Металлургические мини-заводы
  3.2 Общая классификация агрегатов «ковш-печь» в зависимости от условий производства

Возможность комплексной доводки стали на металлургических мини-заводах по существу создает уникальные возможности по совмещению отдельных элементов технологической системы «выплавка стали» - «разливка стали» в единый энерго- и ресурсосберегающий комплекс.

Принято считать, что при доводке стали в ковше выполняются технологические операции раскисления стали, коррекции и усреднения ее температуры и химического состава, а также рафинирования и модифицирования. Однако при организации энергосберегающего цикла производства стали на мини металлургических заводах важнейшей задачей также является совмещение дискретного цикла выплавки стали в ДСП 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 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 [226]. Такие установки для комплексной обработки получили название «ковш-печь» «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. Известно, что в 1971 г. Японская компания «Diado Steel» успешно применила метод рафинирования стали в агрегате «ковш-печь».

Уже в 1981 г. в мире работали 32 установки «ASEA-SKF», которые обеспечивали производство стали высокого качества [227]. Несколько позднее основные патенты на технические решения установки «ASEA-SKF» приобрела итальянская компания «Danieli», которая успешно работает на рынке установок «ковш-печь» в течение последних двух десятилетий. Так, одну из первых установок «ASEA-SKF» фирма «Danieli» построила для завода утяжеленных бурильных и ведущих труб СМНПО им. Фрунзе (г. Сумы) в 1987 г.

Процесс перемешивания металла вдуваемым через пористую пробку аргоном при пониженном давлении в сочетании 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». Начиная с 80-х годов прошлого столетия концепция металлургических мини-заводов, как известно, получает широкое развитие, что обусловило почти обязательное применение установок «ковш-печь» в технологическом построении производства и разливки стали. Учитывая тот факт, что для большинства мини-заводов определяющим требованием является минимизация расходов, в последние два десятилетия большое внимание уделяется созданию оптимальных технологических и технических построений для агрегатов «ковш-печь». На развитии концепции агрегатов «ковш-печь» фокусируют усилия ведущие европейские производители металлургического оборудования «SMS», «Demag», «VAI-Fukhs» (Германия), «Danieli» (Италия) и т.д. Примечательным является тот факт, что все эти фирмы свои первые агрегаты «ковш-печь» построили в начале или середине 80-х годов прошлого века. На территории СССР первая «ковш-печь» была построена в 1985 г. (проект ВНИИМЕТМАШ–ЮУМЗ) на Молдавском металлургическом заводе.

Тем не менее, 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 системе 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 тонн до 350 - 360 тонн.

Кроме того, в состав агрегата «ковш-печь» входят средства для перемешивания металла инертным газом, система подачи ферросплавов и материалов для рафинирования стали в ковше. В настоящее время непрерывный ввод различных веществ (углерода, раскислителей, модификаторов) проводят с применением порошковой проволоки, имеющей в своем сечении круг или прямоугольник, стальная оболочка которой обычно завальцована. Такая проволока большой длины поставляется в катушках на металлической или деревянной раме [315, 317]. Ввод порошковой проволоки в расплав осуществляется по направляющей трубе с помощью специального трайбаппарата, состоящего из подающего и разматывающего устройств (рис. 3.1).

Общая схема установки ковш-печь

Рис. 3.1. Общая схема установки «ковш-печь»

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 °С/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 отверстия для электродов, газоотсоса и технологические, что приводит к необходимости увеличивать его поверхность за счет изменения формы; наибольшее распространение получила шляпообразная форма свода.

Вакуумирование стали (если оно предусмотрено технологическим процессом) 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.

В мире накоплен большой практический опыт эксплуатации агрегатов «ковш-печь», что позволило разработчикам оптимизировать их основные конструктивные и технологические параметры. В настоящее время разработкой и изготовлением агрегатов «ковш-печь» занимаются более двух десятков машиностроительных фирм. В табл. 3.1 проведено сравнение основных эксплуатационных параметров этих агрегатов некоторых компаний. В целом проведенное сравнение позволяет сделать вывод о том, что основная совокупность рабочих и эксплуатационных параметров агрегатов достаточно близка, а некоторые их колебания, наблюдаемые в табл. 3.1, находятся, на наш взгляд, в наблюдаемые в табл. 3.1, находятся, на наш взгляд, в прямой взаимосвязи только с работой конкретного сталеплавильного цеха.

Таблица 3.1. Сравнение параметров агрегатов «ковш-печь» некоторых компаний

Сравнение параметров агрегатов «ковш-печь» некоторых компаний

Наибольшее влияние на рабочие параметры агрегатов «ковш-печь» зывает, прее всего, сталеразливочного ковша. Как видно из данных, приведенных в табл. 3.1, существует зависимость между увеличением вместмости ковша, расходом вдуваемого аргона и мощностью трансформатора. В то же время, скорость нагрева металла в ковше для большинства «ковш-печей» составляет 3,5 - 4,0 °С/мин. Исключением являются ковши малой вместимости (15 - 40 тонн), в которых скорость нагрева может достигать 5 - 6 °С/мин, что, вероятно, объясняется высокими удельными потерями тепла в малых ковшах.

