Усовершенствование технологии разливки трансформаторной стали по кислородно-конвертерному цеху ОАО "ММК"

Введение

Современный этап развития отечественной металлургической промышленности характеризуется совершенствованием технологических процессов с целью повышения качества и расширения сортамента металлопродукции в соответствии с требованиями рыночной экономики. После ввода в эксплуатацию в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (в дальнейшем для краткости ОАО «ММК») кислородно-конвертерного цеха, имеющего современные технологические агрегаты, у предприятия появилась возможность выхода на мировой рынок с новыми видами металлопродукции, пользующейся повышенным спросом. Одним из видов такой металлопродукции является анизотропная трансформаторная сталь, производимая по кооперации с ООО «ВИЗ-Сталь».

В ООО «ВИЗ-Сталь» был разработан прогрессивный нитридный вариант производства трансформаторного листа, имеющего текстуру, обеспечивающую мировой уровень потребительских свойств. Для реализации этой технологии потребовался металл, химический состав которого несколько отличается от химического состава традиционной трансформаторной стали. Поэтому разработка технологии получения в условиях кислородно-конвертерного цеха ОАО «ММК» металла, пригодного для производства анизотропной трансформаторной стали по нитридному варианту была актуальной задачей.

Научная новизна работы заключается в обосновании комплекса технологических процессов и режимов их проведения, обеспечивающих стабильное получение в кислородно-конвертерном цехе с агрегатами большой вместимости металла для производства анизотропной трансформаторной стали.

1. Анализ мирового опыта производства трансформаторной стали

В первой главе на основе анализа литературы рассматриваются потребительские свойства (магнитная проницаемость и удельные ваттные потери при перемагничивании) трансформаторной стали, их физическая природа и способы получения. Показано, что для обеспечения нужного комплекса потребительских и технологических свойств трансформаторной стали, требуется металл с низким (0,02-0,03%) содержанием углерода и довольно высоким (3-4%) содержанием кремния. Нужные электротехнические свойства трансформаторной стали достигаются после холодной прокатки металла на лист требуемой толщины в результате специальной термической обработки, в ходе которой происходит определенное изменение химического состава обрабатываемого металла.

Основные мировые производители трансформаторной стали создают нужный комплекс потребительских свойств готового металла по так называемому сульфидному варианту технологии. В 000 «ВИЗ-Сталь» разработан эффективный вариант нитридной технологии, для реализации которого на этапе выплавки нужно получить металл с довольно высоким содержанием азота.

На основе обзора литературы на начальном этапе данного исследования была поставлена задача разработки технологии выплавки в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК» трансформаторной стали, содержащей:

0,025…0,040% С; 2,90…3,20% Si; 0,15…0,30% Мn; 0,40…0,55% Си; 0,013…0,017% Al и не менее 0,010…0,013% N. Содержание других элементов (серы, фосфора, хрома и никеля) предполагалось иметь на обычном для цеха уровне.

Важной характеристикой металла является и его склонность к старению в процессе работы в машинах, так как старение приводит к заметному увеличению удельных потерь и ухудшению показателей работы трансформаторов. К электротехническим сталям предъявляются определенные требования по пластичности, оцениваемой путем сгибов листа. Так как при изготовлении магнитопроводов листы подвергают штамповке, хрупкость металла недопустима.

При изготовлении трансформаторов и других машин весьма важное значение имеют не только «внутренние» качества листа (его магнитные и пластические свойства), но и внешние параметры (разнотолщинность, волнистость и коробоватость).

Конкретные требования по этим параметрам оговариваются в стандартах. Так, например, в листах электротехнической стали повышенной отделки не допускается коробоватость с высотой короба более 2 мм на 1 пог. м и волнистость с высотой волны более 4 мм на 1 пог. м.

Весьма жесткие требования предъявляются и к качеству поверхности листов. На ней не допускаются грубые и средние поверхностные дефекты, окалина, расслоения, надавы, грубая рябизна, налет талька и т.п.

Качество трансформаторов во многом зависит также от конструкции и технологии их изготовления. С этой точки зрения важными факторами являются возможность отжига магнитопровода после штамповки листа и его сборки и снижение толщины изоляционных покрытий. Применение термостойкого электроизоляционного покрытия листа вместо лака позволяет отжигать собранный магнитопровод, что устраняет наклеп листа после штамповки и улучшает электротехнические свойства металла на 5-10%.

В настоящее время все более широкое развитие получает рулонный способ производства электротехнических сталей. сборки и снижение толщины изоляционных покрытий. Применение термостойкого электроизоляционного покрытия листа вместо лака позволяет отжигать собранный магнитопровод, что устраняет наклеп листа после штамповки и улучшает электротехнические свойства металла на 5-10%.

В настоящее время все более широкое развитие получает рулонный способ производства электротехнических сталей, позволяющий более экономно раскраивать и расходовать лист на электромашиностроительных заводах.

По способу термообработки, качеству и виду поверхности стали изготовляют неотожженными и отожженными, нетравлеными и травлеными, без изоляции и с поверхностной электрической изоляцией [1].

Отличительная особенность этих материалов состоит в том, что они могут легко, Т.е. в слабом поле намагничиваться И, кроме того, обладают минимальными потерями энергии при перемагничивании. Согласно действующим стандартам электротехнические стали подразделяют на тонколистовую холоднокатаную анизотропную (ГОСТ 21427.1-83), тонколистовую холоднокатаную изотропную (ГОСТ 21427.2) и ленту холоднокатаную анизотропную (ГОСТ 21427.4-78).

Для стали, применяемой в трансформаторах тока, весьма важны высокие электротехнические свойства в широком диапазоне величин индукции (10²-10⁴ гс). Немалое значение имеет и анизотропия электротехнических свойств магнитного материала. Для магнитопровода трансформатора достаточно иметь лист с высокими электротехническими свойствами в одном направлении, так как в этом случае можно специально подбирать листы; для динамо-машины и других аппаратов с разветвленным магнитным потоком необходимо, чтобы анизотропия свойств была минимальной.

