Внепечная обработка стали

Вакуумирование стали в ковше является наиболее простым способом ее внепечной обработки вакуумом. Его осуществляют в установках, состоящих из вакуумной камеры и соединенной с ней вакуум проводами станции вакуумных насосов (рис.1).

При выпуске стали, предназначенной для вакуумирования в ковше, необходимо принять меры с целью попадания возможно меньшего количества шлака в ковш. Увеличение толщины слоя шлака в ковше вызывает повышение его гидростатического давления на металл и уменьшает эффект вакуумирования. Желательно, чтобы слой шлака в ковше не превышал 25 мм. Попадания окислительного шлака в ковш с металлом следует вообще избегать, так как в восстановительных условиях вакуумной камеры возможно восстановление фосфора в сталь.

Рисунок 1. Схема установок вакуумирования в ковше: а - без принудительного перемешивания, б -- с электромагнитным перемешиванием: 1 -- ковш с металлом, 2 - вакуумная камера, 3 - крышка вакуумной камеры, 4 - смотровое окно, 5 - люк для раскислителей и легирующих, 6- индуктор

Сталеразливочные ковши, в которых производят вакуумную обработку, футеруют обычным шамотным кирпичом.

Для вакуумирования стали ковш с металлом устанавливают в вакуумной камере, которую герметически закрывают крышкой. С понижением давления в камере происходит процесс дегазации стали, вызывающий перемешивание металла и шлака выделяющимися пузырьками газа. вакуумный сталь обработка печь пролет

При вакуумировании нераскисленной стали происходит удаление и кислорода из металла вследствие взаимодействия его с углеродом с образованием СО. Это оказывает влияние и на эффективность дегазации, так как всплывающие пузырьки СО вызывают возникновение эффекта кипения. Кроме того, пузырьки СО экстрагируют из металла водород, интенсифицируя его удаление.

Улучшить результаты вакуумной обработки стали в ковше и обеспечить возможность эффективного вакуумирования больших масс стали можно, применяя принудительное перемешивание металла. В результате перемешивания верхний слой, где и протекают процессы вакуумной обработки, непрерывно сменяется новыми порциями стали, и эффект вакуумирования распространяется на весь объем металла в ковше. При этом создается также возможность вакуумирования нераскисленной стали с последующей присадкой раскислителей в ковш, где они в результате перемешивания равномерно распределяются в объеме металла. Для повышения эффективности вакуумирования в ковше применяют электромагнитное перемешивание и продувку металла инертными газами. Вакуумную обработку стали с электромагнитным перемешиванием ведут на установках, оборудованных индукторами для создания движущегося магнитного потока (рис. 16).

При вакуумной обработке в ковше с перемешиванием наиболее интенсивно удаляется из металла водород. При остаточном давлении 13-130 Па удаляется 55-75% всего водорода из металла, причем больше водорода удаляется при большем исходном содержании его в металле и при обработке нераскисленной стали. В результате вакуумирования содержание водорода может быть понижено, что делает сталь нечувствительной к образованию флокенов -- дефекта, недопустимого в стальных изделиях. Таким образом, вакуумирование устраняет необходимость проведения специальной противофлокенной термической обработки.

В процессе вакуумной обработки металл охлаждается. Это вызывает необходимость перегрева стали в печи на 40-70 °С, т.е. нагрева ее до температуры на 150-180 С° выше температуры ликиидус.

Для получения очень низкого содержания углерода в стали при вакуумировании в ковше разработан способ вакуум-кислородного обезуглероживания. Процесс ведут в ковше, установленном в вакуум-камере. Внутри камера имеет защитную футеровку из шамота, что позволяет вести продувку металла кислородом. В днище ковша устанавливают пористую пробку для продувки аргоном. Продувку кислородом производят через вводимую сверху водоохлаждаемую фурму. Для обеспечения достаточного вакуума в условиях выделения при продувке кислородом значительного количества газов требуются вакуумные насосы повышенной мощности.

