Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования, науки, молодежи и спорта Украины

ГВУЗ Приазовский государственный технический университет

Факультет информационных технологий

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

Специальность 7.05020201 «Автоматизированное управление технологическими процессами»

Пояснительная записка к дипломному проекту

На тему

Автоматизация технологических процессов в условиях технологического комплекса КК-АДСК-МНЛЗ ПАО «МК Азовсталь», г. Мариуполь

Студент Петров О.В.

Руководитель проекта:

О.О. Койфман

Мариуполь, 2012



ANNOTATION

Object of research of the degree project is the basic oxygen furnace,steel refiningunit and the continuous casting machine of PublicJSC "metallurgical plant Azovstal”.A specialpart of the project isthe mathematical modelof solidificationof the steelin crystallizer

In the given degree project became submitted technology continuous flood in conditions of combine; technological object (continuous casting machine) as object of management.Problems of management on the basis of which are made a function chart of automation of the continuous casting machine are formulated. A general view ofmachine is shown. The basic-electric circuit of a contour of thermal regimethe crystallizer is designed.Communicationsof functional tasksare given. The model of solidificationof the ingotin crystallizer is developed. Results of modeling are submitted. Calculations on economy, a labor safety and a civil defense are executed.



СОДЕРЖАНИЕ

• РЕФЕРАТ
• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
• 1.1 Управление дутьевым режимом конвертерной плавки
• 1.2 Агрегат доводки стали в ковше. Продувка стали в ковше аргоном
• 1.3 Тепловой режим кристаллизатора
• 2. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
• 2.1 Конструктивные и технологические особенности выплавки стали в кислородном конвертере
• 2.2 Конструктивные и технологические особенности агрегата доводки стали в ковше
• 2.3 Конструктивные и технологические особенности непрерывной разливки стали
• 2.3.1 Характеристики агрегата
• 2.4 Характеристика существующего технологического оборудования
• 3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ АВТОМАТИЗАЦИИ
• 3.1 Постановка задач автоматизации кислородного конвертера
• 3.2 Постановка задач автоматизации АДСК
• 3.3 Постановка задач автоматизации МНЛЗ
• 4. ОСНОВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ
• 4.1Разработка и описание структурной схемы АСУ ТП ККЦ-АДСК-МНЛЗ
• 4.1.1 Структурная схема автоматизации кислородного конвертера
• 4.1.2 Структурная схема автоматизации агрегата доводки стали в ковше
• 4.1.3 Структурная схема автоматизации МНЛЗ
• 4.2 Разработка и описание функциональной схемы автоматизации и выбор технических средств автоматизации
• 4.2.1 Функциональной схемы автоматизации выбор технических средств автоматизации кислородного конвертера
• 4.2.2 Функциональной схемы автоматизации и выбор технических средств автоматизации АДСК
• 4.2.3 Функциональной схемы автоматизации и выбор технических средств автоматизации МНЛЗ
• 4.3 Описание структуры комплекса технических средств АСУ ТП ККЦ-АДСК-МНЛЗ
• 4.4 Взаимосвязь функциональных задач АСУ ТП комплекса ККЦ-АДСК-МНЛЗ
• 5. СПЕЦЧАСТЬ
• 5.1 Математическая модель затвердевания стали в кристаллизаторе
• 5.2 Программная реализация математической модели
• 5.3 Разработка и описание принципиальной электрической схемы контура контроля и регулирования теплового режима кристаллизатора
• 6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 6.1 Организация производства
• 6.1.1Организация работ по текущей эксплуатации приборов и средств автоматизации
• 6.1.2 Определение штата, обслуживающих предлагаемую систему контроля и автоматического регулирования
• 6.2. Экономика производства
• 6.2.1 Расчет капитальных затрат
• 6.2.2. Затраты на текущий ремонт КИП и автоматики
• 6.2.3. Расчет фонда заработной платы
• 6.2.4 Расчет отчислений на социальные нужды
• 6.2.5 Прочие цеховые расходы
• 6.2.6 Расчет амортизационных отчислений
• 6.2.7 Расчет энергетических затрат
• 6.3 Экономическая эффективность предлагаемой системы
• 6.4. Технико-экономические показатели
• 7. ОХРАНА ТРУДА И БЕЗОПАСНОСТИ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
• 7.1 Охрана труда
• 7.1.1 Анализ условий труда на конвертерном участке кислородно-конвертерного цеха комбината «Азовсталь»
• 7.1.2. Расчет воздухообмена в помещении. Расчет количества воздуха, необходимого для удаления избытков вредных газов и паров
• 7.1.3 Акустический расчет на рабочих местах
• 7.1.4 Расчет искусственного освещения
• 7.1.5 Пожарная безопасность. Определение категории пожаробезопасности и выбор степени огнестойкости здания
• 8. ГРАЖДАНСКАЯ ЗАЩИТА
• 8.1 Основные положения
• 8.2 Задание
• 8.3 Исследование устойчивости работы объекта
• 8.4 Мероприятия по повышению устойчивости работы в условиях радиоактивного заражения1
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
• ПРИЛОЖЕНИЕ А
• ПРИЛОЖЕНИЕ Б
• ПРИЛОЖЕНИЕ В


РЕФЕРАТ

Пояснительная записка:113 страницы, 6 рисунков, 16 таблиц, 3 приложения.

Тема проекта: Автоматизация технологических процессов в условиях технологического комплекса КК-АДСК-МНЛЗ ПАО «МК Азовсталь».

В данной записке рассмотрена машина непрерывного литья заготовок, ее конструкция и ход технологического процесса, рассмотрены проблемы и трудности технологического процесса. Построена структурная схема автоматизированной системы управления. КК-АДСК-МНЛЗ. Разработана функциональная схема системы автоматизации МНЛЗ, выбран комплекс технических средств для реализации предложенной структуры схемы автоматизации. Рассмотрена математическая модель затвердевания стали в кристаллизаторе МНЛЗ и разработана программная реализация данной модели. Выполнены разделы по экономике, охране труда и гражданской обороне.

