Огнеупорный аспект при производстве и разливке стали
  Доклад №8

Промышленные исследования особенностей работы промежуточного ковша шестиручьевой сортовой МНЛЗ ПАО "ЕМЗ" в условиях повышенной скорости разливки при литье сверхдлинными сериями

А.Л. Подкорытов
ПАО «Енакиевский металлургический завод»

Повышение эффективности работы конвертерного цеха при разливке на многоручьевых сортовых МНЛЗ в условиях развития стратегии минимизации издержек оказывается возможным при увеличении серийности разливки до 70-100 плавок. При этом весьма важным фактором оказывается увеличение скорости заготовки, что требует дополнительных корректирующих мероприятий в части работы промковша МНЛЗ.

Ключевые слова: промежуточный ковш, металлоприемник, износ, торкрет слой, сталь.

Обобщая многообразный опыт, накопленный на разных металлургических предприятиях мира, можно сделать вывод, что, хотя основные решения в части совершенствования и развития многоручьевых сортовых МНЛЗ достаточно хорошо известны и обеспечивают заметный экономический эффект, значительный дополнительный положительный результат можно извлечь применительно к конкретной МНЛЗ, с учетом условий работы конвертерного цеха и металлургического предприятия в целом [1-5]. При этом новые рациональные режимы разливки стали и работы отдельных функциональных частей МНЛЗ могут быть обоснованы при условии более детального качественного и количественного описания отдельных операций и совмещении технологических этапов ее работы. Одним из аспектов, отражающих технологический уровень разливки стали на многоручьевой сортовой МНЛЗ, является эффективность работы промежуточного ковша в условиях литья сверхдлинными сериями при минимальном уровне удельных затрат.

Настоящие исследования выполнены применительно к сталепла-вильному комплексу ПАО «ЕМЗ». Как известно, в течение ряда лет на этом заводе проводится модернизация комплекса по производству и разливке стали. В состав конвертерного цеха входит 3 конвертера вместимостью 160 т каждый. В начале XXI века взамен разливки стали в слитки в конвертерном цехе были пущены в эксплуатацию 2 установки ковш-печь и 2 шестиручьевых сортовых МНЛЗ (производитель АО «НКМЗ»). Номинальная производительность МНЛЗ (1 млн. т заготовки в год на каждую машину) была превышена уже в 2006 г. (рис. 1). При этом в соответствии с данными контракта гарантированная серийность разливки стали из одного промежуточного ковша составляла 5-10 плавок, а скорость разливки для заготовки сечением 150x150 мм – 2,5 м/мин.

производительность мнлз

Рисунок 1 – Динамика повышения производительности МНЛЗ №1 и МНЛЗ №2 ПАО «ЕМЗ»

Основные технические данные сортовых МНЛЗ ПАО «ЕМЗ» (в со-ответствии с контрактом с АО «НКМЗ») представлены в таблице 1. Дальнейшая модернизация МНЛЗ выполнялась без остановки основного производства, что обусловило ряд специфических технологических решений на переходном этапе [6-8].

На первом этапе промышленных исследований основное внимание было уделено гармонизации работы рабочего слоя футеровки промежуточного ковша, днища и стен металлоприемника применительно к разливке стали сверхдлинными сериями. С этой целью основное внимание акцентировалось на оптимизации химического и фракционного состава огнеупорного материала и конструкции рабочего слоя футеровки промежуточного ковша, увеличении стойкости рабочего слоя футеровки до уровня 50-60 плавок и более, а также на отработке основных конструктивных элементов металлоприемника.

В сочетании с различными важными элементами модернизации производственного процесса на ПАО «ЕМЗ» описанные выше технологические инновации привели к существенным изменениям в конвертерном цехе. Прежде всего, достигнутая стабильность разливки на МНЛЗ сверхдлинными сериями обеспечила повышение объемов производства непрерывнолитой заготовки. Однако капитальный ремонт и пуск в эксплуатацию доменной печи №3 обусловил возможность повышения производительности конвертерного цеха по жидкой стали. При этом лимитирующим звеном во всей технологической цепочке оказалась производительность МНЛЗ.