Ковш со сталью, содержащей 0,3-0,5% углерода, помещают и вакуумную камеру и после создания вакуума, начинают продувку кислородом, поддерживая разрежение на уровне не более 5 кПа и продувая снизу аргоном. После окончания окислительного периода металл в вакууме раскисляют кремнием и алюминием, продолжая продувку аргоном. Образование при продувке шлака из оксидов железа и вводимой в ковш извести в условиях перемешивания аргоном способствует десульфурации. Одновременная продувка кислородом и аргоном в вакууме обеспечивает получение низкого содержания углерода (не более 0,01%) при малом угаре легирующих. Сталь содержит мало водорода и азота. Ввиду выделения экзотермического тепла реакций окисления во время продувки кислородом происходит нагрев металла, что устраняет необходимость его перегрева в печи.

3. Расчетная часть

Приблизительно длину цеха можно рассчитать из выражения

(5)

где Z - количество печей в цехе. Из [п. 2.1.1] Z = 2;

LП - расстояние между осями печей, м. Принимаем LП = 40 м;

LТ - расстояние между торцами цеха и осью крайней печи, м. Принимаем LТ = 25 м.

м.

Ширина - 30 м.

3.1.4 Размещение печных подстанций и печных трансформаторов

При расположении трансформатора на отметке 0,000 есть опасность попадания металла на трансформатор. Целесообразнее размещать трансформатор на уровне рабочей площадке.

Размещение трансформатора в печном пролете показано на рисунке 9.

Рисунок 9 - Расположение печного трансформатора.

3.1.5 Расчет количества кранов

Грузоподъемность кранов, обеспечивающих работу печного пролета, определяется весом печных трансформаторов, и для печи с номинальной вместимостью 100 т, составляет 180/63/20.

Количество кранов печного пролета n определяется из соотношения

, (6)

где N - количество плавок по цеху за сутки, шт. Принимаем шт;

Tкр. - задолженность крана на одну плавку (время на каждую операцию крана), мин/пл.;

К - коэффициент, учитывающий неравномерность работы печей. Принимаем К = 1,2.

- коэффициент использования крана, по нормам ГИПРОМЕЗа. Принимаем .

Задолженность крана печного пролета (Tкр.) складывается из продолжительности следующих видов работ:

- подъем 2-х груженых бадей со скраповоза

и их подачи к печи t1 = 9 мин;

- разгрузка бадей в печь t2 = 6 мин;

- возврат 2-х порожних бадей к проему

и установка их на скраповоз t3 = 9 мин;

- подача новых электродов на печь и удаление

старых электродов t4 = 10/6 мин;

- перепуск электродов t5 = 5/6 мин;

- подача инструмента и электродов к печи t6 = 5 мин;

- простои на планово-предупредительные

ремонты и осмотры t7 = 150/N мин.

Простои на планово-предупредительные ремонты и осмотры включают в себя:

- обдувка и смазка крана 15 мин в смену;

- осмотр механизмов и проверка их работоспособности 15 мин в смену.

Общая продолжительность приемо-садочных работ за сутки составляет 90 минут. В одну смену (обычно во вторую) проводится планово-предупредительный ремонт продолжительностью 60 минут.

Таким образом, продолжительность простоев на планово-предупредительные ремонты и смотры равна 150 минутам в сутки. На одну плавку продолжительность этих простоев составляет t7 = 150/N мин.

Таким образом, общая продолжительность учтенных крановых работ составляет:

, мин.

Продолжительность неучтенных работ составляет 30 % от учтенных, т.е.

, мин.

Общая задолженность крана на одну плавку:

, мин.

мин.

мин.

мин.

шт. Принимаем n = 3 шт.

3.1.6 Расчет количества бункеров для сыпучих

Объем бункеров для хранения сыпучих материалов определяется по следующей формуле, м3:

, (8)

где Аi - расход i-го материала по цеху за сутки, т/сутки;

Pi - норма запаса i-го материала, количество суток;

Yi - величина насыпной массы i-го материала в бункере, т/м;

K - коэффициент заполнения бункера (для металлошихты К = 1,2, для сыпучих материалов К = 0,8).