Основными нормированными характеристиками магнитных свойств электpoтeхнических сталей в зависимости от толщины и структурного состояния являются удельные магнитные потери при различной магнитной индукции и частоте, магнитная индукция в магнитных полях различной напряженности, коэффициент анизотропии и удельных магнитных потерь, анизотропия магнитной индукции и коэрцитивная сила

Анизотропные (трансформаторные) стали имеют ярко выраженную текстуру, Т.е. структуру зерен преимущественной ориентировкой в направлении прокатки.

Для оценки потерь электроэнергии, имеющих место при работе трансформаторов и электрических машин, электротехнические стали характеризуются уровнем удельных магнитных потерь (количеством ватт на 1 кг массы стали) - одним из основных показателей качества электротехнических сталей. Удельные магнитные потери складываются из потерь на вихровые токи,

гистерезисные и дополнительные потери.

Вихревые токи (токи Фуко), как известно, возникают вследствие того, что согласно законам электромагнитной индукцией изменения намагничивающего тока возбуждают в проводящем материале (обычно в металле) ток обратного направления, который замыкается в толщине этого металла.

Вихревые токи вызывают бесполезные потери энергии; величина этих потерь составляет 65-75%, а иногда могут достигать и 90% общих магнитных потерь.

На вихревые токи теряется часть энергии, предназначенная для намагничивания. Величина вихревых токов, согласно закону Ома, тем больше, чем выше удельная электропроводность электропроводящего материала (чем иже удельное электросопротивление и, следовательно, чем толще материал металл).

При прочих равных структурных и текстурных параметрах цельные потери от вихревых токов возрастают пропорционально квадрату толщины листа. Поэтому для уменьшения потерь энергии с вихревыми токами, магнитные цепи, подверженные действию переменных и пульсирующих магнитных полей, изготавливаются из тонких изолированных листов электротехнических сталей.

Кроме того, на величину вихревых потерь большое влияние: оказывает к важной характеристике электротехнических сталей относится также величина магнитной индукции, которая зависит от химического состава стали, от чистоты ее по вредным примесям и неметаллическим включениям, но более всего определяется текстурой с заданной величиной и формой зерен.

Между величиной удельных магнитных потерь и магнитной индукцией существует тесная корреляционная связь.

Качество трансформаторной стали характеризует и так называемой магнитострикция - изменение линейных размеров магнитопровода в магнитном поле. Магнитострикция ферромагнетика сильно зависит от загрязненности металла вредными примесями и от совершенства его кристаллографического строения. Магнитострикция в трансформаторных сталях вызывает вибрацию и шум в работающих трансформаторах и электрических машинах. В связи с этим создание анизотропных сталей с повышенной величиной индукции в магнитных полях и минимальной величиной магнитострикции позволяет снизить массу электротехнических изделий и уровень шума при их работе.

При эксплуатации электрических машин и аппаратуры магнитные свойства металла должны оставаться постоянными в течение длительного времени и при повышенной температуре, т.е. листы трансформаторной стали, из которых изготовлены эти электрические машины и аппараты, должны быть устойчивыми против магнитного старения.

Образец, отобранный из листа или ленты трансформаторной стали, после определения магнитных свойств нагревают до 120^оС и после выдержки при этой температуре в течение 120 час. вновь определяют удельные магниты.

Коэффициент старения по удельным магнитным потерям определяют по формуле:

Кст=(Р2-Р1)*100/Р1, (1)

где Р1 и Р2 - удельные магнитные потери до и после старения, Вт/кг

Для трансформаторной электротехнической стали этот коэффициент не должен превышать 2-4% (для листа в зависимости от марки стали) и 6% для ленты.

Наряду с магнитными свойствами имеют значение и механические свойства листа трансформаторной стали. В производстве электрических машин и аппаратов, которое в настоящее время в большой степени автоматизировано, благоприятные механические свойства (предел текучести, предел прочности и твердость) обеспечивают хорошую обрабатываемость листа резанием.

Высокоремнистая трансформаторная сталь обладает повышенной хрупкостью, что затрудняет механическую обработку листа. Хрупкость анизотропной стали проверяется путем испытания образца, вырезанного из листа, на перегиб. За меру пластичности принимают число изгибов на 180°, которое выдерживает полоска данной стали, если ее зажать в тисках с губками радиусом 5 мм. Один перегиб-загиб образца от начального положения на 90° и обратное его выпрямление до начального положения. Половиной перегиба считается загиб на 900 без выпрямления.

За счет использования многочисленных передовых технических решений на разных стадиях технологического процесса производства трансформаторных сталей удается получать эти стали с очень низкими удельными магнитными потерями и высокой магнитной индукцией. Например, для анизотропных Р1,7/50 <1,0 Вт/кг и ВI0> 1,92 Тл (лист толщиной 0,23-0,35 мм). Эти показатели значительно превышают нормированные характеристики трансформаторных сталей серийного производства. Значит, резервы дальнейшего улучшения качества электротехнических сталей, в частности их магнитных свойств, существуют. К тому же, как показали исследования и расчеты, физические пределы магнитных свойств железокремнистых сплавов, к которым относятся электротехнические стали, далеко не достигнуты. Так, физический нижний предел удельных магнитных потерь 1/7/50 в анизотропной стали с 3,0% кремния находится около 0,58-0,65 Вт/кг (лист толщиной 0,35 мм), индукция В25 около 2,0 Тл.

Магнитные характеристики трансформаторных сталей, а также механические свойства готового листа в равной степени определяются как технологией выплавки и разливки стали, так и режимами горячей и холодной прокатки листа, а также последующей его термообработки [2].

2. Технология выплавки трансформаторной стали в кислородных конвертерах

Уже на начальном этапе разработки технологии выплавки трансформаторной стали было ясно, что в условиях кислородно-конвертерного цеха ОАО «ММК» можно реализовать только один вариант легирования металла кремнием - ввод ферросилиция в сталеразливочный ковш при сливе металла из конвертера. Поэтому главной задачей разрабатываемой технологии конвертерной плавки было получение в конце продувки металла, содержащего примерно 0,03% С. При продувке металла с низким содержанием углерода быстро возрастает содержание оксидов железа в шлаке (рисунок 2.1), что ведет к дополнительной потере железа и делает нестабильным усвоение кремния при легировании стали.

