Агрегат "ковш-печь"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

печь ковшовой сталь металлургия

В виду энергетической неэффективности комплексной доводки жидкого расплава (полупродукта) по заданному химическому составу и температуре непосредственно в дуговой сталеплавильной печи (ДСП), эту операцию целесообразно проводить в агрегате "ковш-печь"[2].

Комплексная доводка жидкого расплава проводится, как правило, в футерованном основными огнеупорами ковше, накрываемом крышкой, через которую вставлены электроды. Управление электродами осуществляется посредством электрогидравлического регулятора мощности аналогичного регулятору ДСП.

Процесс включает в себя, помимо дугового подогрева (получения нужной температуры), перемешивание продувкой металла аргоном в ковше, обработкой синтетическим шлаком, и позволяет получать не только заданный химический состав и температуру металла, но и снижать количество неметаллических включений в результате удаления серы и кислорода.

Агрегат ковш-печь, также называется агрегатом комплексной обработки стали (АКОС) -- это звено в единой технологической схеме с дуговыми печами, конвертерами и мартенами для доведения металла в ковше, после его выпуска из плавильного агрегата, до заданной температуры и химического состава.

1.Современное состояние вопроса

В последние два десятилетия все более выраженной тенденцией является комплексное повышение требований к качеству стали, что планомерно осуществляется на ведущих металлургических предприятиях мира. Причем прогресс в области методов доводки стали обусловил возможность создания технологий для принципиально новых марок сталей, используемых в различных отраслях машиностроения. Общепризнанным путем реализации указанного подхода является внепечная обработка расплава в агрегате ковш-печь (рис 1).

Рисунок 1 - Схематическое изображение ковш-печи: а - устройство для автоматического замера температуры и отбора проб металла, б - нагревательные электроды, в - водоохлаждаемая крышка, г - система подачи порошковой проволоки, д - шлак, е - струя газа, ж - металл, з - металлический кожух, и - продувочное устройство, к - футеровка.

Рис.

Широкое распространение при внепечной обработке стали получил разработанный в 1971 г. фирмой Daido Steel (Япония) процесс рафинирования в сталеразливочном ковше с использованием подогрева металла электрической дугой (процесс LF -- Laddle Furnace), установка, на которой реализуется этот процесс, получила название «Агрегат ковш-печь» (АКП) [3].

Агрегат ковш-печь используется в комплексе с плавильными агрегатами, в которых выплавляется полупродукт, в качестве таких агрегатов используются кислородные конвертеры, дуговые и мартеновские печи, в которых проводятся расплавление металлолома и ферросплавов с малым угаром и проводится окислительный период. Затем металл сливают в стальковш, по возможности исключая попадание в него печного шлака. До и во время выпуска металла в ковш отдаются раскислители, шлакообразующие и легирующие материалы.

В случае попадания в ковш большого количества окисленного шлака, его удаляют. После выпуска металла ковш поступает на агрегат ковш-печи, где проводятся операции окончательного раскисления, десульфурации, легирования и модифицирования. Ковш накрывается водоохлаждаемым или футерованным сводом с отверстиями для введения графитированных электродов, подачи присадок и контроля процесса, наводят свежий высокоосновный шлак, обладающий высокой десульфурирующей способностью и защищающий металл от вторичного окисления окружающей атмосферой.

Основные требования к АКП: контроль атмосферы над ванной, регулируемый нагрев металла, интенсивное перемешивание ванны без загрязнения металла атмосферой (вторичного окисления, азотирования), наведение высокоосновного восстановительного шлака.

Агрегат ковш-печь снабжен устройствами для введения сыпучих материалов (бункерная эстакада с весодозирующими устройствами) и трайб-аппаратами для введения материалов в виде проволоки. Нагрев металла на АКП осуществляется также, как дуговых печах (ДСП), но мощность трансформаторов установок ковш-печь значительно меньше, чем используется на дуговых печах и составляет 100--160 кВА/т. Это объясняется отсутствием такой энергозатратной стадии, как расплавление лома, тепло затрачивается только расплавление вводимых материалов и поддержание температуры металла. Кроме этого, мощность подвода тепла ограничивается повышенным износом кладки ковша выше уровня металла ввиду малого (по сравнению с дуговой печью) диаметром ковша. Удельный расход электроэнергии на АКП составляет примерно 10 % от суммы всех энергозатрат на выплавку стали.