, (9)

где ai - удельный расход i-го компонента (определятся при расчете шихты), кг/т;

G - вместимость печи, т. Принимаем 100 т;

N - количество плавок по цеху за сутки, шт. Согласно [п. 2.1.6] N = 49 шт.

Для железной руды:

т/сут.

м3.

Для ферромолибдена:

т/сут.

м3.

Для никеля:

т/сут.

м3.

Для извести:

т/сут.

м3.

Для кокса:

т/сут.

м3.

Количество бункеров под i-ый материал равно:

, (10)

где Vб - объем одного бункера, м3.

Для железной руды:

шт.

Для ферромолибдена:

шт.

Для никеля:

шт.

Для извести:

шт.

Для кокса:

шт.

Рекомендуется выбирать объем одного бункера 20 - 30 м3.

Общее количество бункеров в бункерном пролете определяется

, (11)

где Vi - объем бункеров под i-ый материал;

n - количество наименований сыпучих материалов.

.

3.1.7 Расчет количества скраповозов

Количество тележек-скраповозов определяет число бадей в цехе, так как число бадей равно числу скраповозов и плюс одна или две резервных бадьи.

Расчет количества скраповозов проводится по формуле, шт.

, (14)

где N - количество плавок и цехе за сутки, шт. Принимаем [п. 2.1.6] N = 49 шт;

Т - задолженность скрапонозов на плавку, мин.

Задолженность скраповоза складывается из продолжительности следующих операций: 1) общее время загрузки бадей на одну плавку T1; 2) переезд из шихтового пролета и обратно Tб; 3) разгрузка содержимого бадей в печь T7. Общая продолжительность операций 2 и 3 зависит от того, во сколько приемов (Б) приходится делать загрузку шихты на плавке (завалка и одна или больше подвалок). Эта величина определяется по формуле

(15)

где M1 и М2 - масса лома, загруженного из контейнеров и из бункеров при корректировке, т. Принимаем М1 = 1,98 т; М2 = 98,4 т;

г1, г2 - соответствующие насыпные плотности, т/м3. Принимаем г1 = г2 = 0,8 т/м3;

V - объем бадьи, м3. Т.к. необходимая масса равна 70 т, то принимаем V = 87,5 м3;

К - коэффициент заполнения бадьи. Принимаем К = 0,9.

Продолжительность загрузки бадей на плавку (Т1) складывается из следующих операций: 1) загрузка контейнерами с вагона - Т1; 2) загрузка контейнерами с пола - Т2; 3) корректировка массы шихты на плавку ломом из бункеров - Т3; 4) загрузка чугуна и других компонентов - Т4; 5) загрузка коксика и извести в бункерном пролете - Т5. Принимаем T5 = 5 мин.

Продолжительность переезда скраповоза к проему в рабочей площадке и обратно:

.

Здесь L - расстояние от места загрузки бадьи до проема в рабочей площадке, м. Принимаем L = 40 м; w - скорость скраповоза, м/мин. Принимаем w = 50 м/мин.

Время на разгрузку содержимого бадьи в печь (Т7) складывается из времени подъема бадьи, доставки ее к печи, собственно разгрузки бадьи и отправки порожней бадьи на скраповоз. Продолжительность операций для расчета Т7 можно найти в п. 3.1.6. Общая задолженность скраповоза на плавку

.

мин.

.

мин.

.

мин.

Из п.2.1.6:

- подача заправочной машины к печи t1 = 2 мин;

- подъем 2-х груженых бадей со скраповоза

и их подачи к печи t4 = 9 мин;

- разгрузка бадей в печь t5 = 6 мин;

- возврат 2-х порожних бадей к проему

и установка их на скраповоз t6 = 9 мин;

мин.

мин.

шт. Принимаем С = 4 шт.

Число бадей равно NБ = C+1; NБ = 4+1 = 5 шт.

3.2 Расчет оборудования раздаточного пролета

При определении количества агрегатов внепечной обработки исходят из приоритетности работы дуговой печи. Расчет количества агрегатом для конкретного способа обработки проводится по формуле

, (16)

где z - максимальное количество плавок в цехе за сутки, обрабатываемых на рассчитываемом агрегате, шт. Принимаем [п. 2.1.6] z = 49 шт;

Т - задолженность агрегата на одну плавку, мин.