Рисунок 2.1- Изменение содержания компонентов шлака при проведении одной из опытных плавок

Уменьшение негативного влияния повышенной окисленности ванны при низком содержании углерода может быть достигнуто путем промежуточного удаления части шлака. Математическим моделированием было установлено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты при удалении примерно половины имеющегося в конвертере шлака через 5-10 мин после начала продувки, когда в конвертере успевает сформироваться первичные шлак, имеющий относительно низкое (10-15%) содержание оксидов железа. Моделирование показало также, что промежуточное удаление части шлака практически не влияет на остаточное содержание серы и фосфора.

2.1 Выплавка и внепечная обработка трансформаторной стали

Для легирования стали кремнием используется ферросилиций марки ФС 65 по ГОСТ 1415-78 следующего химического состава:

[Si]= 63-68 0/0;

[S]= 0,02%;

[Р]= 0,05;

[Al]= 2,0%;

[Мn]= 0,4;

[Cr]= 0,4%,

крупностью 4 (размер кусков 20-80 мм); азотом - азотированный феррохром или азотированный ферросилиций. При поступлении в конвертерный цех ферросплавы должны быть воздушно-сухие. Влажные ферросплавы не принимаются. При выплавки серии трансформаторной стали ферросплавы должны быть прокаленные при температуре 500-600 ОС.

Недопустимо производить выплавку трансформаторной стали при наличии течи воды из ОКГ или из фурмы при попадании воды в конвертер или сталеразливочного ковша.

Для выплавки трансформаторной стали использовать чугун с содержанием серы не выше 0,025% и чистый оборотный лом. Медьсодержащие материалы для легирования стали медью присаживать в завалку или после первого периода продувки.

Перед выплавкой серии плавок трансформаторной стали нужно произвести измерение положения кислородной фурмы относительно уровня спокойной ванны. Запрещается выплавка трансформаторной стали в конвертере после использования на предыдущей плавке коксика или другого материала для науглероживания металла. При использовании углеродистых ферросплавов производить сброс контрольных навесок ферросилиция по обеим течкам.

Шихтовка, дутьевой и шлаковый режим плавки должны обеспечивать температуру металла перед выпуском из конвертера 1660-1680 °C при последующей обработке на АДС и 1650-1660 °С при обработке на УПК.

Расход извести определять из расчета получения основности шлака 3,0 -3,6. В завалку на лом присаживать 10-12 тонн извести. После продувки ванны кислородом в количестве 2500-4500 м³ присадить 5-6 тонн извести порциями по 2-3 тонны. Оставшееся количество извести вводить порциями по 1-2 тонны при израсходовании кислорода от 12000 до 16000 м³.

Продувку плавки осуществлять в два периода:

Первый период плавки:

- интенсивность продувки 1200-1300 м³/мин;

- продолжительность наводки шлака 3-5 мин;

- положение фурмы над ванной:

в период наводки шлака 5,0-2,5 м;

в рабочем режиме 2,0-2,2 м;

в конце первого периода 1,9-2,0 м;

- количество кислорода,

израсходованного в 1 период плавки 19000-20000м³.

После окончания первого периода плавки про извести повалку конвертера, скачать шлак, отобрать пробы металла и шлака для экспресс-анализа, измерить температуру ванны.

Второй период плавки:

- интенсивность продувки 1300-1450 м³/мин;

- положение фурмы над ванной по израсходовании кислорода:

до 1600-2000 м³ 2,0-1,2 м;

от 1600-2000 м³ до 2500-3000 м³ 1,2-1,4 м;

от 2500-3000 м³ до конца продувки 1,4-3,0 м.

- количество кислорода,

израсходованного во 2-ой период плавки 3500-4500 м³.

Второй период плавки производить с максимально-возможной интенсивностью продувки. После окончания второго периода продувки измерить температуру, отобрать пробы металла и шлака. Для гарантированного получения результатов анализа во время повалки отбирать не менее двух проб металла.

Выпуск плавки производить только после получения результатов анализа пробы металла, отобранной после первого периода продувки и измерения температуры ванны. Под выпуск использовать бывший в употреблении сталеразливочный ковш, разливший не менее 3 плавок. Не использовать новые ковши. Ввод порошковой проволоки с азотированным ферросилицием осуществляется по следующей технологии:

а) после проведения усреднительной продувки металла, производится

измерение температуры и отбор пробы металла. Затем производится корректировка химического состава и температуры металла. Следует учитывать прирост содержания кремния, содержащегося в азотированном ферросилиции. При доводке металла по температуре необходимо учитывать снижение температуры металла во время ввода порошковой проволокой.

б) ввод порошковой проволоки с азотированным ферросилицием, осуществляется со скоростью, обеспечивающей минимальный барботаж металла в месте ввода проволоки. Ориентировочная скорость ввода от 150 до 170 м/мин.

в) расстояние между нижней частью направляющей трубы и уровнем металла при вводе порошковой проволоки должно быть не более 300 - 400 мм.

г) во время ввода порошковой проволоки продувка металла аргоном производится с минимальной интенсивностью, без оголения зеркала металла.

На время остановки установки вакуумирования расход азотосодержащих материалов, присаживаемых в сталеразливочный ковш при выпуске плавки из конвертера. Должен обеспечить содержание азота при поступлении на участок внепечной обработки не более 0,007%.

При необходимости, корректировка содержание азота проводится вводом порошковой проволоки с азотированным ферросилицием из расчета получения содержание азота не более 0,007%.

Ввод порошковой проволоки с азотированным ферросилицием осуществляется, так же как и при работающей установки вакуумирования.

При отсутствии азотированного феррохрома или азотированного ферросилиция допускается выпуск плавки без присадки данных материалов[3].

после частичного ремонта. Футеровка сталеразливочного ковша должна быть выполнена с теплоизоляцией кожуха. Используемый сталеразливочного ковш должен быть горячим (с оборота). Время после окончания разливки до начала выпуска в используемый ковш должно быть не более 110 минут.

Во время выпуска производить продувку металла аргоном сталеразливочном ковше через пористые пробки, установленные в днище сталеразливочного ковша. Допускается продувка через продувочные устройства, установленные в шибер сталь ковша. Для продувки используется аргон по ГОСТ 10157 - 79, осушенный до точки росы -60^оС. Массовая доля аргона должна быть не менее 99,5%. Перед выплавкой. серии трансформаторной стали произвести продувку аргонной трассы с целью удаления возможного конденсата влаги. Продувку аргоном производить максимально возможное время, не допуская выплескивания металла из ковша. Продолжительность выпуска металла должна быть не менее б минут.