Таблица 1 – Основные технические данные МНЛЗ ЕМЗ

технические характеристики мнлз

Повышение производительности МНЛЗ оказалось возможным за счет повышения скорости разливки (скорости вытяжки заготовки). По нашим оценкам для существующей конструкции МНЛЗ имеется возможность увеличить скорость вытяжки заготовки сечением 150x150 мм до величины 3,8-3,9 м/мин. Отработка разливки стали с повышенными скоростями вытяжки осуществлялась на МНЛЗ-2 в начале на 1-2 ручьях посредством увеличения диаметра выпускного отверстия в стакане-дозаторе. При этом интенсивность подачи воды в зоне вторичного охлаждения была увеличена примерно на 25-30%. Как показали наблюдения, выполненные в зоне порезки, вытяжка заготовки сечением 150x150 мм со скоростью на уровне 3,8-3,9 м/мин при определенных параметрах охлаждения не приводит к выходу жидкой фазы к месту порезки заготовки. Это позволило внедрить высокоскоростную разливку на все ручьи обеих МНЛЗ. Промышленное применение высокоскоростной разливки в конвертерном цехе ПАО «ЕМЗ» было начато в марте-апреле 2012 г. При этом доля плавок, разлитых с высокими скоростями (3,5-3,6 м/мин и более) постепенно наращивалась.

Между тем, с повышением скорости разливки было отмечено увеличение степени износа рабочего слоя футеровки промежуточных ковшей. Для повышения стойкости была увеличена толщина футеровки промежуточного ковша: шлаковый пояс – 140-150 мм; стены и днище – 90 мм. Следует отметить, что в нескольких случаях в мае-июле 2012 г. при разливке на повышенных скоростях произошли прогары днища промежуточного ковша, вызвавшие аварийную остановку МНЛЗ. Усредненные данные о стойкости футеровки промковшей, которые были выведены из эксплуатации по признаку «предельный износ футеровки в области шлакового пояса», представлены на рисунке 2.

серийность разливки мнлз

Рисунок 2 – Средняя по месяцу серийность разливки промежуточных ковшей, выведенных из эксплуатации вследствие достижения критического износа футеровки

На основании полученных данных был выполнен анализ технологических аспектов, которые возникали при разливке с повышенными скоростями вытяжки заготовки и вызывали повышенный износ днища промежуточного ковша. Важнейшим элементом при этом является реальная вместимость промежуточного ковша, которая на практике изменяется в зависимости от толщины рабочего слоя футеровки. Разница между номинальным значением массы металла в промежуточном ковше (для толщины рабочего слоя футеровки 50-60 мм) и реальным (приведен выше) может составлять 5-6 т. В качестве иллюстрации на рисунке 3 представлена диаграмма изменения массы металла в промежуточном ковше МНЛЗ №2 (разливка закончилась прогаром днища). При этом верхняя кривая соответствует массе металла в промежуточном ковше при толщине футеровки промежуточного ковша 55-60 мм, а нижняя массе металла при реальной толщине (90 мм стены и днище и 150 мм – шлаковый пояс).

Обобщая приведенные данные, следует отметить, что в процессе разливки стали на повышенных скоростях сверхдлинными сериями в зависимости от производственной ситуации остаток металла в промежуточном ковше в период замены сталеразливочного ковша может уменьшаться до критических значений (менее 10 т). Это, прежде всего, следует связывать с возможными задержками в открывании шиберного затвора (например, необходимость прожигания канала коллектора), что представляется недопустимым при повышенных расходах стали. В целом расход металла, вытекающего из промежуточного ковша при разливке с повышенными скоростями (например, 3,6-3,8 м/мин) увеличивается примерно в 1,35-1,45 раза. Соответственно это обусловливает более быстрое падение уровня металла в промежуточном ковше, что усугубляется к тому же его меньшим рабочим объемом.