Задолженность ковша-печи на плавку складывается из продолжительности следующих операций (ориентировочно), мин: ожидание сталеразливочного ковша с плавкой, включая перестановку ковша и подачу сталевоза под агрегат - 10; продувка аргоном для усреднения ванны - 3; отбор пробы металла, замер температуры, ожидание анализа - 10; присадка ферросплавов, вдувание порошков, подогрев расплава - 20; ожидание передачи ковша на вакуумную установку или на МНЛЗ - 10. Продолжительность неучтенных работ принимаем равным 10 % от учтенных.

Ориентировочные величины продолжительности операций при последующей обработке стали в вакууматоре принимаем следующими (мин): ожидание сталеразливочного ковша с плавкой, включая подачу ковша сталевозом под установку - 10; обработка металла вакуумом с корректировкой химического состава - до 50; подъем камеры, выдача ковша из-под установки ожидание передачи на МНЛЗ - 10; неучтенные работы составляют 10 % от учтенных.

мин.

мин.

Количество ковш-печей

шт. Принимаем nкп = 2 шт.

Количество вакууматоров

шт. Принимаем nв = 3 шт.

3.2.2 Расчет количества сталеразливочных ковшей

Количество сталеразливочных ковшей (с учетом одного резервного и одного в капитальном ремонте) рассчитывается по формуле

, (17)

где N - число плавок в цехе за сутки;

T1 - задолженность ковша на одну плавку, мин.;

m - средняя стойкость рабочей футеровки, шт.;

Т2 - продолжительность холодного ремонта, включая ломку футеровки, ее кладку и сушку, ч.

Задолженность ковша на плавку (T1) при выпуске стали в ковш, установленный на сталевозе, складывается из следующих операций, мин.:

o ожидание выпуска металла, включая захват ковша на стенде для сушки 5-10;

o выпуск металла 5-10;

o измерение температуры, выдержка и подача ковша к составу для разливки 5-20;

Задолженность ковша на холодный ремонт (Т2) складывается из следующих операций, мин.:

o слив шлака из ковша 5-10;

o охлаждение ковша 90-120;

o текущий ремонт ковша, включая удаление скрапины, удаление шиберного затвора, очистку и мелкий ремонт футеровки 40 -- 60;

o установка шиберного затвора, включая перестановку ковша на стенд для монтажа шиберного затвора 15-25;

o сушка в разогрев ковша, включая установку ковша на стенд для сушки 60-90.

По практическим данным принимаем m = 35-40 плавок.

шт.

3.2.3 Расчет количества кранов

Пролет обслуживается несколькими мостовыми литейными кранами с двумя или тремя лебедками различной грузоподъемности.

Расчёт количества литейных кранов можно проводить таким же методом, как для шихтового пролёта, но можно сделать это и упрощённо так, как это делается Гипримезом: подсчитывается количество основных крановых операций с ковшом при его межплавочной подготовке, при выходе ковша на холодный ремонт и замене шлаковых чаш, причем продолжительность каждой операции принята одинаковой, равной 4 мин. Так, при межплавочной подготовке ковша схема перестановок имеет вид: подъём со сталевоза - установка на стенд МНЛЗ - съем со стенда МНЛЗ - кантовка шлака - стенд для охлаждения - стенд для выдавливания стаканов - стенд подготовки к плавке - стенд для сушки - сталевоз (9 операций).

При определении количества операций необходимо учитывать размещение агрегатов для внепечной обработки.

При выходе ковша на холодный ремонт: съем со стенда - стенд для охлаждения - установка на стенд для ломки футеровки - ремонтная яма - стенд для сушки - стенд для подготовки к плавке. Зная количество ковшей, отправляемых в ремонт в течение суток, определяют задолженность на этот цикл работ. При замене шлаковых чаш количество операций рассчитывается аналогично. Продолжительность неучтенных (вспомогательных) - работ принимается равной 10 % от основных. Коэффициент, учитывающий неравномерность работы печей, принимается равным 1,15- 1,3.