Во время выпуска обеспечить качественную отсечку конвертерного шлака. Первичный шлак отсекать конусом, конечный - подрывом на металле. Раскисление и легирование стали во время выпуска плавки из конвертера производить по следующей технологии:

- перед вводом ферросилиция в ковш присадить 0,2-0,3 т алюминия;

- при наполнении ковша металлом на 1/5 - 1/4 вводить ферросилиций ФС-б5 в количестве 18,0 - 18,5 тонн;

- расход азотированных ферросплавов (феррохрома, ферросилиция)

определять из расчета введения в металл не более 0,005% азота;

- корректировку содержания меди в металле разрешается осуществлять во время выпуска (или на АДС) присадкой меди в ковш;

- после отдачи ферросплавов в ковш присадить 1-2 тонны извести с

вращающихся печей.

При выпуске плавки из конвертера в сталеразливочный ковш присаживается азотосодержащий материал (азотированный феррохром или азотированный ферросилиций из расчета получения в металле по приходу на участок внепечной обработки 0,006…0,007% азота).

При работающей установке вакуумирования стали, внепечная обработка трансформаторного металла производится по следующей технологии:

а) при поступлении на участок внепечной обработки металла с содержанием азота менее 0,007%, производится корректировка содержания азота по одному из вариантов:

1) вводом порошковой проволоки С азотированным ферросилицием.

2) продувкой металла газообразным осушенным азотом.

Корректировка содержания азота производится из расчета получения содержания азота в металле пере л передачей его на МНЛЗ не более 0,008%.

б) после получения требуемого химического состава металла сталеразливочный ковш передается на КУВС для проведения дегазации стали. Коэффициент циркуляции должен быть не менее 2,5.

в) разрешается производить корректировку содержания азота вводом порошковой проволоки с азотированным ферросилицием после проведения вакуумной обработки металла.

Ввод порошковой проволоки с азотированным ферросилицием осуществляется по следующей технологии:

а) после проведения усреднительной продувки металла, производится измерение температуры и отбор пробы металла. Затем производится корректировка химического состава и температуры металла. Следует учитывать прирост содержания кремния, содержащегося в азотированном ферросилиции. При доводке металла по температуре необходимо учитывать снижение температуры металла во время ввода порошковой проволокой.

б) ввод порошковой проволоки с азотированным ферросилицием, осуществляется со скоростью, обеспечивающей минимальный барботаж металла в месте ввода проволоки. Ориентировочная скорость ввода от 150 до 170 м/мин.

в) расстояние между нижней частью направляющей трубы и уровнем металла при вводе порошковой проволоки должно быть не более 300 - 400 мм.

г) во время ввода порошковой проволоки продувка металла аргоном производится с минимальной интенсивностью, без оголения зеркала металла.

На время остановки установки вакуумирования расход азотосодержащих материалов, присаживаемых в сталеразливочный ковш при выпуске плавки из конвертера. Должен обеспечить содержание азота при поступлении на участок внепечной обработки не более 0,007%.

При необходимости, корректировка содержание азота проводится вводом порошковой проволоки с азотированным ферросилицием из расчета получения содержание азота не более 0,007%.

Ввод порошковой проволоки с азотированным ферросилицием осуществляется, так же как и при работающей установки вакуумирования.

При отсутствии азотированного феррохрома или азотированного ферросилиция допускается выпуск плавки без присадки данных материалов[3].

3. Ковшевая обработка трансформаторной стали

На начальном этапе разработки технологии производства трансформаторной стали перед ковшевой обработкой ставились следующие задачи:

создание условий для полного усвоения ферросилиция, вводимого в ковш при сливе металла из конвертера;

легирование металла азотом;

доводка металла по химическому составу и температуре перед непрерывной разливкой.

Легирование трансформаторной стали кремнием производится при сливе металла из конвертера в ковш путем введения ферросилиция марки ФС-65 в количестве примерно 5% от массы металла. Для полного усвоения такой большой добавки металл должен иметь температуру 1660-1680?С. Вводится ферросилиций одновременно из двух бункеров, расположенных с разных сторон ковша после заполнения его металлом на 1/4-1/5 высоты. Перед введением ферросилиция проводилось его предварительное раскисление чушковым алюминием в количестве 0,4-0,7 кг/т стали. При необходимости впоследствии может быть проведена корректировка содержания кремния путем введения порошковой проволоки на одном из агрегатов ковшевой обработки. Такая технология легирования металла кремнием обеспечивала достаточно надежное получение требуемого содержания этого компонента в заданных пределах.

На начальной стадии работы стремились получить металл, содержащий 0,012-0,014% азота. Были опробованы разные методы легирования металла этим элементом:

- введение при сливе металл в ковш карбамида (мочевины) в количестве 0,4-0,7 кг/т стали;

- введение при сливе металл в ковш азотированного феррохрома марки ФХН-1 (содержание азота ~ 6%) в количестве, гарантирующем получение в готовой стали хрома не более 0,30%;

- продувка металла азотом на агрегате доводки стали.

Все эти способы легирования металла азотом позволяли (с разной степенью надежности) получать требуемое содержание этого элемента. Однако при разливке первых опытных плавок трансформаторной стали часто происходили аварийные прорывы металла. В затвердевшей оболочке, оставшейся после вытеканию жидкого металла, обычно обнаруживались крупные газовые пузыри. Повышенную аварийность при разливке трансформаторной стали связали с повышенным содержанием газов - как азота, так и водорода. Влияние способа введения азота на технологические параметры разливки представлено в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Влияние способа азотирования трансформаторной стали на показатели разливки

Способ азотирования	Количество плавок	Разлито плавок, шт. /%
		с прорывами	с подвисаниями
Без дополнительного азотирования	16	1 / 6,2	1 / 6,2
Азотированным феррохромом	26	1 / 3,8	1 / 3,8
Карбамидом	40	4 / 10,0	9 / 22,5
Продувкой азотом на АДС	107	2 / 1,9	10 / 9,3

Данные таблицы 3.1 показывают, что лучшие результаты получаются при использовании азотированного феррохрома. С учетом этого обстоятельства в дальнейшем разработали технологию легирования металла азотом с использованием азотированного ферросилиция, производство которого было организовано в НПО «Эталон». Одновременно по согласованию с ОАО «ВИЗ-Сталь» нижний предел допустимого содержания азота был снижен до 0,009%.