Во время обработки через днище ковша осуществляется продувка металла инертным газом (аргон или азот) для перемешивания металла с целью усреднения его по химическому составу и температуре, кроме этого продувка металла способствует выведению неметаллических включений из металла. Вдувание газа осуществляется через одну-три пористые пробки. Также возможно электромагнитное перемешивание металла. Эффективность обработки стали на АКП определяется режимом перемешивания в ковше, который влияет на степень усреднения стали по химическому составу и температуре. Оценка степени перемешивания стали происходит по косвенным показателям - пробам химического состава металла в течение обработки. Это приводит к ошибкам, и сталь оказывается перемешана недостаточно хорошо. Стоит отметить возможную перспективность перемешивания аргоном через полые электроды. В начале 1950-х годов в нескольких странах (США, ГДР, ЧССР, ПНР, СССР) было проведено испытание полых электродов с целью исследования влияния их работы на стабилизацию дугового разряда. Отмечено (Schwabe W. E, Von K, Микулинский А. С., Воробьев В. П.) увеличение использования мощности в периоды беспокойного электрического режима на 9 % и повышение КПД нагрева на 5-7 %, также отмечено, что возможно снижение расхода электроэнергии до 15 %.

Особенностью многих АКП является работа в условиях малой толщины шлака. Поэтому одной из задач совершенствования обработки стали является разработка технологических приемов, позволяющих снизить влияние толщины шлака на эффективность нагрева. Анализ литературных источников показал, что одним из решений может быть применение технологии нагрева стали с помощью полых электродов. Анализ известных исследований показал, что продувка через полые электроды проводилась только на электродуговых сталеплавильных печах емкостью до 180 т. Характер работы ЭДУ на плавильных электродуговых печах и АКП отличается. Размеры сталеразливочного ковша также оказывают существенное влияние на энергетические характеристики агрегата.

После достижения заданных значений по химическому составу и температуре, ковш с металлом передают на обработку на другие агрегаты или на разливку.

Агрегат ковш-печь может использоваться в сочетании с обработкой металла на других агрегатах внепечной обработки.

Использование агрегатов ковш-печь позволило вынести из плавильных агрегатов восстановительный период и доводку металла, что резко повысило производительность сталеплавильного производства, В электросталеплавильном производстве за счет исключения резкого перепада окисленности ванны удалось значительно сократить расход огнеупоров, использовать одношлаковую технологию и технологию работы с «болотом» (оставленным в дуговой печи шлаком предыдущей плавки), что привело к значительному снижению расхода электроэнергии.

Возможность подогрева металла вне плавильного агрегата значительно повысила гибкость всего производственного цикла выплавки стали: использование агрегатов ковш-печь сделало участок внепечной обработки металла «временным буфером», позволяющим демпфировать рассогласование стадий выплавки и разливки.

Также агрегаты ковш-печь используются в цветной металлургии.

1.1 Конструктивные особенности агрегатов «ковш-печь»

В ходе создания и внедрения отдельных методов и агрегатов внепечной обработки стала ясна целесообразность их комбинированного (комплексного) использования и необходимость компенсации тепловых потерь при их применении для обеспечения надежности функционирования технологии. В связи с этим интенсивное развитие получило внепечное рафинирование металла в агрегате комплексной обработки стали (АКОС), представляющем комбинацию из установки для обработки металла в ковше вакуумом и устройства для подогрева расплава в ковше электрическими дугами до требуемой температуры, и позволяющим обрабатывать металл рафинирующими шлаками, инертным газом, порошковыми смесями и проволокой с различными составами наполнителей; эти устройства могут быть совмещенными в одном агрегате или размещаться на отдельных стендах, оснащенных транспортными средствами для передачи ковша, например, со стенда вакуумирования на стенд подогрева и обратно. При необходимости АКОС оборудуется устройством для удаления из ковша окислительного шлака после выпуска плавки.

