерывного слитка; энергосиловой, характеризующий работу всех механизмов и приводов МНЛЗ.

Гидравлический режим. Металл к МНЛЗ от сталеплавильного агрегата подается в сталеразливочных ковшах. Поступление металла из этих ковшей в промежуточный ковш происходит через разливочный стакан, перекрываемый для регулирования расхода металла стопорным или скользящим затвором (поворотного или шиберного типа).

Промежуточный ковш должен обеспечивать подачу стабильной струи жидкого металла и возможность регулирования поступления металла в кристаллизатор. Кроме того, промежуточный ковш позволяет вести разливку одновременно в несколько кристаллизаторов (ручьев).

Первая задача управления гидравлическим режимом заключается в поддержании постоянного уровня металла в промежуточном ковше, обеспечивающем стабильное состояние струи металла и, следовательно, одинаковое, качество разливки. Решается эта задача путем изменения подачи металла из сталеразливочного ковша при регулировании расхода металла стопорным или скользящим затвором.

Подача металла из промежуточного ковша в кристаллизатор производится в основном двумя способами: открытой струей через данные стаканы с регулированием расхода металла стопорным или скользящим затвором и закрытой струей через данные погружные стаканы (опущенные в кристаллизатор ниже уровня металла). Регулирование расхода металла в этом случае мажет производиться как при первом способе или за счет изменения уровня металла в промежуточном ковше (стопорный или скользящий шиберный затворы служат только запорными устройствами). Второй способ обеспечивает отсутствие брызг и охлаждения металла и поэтому лучшее качества слитка. Разрабатываются и другие способы регулирования истечения металла. Например, при электромагнитном способе вокруг разливочного стакана размещаются индукционные катушки, взаимодействие магнитных полей которых с металлом вызывает сужение струи металла и его торможение, что изменяет в итоге расход жидкого металла.

Вторая, наиболее важная задача управления гидравлическим режимом состоит в поддержании постоянного уровня металла в кристаллизаторе. Этот уровень в процессе разливки должен находиться в довольно узких заданных пределах, что обусловлено следующими причинами: превышение уровня может привести к переливу металла через верх кристаллизатора; понижение уровня ниже допустимого предела приводит к получению тонкой корочки слитка, ее разрыву и прорыву жидкого металла под кристаллизатором. Значительные колебания уровня металла нарушают также стабильность охлаждения слитка в кристаллизаторе, изменяют условия кристаллизации и сказываются на качестве слитка. Решается эта задача путем изменения подачи металла в кристаллизатор стопорным или скользящим затворами промежуточного ковша. Другой вариант заключается в изменении скорости вытягивания слитка при примерно постоянной подаче металла из промежуточного ковша. Может применяться и комбинированное управление с использованием обоих управляющих воздействий.

Рассмотренные особенности и задачи управления гидравлическим режимам относятся к установившемуся режиму работы МНЛЗ. Вместе с тем определенное время занимают режимы работы МНЛЗ, связанные с ее пуском и остановкой.

В пусковой период главным является гидравлический режим заполнения металлом промежуточного ковша, а затем кристаллизатора. Заполнение промежуточного ковша производится при полном открытии затвора сталеразливочного ковша до номинального уровня с последующей выдачей сигнала на открытие затворов промежуточного ковша и включением регулятора уровня металла в промежуточном ковше.

Тепловой режим. В этом режиме кристаллизатор должен обеспечивать максимальный теплоотвод от затвердевающего металла для быстрого формирования достаточно прочной оболочки слитка, чтобы она не разрушалась под действием ферростатического давления жидкого металла при выходе слитка из кристаллизатора. Основные требования к тепловому режиму кристаллизатора и слитка сводятся к следующему:

- расход охлаждающей воды в кристаллизаторе должен исключать ее перегрев, вызывающий отложение солей и ухудшение теплоотвода от слитка;

- при выходе слитка из кристаллизатора толщина твердой оболочки должна быть достаточной для исключения прорыва металла из середины слитка;

- распределение интенсивности теплоотвода на длине и периметру слитка должно обеспечивать отсутствие больших градиентов температур и недопустимых термических напряжений, вызывающих образование трещин в оболочке слитка.

На теплообмен между слитком и кристаллизатором и, следовательно, на формирование твердой оболочки слитка влияют очень многие факторы: марка стали, температура металла, скорость разливки, конструктивные параметры кристаллизатора и др. Наибольшее значение имеют конструктивные особенности кристаллизатора: размеры граней, конусность и толщина стенок, режим охлаждения. Из всех перечисленных параметров для данного кристаллизатора переменным является режим охлаждения (расход и температура охлаждающей воды) и именно он является управляющим воздействием на режим кристаллизации слитка.