Используемая в настоящее время технология легирования металла азотом состоит в следующем. При сливе металла из конвертера в сталеразливочный ковш вводится кусковый азотированный ферросилиций из расчета получения содержания азота в пределах 0,006-0,007%. При последующей обработке металла на агрегате доводки стали содержание азота повышается до 0,008% путем введения порошковой проволоки с наполнителем из азотированного ферросилиция. Усвоение азота при таком способе корректировки его содержания составляет в среднем 19%.

При разливке содержание азота в металле повышается в среднем на 0,001%. Частотное распределение содержания азота в металле на МНЛЗ представлено на рисунок 3.2. Как следует из этого рисунка, в подавляющем большинстве случаев обеспечивается требуемое содержание азота. В условиях довольно высокого содержания азота устранить образование газовых пузырей при разливке трансформаторной стали можно путем существенного снижения содержания водорода в разливаемом металле. Для решения этой задачи в число операций ковшевой обработки ввели вакуумирование металла на установке циркуляционного типа. При достаточно низком остаточном давлении в вакуумной камере удается снизить содержание водорода в металле на 1 ppm и более (рисунок 3.3).

Рисунок 3.2 Частотное распределение содержания азота на МНЛЗ



Рисунок 3.3 - Снижение содержания водорода при вакуумировании трансформаторной стали

Заметный вклад в содержание водорода в трансформаторной стали вносит влага, содержащаяся во всех используемых материалах. В качестве примера на рисунке 3.4 показано влияние расхода твердой шлакообразующей смеси (ТШС), применяемой для наведения шлака на установке «печь-ковш».

Рисунок 3.4 - Влияние расхода ТШС на изменение содержания водорода

По этой причине ферросплавы, вводимые в металл, прокаливаются а системы подачи в ковш азота и аргона осушиваются.

4. Конструкция и оборудование МНЛЗ

4.1 Назначение и общая характеристика МНЛЗ

Комплекс оборудования машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) предназначается для получения из жидкого металла непрерывнолитой слябовой заготовки, порезка её на мерные длины и транспортировки на головные рольганги транспортно-отделочной линии (ТОЛ).

Техническая характеристика существующих МНЛЗ

Тип МНЛЗ - радиально-криволинейная, с комбинированным количеством ручьев - 2,4.

Размер отливаемых слябов, мм:

- толщина 250

- ширина (при разливки в четыре ручья) 750…1050

(при разливки в два ручья) 1100…2500

Скорость разливки, м/мин 2,0…1,5

Металлургическая длина, мм 35800

Высота кристаллизатора, мм 1200

Расстояние между ручьями, мм 6000

Емкость сталеразливочного ковша, т 370

Емкость промежуточного ковша, т 50

Рабочий уровень металла в промежуточном

ковше, мм 1100

Длина базового радиуса, мм 8000

Скорость резки, мм/мин 435

Максимальный ход газовой резки, мм 6000

4.2 Оборудование МНЛЗ

ДЛЯ приема сталеразливочных ковшей используются существующие подъемно - поворотный разливочный стенд.

Промежуточный ковш увеличивается в объеме по 50 т. емкость ковша увеличивается за счет выставки кассет из боковин ковша. С целью обеспечения разливки всего диапазона в сечении в 4-х и 2-х ручьевом вариантах, в днище ковша предусмотренным сменные плиты.

Промежуточный ковш имеет стопорное устройство для регулирования подачи металла в кристаллизатор, на днище ковша сохранены шиберные затворы, позволяющий при необходимости производить перекрытие канала стали выпускного отверстия. Сверху ковш накрыт крышки (боковины).

Конструкция тележки промежуточного ковша остается прежней. К тележки подведен аргонопровод для подачи аргона в стали выпускное отверстие. Устройство заведения и отделения затравки модернизируются в связи с увеличением расстояния между ручьями 1400 до 1700 мм. Манипулятор защитной трубы и устройства для измерения температуры металла в промежуточном ковше оставлены прежними. Устройство для разогрева промежуточного ковша выполнено в виде поворачивающихся рычагов, к которым подсоединены горелки природного газа и воздухопровод. Поворот осуществляется в ручную, поднятия горелки от пневмопривода.

Кристаллизатор служит для формирования корочки слитка.

Тип кристаллизатора 2-х полостной радиальный со сменной вставкой.

Позволяет одновременно отливать по два слитка как одной так и разной ширены. Толщена медной плиты 70 мм узкая сторона и 70 мм широкая сторона. Регулирования ширины отливаемых слитков производиться путем замены средней ставки и перемещения крайних узких стенок Кристаллизаторы выполненные сборными, они состоят из четырех узких и четырех широких медных плит, имеющих сверленые каналы в широких и шалевые в узких стенках для прохода охлаждающей воды. Медные плиты закреплены на стальных станках имеются возможность регулирования положения конусности узких стенок что позволяют использовать один и тот же кристаллизатор для всего диапазона отливаемых заготовок На нижнем торце кристаллизатора установлены ролики: один ряд по широким граням и два ряда по узким. Для снижения износа в узких медных стенках предусмотрены износостойкие вставки. Кристаллизаторы выполнены с раздельными разводами и отводами воды к широким и узким стенкам. При этом, вода отдельно подводиться к узким (параллельно) и широким (последовательно) стенкам.

Плитный настил в районе кристаллизаторов.

Плитный настил состоит из стальных сварных лит над кристаллизатором и расположенных в округ кристаллизаторов сварных плит, футерованных огнеупорным кирпичом. Все плиты выполнены съемными и обеспечивают доступ крана к технологическому оборудованию.

Установка роликовых секций под кристаллизатором (УРС).

УРС предназначена для удержания корочки слитка от раздутия под воздействием ферростатического давления жидкого металла, охлаждения, направления и транспортировки слитка в процессе разливки и качания кристаллизатора.