Эффективность работы агрегата ковш-печь в значительной мере зависит от наличия и надежности работы технологических устройств, основными из которых являются:

- аргонный стенд;

- устройство для вдувания порошка углеродсодержащих материалов в металл (нагнетатель);

- система бункеров, весодозирования и подачи шлакообразующих и легирующих материалов в сталеразливочный ковш;

- трайб-аппарат;

- устройство для верхней продувки стали ароном;

- устройство для измерения температуры и взятия пробы (термопроб);

- машина для скачивания шлака.

Аргонный стенд состоит из рамы, на которой смонтированы клапаны, редуктор и измерительные приборы, соединенные трубной разводкой. К стенду подводится арго-нопровод с давлением газа 1,2--1,6 МПа. От стенда аргон подается к нижней продувочной фурме, установленной в днище ковша, имеется подвод к верхней (аварийной) фурме. Расход аргона на АКП емкостью 12--160 т колеблется от 5 до 25 /ч.

Установку для подачи в расплав порошкообразных углеродсодержащих материалов в некоторых случаях можно использовать для вдувания порошкообразной извести.

Установка имеет систему автоматического и ручного управления. Порошок из саморазгружающегося контейнера через загрузочный узел подают в приемный бункер, объем которого колеблется от 1,5 до 6 . Перед началом работы задают необходимую дозу, в емкости камерного насоса объемом 0,7 сбрасывают давление, открывают клапан загрузочный и верхний клапан камерного насоса.

Для автоматизированной операции подачи материалов в емкость камерного насоса при закрытых верхнем и нижнем клапанах нагнетается давление. Сигнал к включению установки подается после ввода рабочего конца фурмы (трубки) для подачи порошка в жидкий металл. По этому сигналу открывается клапан выгрузки камерного насоса и одновременно подается газ для эжекции. По окончании подачи заданного количества материалов клапан выпуска камерного насоса закрывается, в течение ~ 15 с продолжается продувка трубопровода газом через эжектор, затем подача газа прекращается.

Производительность установки -- до 50 кг/мин, фракция материала от 1 до 3 мм, порция разовой подачи порошка 5--150 кг, расход энергоносителя на аэрацию порошка 15--35 м /ч, на транспортировку до 150 м /ч, давление газа < 0,6 МПа. В качестве транспортирующего энергоносителя применяют инертный газ или осушенный сжатый воздух.

Устройство для верхней продувки стали аргоном в ковше при запечатывании донной фурмы состоит из стойки, установленной на рабочей площадке вблизи АКП, и каретки с приводом, перемещающейся вертикально. Возможно размещение каретки на рабочей площадке стационарно. В этом случае перемещается стойка, на которой установлен привод для горизонтального перемещения рукава и крепится фурма. Глубина погружения фурмы 300--500 мм от дна ковша.

Устройство для измерения температуры и взятия проб располагают на рабочей площадке вблизи АКП. Взятие проб и измерение температуры металла в ковше проводят через отверстие в своде.

Устройство управляется с местного пульта или из поста управления АКП. Перемещение вниз каретки со штангой, на которой установлены пакеты с пробницей или термопарой, прекращается при достижении заданной глубины.

После выдержки в течение 5--10 с штанга поднимается вверх и направляющая перемещается в исходное положение. Показания измерения температуры передаются на монитор оператора, пробницу вручную вынимают из обоймы и пневмопочтой передают в экспресс-лабораторию. Термопару и пробницу заменяют новыми, устройство готово к следующей операции.

Для подачи шлакообразующих и легирующих материалов используют бункеры в количестве от 6 до 12. В зависимости от сортамента выплавляемой стали и технологии ее производства на конкретном предприятии объем бункеров может колебаться от 2 до 10 м. Обычно бункеры оснащают датчиками нижнего уровня материалов. Для надежной работы оборудования системы подачи требуются материалы фракцией 10--50 мм.

Наличие системы бункеров и весодозирования позволяет оперативно решать вопросы по корректировке химического состава и соблюдению технологического процесса внепечной обработки стали.

Управление системой осуществляется через АСУТП, что позволяет свести до минимума брак и сократить продолжительность обработки стали в АКП.

Для подачи проволоки в ковш используют одно-, двух- четырехручьевые трайб-аппараты С целью уменьшить габариты устройства бунты и трайб-аппарат располагают на разных уровнях; бунты чаще располагают под рабочей площадкой.