автоматизация, кислородный конвертер (КК), АДСК, машина непрерывного литья закотовок (МНЛЗ), структурная схема, функциональная схема, принципиально-электрическая схема, комплекс технических средств, кристаллизатор, математическая модель, слиток, тепловой режим



ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация управления технологическими процессами и производством играет важную роль в непрерывном увеличении выпуска продукции в нашей стране. Интенсификация и усложнение технологических процессов, рост единичной мощности агрегатов и повышение требований к качеству готовой продукции в соответствии с международными стандартами делают невозможным управление агрегатами без систем автоматизации.

Использование систем автоматического регулирования и управления позволяет более точно учесть расход материалов в производстве и прогнозировать ход процесса, так же возможно обеспечить информационное взаимодействие между различными связанными стадиями передела, проходящими в разных участках цеха и завода в целом, что позволяет учесть проблемы всех подразделений и уменьшить экономические потери при их простоях. Важную роль в таких процессах управления играет использование точных и самонастраивающихся математических моделей.

Тема данной дипломной работы - автоматизация технологических процессов в условиях технологического комплекса КК-АДСК-МНЛЗ ПАО «МК Азовсталь»

Сегодня металлургический комбинат «Азовсталь» является одним из лидеров Украинской металлургии. Это высокоэффективное металлургическое предприятие полного цикла - от производства кокса и агломерата, до выплавки стали и выпуска высококачественного плоского проката, сортовых и фасонных профилей.

Кислородно-конвертерный цех комбината - располагает самыми крупными и мощными конвертерами на территории Украины.



1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Управление дутьевым режимом конвертерной плавки

Кислородно-конвертерная плавка отличается сложностью физико-химических процессов, протекает с большой скоростью и при высокой температуре, характеризуется многорежимностью функционирования и большой размерностью решаемых задач, наличием нестационарных и взаимно-коррелированных шумов и помех измерения, имеет существенный дрейф рабочих параметров.

При высоких скоростях выплавки стали, имеющих место в конвертере, оператор физически не в состоянии переработать большой объем информации, выбрать наилучший режим и оперативно вмешаться в ход плавки. При ручном управлении ход продувки часто отклоняется от оптимального. Прежде всего, нарушается процесс шлакообразования, в результате чего шлак либо сворачивается, либо вспенивается, приводя к выносам и выбросам. Зачастую оператор останавливает продувку преждевременно или с опозданием. В первом случае приходится повторно, иногда по несколько раз додувать плавку, что снижает производительность конвертера. Передувка приводит к дополнительному расходу дорогостоящих материалов, увеличивает потери железа со шлаком, снижает стойкость футеровки. Только 45...50% плавок, а иногда и меньше, выпускают при ручном управлении с первой повалки.

Дутьевой режим плавки можно считать оптимальным, если обеспечивается выполнение следующих основных требований:

1) высокая скорость удаления примесей металла (окисления углерода) при наиболее полном и примерно постоянном усвоении кислорода;

2) быстрое шлакообразование;

3) отсутствие выбросов металла и шлака;

4) минимальное образование выносов и дыма;

5) минимальное содержание газов в конечном металле. Выполнение этих требований возможно лишь при поддержании в заданных пределах основных параметров дутьевого режима, к которым относятся интенсивность подачи дутья (продувки), давление и чистота кислорода, положение (высота) фурмы над уровнем спокойной ванны и удельный расход кислорода, расстояние сопла фурмы до уровня спокойного металла.

Удельный расход кислорода изменяется в пределах от 47 до 57 м3/т стали, возрастая при увеличении содержания окисляющихся примесей в чугуне и снижаясь при увеличении доли стального лома в шихте, поскольку лом содержит меньше окисляющихся элементов, чем чугун.

Давление кислорода перед фурмой должно быть в определенных пределах. Выходные сопла Лаваля кислородной фурмы преобразуют энергию давления газа в кинетическую. Для достаточного заглубления кислородных струй в ванну и полного усвоения металлом кислорода необходима высокая кинетическая энергия струй, поэтому размеры сопел рассчитывают так, чтобы скорость струи на выходе из них составляла 450--500 м/с. Давление кислорода перед фурмой при этом должно быть 1,2--1,6 МПа.

Высота расположения фурмы имеет оптимальные пределы. При чрезмерно высоком расположении фурмы кислородные струи не будут внедряться в металл («поверхностный обдув») и будет низка степень усвоения кислорода; при чрезмерно низком положении («жесткая продувка») усиливается вынос капель металла отходящими газами и абразивный износ фурмы каплями металла, существенно замедляется шлакообразование и др. С учетом этого в конвертерах разной емкости фурму устанавливают на высоте, соответствующей расстоянию до уровня ванны в спокойном состоянии от 0,8 до 3,3 м. В этих пределах высота обычно возрастает при увеличении емкости конвертера и зависит также от конкретных условий работы данного конвертера.

Изменение высоты положения фурмы во время продувки обычно используют для регулирования окисленности шлака и ускорения его формирования.

Интенсивность продувки (в отличие от расхода кислорода в единицу времени, который возрастает при росте емкости конвертера и для большегрузных конвертеров достигает 2000 м3/мин), не зависит от емкости; она определяется главным образом конструкцией кислородной фурмы (числом сопел в ней) На разных заводах величина интенсивности J находится в пределах 3--5,0 и иногда доходит до 7 м3/т-мин при применении 7-ми сопловых фурм.

Интенсивность продувки J определяет длительность продувки t. Связь между величинами t и J примерно можно выразить следующим уравнением: t = Q/J, где Q -- удельный расход кислорода, равный как выше отмечалось 47--57 м3/т.

Чистота кислорода оказывает большое влияние на качество стали, поскольку от нее зависит содержание в стали азота. Так, например, при использовании кислорода со степенью чистоты 98,3--98,7% сталь содержит 0,004--0,008% N, а при степени чистоты кислорода 99,5--0,002--0,004% N. Для предотвращения насыщения металла азотом необходимо применять кислород c чистотой не менее 99,5%.