Изменение теплового потока в определенной степени соответствует изменению температуры поверхности слитка, которая быстро падает до 800-900^оС в начальный момент, затем немного возрастает при отходе оболочки от стенок кристаллизатора и далее остается примерно постоянной.

Основной целью управления первой стадией кристаллизации слитка является получение достаточно толстой и прочной оболочки слитка на выходе из кристаллизатора.

Управление первой стадией кристаллизации сводится к управлению тепловым режимом кристаллизатора, заключающемуся в стабилизации перепада температур воды на выходе и входе в каналы кристаллизатора (при постоянной скорости вытягивания слитка) путем изменения расхода воды. Величина перепада температур выбирается максимальной по предельно допустимой температуре нагрева воды по условиям отложения солей.

Вторая стадия кристаллизации в зоне вторичного охлаждения определяет внутреннюю структуру и, в конечном итоге, качество непрерывно литого слитка. Поэтому автоматизации этого процесса должно уделяться большое внимание. Управление второй стадией кристаллизации осуществляется путем изменения интенсивности охлаждения поверхности слитка. При чрезмерно интенсивном охлаждении температура оболочки слитка падает до 200…300^оС, и при этом деформации переходят из пластической в упругую область, что может вызвать появление трещин. С другой стороны, недостаточная интенсивность охлаждения и, следовательно, низкая скорость роста оболочки может вызвать раздутие слитка из-за внутреннего ферростатического давления.

В современных МНЛЗ применяется форсуночно-роликовая система вторичного охлаждения, при которой по всей длине зоны вторичного охлаждения устанавливаются опорные ролики, предотвращающие раздутие слитка. Такая конструкция позволяет снизить интенсивность охлаждения и поддерживать температуру поверхности слитка в пределах 600…700 ^оС, т. е. в области пластических деформаций. Вода в такой системе охлаждения подается между роликами с помощью форсунок, обеспечивающих хорошее распыление жидкости.

Таким образам, задачей управления вторичным охлаждением слитка является создание условий, предотвращающих чрезмерное охлаждение оболочки слитка и вместе с тем обеспечивающих равномерное затвердевание слитка с окончанием затвердевания по всей его толщине к концу зоны вторичного охлаждения. Единственным управляющим воздействием при постоянной скорости вытягивания слитка служит расход охлаждающей воды и его распределение по секциям зоны вторичного охлаждения. Поскольку количество тепла, которое нужно отобрать у слитка, пропорционально скорости разливки, то и расход воды должен быть практически пропорционален этой скорости, т. е. целесообразно применение системы регулирования соотношения: скорость разливки - расход охлаждающей воды.

Энергосиловые режимы. Качество оболочки слитка после кристаллизатора, отсутствие трещин и разрывов определяются не только тепловым режимом процесса кристаллизации, но и усилением вытягивания слитка из кристаллизатора. В процессе вытягивания слитка между его поверхностью и стенками кристаллизатора возникают значительные силы трения, которые могут привести к «зависанию» верхней части слитка и его разрыву. Для предотвращения этого явления на современных МНЛЗ применяют движущиеся (качающиеся) кристаллизаторы. В течение примерно 3/4 времени цикла кристаллизатор перемещается вниз на 15…25 мм со скоростью, равной или несколько превышающей скорость вытягивания слитка, и после этого возвращается в верхнее положение со скоростью в 2-3 раза большей. Возникает задача управления энергосиловыми режимами МНЛЗ, в частности стабилизации усилия вытягивания слитка, с помощью изменения подачи смазки в кристаллизатор (смазкой служат различные масла или парафин).

МНЛЗ представляет собой многоагрегатный комплекс с большим количеством электрических, пневматических и гидравлических приводных устройств. Основные механизмы (качание кристаллизатора, тянущие и правильные клети, платформа газорезки, перемещение резака и др.) имеют электрические приводы, что связано главным образом с необходимостью изменения скорости в широких пределах. Существует задача управления, связанная с пуском этих приводов в начале разливки в определенной последовательности, изменения их скорости и синхронизация в процессе работы. Например, после получения мерной длины слитка включается механизм передвижения платформы газорезки в направлении перемещения слитка, и скорость синхронизируется со скоростью вытягивания слитка; одновременно включается механизм передвижения резака в поперечном направлении. После завершения резки, резак и платформа отводятся в первоначальное положение.

К управлению энергосиловым режимом следует отнести системы изменения ширины сляба в процессе разливки. Регулирование осуществляется изменением положения боковых стенок кристаллизатора со скоростью до 100 мм/мин с помощью нескольких гидроцилиндров, управление работой которых осуществляется микропроцессором.

