Электродуговые печи постоянного тока

В последнее время в мире значительное внимание уделяется созданию и внедрению в производство дуговых печей постоянного тока (ДППТ). Как было показано выше, основной объем электростали выплавляется в дуговых печах переменного тока, но они имеют недостатки, затрудняющие их эксплуатацию. К ним относятся: высокий уровень шума при работе, сильная запыленность и загазованность, кроме того ДСП являются источником интенивных помех в питающих энергосистемах. Устранить эти недостатки и призваны ДППТ.

Эти печи имеют аналогичные ДСП по конструкции кожух, свод, механизмы наклона печи и перемещения электрода, одинаковую схему загрузки шихты и выпуска металла, требования к качеству шихтовых материалов. Отличие состоит в том, что ДППТ имеет один вертикально расположенный сводовый электрод, закрепленный в корпусе электродержателя и введенный внутрь печи через отверстие в центре свода.

Важнейшим элементом ДППТ является конструкция токоподвода к шихте. Для этого используется или токопроводящая подина с металлическими элементами, или один (несколько) стержневых подовых электродов. В России ДППТ имеют стержневые водоохлаждаемые подовые электроды, геометрические размеры которых рассчитываются с помощью математического моделирования с учетом движения жидкого металла под действием электромагнитных сил.

Питание печи производится от источника постоянного тока, отрицательный полюс которого соединен со сводовым электродом, а положительный – с подовым электродом. Источник питания находится в специальном помещении, которое иногда располагается на значительном расстоянии от печи (десятки и даже сотни метров), и представляет собой комплект электрооборудования, включающий силовой трансформатор, преобразователь, реактор постоянного тока и теплообменник (при водяном охлаждении преобразователя).

В процессе плавки ток дуги проходит по всей глубине ванны, взаимодействует с собственным магнитным полем, создавая электромагнитные силы. Эти силы вызывают направленное движение и перемешивание металла.

При плавке ДППТ испаряется намного меньше металла и шлака, образуется в 6 - 8 раз меньше пыли, поэтому в ней можно плавить металлы и сплавы с относительно низкой температурой плавления.

Кроме перечисленных, ДППТ обладают и другими преимуществами по сравнению с ДСП: сокращается расход графитированных электродов (до 0,8 - 1,5 кг/1т); повышается выход годного металла за счет снижения угара на 3 – 4 %; снижается расход ферросплавов на 15 – 20 %; за счет уменьшения пылевыбросов снижаются затраты на газоочистку; на 15 дБ падает уровень шума; стабилизируется электрический режим; возможно электромагнитное перемешивание жидкого металла.

1.4.4. РАЗЛИВКА СТАЛИ

Выплавленную в мартеновской печи, конвертере или дуговой печи сталь выпускают в сталеразливочные ковши. Затем ее разливают по изложницам, в которых она затвердевает в форме слитков, или на машине непрерывной разливки стали (МНРС). Слиток является конечной продукцией сталеплавильного цеха и направляется в прокатные кузнечные цехи для дальнейшего передела в сортовой прокат. Разливка представляет собой важнейшую стадию сталеплавильного производства. Существует три способа разливки: сверху, сифоном и на МНРС.

Разливка стали сверху. Такой способ используют, в основном, для разливки мартеновской и конвертерной стали в слитки массой до 25 т для прокатки на станах и в кузнечные слитки массой до 300 т. Сталь из ковша разливается в одну, а при наличии двух стопоров (отверстия в днище) в ковше сразу в две изложницы – высокие, чаще всего чугунные емкости. Отверстие перекрывают и с помощью крана передвигают ковш к следующей изложнице. Операцию повторяют столько раз, сколько нужно для разливки всей плавки.

Иногда разливку производят через промежуточную емкость, которую устанавливают между ковшом и изложницами. Эта емкость имеет два-четыре стопора и позволяет одновременно наполнять четыре изложницы, что значительно ускоряет процесс разливки.

Разливка стали сифоном. Изложницы наполняют снизу по принципу сообщающихся сосудов, направляя струю металла не в изложницу, а в специальную центровую трубу, от которой в поддоне расходятся каналы к 2-4-6-8 изложницам. Каналы, как и центровую трубу изнутри футеруют плотно состыкованными огнеупорными изделиями – проводками, имеющими снаружи форму канала поддона, а внутри круглый канал для течения стали. После наполнения всех изложниц данного куста стопор ковша закрывают и перевозят ковш на следующий поддон. Сифоном производят разливку почти всех качественных и легированных сталей.