Грузоподъемность кранов, обеспечивающих работу раздаточного пролета составляет 180/63/20.

Количество кранов пролета n определяется из соотношения

,

где N - количество плавок по цеху за сутки, шт.(см.п.2.1.5) N = 49;

Tкр. - задолженность крана на одну плавку (время на каждую операцию крана), мин/пл.;

К - коэффициент, учитывающий неравномерность работы печей. Принимаем К = 1,3.

- коэффициент использования крана, по нормам ГИПРОМЕЗа. Принимаем .

Задолженность ковша на холодный ремонт (Т2) складывается из следующих операций, мин.(см.п.3.3.2):

мин.

Таким образом, общая продолжительность учтенных крановых работ составляет:

, мин.

Продолжительность неучтенных работ составляет 10 % от учтенных, т.е.

, мин.

Общая задолженность крана на одну плавку:

, мин.

мин.

мин.

шт. Принимаем n = 5 шт.

3.2.4 Определение производительности и основных параметров МНЛЗ

Годовая производительность МНЛЗ (т/год литых заготовок) рассчитывается по формуле

, (18)

где М - масса плавки, т. Принимаем М = 100 т;

n - число плавок в серии при разливке методом «плавка на плавку» (при разливке одиночными плавками n = 1);

T1 - продолжительность разливки одной плавки, мин;

Т2 - продолжительность подготовки машины к приему следующей серии плавок (плавки), мин. Принимаем T2 = 50 мин;

КВ - выход годных литых заготовок (учитывает потери металла при разливке в виде обрези, брака, окалины, «козлов»);

Ф - фонд времени работы МНЛЗ, сут./год. Принимаем Ф = 330 сут.

Продолжительность разливки одной плавки (T1) оценивается по формуле

, (19)

где М - масса плавки, т;

V - нормативная скорость разливки, м/мин;

nP - количество ручьев. Принимаем nP = 4 шт.;

m - масса погонного метра заготовки, кг. Принимаем m = 700 кг;

КP - коэффициент, учитывающий непредвиденные потери времени при разливке: изменение скорости начала и конца разливки, выход из строя одного ручья и др. (для многоручьевых МНЛЗ принимается Кр < 0,9, для одноручьевой машины Кр = 1).

После расчета Т1 следует проверить, не превышает ли оно допустимое время пребывания металла в ковше, так как от выпуска до конца разливки температура расплава в ковше непрерывно понижается из-за тепловых потерь через футеровку и шлак, и при чрезмерно большой выдержке литейные свойства разливаемого металла ухудшаются или вообще теряются.

Скорость разливки (V) определяет как производительность машины, так и качество заготовок. С увеличением скорости возрастает производительность машины, но это сопровождается возрастанием осевой пористости литых заготовок. При высоких скоростях разливки увеличивается опасность разрыва тонкой твердой оболочки металла в кристаллизаторе.

В отечественной практике для расчета нормативных скоростей разливки (м/мин) применяется формула, разработанная ЦНИИЧМ

, (20)

где К - коэффициент, величина которого зависит от марки стали и вида литых заготовок [1, с. 34, таблица 8];

а - толщина слитка, м;

б - ширина слитка, м (при квадратном сечении слитка а = б).

м/мин.

мин.

Количество ручьев в МНЛЗ определяют исходя из обеспечения согласованности времени разливки с нормативной скоростью разливки. Согласно нормам технологического проектирования рекомендуется принимать в слябовых МНЛЗ не более двух ручьев, в сортовых - до восьми. Продолжительность подготовки МНЛЗ к приему следующей плавки (Т2) не должна превышать 60 мин.

При определении фонда времени (Ф) исходят из норм технологического проектирования, где продолжительность простоев на профилактических ремонтах принимается равной 8 ч в неделю, на планово-предупредительных ремонтах - 2 сут. в месяц, на капитальных - 12 сут. в год. Нормами предусматриваются потери времени при замене кристаллизаторов, секций вторичного охлаждения, при ликвидациях последствий прорыва металла и т.д. Общее количество простоев в течение года у слябовых машин составляет 74 сут., отсюда фонд времени работы Ф равняется: 365 - 74 = 291 сут.; простои сортовых машин составляют 65 сут. и фонд времени работы - 300 сут.