Очень важной задачей оптимального управления конечной фазой разливки, косвенно связанной с энергосиловым режимом (последовательность выключения отдельных механизмов), является максимизация выхода мерных заготовок из имеющейся массы жидкого металла. Наиболее простой способ разливки заключается в подаче металла из промежуточного ковша во все ручьи (кристаллизаторы) МНЛЗ вплоть до полного его расходования. В этом случае немерные остатки могут достигать большой величины, а их количество равно числу ручьев. Оптимальное управление заключается в выборе количества ручьев в зависимости от остатка металла в промежуточном ковше и расхода металла на получение заготовки мерной длины. При этом может получиться, что окончание разливки производится (в четырехручьевых МНЛЗ) в четыре, три, два и даже один кристаллизатор. При такой системе управления немерный остаток может быть только в одном ручье, что обеспечивает максимальный выход мерных заготовок.

3. Автоматизация электродуговой печи

Автоматизация установки электродуговой печи требует учета многих функций. Например, здесь можно назвать управление печью для управления основными функциями печи, регулирование электродов, посредством которого устанавливается окончательная длина и мощность электрической дуги, и управление плавкой. Для всех этих функций должно быть предусмотрено соответствующее устройство автоматизации. Эти устройства автоматизации должны при реализации установки электродуговой печи каждый раз с большими затратами тестироваться на сопряжение и безупречное взаимодействие и согласовываться друг с другом. Связанные с этим затраты аппаратных средств относительно высоки, и возникают высокие затраты на монтаж и пуск в эксплуатацию, так как необходимо установить несколько устройств автоматизации с собственными распределительными шкафами.

Поэтому задачей изобретения является создание устройства для управления установкой электродуговой печи, которое усовершенствовано ввиду вышеизложенного.

Для решения этой задачи в устройстве вышеназванного типа в соответствии с изобретением предусмотрено, что функциональный блок для управления печью, функциональный блок для регулирования электродов и функциональный блок для управления плавкой интегрированы в управляющее устройство.

Это означает, что для управления печью, управления электродами и управления плавкой, ввиду предпочтительной интеграции, теперь требуется только одно управляющее устройство, которое централизованным образом реализует управление. Требующие больших затрат согласования сопряжений и сложные настройки различным образом действующих программных средств теперь больше не требуются. Затраты на аппаратные средства снижаются, и сокращаются затраты на монтаж и пуск в эксплуатацию.

Регулирование электродов выполняется при этом для управления формой и положением электрической дуги. Сюда относится, например, регулирование, по меньшей мере, одного гидравлически перемещаемого электрода, а также настройка расстояния до расплавляемого металла.

Посредством управления печью осуществляется управление общими функциями электродуговой печи. Они охватывают, например, гидравлически перемещаемый свод печи, разгрузку печи, например, при пробивании возникающего шлака или при выпуске расплавленного металла, а также охлаждение печи. Сюда также включаются измерительные устройства, а также проведение управляющих воздействий через пульт управления, с которого обслуживающий персонал может оказывать влияние на режим работы печи.

Управление плавкой представляет собой, в конечном счете, управление процессом. Здесь, например, осуществляется управление тем, сколько энергии требуется в тот или иной момент времени, чтобы расплавить имеющееся в данный момент количество материала. При этом также определяется, когда, например, должна вводиться добавка.

В другом предпочтительном варианте выполнения в управляющее устройство может быть интегрирован, по меньшей мере, один дополнительный функциональный блок. Такие дополнительные функциональные блоки могут, например, представлять собой функциональный блок для оптимизации энергии, и/или функциональный блок для распознавания пенистого шлака и регулирования, и/или функциональный блок для оптимизации процесса, и/или функциональный блок для регулирования подвода энергии в отношении определений поставщика энергии, и/или функциональный блок для индивидуального для потребителя управления. В идеальном случае все эти компоненты интегрируются в одно-единственное автоматическое управляющее устройство, так что требуется только это одно управляющее устройство. Тогда отпадает необходимость во всех других управляющих устройствах.

Функциональный блок для оптимизации энергии может, в частности, управлять оптимизацией энергии посредством нейронной сети. Посредством такого искусственного интеллекта можно оптимизировать энергию в отношении потребления, качества и иных производственных параметров.

Пенистый шлак означает слой шлака, который плавает на расплавленном металле и целенаправленно формируется, чтобы тепло не достигало стенки печи, а поглощалось в пене. Для формирования пенистого шлака может, например, подаваться углерод. Одновременно высота пенистого шлака определяется, например, детекторами корпусного шума в металлоприемнике печи. Эти компоненты соответствуют функциональному блоку распознавания пенистого шлака и регулирования пенистого шлака.