УРС - участок, выключающий кристаллизатор и роликовые секции 1 и 2.

Основным базовым узлом УРС является станина, на которой расположены съемный блок с механизмом качания и секции 1 и 2. В состав УРС входят также привод механизма качания, трубные разводки, защитные экраны и поддоны.

Механизм качания 4-х эксцентриковый, состоит из двух валов, ориентированных вдоль широких граней слитков по большому и малому радиусах. На каждом валу иметься по две эксцентриковые шайбы, на которые опираются шатуны.

На не подвесной раме съемного блока и станине имеются площадки для установки секции 1 и 2. Монтаж, демонтаж оборудования УРС возможно как раздельно (кристаллизатор, роликовая секция номер 1, съемный блок с механизмом качания кристаллизатора), так и укрупненным съемным блоком, включая раму съемного блока с механизмом качания. Подвод воды к съемному блоку и секциям 1 и 2 производится автоматически при их закреплении по средствам торцевых уплотнений.

Привод качания состоит из электродвигателя, двух кинических редукторов и системы карданных валов обеспечивающих кинематическую связь эксцентриковых валов и двигателя.

Техническая характеристика механизма качания:

Тип привода электродвигатель постоянного тока

Ход качаний, мм ~3

Число качаний, 1/ мин до 250

Секция 1

Секция размешается не посредственно под кристаллизатором и состоит из 6-ти рядов роликов диаметром 140 мм, установленных с шагом 120 мм на литых рамках. Верхняя и нижняя рамы связаны друг с другом через литые боковины.

Каждый ряд роликов состоит из 4-х бандажей (по два на ручей) насажанных на индивидуальные оси. Бандажи вращаются на подшипниках качения. Смазка подшипниковых узлов - централизованная, через питатели, установленные на секции. Подвод смазочной магистрали блока питателей выполнен в виде быстроразъемного соединения.

Охлаждение роликов - наружная. Водяное, разбрызгивание от форсунок вторичного охлаждения слитков. Ролики выполняются из трубы, либо из цельной заготовки.

Секция 2

Секция имеет литую раму с нитью рядами роликов. Каждый ряд состоит из двух роликов - по одному на ручей. Каждый ролик вращается на своих подшипниках. Корпуса подшипников водоохлаждаемые. Охлаждение роликов - через осевой канал по средствам вертлюг. Смазка подшипников централизованная

Секция 1 Секция2

Количество роликов, шт. 6 6

Диаметр роликов, мм 140 140

Шаг роликов по «R», мм 180 245

Оборудование зоны вторичного охлаждения (ЗВО) предназначено для удержания слитка с жидкой сердцевиной выпучивания корочки металла под воздействия ферростатического давления жидкого металла, разлива слитка до горизонтального положения, вытягивания слитка кристаллизатора и его охлаждения.

ЗВО состоит из роликов секции. Ролики в секции устанавливаются с разным шагом, увеличивающимся по ходу технологического канала.

ЗВО комплектуется секциями 3,4,5,6,7,8,9,10 и 11.

Блок секций радиального участка

Секции 3,4,5 радиального участка скомпонованы в блок секции радиального участка. Блок имеет раму, установленную нижней опорой на существующую стойку. В верхней части рама опирается на стойку УРС. На раму крепятся роликовые секции.

Секции состоят из верхних и нижних рам с установленными на них роликами. Рамы сварные, выполненные из стальных плит и листов, без специального водяного охлаждения. Секция имеет по шесть нижних и верхних роликов. Ролики вдоль машины установлены в два ряда - каждый для своего ручья. Ролики двухопорные вращающиеся на роликовых сферических подшипниках.

В секции 4,5 - три, а в секции 3 - четыре нижних роликах в каждом ручье приводные. Ролики крайних ручьев приводиться не посредственно от редукторов, средних - через промежуточный вал и навесной редуктор.

Ролики имеют внутренне охлаждение через осевой канал. Подвод воды про изводиться посредством вертлюгов. Вертлюг имеет отъемную трубу находящуюся в канале. Такая конструкция позволяет снимать и ставить вертлюг не разбирая секции.

Корпуса подшипников водоохлаждаемые. Контроль охлаждения предусмотрен с помощью XИII и дополнительно визуальный контроль на сливе воды с помощью приемных воронок.

Предусмотрена замена блока секций криволинейного участка в сборе и по отдельным секциям.

Настройка блока секции в сборе производится на универсальном, для новых и существующих машин стенда.

Для настройки секции радиального и криволинейного участков предусмотрен дополнительный стенд.

Секция 8

Секция 8 криволинейного участка содержит пять 4-х роликовых блоков. Блок состоит из верхней и нижний траверз, соединенных между собой двумя крайними тягами и одной центральной стяжкой. На траверзах установлены 4 ролика - по два на ручей. Ролики двух опорные, имеют внутреннее охлаждение. Крайние и средние опоры координатными расточками выполнены отъемными.

Нижние опорные нечетные ролики крайних ручьев и четные средних приводные. Вращения к последним передается с помощью промежуточного вала и навесного редуктора.

Ролики охлаждаются через осевой канал с помощью бачков. Траверзы выполнены водоохлождающимися. Подшипники защищены водоохлождающимися экранами.

Блоки располагаются на общей раме, которая, в свою очередь, устанавливается на имеющейся стойки.

Диаметр роликов, мм 330

Количество приводных роликов (на один ручей), шт. 5

Шаг роликов в блоке, мм:

- по «R» 390

- по «ч» 390

Секция горизонтального участка

Секция 9, 10, горизонтального участка одинаковые по конструкции и состоят из рамы, на которую установлены по пять 4-х роликовых блоков, аналогичных блоком секции №8.

Секция устанавливается на имеющиеся стоики, Настройка секции выполняется на существующих стендах.

Диаметр роликов, мм 330

Шаг роликов, мм 390

Количество приводных роликов (на один ручей), шт. 5

Секция роликовая горизонтального участка №11.

Секция №11 состоит из трех 4-х роликовых блоков и тянущею устройства установленных на общей раме. Блоки такие же как в секциях 8…10.

Тянущие устройство состоит из кассеты нижних и верхних роликов. Кассеты соединены между собой четырьмя крайними тягами и двумя центральными стяжками.