Сравнение этих двух способов разливки стали показывает, что разливка сверху имеет следующие преимущества перед разливкой сифоном: 1) простую подготовку оборудования; 2) отсутствие расхода металла на литники (металл, застывший в каналах сифонной проводки и в центровой, который приходится отправлять снова в переплавку).

После разливки металл остывает в изложнице неравномерно: сначала у холодных ее стенок, затем по направлению к центру изложницы. Застывая, сталь кристаллизуется, и объем ее уменьшается. В каждом слитке появляется неправильной формы пустота – усадочная раковина. В окружающей ее рыхлой части концентрируются все загрязнения: кристаллизующийся металл постепенно выталкивает сюда все, что мешает образованию правильных кристаллов – частички шлака, огнеупорных материалов и другие примеси. Газовые пузырьки скапливаются в свободном пространстве. Эту часть слитка (прибыль) сразу же удаляют и пускают в переплав.

Стремясь уменьшить эти потери, сверху на изложницы устанавливают надставки, утепленные огнеупорным материалом, они задерживают остывание металла в процессе кристаллизации. Надставку не только утепляют, но и обогревают. Иногда вводят специальные экзотермические добавки.

Для защиты стали от окисления используют различные методы. Например, разливку дорогих, легированных сталей производят в атмосфере аргона: либо всю изложницу помещают в камере, наполняемой аргоном, либо струю аргона подают так, чтобы она окружала струю стали и наполняла внутреннюю полость изложницы. Очень эффективна разливка под слоем жидкого шлака. При этом перед началом разливки в изложницу кладут брикет или порошок, состоящий из марганцевой руды, селитры, алюминия, магния, плавикого шпата, доменного шлака.

При заполнении изложниц сталью брикет плавится, а его горючие составляющие возгораются, поверхность слитка сверху и по стенкам изложницы покрывается слоем жидкого шлака, газообразные продукты сгорания оттесняют воздух из изложницы.

Кроме того, сгорание смеси дает дополнительное тепло, которое обеспечивает необходимую скорость затвердевания прибыльной части. Этот способ значительно улучшает качество поверхности слитка, уменьшаются брак слитка и проката, отходы стали при зачистке слитков.

Непрерывная разливка стали. Скачком в сталеплавильном производстве, особенно в последние два десятилетия ХХ века, явилось широкое применение непрерывной разливки стали (НРС). Если в 1970 г. в мире непрерывным способом разливали 4,3 %, то в 1998 г. уже 83,3 % всей стали. Некоторые обобщенные данные по доле непрерывной разливки в промышленно развитых странах, в бывшем СССР, в России и в мире приведены ниже, млн. т/% к общему объему:

В России внедрение НРС идет медленнее, чем в мире, по ряду причин:

- структура сталеплавильного производства (в мартеновских цехах установка НРС практически исключается);

- преимущественное использование машин непрерывной разливки (МНРС) вертикального типа.

Внедрение этого способа было направлено на снижение затрат материалов и энергии, улучшение экологической ситуации и условий труда, повышение качества продукции.

МНРС отлично вписываются в технологический цикл современных конвертерных и электросталеплавильных цехов, создавая условия для совмещения разливки и прокатки металла в единые литейно-прокатные комплексы.

Идея непрерывной разливки стали была сформулирована в середине прошлого столетия, а первое промышленное воплощение получила в нашей стране. В научно-производственном объединении «Тулачермет» начала работать первая в мире установка непрерывной разливки стали (УНРС). Высота установки определялась скоростью затвердевания металла, а первые УНРС были либо многоэтажными башнями, либо шахтами, зарытыми глубоко в землю. Это было очень неудобно.

Раньше слиток, освобожденный из изложницы, необходимо было обжать до определенных размеров, только после этого становилась возможной дальнейшая его деформация. Для обжатия только что остывший слиток снова нагревали, но уже в прокатных цехах, куда стремятся его доставить как можно быстрее. А МНРС сразу дает заготовку разнообразных сечений – и квадратную, и прямоугольную, и круглую, и, если это нужно, даже полую. Появились непрерывнолитые заготовки и для получения прутков, катанки, балок, труб. Необходимость в мощных обжимных станах, в нагреве слитка перед подачей на эти станы отпала.

На многих заводах всю сталь разливают на МНРС. Парк изложниц, все операции по их подготовке и изготовлению (изложница недолговечна: после 15 - 20 наливов ее приходится отправлять в переплав), процессы, связанные с изготовлением и подготовкой поддонов, центровых, разливочных тележек, сифонного припаса, на этих заводах отсутствуют вместе со стрипперными отделениями с мощными кранами, где слиток «раздевают», снимая с него изложницу. НРС предусмотрена на всех вновь строящихся цехах и предприятиях.