масса металла в промковше

Рисунок 3 – Изменение массы металла в промежуточном ковше в течении разливки серии (1 – толщина рабочего слоя футеровки на уровне 55-60 мм, 2 – толщина стен и днища 90 мм и шлакового пояса 150 мм)

Выполненные на физической модели исследования влияния уровня металла на характер его перемешивания в промежуточном ковше, довольно хорошо объясняют процессы, приводящие к разрушению футеровки при разливке с повышенными скоростями [9-10]. По сути, можно выделить следующие основные факторы:

  • увеличение скорости движения конвективных потоков в жидкой ванне промежуточного ковша, в том числе формирование областей горизонтальных циркуляционных потоков в области зеркала металла;
  • более быстрое падение уровня металла в промежуточном ковше при замене сталеразливочного ковша, что уменьшает остаток металла при перековшовках и повышает вероятность размывания днища металлоприемника;
  • падение уровня металла ниже окон металлоприемника, что приводит к повышенным механическим нагрузкам его стен за счет ферростатического давления и увеличивает вероятность разрушения металлоприемника.

Как показали наблюдения одной из исследованных серий, при раз-ливке 8-й плавки (средняя скорость разливки 3,25 м/мин) было зафиксировано падение массы металла в промковше до 3,5-4,0 т, что соответствует наполнению промковша по уровню в пределах 165-170 мм. При этом подача стали в промковш была прекращена примерно на 205-210 с, что, безусловно, создало критические нагрузки на боковые стенки металлоприемника за счет находящегося в нем металла. В дальнейшем критические падения уровня металла (менее 380-400 мм) наблюдались при разливке плавок №№13, 15, 20, 25, 28, что соответствует уровню металла в промежуточном ковше в пределах 350-400 мм. Среднее время замены сталеразливочного ковша на данных плавках составляет около 2 мин. В ходе разливки 36-й плавки отмечено падение массы металла в промковше до 6,5 т. Учитывая уже накопившийся износ металлоприемника (то есть частичное или полное отсутствие боковых стен), уровень металла в металлоприемнике соответствовал уровню наполнения промежуточного ковша (270 мм). Как следствие, при открытии шиберного затвора произошел размыв днища промежуточного ковша падающей струей и, как следствие, прогар бойного места, приведший к аварийному прекращению разливки. Осмотр промежуточного ковша после остановки разливки и его охлаждения подтвердил практически полное отсутствие в нем металлоприемника. Характер размыва днища и образования прогара приведен на рисунке 4.

Фотография размыва днища промковша

Рисунок 4 – Фотография размыва днища промковша (вид сверху)

Аналогичные наблюдения были выполнены для 12 промежуточных ковшей при разливке со скоростями 3,2-3,8 м/мин. Установлено, что для серий, в которых наблюдалось критическое падение металла в промежуточном ковше, наблюдалось частичное разрушение или скол стенок металлоприемника. Анализ производственных ситуаций, выполненный к условиям конвертерного цеха ПАО «ЕМЗ», позволил прийти к выводу, что полностью предотвратить ситуации с падением уровня металла до значений 300-350 мм не представляется возможным. Соответственно представляется целесообразным изучение возможности повышения уровня стали в металлоприемнике за счет мероприятий по реконструкции промежуточного ковша. При этом наиболее простым и не требующим значительных капитальных затрат решением представляется наращивание борта промежуточного ковша. В условиях действующих МНЛЗ ПАО «ЕМЗ» увеличение высоты борта промежуточного ковша может быть выполнено в пределах 200-250 мм. Внешний вид промежуточного ковша до и после реконструкции приведен на рисунке 5.

промышленный промковш

Рисунок 5 – Общий вид промежуточного ковша (со стороны короткой стенки) до реконструкции (слева) и после (справа)

В целом увеличение уровня металла в промежуточных ковшах за счет наращивания борта позволило заметно повысить показатель серийности разливки (рисунок 2), начиная с сентября 2012 г. Для повышения экранирующего эффекта при разливке сверхдлинных серий применялась ТИС на основе рисовой лузги.