Диаметр вводимой в ковш алюминиевой проволоки составляет 8--12 мм, порошковой -- 6--18 мм; скорость ввода проволоки -- 0--300 м/мин. Мощность привода составляет 15 кВт на каждый ручей.

Трайб-аппараты выпускают с ручным электромеханическим и пневматическим прижимом проволоки и оснащают локальной автоматической системой управления, включая счетчики-индикаторы.

На металлургических предприятиях России наибольшее применение находят трайб-аппараты Чепецкого механического завода.

Машина скачивания шлака с поверхности расплава в сталеразливочном ковше устанавливается стационарно на металлоконструкциях.

Управление машиной скачивания шлака и стендом наклона ковша осуществляется с поста управления, расположенного на площадке, приваренной к основанию поворотной стойки.

1.2 Возможности АКП по очистке расплава

Постоянный рост требований к качеству металлопродукции заставляет все больше внимания уделять таким свойствам отпускного металла, как хрупкость, коррозийная стойкость, старение и т.д.

Известно, что газы, имеющиеся в металле, ухудшают его эксплуатационные свойства. Так, наличие в нём водорода повышает флокеночувствительность и склонность к образованию трещин. Азот увеличивает загрязненность нитридными включениями и повышает склонность нелегированного металла к старению. Кислород образует с различными элементами, входящими в состав металла, оксидные включения и тем самым ухудшает характеристики пластичности и прочности.

Проблема удаления газов из металла на сегодняшний день остаётся одной из самых актуальных. Для её решения в настоящее время применяются различные способы внепечной обработки, которые имеют значительное преимущество, по сравнению с рафинированием металла в печи как в отношении скорости и полноты протекания процесса, так и глубины рафинирования. Современные процессы внепечной обработки являются неотъемлемой частью сталеплавильного производства, а ковшовая металлургия (как в целом, так и, в частности, дегазация жидкого металла продувкой инертным газом в ковше) занимает ведущее место в расширении металлургического производства качественной продукции.

Можно считать установленным тот факт, что перемешивание металла и его циркуляция играют важную, а зачастую определяющую роль для эффективного протекания процессов дегазации металла и очистки его от примесей.

В общем случае перемешивание достигается благодаря применению различных вариантов одного из трех способов:

- путем инжектирования газа, как, например, в случае перемешивания аргоном при атмосферном давлении;

- с помощью использования вакуумных установок типа R-H или D-Н, которые зачастую работают как миксеры;

- за счет электромагнитных сил, как это имеет место в индукционных печах.

При перемешивании вещество перераспределяется в системе благодаря двум процессам: объемным потокам, т.е. движению расплава, и турбулентной диффузии. Объемные потоки жидкости обусловливают перенос вещества вдоль линий тока. Турбулентная же диффузия происходит по всевозможным направлениям; она ответственна, главным образом, за перенос вещества в направлениях, пересекающих линии тока. Для того чтобы ускорить перемешивание, оба этих фактора должны действовать совместно.

Во всех случаях, когда применяют перемешивание, необходимо добиваться баланса между максимально допустимой энергией, подводимой к системе для обеспечения поставленной цели, и временем обработки металла, при котором ущерб, наносимый футеровке ковша вследствие интенсивной циркуляции расплава, будет минимальным.

Несмотря на то, что при перемешивании расплава продувкой инертным газом поля скоростей и степень турбулизации потока существенно неоднородны, в отечественной металлургии наибольшее распространение получили именно эти системы благодаря своей относительно низкой стоимости.

Перемешивание металла со шлаком в процессе его продувки обеспечивает достаточно эффективное удаление серы, которая, как известно, в результате выделения сульфидов марганца в процессе затвердевания и их деформации при прокатке, ухудшает пластичность стали.

Меры, направленные на обеспечение низкого содержания примесей, требуют, дополнительных затрат, связанных с расходом электроэнергии и инертного газа, т.е. ведут к повышению себестоимости продукции. В связи с этим возникает вопрос максимального ресурсо- и энергосбережения при внепечной обработке металла. Решение этой проблемы непосредственно связано со всесторонним исследованием процесса продувки.