Управление плавкой разделяется на три стадии - статический расчет, контроль динамики продувки и управление плавкой в замкнутом режиме. Задачей статического расчета является определение суммарного количества кислорода на плавку и определение необходимой величины глубины реакционной зоны.

В процессе продувки контролируются параметры шлакообразования и скорость обезуглероживания. Для этого контролируют акустические характеристики продувки и состав газа, покидающего конвертер. По этим характеристикам рассчитывают необходимые изменения дутьевого режима в процессе продувки.

Входная информация системы формируется аналоговыми сигналами, поступающими от датчиков, позиционными из схем электроавтоматики, а также по сети от смежных АСУ, локальных систем автоматического управления (ЛС) и от различных автоматических рабочих мест (АРМ). Выходная информация поступает на экраны мониторов АРМов, печатающие устройства (ПЧ), а также по сети поступает как задания в ЛС.

Вся обрабатываемая информация проходит проверку на достоверность по пределам сигналов, длительности и возможному порядку следования событий. Основная технологическая информация вводится в УВК автоматически.

В состав УВК входят:

АРМ дистрибуторщиков рабочие станции конвертеров №1 и №2, расположенные в главных постах управления;

АРМ мастера конвертерного отделения рабочая станция площадки;

АРМ системы управления положением фурмы конвертеров №1 и №2;

сетевой концентратор ОРС-сервер.

Система управления конвертерной плавкой представлена на рис. 1.

Система реализована на ОАО «Металлургический комбинат „Азовсталь”

Рисунок 1.1 - АСУ конвертерной плавкой



13доля кремния, марганца и серы в чугуне; 46доля углерода, марганца и серы в готовом металле; 7температура; 8-масса чугуна; 9лома; 10сыпучих; 11температура металла на повалке; 12масса раскислителей; 13давление, 14расход кислорода; 15температура, 16давление отходящих газов;17положение фурмы; 18марка стали; 19выход годного; 20масса брака; 21масса отходов; 22количество продутого кислорода; 23продолжительность продувки; 24содержание углерода; рекомендации: масса известняка (25), извести (26), шпата (27), ферросилиция (28), ферромарганца (29), количества кислорода на плавку (30); 31протокол плавки; 32ТЭП плавки; 33эффективное количество кислорода; СКПмнемосхема процесса; ЦВМцифровая вычислительная машина; ЛС - локальные системы управления. [1]

1.2 Агрегат доводки стали в ковше. Продувка стали в ковше аргоном

Задача получения высококачественной стали или сплава, пригодных для изготовления ответственных изделий, сводится к разработке такой технологии выплавки, раскисления и корректировки химического состава до заданных узких пределов по марганцу, алюминию, кремнию, углероду, микролегирование редкими, щелочноземельными, редкоземельными и другими элементами, глубокое рафинирование от вредных примесей, которые могут обеспечить минимальное остаточное содержание вредных примесей, газов и неметаллических включений. Для указанной цели в отечественной и зарубежной металлургической практике с успехом пользуются вакуумированием стали в ковше с одновременной продувкой аргоном или другими инертными газами с целью снижения концентрации растворенных газов (водорода и азота) и уменьшения содержания кислорода и неметаллических включений. Наиболее простым способом внепечной обработки стали с целью улучшения ее качества является продувка жидкого металла в ковше инертным газом.

Успешное использования различных технологий внепечной обработки для решения конкретных производственных задач на таких предприятиях, как НЛМК, Нижнеднепровсом трубопрокатном заводе им. К. Либхнехта, ЗапСиб, Магнитогорском металлургическом комбинате, ММК "Азовсталь", ОАО «ММК им. Ильича», Ашинском металлургическом комбинате, "Красный Октябрь", Макеевском им. Дзержинского, Рустановском металлургическом комбинате и многих других.

Наиболее простым способом внепечной обработки стали с целью улучшения ее качества является продувка жидкого металла в ковше инертным газом - аргоном через погруженные фурмы и пористые огнеупорные вставки, которая практически стала обязательным и неотъемлемым элементом технологической схемы при выплавке стали, особенно в случае раскисления металла в ковше и при непрерывной разливке.

На различных предприятиях внедрены различные способы обработки стали в ковше продувкой нейтральными газами.

На Западно-Сибирском металлургическом комбинате применяют метод струйно-кавитационного рафинирования стали аргоном, при котором аргон вводят в металл со скоростью, близкой к звуковой, что позволяет дополнительно частично удалять из жидкого металла водород и азот.

На Нижнетагильском металлургическом комбинате применяют метод продувки металла через серповидную фурму, характеризующийся повышением эффективности его обработки аргоном.

На Рустановском металлургическом комбинате впервые опробована технология продувки металла инертными газами и шлакообразующими реагентами. Защищена авторскими правами и патентами. Авторы удостоены Государственной премии Грузии. В 1990-е годы данная технология с определенными усовершенствованиями внедрена на Магнитогорском металлургическом комбинате, Нижнеднепровсом трубопрокатном заводе им. К. Либхнехта и на других предприятиях. Продувка инертными газами из баллона - везде опробованная технология.

Продувка металла в ковше нейтральными газами (аргоном или азотом) внедрена в конвертерных цехах металлургических комбинатов "Азовсталь", им. Дзержинского, им. Ильича, "Криворожсталь", в мартеновских цехах Макеевского металлургического комбината, заводе им. К. Либхнехтаи многих других.

Промышленное опробование продувки расплава аргоном выполняли на 160-тонных ковшах ОАО «ММК им. Ильича». Подача аргона в ковш осуществлялась через аргонопровод резиновым напорным рукавом. Регулировку подачи аргона контролировали счётчиком и производили вручную с использованием существующих на установке запорных вентилей и манометров. При продувке аргоном в ковше снижается содержание кислорода и количество оксидов в металле, стабилизируется окисленность и качество слитка, что приводит к увеличению годной продукции. Для стали многих марок заметно уменьшился разброс по содержанию марганца, хрома, кремния. Установлено, что обработанную нейтральным газом сталь можно разливать при пониженной температуре.