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, которые в денежном выражении составляют от 3 до 25 долларов США на тонну стали. 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» оснащено свыше четырехсот электросталеплавильных цехов мини-заводов и более ста конвертерных цехов заводов с полным циклом. Характерно, что эти агрегаты сооружены в различное время в цехах с различной стратегией функционирования и развития. Соответственно они имеют отличные друг от друга производственные показатели, которые не всегда корректно сравнивать с показателями других аналогичных агрегатов. На наш взгляд, для системного анализа эффективности работы конкретных агрегатов целесообразно классифицировать известные ковш-печи на определенные группы, учитывающие внешние (макросреда) и внутренние (технологическая система) условия функционирования и развития. Предлагаемая авторами классификация агрегатов «ковш-печь» (табл.3.2) основана на рассмотренной ранее классификации мини металлургических заводов в зависимости от стратегии их развития (глава 1).

Таблица 3.2. Классификация агрегатов «ковш-печь» по условиям функционирования в зависимости от технологической структуры сталеплавильного цеха

Классификация агрегатов «ковш-печь» по условиям функционирования в зависимости от технологической структуры сталеплавильного цеха

Безусловно, наибольшее распространение в мире получили агрегаты, работающие по условиям групп 1 и 2. При этом следует иметь ввиду, что мини-заводы группы 1 наиболее соответствуют представлениям о современном мини-заводе со стратегией минимизации затрат, что обычно характерно при производстве стали массового сортамента [30, 31, 76] для сортового проката. В этом случае согласованная цикличность работы плавильной печи и агрегата «ковш-печь» жестко лимитирует время нахождения металла в ковше. Практическая реализация этой схемы оказалась возможной в последнее десятилетие за счет большого прогресса в области технологии электроплавки (уменьшение цикла плавки до 30-60 минут). Характерным примером этой группы ковш-печей следует считать, например, ЗАО «ММЗ «Istееl (Украина)» [42], Молдавский металлургический завод [228] и завод «Huta Czestochova» (Польша) [229]. В последние годы на территории СНГ появилось несколько новых мини-заводов с построением, которое характерно для группы 1: Новороссийский электрометаллургический завод ООО «НОВОРОСМЕТАЛЛ», Фроловский электросталелитейный завод ЗАО «Волга-Фест», JSC «Baku Steel Co» и некоторые другие [230].

При этом режим работы ковш-печи соответствует технологической цикличности разливки стали на МНЛЗ, а для обеспечения некоторого демпфирующего резерва времени (для непрерывной разливки стали) перед началом процесса литья предусматривается хотя бы один дополнительный ковш металла, что соответственно предполагает увеличение времени пребывания стали в ковше.

Группа 2 обычно представляет собой мини-заводы (ЭСПЦ), которые были построены, как правило, более 15 лет назад, то есть во времена, когда длительность электроплавки составляла более 2-3 часов. В этом случае одной из главных функций агрегата «ковш-печь» является совмещение работы двух дуговых печей и МНЛЗ с целью обеспечения серийности разливки. По существу это означает, что перед началом разливки на МНЛЗ создается резерв жидкого металла (1-2 ковша). Поэтому достаточно часто металл может находиться в ковше 3 - 4 часа и более, что существен-но усложняет условия работы огнеупоров и снижает их стойкость. Кроме того, с целью уменьшения длительности нахождения металла в печи сталь выпускают с достаточно низкой температурой, что требует последующего интенсивного и длительного подогрева ее в ковше. Это, в свою очередь, повышает скорость износа шлакового пояса в силу высокой температуры и агрессивности шлака.

Значительные отличия появляются в работе агрегатов «ковш-печь» в случае их функционирования в структуре мини-заводов со стратегией фиксации определенного сегмента рынка, то есть выпуска качественной продукции вполне конкретного назначения (группа 3 и 4). Для таких ковш-печей расширяются задачи по рафинированию и доводке стали по химическому составу. Очень часто в технологическую цепь 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°С). Компенсация потерь тепла осуществляется за счет подогрева металла в установке «ковш-печь». Сравнивая условия эксплуатации ковша для группы 1 и группы 3 необходимо отметить, что для группы 3 длительность пребывания металла в ковше может возрастать примерно в 2 раза при увеличении нагрузки на огнеупоры шлакового пояса. Ковш-печи группы 3 эксплуатируются, например, в электросталеплавильном цехе №2 Белорусского металлургического завода [231, 232] и на Волжском трубном заводе [233].

Иногда в технологической структуре цехов группы 3 предусматривается также разливка стали в слитки, используемые затем для получения качественной заготовки для машиностроения. Примером такого завода можно считать завод «Georgsmarienhutte» (Германия), который имеет в своем составе 130-т дуговую сталеплавильную печь, агрегат «ковш-печь», вакууматор, 4-х ручьевую блюмовую МНЛЗ и разливку стали в слитки массой 4,5 - 38 т [234].