Устройство предназначено для создания дополнительного тянущего усилия при прохождения конца слитка и после кратковременных остановок, предусмотренных технологией разливки.

Верхние нажимные ролики в своем верхнем положении становятся на упор, при этом раствор между роликами соответствует толщине слитка. При срабатывание гидроцилиндра ролики имеют возможность опуститься на 15 мм обеспечивая усилия прижимаются к слитку.

Усилия прижима тянущих роликов, т 60

Тянущее усилие, т ~20

Рабочая жидкость минеральное масло

Рабочие давление, МПа 10

Участок рольганга промежуточного с 4-х роликовым блоком

В зоне между секциями ЗВО с механизмом отделения затравки располагается промежуточный рольганг и установленный после него 4-х роликовый блок. Рольганг служит для передачи слитка от секций ЗВО к механизму отделения затравки.

4.3 Установка коллекторов водовоздушного охлаждения

Водовоздушное охлаждение слитка осуществляется через форсунки, подающие охладитель на слиток. Водовоздушная смесь образуется перед форсунками. Расход воды регулируется специальной аппаратурой, расход воздуха определяется расходом воды, регулируется только давление воздуха. Оборудование ЗВО находится в бункере, из которого образуется пар отсасывается вытяжной вентиляцией.

В зависимости от ширены слитка коллектора устанавливаются на заданную высоту.

Привод роликовых секций

Привод роликовых зон ЗВО индивидуальный, выполненный от двигателей постоянного тока с широкой регулировкой числа оборотов, обеспечивающей скорость в пределах 0.2… 2.0 м/мин. Передача момента от двигателей к приводным роликам производится через планетарные редуктора посредствам шпиндельных и карданных соединений.

Устройство для демонтажа секций 3,4,5

Данное устройство служит для смены секций 3,4,5, входящих в блок секций радиального участка и секции 6,7 криволинейного участка.

Устройство состоит из:

- цепного манипулятора;

- направляющих рельс;

Демонтаж секции производится при помощи цехового крана.

4.4 Система охлаждения кристаллизатора

Вода для охлаждения медных стенок отдельно подается в широкие стенки, соединенные последовательно, и в узкие, соединены параллельно. Слив воды со всех стенок производится в общею магистраль. Система позволяет осуществлять независимое охлаждение отдельно широких (последовательно) и узких стенок (отдельно каждой) и вести регулирование расхода, изменение давления, температуры на входе по каждой группе стенок и общее давление и температуру на входе.

Охлаждение выполнено в виде замкнутой системы.

Основные параметры воды:

- качество воды, взвесей, мг/л, не более 50

- крупность взвесей, мкм, не более 500

- жесткость, мг экв/л 4

- расход воды на один кристаллизатор, м³/ч:

- широкие стенки 550

- узкие стенки 190

- скорость воды в каналах, м/с 7

- рабочие давление на отметке +0, КПа 900

- температура в подающей линии, ^оС 10…15

Система охлаждения оборудования

Система предназначена для охлаждения траверз и роликов 4-х роликовых зон, защитных экранов, роликов рольгангов участка приема слябов с рольганг-тележки.

Качество воды:

- количество взвесей, мг/л, не более 50

- крупность взвесей, мкм, не более 500

- жесткость, мг экв/л 4

- расход воды на МНЛЗ ручей, м3/час 1000

- рабочее давление на отметке +0 кПа 600

- температура в подающей линии, ^оС, не более 3

Система вторичного охлаждения

Охлаждение разбито на 7 зон по широким граням и одну зону по узкой грани (торцы).

В 1 и 2 и торцевой зоне применено водяное охлаждение плоскофакельные форсунки П120, в зонах 1,2 и круглофакельные К30 в торцовой зоне.

В зонах 3… 7 применено водовоздушное охлаждение.

В зонах 3,4 применено двухрядное расположение коллекторов с

форсунками ВI00, в зонах 5,7 - однорядные коллектора с форсунками В130. Подсистема подачи воды (на один ручей):

- количество взвесей, мг/л, не более 40

- крупность взвесей, мкм, не более 50

- жесткость общая, мг/л, не более 4

- содержание плавающих масел, мл/л, не более 10

- давление на отметке +0, кПа 600

- расход воды, м³/ч 19…92,3

- температура воды, ^оС 35

Подсистема воздуха (на один ручей):

- класс чистоты по ГОСТ 17433-80 +

- давления, кПа 400… 600

- расход, НМ/час, мах 2300

Рольганги МНЛЗ

Рольганги; затравки за МГР и приемный подлежат модернизации которая заключается в расширении проема между бортами и установки экранов защиты подшипников от нагрева от близко идущего сляба.

4.5 Машина газовой резки (МГР)

МГР обеспечивает порезку заготовок мерной длины независимо в каждом ручье. Для возможности установки резака, разводка энергоносителей по МГР, изменение конструкций гидрослива и сливных желобов.

4.6 Устройство передачи слябов (УПС)

Для обеспечения цикла уборки поступающих с МНЛЗ слябов, предусмотрена установка дополнительно своего УПС. УПС устанавливается на имеющейся эстакаде. УПС обеспечивает уборку по одному слитку шириной 900…1359 мм

Рольганд-тележка

Рольганд-тележка обеспечивает приемку слябов с любой МНЛЗ и передачу их на ТОЛ, для приема с новых машин двух слитков с общей шириной до 3050 мм (1350х 2+350 мм) устанавливаются новые удлиненные (~ на 300 мм) ролики, удлиняется сцепка между тележками.

5. Непрерывная разливка трансформаторной стали

Разливка трансформаторной стали производится на четырехручьевых МНЛЗ с криволинейной технологической осью. Радиус кривизны базовой стенки кристаллизатора составляет 8 м. Обычно отливаются слябы, имеющие поперечной сечение 250?(910-1100) мм.

Уже первые опыты по непрерывной разливке трансформаторной стали показали, что при скорости вытягивания слябов из кристаллизатора 0,7 м/мин и более независимо от температуры разливки происходит вздутие слябов как по ширине, так и по толщине, составляющее 10-15% от соответствующих размеров поперечного сечения. Вздутие слябов приводило к остановке машины или разрыву затвердевшей оболочки и аварийному вытеканию жидкого металла. Несколько меньшие вздутия слябов (5-6%) наблюдались и при скорости вытягивания 0,6 м/мин. По этой причине в дальнейшем непрерывную разливку трансформаторной стали вели со скоростью вытягивания 0,4-0,5 м/мин.