На заводе им. К. Либхнехта в мартеновском цехе продувка колесной стали в ковше аргоном осуществляется с помощью погружаемой фурмы. Что обеспечило значительную экономию ферросплавов при повышенной ударной вязкости колесного металла.

На Макеевском металлургическом комбинате в мартеновском цехе продувка стали в ковше аргоном осуществляется с помощью погружаемой фурмы и обрабатывается кусковой шлакообразующей смесью.

На Нижне-Тагильского металлургического комбината в мартеновском цехе продувка рельсовой стали в ковше аргоном позволила уменьшить коэффициент расхода металла при прокатке на 3 кг/т, повысить выход годного.

На комбинате "Азовсталь" созданы современные комплексы доводки стали в ковшах большой емкости, позволяющие получать сталь заданного состава по основным и микролегирующим элементам, проводить глубокое рафинирование (по сере и кислороду) и модифицирование металла порошкообразными и кусковыми материалами.

На комбинате им. Дзержинского освоена технология микролегирования (ниобием, титаном, ванадием) и корректирования состав металла по марганцу, алюминию, кремнию на установках доводки стали в ковше. Для корректирования состава стали используют кусковые ферросплавы и алюминий в слитках, что обеспечивает экономию ферросплавов и введение жестких ограничений по химическому составу.

На ковшевых вакууматорах Череповецкого металлургического комбината и завода "Красный Октябрь" освоена технология производства вакуумированной подшипниковой стали.

На Донецком металлургическом заводе реализована технология аргоно-вакуумной порционной дегазации металла - АВПД-процесс. За счет этого увеличивается скорость дегазации и сокращение длительности вакуумирования, увеличиние пропускной способности и объема вакуумированной стали.

На металлургическом заводе "Красный Октябрь" внедрена технология вакуум-кислородного рафинирования коррозионностойкой стали, которая позволила снизить затраты по переделу, а также повысить усвоение хрома и титана.

На НЛМК внедрена технология обработки металла синтетическим шлаком с последующей продувкой порошкообразным силикокальцием, что позволило организовать производство низкосернистой стали для газопроводных труб диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа, используемых в условиях низких температур.

В наше время металлургия имеет достаточный опыт в области внепечной обработки стали, но тем не менее существует ряд проблем требующие серьезной технологической и технико-экономической проработки.

Проблемы внепечной обработки и непрерывной разливки стали в Украине:

Благодаря МНТС разработана концепция развития процессов внепечной обработки и непрерывной разливки стали в Украине, основой которой являются предложения специалистов НИИ, вузов и предприятий Украины, состоящая из разделов для внедрения в производство:

- внедрить в сталеплавильном комплексе Украины усовершенствованные установки ковш-печь с совмещенным пневматическим и электромагнитным

перемешиванием металла, позволяющие рафинировать сталь широкого сортамента, обеспечивая их температурную и химическую однородность в заданных пределах;

- внедрить вакууматоры циркуляционного типа с возможностью вдувания кислорода и порошковых реагентов, а также нагрева металла, что обеспечивает высокое качество поверхности металлоизделий при глубокой вытяжке;

- оснастить вакууматоры устройствами газокислородного рафинирования аустенитных нержавеющих сталей, что обеспечит производство таких сталей с содержанием С< 0,02%; повышение их коррозионной стойкости не менее чем на 50%, технологической пластичности на 30%, а также даст возможность использовать углеродистый феррохром;

- применить бескремнистое вакуум-углеродное раскисление с последующей окончательной обработкой расплава комплексными сплавами типа Са-Аl-

РЗМ-Si, что позволит улучшить качество деформированных сталей ответственного назначения за счет снижения в 1,5-2 раза количества неметаллических включений и повышения технологической пластичности;

- использовать порошковую проволоку при обработке стали в установке ковш-печь, промковше и кристаллизаторе МНЛЗ для десульфурации и модифицирования металла, что увеличивает степень их усвоения, особенно элементов с повышенным сродством к кислороду; экономит лигатуру; стабилизирует химический состав стали; улучшает санитарно-гигиенические условия в цехах;

- освоить производство и непрерывную разливку микролегированных азотом и ванадием углеродистых сталей строительной номенклатуры с повышенной на 30-40% прочностью, а также конструкционных и специальных легированных сталей с увеличенным в 2-3 раза эксплуатационным ресурсом при существенном снижении расхода легирующих элементов;

- оборудовать промковши высокоэффективными конструкциями перегородок и устройствами динамического воздействия на расплав, керамическими фильтрационными вставками, что обеспечивает снижение в 2-2,5 раза загрязненности стали неметаллическими включениями и отвечает современным требованиям к качеству и зарубежным стандартам;

- освоить технологию газоимпульсного перемешивания стали в кристаллизаторе путем циклического (с частотой 1,5-2,5 Гц) изменения давления в полости погружного стакана для более эффективного удаления неметаллических включений и повышения структурной однородности заготовок с сокращением на 10% времени затвердевания металла, снижением анизотропии механических характеристик проката и увеличением на 15-25% ударной вязкости при отрицательных температурах;

- создать новейшую технологию и конструкцию машины полунепрерывного литья заготовок с магнитодинамическим промковшом для производства слитков из специальных марок сталей на машиностроительных и мини металлургических заводах;

- создать систему компьютерного управления расходом металла, скоростью вытяжки заготовки и ее вторичным охлаждением на основе комплексного световодного и радиолокационного, контактного и многоцветового бесконтактного непрерывного контроля теплофизических параметров, определяющих процессы формирования заготовки в кристаллизаторе: температуры расплава в промежуточном ковше, уровня и толщины шлакового покрытия металлов в кристаллизаторе, количества отводимого кристаллизатором тепла, температуры поверхности заготовки под кристаллизатором и в зоне вторичного охлаждения, что обеспечит требуемые для получения качественного проката минимальные термические напряжения и структурную однородность заготовки, повышение производительности разливки и исключит прорывы металла под кристаллизатором.