Эффективность барботажа возрастает с уменьшением размера пузырьков инертного газа и с ростом глубины ванны, поскольку при данной интенсивности продувки это приводит к резкому возрастанию удельной площади поверхности фазораздела металл-газ.

При повышении интенсивности продувки эффективность дегазации, как правило, увеличивается. Однако детальное исследование этой зависимости показывает, что изменение эффективности имеет более сложный характер. Авторами работы на основании проведенных экспериментальных исследований делается вывод, что не интенсивность продувки, а количество газовых пузырей, внедряемых в расплав в единицу времени, является доминирующим фактором повышения эффективности процессов дегазации жидкого металла продувкой инертным газом. При высоких интенсивностях продувки происходит слияние отдельных пузырей, приводя к снижению площади поверхности контакта металл-газ и эффективности дегазации. Фактор развития межфазной поверхности в увеличении эффективности рассматриваемых процессов существенно преобладает над повышением степени турбулизации расплава. Последняя выравнивает температуру и концентрацию её компонентов, но существенно не влияет на массоперенос через область диффузионного пограничного слоя на границе металл-газ. Это связано с неперемешиваемостью последнего, поскольку режим обтекания газовых пузырей жидкостью является преимущественно безотрывным.

2.Методы исследования в ковшовой металлургии

Промышленный эксперимент в металлургии всегда связан с большими материальными затратами и методическими трудностями, которые не позволяют учитывать все взаимосвязанные явления. Поэтому большинство исследований проводится посредством математического моделирования металлургических процессов с использованием численных методов и проведения вычислительного эксперимента на базе современных ЭВМ[6].

В зависимости от априорных данных, имеющихся у исследователя, различают, статистические, аналитические (теоретические) и смешанные модели.

Статистические модели основаны на обработке, полученных на изучаемом процессе, опытных данных методами математической статистики. В таких моделях не раскрываются свойственные процессу причинно-следственные связи, поэтому они применимы лишь к конкретным условиям.

При создании теоретических моделей за основу берутся объективные закономерности моделируемых процессов в виде соответствующих уравнений, связывающих изучаемые явления с различными другими факторами. Такие модели наиболее универсальны, так как в них заложены механизмы процесса, а, следовательно, информация о важнейших причинно-следственных связях. Однако построение теоретических моделей требует, как правило, проведения больших и трудоемких исследований, так как это обусловлено необходимостью выяснения природы большого числа частных процессов, протекающих внутри изучаемого явления.

В качестве примера теоретической модели можно привести данные работы[4], в которой рассматривается осесимметричная задача тепловой конвекции, возникающей в парогазовой смеси под действием температурных градиентов в цилиндре конечной высоты. Разработанная модель позволяет находить распределение температур, скоростей и давления.

Рис.

На Рис. 2 показаны результаты вычисления по модели безразмерных осевой и радиальной компонент скорости, отнесенные к константе интегрирования C_I.

Ввиду большой общности рассматриваемого в задаче случая, эта модель не может претендовать на полную адекватность реальным процессам теплообмена в металлургических агрегатах.

Подобные модели могут использоваться в качестве первого приближения в численных экспериментах, целью которых является исследование более сложных видов конвективного теплопереноса.

Математические модели смешанного типа строятся, как правило, на основе одного или небольшого числа уравнений, описывающих механизм наиболее существенного звена процесса в целом. Влияние всех других звеньев учитывается с помощью задания некоторых параметров (настроечных коэффициентов). Последние находятся из условия сопоставления расчётных и экспериментальных данных. Этот процесс, как известно, называется адаптацией модели.

В качестве экспериментальных данных целесообразно привлекать результаты холодного и горячего моделирования. Горячие лабораторные модели используются, с одной стороны, для установления адекватности разработанной математической модели, а с другой, для определения констант массопереноса. При построении холодных моделей возникают трудности, связанные с необходимостью обеспечения равенства критериев подобия реального процесса и его холодной модели.

Хорошим примером использования экспериментальных данных при построении математической модели является работа[5], в которой сравниваются результаты холодного моделирования перемешивания жидкого металла в ковше аргоном с результатами математического моделирования этого процесса. При разработке математической модели для расчетов турбулентной вязкости вместо параметрической модели используется эмпирическое выражение:

где Q_м - массовый расход газа.