Аварийные прорывы металла оказались наиболее болезненной проблемой производства трансформаторной стали в ОАО «ММК». Частота их появления в период освоения производства трансформаторной стали была на один-два порядка выше, чем при разливке стали все других марок. Как уже отмечалось ранее, аварийные прорывы металла были также тесно связаны с образованием при кристаллизации металла газовых пузырей. Для решения проблемы аварийных прорывов пришлось разработать особый температурно-скоростной режим разливки трансформаторной стали, новые шлакообразующие смеси, особый режим вторичного охлаждения слябов, а также принять специальные меры по снижению содержания водорода в металле.

Разливка трансформаторной стали производится сериями по методу «плавка на плавку», причем одновременно с началом разливки группы плавок трансформаторной стали производится замена промежуточного ковша. Смена промежуточного ковша позволяет существенно уменьшить длину переходного участка слябов, металл которого по химическому составу не соответствует трансформаторной стали.

Экспериментально было установлено, что трансформаторная сталь, выплавляемая в ОАО «ММК», имеет температуру начала затвердевания примерно 1490 °С. В связи с низкой скоростью вытягивания слябов из кристаллизатора и довольно большой продолжительностью разливки нужно иметь значительный перегрев металла над температурой ликвидуса. Поэтому скорость вытягивания слябов из кристаллизатора несколько меняется в зависимости от температуры металла в промежуточном ковше:

Температура металла в промежуточном ковше, ^оС 1525 Менее

и более 1525

Скорость разливки, м/мин 0,4 0,4-0,5

Особое значение при разливке трансформаторной стали имеет шлакообразующая смесь (ШОС), вводимая в кристаллизатор. Для условий запуска МНЛЗ и работы в переходных режимах разработали новую шлакообразующую смесь с меньшей температурой плавления. В результате исследования, проведенного с использованием высокотемпературного микроскопа, была предложена «стартовая» смесь с температурой плавления 1090 ^оС следующего компонентного состава (% по массе):

Графит Плавиковый Силикатная Датолитовый Формовочный Цемент шпат глыба концентрат песок 10 20 20 20 7 23

В «стартовой» смеси содержалось в среднем 7,8% фтора и 7,6% углерода, она имела основность 0,94 и влажность 0,14%. Такое содержание фтора в смеси и ее основность были соответственно на 1,5% (абс.) и 0,15 (абс.) меньше, чем в обычной смеси для разливки трансформаторной стали. Достижение меньшей температуры плавления «стартовой» смеси было достигнуто вследствие увеличения содержания оксидов щелочных элементов, в том числе и бора.

Использование рационального температурно-скоростного режима, легкоплавкой шлакообразующей смеси и мягкого режима охлаждения слябов после выхода из кристаллизатора позволило существенно уменьшить частоту аварийных прорывов металла при разливке трансформаторной стали (рисунок 5.1)

Рисунок 5.1- Изменение количества аварийных прорывов металла в кислородно-конверторном цехе в период 1997….2002 гг.

6. Технология непрерывной разливки трансформаторной стали

6.1 Подготовка МНЛЗ к работе

Проверка и подготовка кристаллизатора

В период подготовки машины у кристаллизаторов проверяют уклон узких стенок специальным измерителем конусности, разность в конусности противоположных стенок не должна превышать 0,5 мм.

Соосность кристаллизаторов относительно верхних роликовых секций зоны вторичного охлаждения проверяют специальным шаблоном радиусом 8000 мм. Отклонение не должно превышать 0,2 мм.

Проверка элементов системы вторичного охлаждения

В период подготовки в системе вторичного охлаждения проверяют:

- исправность и надежность крепления рукавов для подвода воды к коллекторам и кристаллизатору на максимальных расходах;

- расположение коллекторов относительно роликов;

- исправность и расположение форсунок относительно роликов.

Форсунки перед установкой на машину проходят проверку на специальном стенде. Исправность, ориентацию и качество факела форсунок проверяют при максимальном расходе воды и воздуха. Засоренные форсунки прочищают, а вышедшие из строя заменяют новыми.

Проверка элементов поддерживающей системы и ее охлаждение

В период подготовки в поддерживающей системе проверяют:

- исправность и надежность крепления рукавов для подвода воды к роликам, промежуточным опорам и к траверзам на максимальных расходах;

- состояние поверхности роликов;

- отсутствие скрапин и других посторонних предметов между роликами;

- состояние подшипников и промежуточных опор и наличие смазки визуально;

- вращение приводных роликов с контролем токовых нагрузок;

- шумы при холостой прокрутке ручьев;

- вращение неприводных роликов по секциям.

Проверяются все механизмы МНЛЗ в холостом режиме, при обнаружении неисправностей они должны быть устранены.

Подготовка промежуточных ковшей и погружных сталеразливочных стаканов к разливке

Производят разогрев промежуточных ковшей на специальном стенде разливочной площадки. Поддерживание температуры футеровки промежуточного ковша производится на подъемно-поворотных тележках разливочного стенда.

Перед сушкой и разогревом промежуточного ковша в полые стержни стопоров устанавливают воздухоподводящие трубки, воздух для охлаждения стопора подают в течение всего цикла сушки и разогрева. Разогрев осуществляется при помощи специальных горелок природным газом. Время установки промежуточного ковша на разогрев отмечается в технологическом журнале. Разогрев промежуточных ковшей производят согласно «Технологической инструкции по футеровке и эксплуатации промежуточных ковшей» ТИ-I0I-СТ-ККЦ-49-97. В процессе разогрева постоянно осуществляется опробование работы стопоров и шиберных затворов. Перед началом разливки серии трансформаторной стали, промежуточный ковш должен быть хорошо просушен на стенде в течение не менее 3 часов. Время разогрева промежуточного ковша в резервной позиции стенда должно быть не менее 8 часов. В ОНРС ковши подаются просушенные. Разогрев производится до температуры не менее 1100… 1200 ^оС, при этом футеровка ковша должна иметь ярко-малиновый цвет.