1.3 Тепловой режим кристаллизатора

Основные требования к тепловому режиму кристаллизатора сводятся к следующему:

расход охлаждающей воды в кристаллизаторе должен исключать ее перегрев, вызывающий отложение солей и ухудшение теплоотвода от слитка;

интенсивность охлаждения должна быть такой, чтобы при выходе слитка из кристаллизатора толщина твердой оболочки была достаточной для исключения прорыва металла из середины слитка;

распределение интенсивности теплоотвода по длине и периметру слитка должно обеспечивать отсутствие больших градиентов температур и недопустимых термических напряжений, вызывающих образование трещин в оболочке слитка.

На теплообмен между слитком и кристаллизатором и, следовательно, на формирование оболочки слитка влияют очень многие факторы: марка стали, температура металла, скорость разливки, конструктивные параметры кристаллизатора и др.

Наибольшее значение имеют конструктивные особенности кристаллизатора: размеры граней, конусность стенок, толщина и материал стенок, режим охлаждения. Для большинства конструкций кристаллизаторов из всех перечисленных параметров переменным является только режим охлаждения (температура и расход охлаждающей воды), служащий управляющим воздействием на режим кристаллизации слитка.

В кристаллизаторе имеется два характерных режима теплоотдачи: при плотном контакте слитка со стенками кристаллизатора (плотность теплового потока 1,8-2,3 МВт/м²) и при газовом зазоре между слитком и стенками кристаллизатора (плотность теплового потока 0,7-0,9 МВт/м²). В начале (вверху кристаллизатора) слиток непосредственно контактирует с кристаллизатором, затем слиток в связи с охлаждением и усадкой несколько отходит от стенок кристаллизатора и появляется газовый зазор. При отходе слитка от стенок и уменьшении теплоотдачи происходит некоторый разогрев оболочки, которая вновь прижимается к стенкам, и тепловой поток на короткое время возрастает. Окончательный отход оболочки слитка от стенок кристаллизатора происходит на расстоянии 600-700 мм от уровня жидкого металла, и плотность теплового потока внизу кристаллизатора снижается до 0,25-0,5 МВт/м².

Изменение плотности теплового потока от слитка к стенкам кристаллизатора по ходу затвердевания слитка может определяться на основании эмпирических зависимостей. Например, при отливке слябов средняя плотность теплового потока (полусумма значений в углах и середине граней) для широких граней подчиняется по зависимости (Мвт/м²)

(1.1)

где - время движения рассматриваемого сечения слитка от уровня жидкого металла, мин.

Изменение теплового потока в определенной степени соответствует изменению температуры поверхности слитка, которая быстро падает до 800 - 900 °С в начальный момент охлаждения и затем несколько возрастает после образования зазора между слитком и стенками кристаллизатора и далее остается примерно постоянной.

Толщина оболочки слитка довольно точно может быть определена по закону квадратного корня:

(1.2)

где - коэффициент затвердевания, равный для разных граней слитка 20 - 25 мм мин ^-0.5; - время, мин.

Основной целью управления первой стадией кристаллизации слитка является получение достаточно толстой и прочной оболочки слитка на выходе из кристаллизатора. Для реализации этой цели необходимо отобрать от слитка вполне определенное количество тепла, зависящее от марки стали, начальной температуры металла и сечения заготовки

(1.3)

где - время пребывания металла на активной длине кристаллизатора. [4]



2. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

2.1 Конструктивные и технологические особенностивыплавки стали в кислородном конвертере

Конвертерный цех состоит из следующих отделений и участков:

1) главное здание:

- конвертерное отделение;- миксерное отделение;- крановая эстакада для перестановки шлаковых чаш;- отделение подготовки сталеразливочных и промежуточных ковшей;

2) отделение шихтовых сыпучих материалов;

3) скрапное отделение;

4) отделение скачивания шлака;

5) отделение внепечной обработки стали;

6) отделение непрерывной разливки стали;

7) транспортно-отделочное отделение;

8) отделение внепечной десульфурации чугуна;

9) стрипперное отделение;

10) отделение помола силикокальция;

11) энергоблок; административно-бытовые корпуса (АБК); экспресс-лаборатория, ремонтная; мастерская; зарядная станция.

Конвертерное отделение состоит из загрузочного и энергетического пролётов, участка подготовки ферросплавов, участка расплавления синтетического шлака. Тут установлены два конвертера (см. табл. 1), ёмкостью 350т, со вставными днищами и навесным многодвигательным приводом поворота мощностью 720 кВт.



Таблица 2.1

Техническая характеристика конвертера

Наименование	Величина
1	2
Вместимость конвертера, т	350
Рабочий объём, м3	317,7
Удельный объём, м3/т	0,91
Площадь поверхности ванны, м2	34,6
Удельная поверхность ванны, м2/т	0,1
Глубина ванны, мм	1800
Внутренний диаметр, мм	6950 / 6650
Отношение диаметра к глубине ванны	5,83 / 3,69
Высота рабочего объёма, мм	10075
Диаметр горловины, мм	4000
Общий вес футеровки, т	753
Мощность электропривода, кВт	720
Давление кислорода перед фурмой, атм.	15
Расход кислорода, м3/мин (н.у.)	1350
Продолжительность продувки, мин	16

Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой заключается в продувке жидкого чугуна кислородом, подводимым к металлу сверху через сопла водоохлаждаемой фурмы. При этом выгорают примеси чугуна - углерод, кремний, марганец, сера, фосфор и т.д. Кислород подается в конвертер под давлением 1-1.5 МПа по водоохлаждаемой фурме. Вода под давлением 0.6-1 МПа подается в пространство между внутренней и средней трубами фурмы и удаляется из пространства между внешней и средней трубой, обеспечивая охлаждение фурмы.