Функциональный блок для оптимизации процесса может, например, включать в себя вычислитель модели, который обеспечивает возможность оптимизации процесса также в смысле более высокого уровня. Например, жидкий металл может направляться непосредственно на установку непрерывной разливки, которая указывает данные относительно количества перерабатываемого материала.

Регулирование подачи энергии в отношении определения поставщика энергии может быть необходимым, если, например, предусмотрены максимальные количества съема в определенное время. Посредством соответствующего функционального блока регулируется, где, например, энергия может быть сэкономлена, какой агрегат в данный момент может отключаться и т.п. разливка сталь кристаллизатор

Кроме того, в управляющее устройство может быть интегрирован функциональный блок для индивидуального для потребителя регулирования. Один подобный функциональный блок включает в себя параметры, предусмотренные индивидуально для потребителя, которые индивидуализируют систему в целом. Но также возможно, что другие функциональные блоки таким образом сформированы, что они без проблем могут быть согласованы с потребностями потребителя, так что индивидуализация уже может иметь место на других интегрированных функциональных блоках.

Предпочтительно устройство может содержать монтажный блок, в котором размещены функциональные блоки, в частности в гнездах. Подобный монтажный блок может представлять собой, например, распределительный шкаф, в котором размещено управляющее устройство, которое обычно включает в себя вычислительное устройство.

В другом предпочтительном выполнении функциональные блоки, выполненные модульными, могут быть выполнены сменными или съемными. Тем самым описывается модульная структура, которая может быть согласована произвольным образом. В соответствии с этим отдельные функциональные блоки могут быть добавлены или удалены, чтобы объем функций устройства согласовать в соответствии с индивидуальными потребностями. Также простым способом может быть реализована замена дефектных функциональных блоков. К тому же без проблем можно заменять устаревшие функциональные блоки, например, вновь разработанными функциональными блоками, так что устройство для управления установкой электродуговой печи всегда находится на новейшем уровне.

При таком модульном выполнении функциональных блоков могут быть реализованы, наконец, две возможности, каким образом осуществлять конфигурирование, и следует ли его осуществлять. Прежде всего, может быть предусмотрено, что управляющее устройство выполнено с возможностью автоматического распознавания и конфигурирования функционального блока. Вновь введенный функциональный блок в соответствии с этим осуществляет информационный обмен с управляющим устройством, благодаря чему осуществляется автоматическое конфигурирование. При этом функциональному блоку ставятся в соответствие соответствующие диапазоны производительности, например процессоры, область памяти и т.п.

Однако в качестве альтернативы также возможно, что предусмотрены гнезда для функциональных блоков, причем каждому гнезду поставлен в соответствие постоянный диапазон производительности содержащегося в управляющем устройстве вычислительного устройства. При этом больше не возможно никакое особое конфигурирование, так как с каждым гнездом и, тем самым, с вставленным в него функциональным блоком уже соотнесены диапазоны производительности, то есть, например, мощность процессора, область памяти, средства программирования и т.п. Подобная система является менее сложной, однако менее гибкой.

Предпочтительным образом функциональные блоки могут конфигурироваться индивидуально. Тогда возможно превосходное согласование с потребностями заказчика.

Для информационного обмена с управляющим устройством или содержащимся в нем вычислительным устройством функциональные блоки могут быть подключены к системе шины. Для этого пригодны любые типы известных систем шин, которые удовлетворяют заданным критериям по производительности.

В предпочтительном выполнении может быть предусмотрено, что, по меньшей мере, два функциональных блока интегрируются в один функциональный блок. Так, например, для регулирования электродов и оптимизации энергии предусматривается единственный функциональный блок. Это всегда возможно в таком случае, когда критерии производительности функционального блока допускают применение нескольких таких функциональностей. При этом экономятся гнезда, и реализуется еще более компактная структура.

Список использованных источников

1 Автоматизация основных металлургических процессов/Липухин Ю.В., Булатов Ю.И., Бок Г., Кнорр М. М.: Металлургия, 1990. 280 с.

2 Информационные системы в металлургии//Н.А. Спирин, Ю.В.Ипатов,

3 Автоматическое управление электротермическими установками: Учеб. пособ. для ВУЗов / А.М. Кручинин, К.М. Махмудов, Ю.М. Миронов и др.; Под ред А.Д. Свенчанского. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 416 с.

4. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. - М.: Изд. центр «Академия», 2004. - С. 482-513.

5 http://steellab.com.ua/books/teplorabotaMNLZ/1.2/1.2.php

Размещено на Allbest.ru