При создании новых высокопроизводительных автоматизированных МНЛЗ нормами принимается для слябовых машин фонд рабочего времени 320 сут., для сортовых - 330 сут.

Число плавок в серии (С) при разливке методом «плавка на плавку» зависит от соотношения продолжительности разливки одной плавки и интервала между выпусками стали из сталеплавильных агрегатов. Разливка сериями удается, если продолжительность разливки и интервалы между выпусками равны. В ЭСПЦ это достигается не всегда, во-первых, из-за характерного для ЭСПЦ разнообразного сортамента выплавляемых сталей и, во-вторых, из-за того, что продолжительность плавки даже в сверхмощных печах сейчас пока больше продолжительности разливки на МНЛЗ. В этих условиях относительно просто организовать совместную работу двух печей, выплавляющих одинаковую марку стали, для серии из трех плавок. Значительно сложней в таком же цехе организовать серии из четырех плавок. Впрочем, в специализированных цехах, оснащенных тремя-четырьмя печами, сортамент которых неширок, например, ЭСПЦ ОЭМК, ориентированный на производство шарикоподшипниковой стали, удается разливать сериями по 10 плавок и более.

Выход годных заготовок (КВ) представляет собой отношение массы годных литых заготовок к массе разлитого жидкого металла

, (21)

где П - отходы металла при разливке, образующиеся за счет головной и хвостовой обрези, скрапа в промковше, потерь при газорезке слитка на мерные заготовки, окисления поверхности слитка и, наконец, за счет аварийного скрапа.

Определим выход годных заготовок при разливке плавки массой 100 т на четырехручьевой машине, отливающей заготовки сечением 300x300 мм.

Длину головной обрези на один ручей принимаем равной 300 мм, тогда масса головной обрези на плавку составит: 0,34 - 700 = 840 кг, здесь 700 - масса (кг) погонного метра заготовки сечением 300x300.

Длину хвостовой обрези с учетом усадки металла в конце кристаллизации принимаем равной 700 мм, тогда масса хвостовой обрези на одну плавку составит: 0,7·4·700 = 1960 кг.

Скрап в промковше рассчитываем из условия его образования в количестве 2 кг/т жидкого. В таком случае масса скрапа равна 2-100 = 200 кг.

Потери на газорезку рассчитываем, приняв толщину реза 10 мм, при этом потери металла на шлам при длине мерной заготовки, скажем, 2 м составят 0,5 %, масса металла в шламе составит, кг:

100000·0,5/100 = 500.

Масса аварийного скрапа (при норме 5 кг/т жидкого) составит, кг:

5·100 = 500.

Потери металла из-за окисления поверхности горячего слитка воздухом при норме 2 кг/т жидкого составят, кг:

2·100 = 200.

Общая масса отходов составит, т:

840 + 1960 + 200 + 500 + 500 + 200 = 4,2;

выход годного, т:

КВ = (100 - 4,2)/100 = 0,958 или 96 %.

Выход годного получился относительно низкий. Объясняется это тем, что расчет вели на одну плавку; при серийной разливке масса обрези и скрапа в промковше (всего 3 т) распределится на все плавки серии и их удельная доля станет ниже; данное обстоятельство - одно из достоинств серийной разливки.

т/год.

Последний из основных параметров МНЛЗ - технологическая длина. Она складывается из протяженности жидкой фазы в кристаллизующемся литом слитке и длине участков, на которых проводятся предусмотренные технологией операции с литой заготовкой. В общем случае полную технологическую длину машины составят: 1) протяженность жидкой фазы; 2) длина заготовки, находящейся в позиции резки, 3) рабочий ход машины резки, 4) длина заготовки в позиции ожидания клеймения, 5) длина заготовки в позиции отрезки темплетов и их клеймения, 6) длина заготовки в позиции формирования пакета заготовок, 7) ширина фронта действия передаточной тележки, 8) длина заготовки в промежуточной позиции перехода с передаточной тележки на перекладчик заготовок и 9) ширина перекладчика.