Завалка и заливка. В конвертер загружают стальной лом и часть извести (в течение 2 минут). Затем заливают чугун. При этом происходит плавление лома находящегося в конвертере. Масса металлошихты должна обеспечивать массу жидкой стали не более 350 тонн. Массовый расход чугуна и металлолома для плавки определяют по рекомендациям АСУТП. Массовый расход чугуна и лома должны обеспечить после окончания продувки заданные значения содержания углерода в металле, FeO В шлаке и температуры. При отклонении этих параметров от заданных значений, в том числе по температуре металла более чем на 20^оС, производят перешихтовку плавки.

Продувка. Продувку плавок производят по режимам с частичным или с полным дожиганием окиси углерода. Положение кислородной фурмы относительно уровня металла в ванне, при расходе кислорода 1100-1300 м³/мин устанавливают исходя из нормативов, определяемых содержанием углерода в ванне, а также заданным количеством углерода в стали. Продувка начинается, когда фурма находится на максимальном расстоянии от спокойной ванны (~ 4,5 м). Для продувки используют кислород чистотой не ниже 99.5% с содержанием азота не более 0.15%. Давление кислорода в цеховой магистрали перед фурмой должно быть не менее:

- 2.2 МПа - при расходе кислорода 1100 1300 м³/мин;

- 2.3 МПа - при расходе кислорода 600 800 м³/мин.

После окончания продувки производят замер температуры и отбор проб металла и шлака с обязательным спуском шлака. В пробах шлака определяют содержание CaO, MgO, SiO, Al₂O₃, PbO₃, Cr₂O₃,S, FeO и основность. В пробах металла определяют содержание С, Mn, S, F, Cu, Ni, Cr, N. Температура металла перед выпуском плавки должна быть в следующих пределах: 1580С-1600С - при разливке стали в слябы толщиной 250 мм; 1575С-1595С - при разливке стали в слябы толщиной 300 мм. Выпуск плавки производят после получения анализа металла на содержание C, S, P и температуры заданного значения. Продолжительность выпуска плавки должна составлять не менее 6 мин.

Повалка. Установление заданной концентрации С в стали достигается с помощью промежуточной плавки. При этом фурму поднимают, выключают дутье, переводят конвертер в горизонтальное положение, отбирают пробы металла и шлака и замеряют температуру ванны с помощью термопары погружения. Ожидая результаты анализа, немного поворачивают конвертер.

Додувка. Когда после продувки содержание S и P в стали, или его температура не соответствуют заданным значениям параметров, производят додувки плавок. Додувки металла на серу и фосфор рекомендуется осуществлять по следующему режиму:

- положение фурмы выше базового положения на 300-1500 мм;

- интенсивность продувки в пределах от 1000 до 1300 м/мин;

- расход извести из расчета от 3 до 5 т. на каждую минуту додувки;

Додувки металла на температуру производят по следующему режиму:

- положение фурмы обычное, либо повышенное на 300-1500 мм,

- продолжительность додувки определяют по технологическому расчету;

- при содержании С в металле равном не менее 0.085 производят присадку О₂ и термоантрацита из расчета 300 кг на одну минуту додувки.

Выпуск. При выпуске стали конвертер наклоняют. Сталь сливают через выпускное отверстие в сталеразливочный ковш, шлак - в чашу.

Доводка. Сталь в ковше подвергается внепечной обработке вакуумом, аргоном, азотом и т.д. Раскисление и легирование металла производят в сталеразливочном ковше. Расход раскислителей и легирующих добавок определяют из расчета получения среднезаданного содержания элементов в готовой стали. Длительность всего цикла составляет 30-45 мин. [2]

2.2 Конструктивные и технологические особенностиагрегата доводки стали в ковше

Выполняемые операции на агрегате доводки стали в ковше (АДСК):

- предварительную продувка металла аргоном/азотом для усреднения химического состава и температуры;

- замер температуры и отбор пробы металла после предварительного усреднения;

- корректировку содержания марганца, кремния, титана, ванадия и ниобия кусковыми ферросплавами;

- корректировку содержания углерода путем ввода углеродсодержащих материалов;

- модифицирование и рафинирование стали порошкообразными смесями на основе силикокальция;

- корректировку (снижение) температуры металла в ковше за счет применения сляба, металлизованных окатышей, металлической сечки и/или продувки инертным газом;

- окончательное усреднение металла за счет продувки инертным газом;

- замер температуры и отбор пробы металла после завершении операций доводки металла;

- продувка кислородом с помощью кислородной фурмы погружаемой сверху;

Усреднительная продувка металла аргоном:

- для легированной и низколегированной стали - 7 мин;

- для углеродистой стали - 5 мин;

- для хромсодержащей стали - 10 мин;

- для стали с массовой долей углерода более 0,27% - 10 мин.

В состав каждого из его стендов входят следующие элементы:

система транспортировки стальковша;

укрытие стальковша;

система газо-инертной защиты;

тракт сыпучих;

загрузочное устройство;

система хранения, дозирования и подачи граншлака;

машина независимых перемещений продувочных фурм;

система подачи проволок;

машина замера параметров плавки;

система хранения, дозирования и подачи порошков в струе аргона.

Подсистема транспортировки стальковша состоит из сталевоза и системы электроприводов, осуществляющих его перемещение. Сталевоз производит перемещение стальковша от разливочного пролета МНЛЗ к АДС и между позициями стенда АДС.

Фурму погружают в металл и включают подачу аргона. Чем ниже опускается фурма, тем больше увеличивается расход аргона, увеличивают до 40 м³/ч. Аргон вдувается под давлением не менее 1МПа, что обеспечивает интенсивное перемешивание стали. Глубина погружения фурмы должна быть не менее 3800 мм. После усреднительной продувки берется проба металла, которая отправляется в лабораторию. Температура металла в ковше после усреднения должна быть в пределах 1580-1600°С.