Таким образом, выполненная реконструкция промежуточного ковша позволила повысить производительность многоручьевых сортовых МНЛЗ ПАО «ЕМЗ» за счет повышения скорости разливки и обеспечения стабильности литья при заменах сталеразливочных ковшей. Достигнутая средняя серийность по месяцу составила 51-55 плавок (средняя скорость разливки составила 3,6-3,7 м/мин) уже через несколько месяцев после введения в эксплуатацию промежуточных ковшей с повышенным уровнем налива стали. При этом рекордные серии превысили 90 плавок. Установлено, что разработанная конструкция металлоприемника обеспечивает стабильную работу промежуточного ковша в течение всего цикла при условии поддержании уровня стали в ковше на уровне 400-450 мм. Дальнейшее освоение технологии разливки сверхдлинными сериями с повышенными скоростями позволяет ожидать достаточно быстрого достижения еще более высоких показателей серийности. По достаточно объективным оценкам более глубокая гармонизация организационных, технических и технологических вопросов, направленных на обеспечение стабильности работы МНЛЗ, может обеспечить среднюю серийность разливки на уровне 70-80 плавок при достижении рекордной серийности на уровне 100 плавок. При этом весьма важным элементом, оказывающем влияние на стойкость рабочего слоя футеровки промежуточного ковша является теплоизолирующая смесь, которая используется для защиты зеркала металла. Существенного увеличения стойкости футеровки промежуточного ковша удается достигнуть в случае применения теплоизолирующей смеси, которая не вступает в химическое взаимодействие с рабочим слоем футеровки промежуточного ковша.

Библиографический список

  • 1. Непрерывная разливка сортовой заготовки // А.Н. Смирнов, С.В. Куберский, А.Л. Подкорытов и др. – Донецк: Цифровая типография, 2012. – 417 с.
  • 2. Смирнов А.Н., Подкорытов А.Л. Современные сортовые МНЛЗ: перспективы развития технологии и оборудования // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2010. – №2. – С. 61-65.
  • 3. Либерман А.Л. Предпосылки организации производства непрерывнолитых заготовок малого сечения // Электрометаллургия. - 2007.- №9. - С. 17-22.
  • 4. Wolf M. Bloom and billet casting overview // Proc. 3rd European Conf. on Continuous Casting, Madrid-Spain, Оctober 20-23, 1998. – Madrid: 1998.–P.515-524.
  • 5. Повышение конкурентоспособности сортовых МНЛЗ путем их модернизации / А.М. Ротенберг, И.Н. Шифрин, А.К. Белитченко и др. // Электрометаллургия. – 2003. – №.3. – С. 41-46.
  • 6. Подкорытов А.Л. Енакиевскому металлургическому заводу - 110 лет // Сталь. – 2007. №11. – С.2-3
  • 7. Первый этап реконструкции МНЛЗ в КЦ ОАО «Енакиевский металлургический завод» / А.Л. Подкорытов А.Ю. Оробцев, Смирнов А.Н. и др. // Сб. научн. тр. «50 лет непрерывной разливке стали в Украине». Донецк: изд-во «Ноулидж», 2010. – С. 132-137.
  • 8. Повышение производительности шестиручьевых сортовых МНЛЗ ПАО «Енакиевский металлургический завод», достигнутые показатели, перспективы развития / А.Л. Подкорытов, И.Ю. Семион, А.Ю. Оробцев и др. // Сб. научн. тр. конф. «Инновационные технологии внепечной обработки чугуна и стали», 25-26 октября 2012 г. – Донецк: ДонНТУ, 2011. – С. 235-240.
  • 9. Смирнов А.Н., Подкорытов А.Л., Кравченко А.В. Оптимизация движения конвективных потоков в промковшах многоручьевых МНЛЗ при разливке сверхдлинными сериями // Металл и литье Украины. – 2012. – №10. – С. 8-10.
  • 10. Smirnov O., Kravchenko A., Podkorytov A. Optimization Steel Flow in Tundish for Casting with Super Lonf Sequences on Multi Strand Billet CCM / Smirnov O., // Proceedings of 5th International Congress on the Science and Technology of Steelmaking 2012. – 1-3 October 2012. Dresden. – CD-print.
  Доклад №8
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