Отличия в работе ковш-печей группы 4 от группы 3 в основном аналогичны отличиям ковш-печей группы 2 от группы 1. Примером ковш-печей группы 4 может быть Оскольский электрометаллургический комбинат, который является одним из крупнейших мини-заводов мира [34]. Однако такое технологическое построение широко используется и для мини-заводов малых объемов производства. Например, мини-завод ДП «Завод утяжеленных бурильных и ведущих труб» СМНПО им. Фрунзе (г. Сумы), в состав которого входят две 18-тонные ДСП, ковш-печь типа «ASEA-SKF», блюмовая МНЛЗ и разливка в слитки производит до 80 тыс. тонн стали в год [235], а металлургический завод в г. Никшич (Черногория), имеющий в составе две 50-тонные ДСП, «ковш-печь» типа ASEA-SKF, сортовую МНЛЗ и разливку в слитки, производит до 180 тыс. тонн стали в год [236].

Ковш-печи группы 5 представляют собой немногочисленную группу, поскольку расположены в мартеновских цехах металлургических заводов, которые сохранились в Украине и России. Практически все эти металлургические заводы соответствуют концепции «мини-завод» со стратегией фиксации определенного сегмента рынка, а мартеновские печи работают скрап-процессом. Например, ОАО «Нижнеднепровский трубопрокатный завод» [237] и ОАО «Выксунский металлургический завод» [238] имеют в своем составе по 2-4 мартеновских печи, «ковш-печь», вакууматор и разливают сталь в слитки. Агрегатами «ковш-печь» оснащены также мартеновские цехи ОАО «Донецкий металлургический завод» и ОАО «Таганрогский металлургический завод» [239]. Для работы ковш-печей в таких условиях характерна неритмичность цикла эксплуатации ковшей, а также практически полное отсутствие эффективной системы отсечки печного шлака, что снижает возможность рафинирования стали и повышает скорость износа огнеупоров в шлаковом поясе. Кроме того, часто «ковш-печь» в мартеновском цехе работает в режиме параллельной обработки металла в двух сталеразливочных ковшах.

Значительные отличия появляются в работе агрегатов «ковш-печь» в случае их функционирования в структуре мини-завода со стратегией специализации производства (группа 6 и 7), то есть выпуска высококачественной уникальной продукции. Обычно такие мини-заводы имеют небольшие объемы производства (10 - 50 тыс. т в год) и, соответственно, не имеют требований к высокой удельной производительности сталеплавильных агрегатов и ковш-печей. В любом случае в технологическом построении мини-завода имеется, по меньшей мере, одна установка для вакуумной обработки стали. Кроме того, сложный сортамент выплав-ляемой стали предопределяет увеличение цикла нахождения ме-талла в установке «ковш-печь», поскольку расширяется спектр операций по легированию, рафинированию и модифицированию металла.

Примером ковш-печи группы 6 с определенной степенью допущений и перспектив модернизации может, вероятно, служить «ковш-печь» сталеплавильного цеха ЗАО «Камасталь» [240]. Ковш-печи группы 7 применяются, например, на электрометаллургическом заводе ОАО «Днепроспецсталь» [241] или в ЭСПЦ-3 Челябинского металлургического завода ОАО «Мечел» [242]. Они имеют небольшую вместимость ковшей (соответственно 50 т и 15 т) и обеспечивают получение стали специального назначения при разливке в слитки разной массы. Между тем, для таких ковш-печей наблюдается повышенный износ футеровки ковшей в зоне шлакового пояса, что объясняется значительным перегревом шлака и близким расположением электродов по отношению к огнеупорному слою.

Ковш-печи группы 8 обычно используются в сталеплавильных цехах крупных заводов тяжелого и энергетического машиностроения [243, 244]. Для этих ковш-печей характерно появление дополнительной функции: сбор металла из нескольких плавильных агрегатов и накопление большого количества стали для отливки крупных и сверхкрупных слитков. Примером работы такого агрегата является «ковш-печь» АО «Новокраматорский машиностроительный завод» [244]. Эта «ковш-печь» имеет три типоразмера ковша (30 т, 60 т, 90 т) и позволяет собирать металл из трех плавильных агрегатов. Следует особо отметить, что время пребывания металла в ковше при такой схеме работы ковш-печи составляет 60-360 минут, что существенно влияет на стойкость футеровки ковшей. В целом агрегаты «ковш-печь» группы 8 крайне немногочисленны и их работа в технологическом цикле с мартеновскими печами объясняется, главным образом, незавершенностью модернизации металлургического производства. Безусловно, предлагаемая классификация ковш-печей носит в некотором плане условный характер, что особенно характерно в части выбранных доминантных классификационных признаков. Поэтому в условиях конкретного металлургического завода агрегат «ковш-печь» может одновременно соответствовать или выполнять функции, характерные для нескольких групп одновременно. Вероятно, в этом случае следует просто говорить о той или иной степени универсальности ковш-печи.

В целом же функциональная эффективность агрегатов «ковш-печь» 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 металла в ковше и уровня качества стали.

  3.2 Общая классификация агрегатов «ковш-печь» в зависимости от условий производства
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