Наибольшее распространение на металлургических предприятиях получили способы перемешивания стали с помощью таких продувочных устройств, как погружаемые фурмы, пористые пробки, устанавливаемые в днище ковша, и приспособления, подающие газ через разливочный канал ковшового затвора. Указанные способы инжекции газа в расплав схематично показаны на рисунке 3.1, а), б), в). Любой из этих методов ввода рафинирующего газа имеет свои достоинства и недостатки, проявляющиеся в разной степени в зависимости от конкретных условий их применения: вместимости сталеразливочного ковша, конструкции устройств для дозированного выпуска металла, которыми оборудован ковш, и т.д.

Рисунок 2.1 - Устройства для продувки металла в ковше



а) погружаемая фурма; б) через донные пористые пробки; в) через разливочный канал ковшового затвора

Наиболее простым и надежным способом обработки метала инертным газом является продувка с применением "ложного стопора", представляющего собой стальную трубу, футерованную снаружи огнеупорными катушками. Для усиления эффекта перемешивания и частичного удаления всплывающих пузырьков газа от стопора иногда используют стопоры с огнеупорной пробкой, насаженной на выходную часть трубы и имеющей расположенные радиально или перпендикулярно оси стопора отверстия для выхода газа. Стопор опускают в металл сверху до уровня на 200 - 300 мм выше днища ковша. Простота использования ложного стопора для продувки металла состоит в том, что не требуется вводить никакие конструктивные изменения в устройство футеровки ковша. При этом можно избежать опасности размывания футеровки металлом.

Однако ложные стопоры для продувки имеют и недостатки, поскольку представляют собой устройства одноразового использования. Еще более существенно то, что во время продувки наиболее интенсивное движение металла и газа происходит вдоль стопора (даже при использовании пробок, направляющих газ радиально или горизонтально). Вследствие этого огнеупорная футеровка стопора быстро размывается, и частицы ее поступают в металл, отрицательно влияя на возможность его очистки от неметаллических включений. Поэтому использование ложных стопоров для продувки металла инертным газом не нашло широкого применения.

Технология продувки через погружаемые фурмы и конструкция фурм постоянно совершенствуются. Так, на Орско-Халиловском металлургическом комбинате (ОХМК) разработали и используют фурму не с цилиндрическими, а с щелевыми соплами, расположенными перпендикулярно оси трубы. Для интенсификации процесса в стенках щелевых сопел сделаны проточки, вызывающие возникновение при продувке акустического поля. Продувку ведут при погружении фурмы на 2,2-2,4 м (? 70% высоты жидкого металла) и давлении аргона перед фурмой 0,4-0,5 МПа. По сравнению с продувкой через фурму с цилиндрическим соплом при давлении перед фурмой 0,1 - 0,2 МПа меняется характер перемешивания металла в ковше: интенсивность бурления в районе фурмы уменьшается, наблюдается интенсивное перемешивание расплава по зеркалу ковша. Продувку производят в течение ? 3 мин, что обеспечивает равномерное распределение химических элементов в металле во всем объеме ковша.

Широкое применение для продувки металла в ковше получили огнеупорные пористые пробки. Они изготавливаются из крупнозернистого материала под низким давлением прессования и подвергаются специальному отжигу. Высокой газопроницаемостью и удовлетворительными свойствами обладают пробки из спеченного муллита (70% Аl₂О₃) и магнезита (95% MgO); стойкость пробок до 15-20 плавок.

Пористая пробка в форме усеченного конуса монтируется в днище ковша изнутри или снаружи. При замене пробки более простым является монтаж снаружи, но при этом способе несколько усложняется устройство для усиления днища и жесткости установки.

По сравнению с ложными стопорами пористые пробки имеют то преимущество, что при проникновении через них газа он поступает в жидкий металл в виде мелких пузырьков. Это обеспечивает большую поверхность контакта металл - инертный газ и, соответственно, большую скорость перехода компонентов между этими фазами. Интенсивность массообменных процессов увеличивается с применением не одной пористой пробки в центре днища, а нескольких (обычно 3-4), расположенных на середине радиуса днища ковша.

Применяется также способ продувки инертным газом через пористые швы в днище ковша. На некоторых отечественных заводах продувку ведут через пористые швы, расположенные в виде кольца в кладке днища со средним радиусом, равным 0,7 радиуса ковша. Кольцо образовано уложенными в слое футеровки сифонными кирпичами. Газ, выходя из стыков сифонной проводки, проходит через пористые газопроницаемые швы кладки днища и в виде кольцевого пояса пузырьков пронизывает металл. Основная масса пор в швах имеет размер 0,3-1 мм, что позволяет получать пузырьки газа минимальных размеров, увеличивающие поверхность контакта металл - шлак.

На отечественных заводах также применяют продувку инертным газом через шиберный затвор. Этот способ отличается простотой устройства и отсутствием необходимости специальных переделок в футеровке ковша. При установке разливочного стакана в гнездо ковша в него вводят трубку для продувки аргоном (рис. 15) и засыпают стакан и верхнюю приемную часть гнезда ковша магнезитовой крошкой. С начала выпуска стали в ковш начинают продувку аргоном, который в первый же момент пробивает ход в подсыпке, образуя своеобразное "сопло". Через это сопло и ведется продувка. После окончания продувки концевую часть трубки, пошатывая, вынимают из стакана и затвора, и ковш с металлом готов к разливке. При открытии шиберного затвора подсыпка высыпается, освобождая проход для стали. Если подсыпка сама не высыпается, ее прожигают кислородом.

