Металлургические мини-заводы
  3.3 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 [245]. Ковшевые процессы глубокого рафинирования металла на всех этапах сопровождаются существенным снижением температуры расплава.

Ниже приведены ориентировочные показатели снижения температуры в сталеразливочных ковшах вместимостью 100 - 150 т:

  • в позиции ожидания и при перестановках ковша - со скоростью 0,5 - 0,6 °С/мин без защиты зеркала расплава и 0,2-0,3 °С/мин с защитой различными средствами, например, крышкой;
  • при усреднении металла путем продувки инертным газом - со скоростью 1,1 - 1,4 °С/мин;
  • 60 - 80 °С за цикл ковшевого вакуумирования;
  • 30 - 40 °С в процессе десульфурации, включающем формирование шлака и перемешивания расплава газом;
  • 10 - 15 °С 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 °С и более, при производстве специальных марок стали с технологией однократного или двойного вакуумирования от 150 °С до 250 - 300 °С, соответственно.

В целом величина потерь тепла при внепечной обработке стали в ковше зависит от 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, теплопроводности материалов и пр.) и температуру огнеупорной футеровки сталеразливочного ковша; количество и вид вводимых в ковш материалов; длительность и интенсивность продувки инертным газом; продолжительность операций ввода и растворения легирующих, формирования шлака, десульфурации, пребывания металла в ковше (с учетом времени «ожидания» разливки), отбора проб и их анализа.

Вместе с тем, даже в условиях жесткой минимизации потерь тепла, для обеспечения требуемых параметров разливки стали температура выпуска должна быть повышена до 1700 - 1750°С и более, что неизбежно приводит к дополнительным потерям железа шихты и электроэнергии [121]. Более того, для проведения последующего длительного комплексного рафинирования стали однократный перегрев перед выпуском, как правило, не в состоянии обеспечить:

  • чистоту полупродукта, выпускаемого из 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 плавки.

Тем не менее, в силу ряда технологических соображений способ предварительного перегрева металла в плавильном агрегате распространен в таких металлургических странах как Япония, Китай, Россия и Украина. Например, такую технологию широко применяют в конвертерных цехах металлургических комбинатов им. Ильича, Днепровского, «Северсталь» и Новолипецкого.

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 затруднительна. В этом случае для исправления "холодных" плавок применяют способы химического подогрева стали в ковше [246, 247 - 249].

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; процесс CAS-OB также основан на применении для ввода добавок погружаемого колокола, 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.

Максимальное усвоение алюминия (70 - 75 %) и минимальные потери тепла, безусловно, обеспечивает ввод алюминия трайб-аппаратом, хотя добавка вторичного алюминия в виде кусков и чушек является наиболее простым и распространенным способом. В последнем случае усвоение алюминия при одновременной продувке нейтральным газом составляет не более 35-40%.

Значительную экономию алюминия обеспечивает его ввод в виде блока, укрепленного на продувочной фурме. По данным Днепровского металлургического комбината использование такого рода блоков позволяет существенно снизить потери алюминия и достигнуть величины среднего коэффициента усвоения равного 55 % [250].

Примерный расход материалов для нагрева стали на 60 °С оцениваются на следующем уровне:

  • расход алюминия – 2,5 - 2,6 кг/т стали (по данным Новолипецкого металлургического комбината 1 кг алюминия на 1 тонну стали обеспечивает подогрев на 23 - 25 °С);
  • расход вводимого кислорода – 1,0 м3/т;
  • дополнительный расход огнеупоров – 0,1 - 0,2 кг/т стали.

Так, внедрение технологии химического подогрева стали в конвертерном цехе металлургического комбината им. Ильича позволило решить проблему «холодных» плавок при работе с перегревом, в результате чего уменьшить возврат плавок с МНЛЗ на разливку сверху с 2,10 до 0,04 %, количество не полностью разлитых ковшей - с 3,20 до 1,34 %, а также сократить технологические простои и увеличить серийность плавок на МНЛЗ в 2 раза [250].

Вместе с тем, 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.

Сразу после освоения первых установок электродугового нагрева расплава в сталеразливочном ковше стали очевидны их технологические и экономические преимущества перед технологией перегрева металла в печи. Так, на заводе компании «Krupp» в Гайсвайде в 100-тонной электропечи выплавляли широкий сортамент легированной стали, которую перед выпуском перегревали в среднем до 1750 °С. После ввода в эксплуатацию установки электродугового нагрева, которая была переоборудована из старой дуговой печи, температуру выпуска снизили в среднем на 60°С, при этом производительность печи возросла с 78 до 85 т/ч. Удельный расход электроэнергии снизился на 40 кВт*ч/т, при среднем ее расходе для ковшевого нагрева около 30 кВт*ч/т, что объясняется более высокой степенью усвоения энергии в ковше (45 %), чем на конечной стадии плавки [251].

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 рис. 3.2.

Зависимость глубины шлаковой лунки электрической дуги от силы тока

Рис. 3.2. Зависимость глубины шлаковой лунки электрической дуги от силы тока

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;
  • силе тока дуги, которая влияет на глубину шлаковой лунки;
  • шлакового режима, который обеспечивает устойчивый нагрев металла.