В результате значительно сокращается объем вычислений и при этом, как видно из Рис. 3, имеет место очень хорошее количественное соответствие между теоретическими и экспериментальными данными. Различие наблюдается лишь в пристеночной области.

Рис.

В силу сложности рассматриваемых процессов наиболее перспективны для их описания математические модели смешанного типа. Для построения таких моделей экспериментальные данные целесообразно привлекать лишь по тем звеньям и характеристикам теоретический расчет которых затруднителен.

Трудностями исследования гидродинамических и теплофизических процессов с помощью математического моделирования является сложность механизмов взаимодействия фаз, различие параметров по объему ванны, сложный состав металлов и т.д., которые могут привести к известному расхождению расчетных и опытно-промышленных данных. Поэтому приходится отказываться от полной адекватности модели и реального технологического процесса. Но по мере развития теории рассматриваемых процессов и уточнения эмпирических коэффициентов, математическая модель модифицируется и совершенствуется.

Вывод

Современные технологические схемы предусматривающие применение АКП в сочетании с установками обработки металла вакуумом, существенно повышают производительность сталеплавильных агрегатов, окупают затраты на них за счет снижения расходов материальных ресурсов, повышения качества выпускаемой металлопродукции и позволяют достигать высоких экономических результатов.

При этом обеспечивается возможность глубокого обезуглероживания расплавов любого химического состава, точное легирование металла с высоким усвоением легирующих, получение стали с содержанием серы менее 0,001%, водорода менее 2 ррm, высокий уровень чистоты по НВ, а также регулирование температуры металла перед разливкой в узких пределах (±5 °С). Одним из главных условий получения высоких стабильных результатов сталеплавильного производства является строгое соблюдение технологических режимов внепечной обработки. Поэтому установки ковшовой металлургии оснащаются эффективными средствами контроля технологических параметров и автоматизированными интегрированными системами управления процессами и операциями внепечной обработки жидкой стали с использованием компьютерной техники. Эффективность использования АКП подтверждается довольно быстрым распространением этого метода внепечной обработки в сталеплавильных цехах России, Украины.

АКП потребляют 20-30 кВт*ч/т и графитированных электродов 0,2-0,3 кг/т. В зависимости от ряда планировочных и технических решений в отдельных сталеплавильных цехах отечественных предприятий с дуговыми печами или кислородными конвертерами и МНЛЗ используют либо только установки ковш-печь, либо АКП в сочетании с вакууматорами. В перспективе ковшовая металлургия будет развиваться в направлении увеличения объемов вакуумирования стали, совершенствования процессов и повышения эффективности достигаемых результатов.

Список литературы

1.Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко. Производство стали. Том 1.Процесы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки. -М.: «Теплотехник», 2008.-528с.

2.Д. Я.Поволоцкий. Основы технологии производства стали: Учебное пособие для вузов. - Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2000. - 189с.

3.Журнал «Сталь», Комплексная обработка стали в ковше-печи: практический подход. 2006,-№ 11.

4.Зекели Дж., Эль-Кадах Н.Х., Грэвет Дж. А. Анализ гидродинамических явлений в ковшах при холодном моделировании./ В кн.Инжекционное моделирование 80.- Лелау, Швеция, 1980, М. Металлургия, 1982.

5.Эль-Кадах Н.Х., Зекели Дж. Турбулентность и перемешивание в технологических процессах в ковшевой металлургии./ В кн.Инжекционное моделирование, 1983.- Лелуа, М. Металлургия, 1986,С.90-105

6.Численное моделирование гидродинамических и теплофизических процессов в ковше-печи. Белоусов В.В., Куликов Е.Н., Гринберг С.Е. Вестник Донецкого университета, Серия А. Естественные науки, №1, 2006,-c.316-322

7.Численное моделирование процессов перемешивания при продувке ванны агрегата «ковш-печь». Белоусов В.В., Куликов Е.Н., Комаров В.Ф. Математичне моделювання № 2 (17) 2007, -c.61-63

Размещено на Allbest.ru