Рисунок 2.2 - Устройство для продувки жидкой стали в ковше инертным газом



1 - трубка; 2 - гнездо ковша; 3 - стакан; 4 - подсыпка; 5 - верхняя плита затвора; 6 - нижняя плита затвора; 7 - коллектор

Продувка аргоном через трубку, установленную в шиберном затворе, имеет преимущество по сравнению с другими способами продувки, поскольку при одинаковом расходе газа она обеспечивает большую мощность перемешивания вследствие большей кинетической энергии поступающей в жидкий металл газовой струи. Это обусловлено тем, что при подводе через трубку нет таких больших потерь напора, как при подводе через пористые пробки. При продувке через стопор эти потери также невелики, но кинетическая энергия газа теряется вследствие того, что движение его направлено вниз, т.е. против последующего затем всплывания. По сравнению с продувкой через ложный стопор продувка через шиберный затвор имеет и то преимущество, что интенсивное движение над местом поступления газа в металл не вызывает размывания огнеупорных материалов (футеровки стопора).

Корректировать температуру стали можно:

- Продувка аргоном;

- Продувка аргоном с металлической «сечкой»;

- Опускание сляба в сталь (более чем на 10°С)

Расчет снижения температур:

- при вводе 200 кг «сечки» - 1°С;

- при погружении сляба в металл на глубину не менее 2,5 м в первые 5-6 минут выдержки - от 5 до 3°С в минуту;

- при выдержке сляба в металле после 5-6 минут - от 3 до 2°С в минуту.

После окончания ввода в ковш охлаждающих присадок («сечка», сляб) происходит корректировка химического состава и микролегирование металла. Используемые материалы:

а) ферромарганец среднеуглеродистый, ферромарганец высокоуглеродистый, марганец металлический;

б) ферросилиций;

в) ферросиликомарганец;

г) феррохром среднеуглеродистой или ферросиликохром;

д) феррованадий;

е) ферромолибден;

ж) ферротитан;

з) ферросиликованадий;

и) феррониобий и ферросиликониобий и ферробор;

л) медь;

м) никель первичный;

н) алюминий чушковый первичный и алюминий вторичный;

о) графит;

п) термоантрацит;

р) алюминиевая катанка

Расход добавок определяется при получении пробы после усреднительной продувки.

Массу металлической «сечки», которую необходимо ввести в ковш для охлаждения металла до заданной температуры, уменьшают на расчетную массу вводимых в ковш ферросплавов.

Охлаждающий эффект ферросплавов принимают равным охлаждающему эффекту металлической «сечки». Ввод ферросплавов в ковш производят россыпью при помощи механизированного лотка в район погружения фурмы одновременно с продувкой металла аргоном. Ферросплавы вводят в ковш порциями массой не более 500 кг с интервалом не менее 2-х минут.

Рафинирование и корректировка химического состава стали порошкообразными реагентами. Для рафинирования стали используют порошкообразный силикокальций, получаемый при размоле силикокальция марок СК25 и СКЗО с массовой долей кальция не менее 25%. Гранулометрический состав смеси силикокальция с плавиковым шпатом должен быть не более 1,0 мм.

Порошкообразный силикокальций вдувается аргоном через фурму или путем ввода проволоки с трайбапарата (скорость не менее 4 м/с). Содержание алюминия в металле перед вводом силикокальция должно быть не менее 0,030%. Корректировку массовой доли углерода в стали производят вдуванием порошкообразных графита, термоантрацита или их вводом порошковой проволокой.

Наполнение ковша металлом и шлаком при обработке рафинирующими порошкообразными реагентами должно быть не менее чем на 300 мм ниже верхней кромки ковша.

При рафинировании порошковыми реагентами после установки ковша с металлом на стенд УДМ производят следующие операции:

усреднение металла аргоном;

отбор пробы металла и измерение его температуры;

получение результатов анализа и обработка стали порошкообразным силикокальцием.

отбор и отправка пробы металла на анализ, измерение температуры металла после обработки порошкообразным силикокальцием;

после ввода проволоки с порошкообразным силикокальцием производят продувку аргоном не менее двух минут.

Результаты измерения температуры и анализа записывают в агрегатный журнал и поступают на микроконтроллер и ПЭВМ.

После присадки всех корректирующих добавок суммарная продолжительность обработки металла аргоном и (или) газопорошковой смесью силикокальция должна быть не менее 5 минут.

Снижение температуры стали при обработке реагентами составляет 2-3°С в минуту продувки. Порошкообразные реагенты вдувают в металл в струе аргона через футерованный полый стальной стержень.

После вдувания в металл требуемого количества порошкообразного реагента отключают подачу аргона на аэрацию и порошка из пневмокамерного насоса и, при необходимости, продолжают продувку аргоном.

Масса порошкообразных реагентов, вводимых в металл в струе аргона, контролируется с помощью специальной системы весового дозирования. Масса порошкообразных реагентов вводится при помощи трайбаппарата, определяется длиной введенной проволоки.

По окончании доводки стали, перед отправкой ковша с УДМ и присадкой теплоизолирующей смеси отбирают и отправляют на анализ пробу металла, производят измерение температуры и, в случае необходимости, по указанию мастера отбирают пробу шлака и отправляют на анализ.

2.3 Конструктивные и технологические особенностинепрерывной разливки стали

МНЛЗ состоит из сталеразливочного и промежуточного ковшей, водоохлаждаемого кристаллизатора, системы вторичного охлаждения, устройства для вытягивания, оборудования для резки и перемещения слитка.

Способ непрерывной разливки металла на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) заключается в том, что жидкий металл из разливочного ковша через промежуточный ковш непрерывно поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор. В кристаллизатор перед началом разливки вводится "затравка", являющаяся дном для первой порций металла. Затравка тянущими механизмами перемещается вниз, увлекая с собой формирующийся слиток. В кристаллизаторе затвердевает только наружная оболочка слитка, а полная кристаллизация осуществляется ниже кристаллизатора, в зоне вторичного охлаждения, за счет форсированного охлаждения поверхности слитка. Охлаждение в этой зоне осуществляется либо подачей воды непосредственно на слиток, либо путем установки водоохлаждаемых экранов. При дальнейшем движении полностью затвердевший слиток разрезается на мерные длины газокислородными резаками, которые во время реза перемещаются вместе со слитком. [4]