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 последний «раздувается» дугой. В таких условиях дуга горит менее устойчиво, что, повидимому, 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 короткой сети электропечной установки позволяют иметь значение электрического КПД на уровне = 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, с другой, - снижение вызывает уменьшение активной мощности электрической дуги с одновременным повышением ее КПД. Принято считать, что оптимальное значение коэффициента мощности для установок «ковш-печь» не превышает 0,70.

Величина мощности печного трансформатора является основным энерготехнологическим параметром установки дугового нагрева и оказывает многоплановое влияние на эффективность ее работы. В частности, величина мощности печного 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. Поэтому создание оптимальных энергетических условий нагрева является необходимой и решающей предпосылкой эффективного проведения технологического процесса.

Статистическая обработка значений энергетических параметров 129 промышленных установок типа «ковш-печь» компаний «SMS Demag» и «VAI-Fuchs» построенных в период с 1989 по 2002 гг. позволила выявить зависимость удельной установленной мощности печного трансформатора (s) от массы плавки (m), которая представлена на рис. 3.3.

Удельная мощность печного трансформатора установок ковш-печь

Рис. 3.3. Удельная мощность печного трансформатора установок «ковш-печь»

Полученное уравнение регрессии имеет следующий вид:

Анализ приведенных данных позволяет сделать следующие выводы:

  • средняя удельная установленная мощность трансформатора установок «ковш-печь» 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;
  • удельная мощность трансформатора 80% установок рассмотренной выборки имеет отклонения от средней величины не более 20 %, что объясняется особенностями условий эксплуатации;
  • 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. Так, из пяти установок «SMS Demag», имеющих пониженную мощность, три – двухпозиционные;
  • повышенную мощность (более чем на 20 % от средней), как правило, имеют агрегаты внепечного нагрева для производства специальных марок стали. Все четыре установки «SMS Demag», которые попали в эту группу, применяются в качественной металлургии и работают в комплексе с вакумированием.

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".

Фактическая интенсивность износа огнеупоров представляет собой сложную функцию и определяется следующими факторами:

  • параметрами электрической дуги;
  • типом и качеством огнеупорного материала;
  • температурой металла и шлака;
  • профилем распределения температуры в огнеупорной футеровке ковша;
  • химическим составом металла и шлака;
  • толщиной слоя шлака;
  • типом перемешивания расплава в ковше и его мощностью;
  • геометрическими параметрами рабочего пространства установки «ковш-печь».

При оценке установленной мощности печного трансформатора применяют отработанные практикой эмпирические соотношения. При этом величина мощности, с одной стороны, должна обеспечить требуемый ритм работы (в частности, скорость на-грева), с другой – минимизировать износ огнеупоров. Вместе с тем, как показывает практика работы ряда мини-заводов, в условиях высокой цены металлопродукции и приоритета потребительских свойств металла задача экономии огнеупоров может быть отодвинута на второй план.

Отношение активной мощности трансформатора к площади ванны расплава в ковше принято считать одним из основных интегральных критериев. 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.

Равномерность тепловой нагрузки. Электроды располагаются в вершинах равностороннего треугольника, характеризуемого диаметром распада Dp, поэтому нагрузка тепловоспринимающей поверхности зависит от расположения относительно нее электрических дуг. Известно, что равномерность тепловой нагрузки металла, шлака и футеровки стен ковша может быть обеспечена при соблюдении следующего соотношения (Dк – диаметр зеркала металла в ковше). Dp является конструктивным параметром, который минимизируют на стадии проектирования.

Для оценки количественного показателя локального теплового воздействия электрической дуги в наиболее близкой к ней точке футеровки применяют известный эмпирический комплекс В.Швабе (формула 2.1). Рекомендуется, чтобы в «горячих» точках этот показатель не превышал 45 В*кВт/см2.

Ниже (рис. 3.4 и табл. 3.3 – 3.5) приведен пример расчета температурного режима внепечной обработки плавки массой 155 т (площадь зеркала метала в ковше 7,45 м2).

Характеристики печного трансформатора:

  • полная мощность (S) 22 МВА;
  • активная мощность (Ра) 17 МВт;
  • длина дуги (Lд) 80 мм;
  • напряжение дуги (Uд) 115 В;
  • вторичное напряжение (Uв) 340 В;
  • сила тока электродов (Iэ) 42 кА;
  • мощность дугового нагрева (Рд) 14,5 МВт;
  • коэффициент мощности () 0,77.

Практика эксплуатации современных установок «ковш-печь» показывает, что доля тепловых потерь дугового нагрева, связанных с водяным охлаждением панелей свода ковш-печи, уносимых отходящими газами и пр., относительно постоянна и составляет около 19-22% всех затрат тепла.

Температурный режим внепечной обработки стали в 155-тонном ковше

Рис.3.4. Температурный режим внепечной обработки стали в 155-тонном ковше

Таблица 3.3. Виды добавок в ходе внепечной обработки

Виды добавок в ходе внепечной обработки

Таблица 3.4. Изменение химического состава стали в ходе внепечной обработки

Изменение химического состава стали в ходе внепечной обработки

Таблица 3.5. Основные технические показатели внепечной обработки

Основные технические показатели внепечной обработки

  3.3 Регулирование температуры жидкой стали в ковше
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