МНРС бывают вертикального, радиального и криволинейного типа (рис. 37 и 38).

Сталь из разливочного ковша поступает в промежуточную емкость, которая имеет один или два стопора для одновременной заливки одного или двух кристаллизаторов. Промежуточное устройство позволяет точно регулировать скорость заливки стали, отделяет шлак и т.д. Ниже промежуточного устройства расположен медный водоохлаждаемый кристаллизатор, внутренняя форма которого соответствует форме получаемой стальной заготовки. Кристаллизатор обеспечивает оптимальный отвод тепла и однородную толщину корочки слитка.

Высота кристаллизатора определяется условиями образования достаточно прочной корочки образующегося слитка и усилиями по его вытягиванию, необходимыми для преодоления сил трения (обычно она составляет 700-800 мм). Перед началом разливки в кристаллизатор вводят стальную штангу-затравку, конец которой имеет головку в виде ласточкина хвоста. Образующийся в кристаллизаторе слиток сцепляется с головкой затравки и вытягивается вниз –тянущими клетями.

После выхода из кристаллизатора слиток имеет жидкую сердцевину длиной 7-8 м. Для ее затвердевания слиток направляется в зону вторичного охлаждения, которая состоит из водяных брызгал с интенсивной подачей мелкораздробленных водяных струй и опорных роликов. Ролики препятствуют деформации заготовки и ее вспучиванию под действием ферростатического давления жидкой сердцевины.

Из зоны вторичного охлаждения слиток выходит полностью затвердевшим и попадает в тянущие валки, которые обеспечивают заданную скорость вытягивания, в пределах от 0,5 до 8,0 м/мин. Последняя операция – резка заготовки на мерные длины. В зоне резки с помощью кислородных резаков, движущихся вместе со слитком, отрезают мерные заготовки, отправляемые на склад.

Большим недостатком установок вертикального типа является их высота (до 45 м), поэтому более экономическими являются МНРС радиального (высота до 12 м) и криволинейного типа.

Технология НРС постоянно совершенствуется, ведутся разработки новых конструкций кристаллизатора и его оборудования. Параллельно с прогрессом в технологии появляются новые достижения в автоматизации процесса. Мировая практика показывает, что основные тенденции развития НРС направлены на увеличение скорости разливки, расширение сортамента и качества заготовки, снижение затрат.

1.4.5. ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

В настоящее время внепечная обработка (ВО) является ключевым звеном современных процессов получения качественной стали. Наиболее широко ВО используется при производстве стали для подшипников, высокопрочных конструкционных марок для нужд судостроения, газонефтяного комплекса (особенно для изделий, работающих в условиях Севера), флокеночувствительной, с особо низким содержанием углерода и неметаллических включений для автомобильной промышленности, электротехники, высокохромистых коррозионных сталей и сплавов.

Основная цель ВО состоит в более быстром и эффективном, чем в сталеплавильной печи, проведении некоторых технологических операций.

Совокупность всех разработанных на сегодняшний день методов внепечной обработки позволяет решать следующие задачи сталеплавильного производства:

1. Существенное повышение чистоты металла, эффективная подготовка металлического расплава к кристаллизации с помощью глубокого комплексного рафинирования от вредных примесей, микролегирования и модифицирования неметаллических включений, точного регулирования химического состава, выравнивания температуры металла и др.

2. Повышение производительности основных сталеплавильных агрегатов.

3. Большая гибкость и мобильность в проведении технологических операций.

4. Энерго- и ресурсосбережение.

По функциональной направленности многочисленные способы ВО можно разделить на четыре основные группы:

1. Методы перемешивания с усреднением температуры и химического состава расплава.

2. Методы введения порошкообразных реагентов, раскислителей и микролегирующих элементов.

3. Вакуумная обработка.

4. Методы комплексной обработки с подогревом на установках ковш – печь.

Методы перемешивания. Перемешивание металла путем продувки аргоном или азотом, а также электромагнитное перемешивание расплава являются простыми, дешевыми и самыми распространенными способами внепечной обработки (рис. 39.)

Продувку металла в ковше инертным газом осуществляют через погруженную фурму (либо фурмы, расположенные тангенциально в нижней части ковша) (рис.39, а), а также через пористые пробки, швы и вставки, установленные в днище ковша (рис.39, б). В первом случае не требуется вводить никаких конструктивных изменений в устройство футеровки ковша, но трудно обеспечить пузырьковый режим перемешивания расплава по всему объему. Это успешно достигается при использовании одной или нескольких пористых пробок из спеченного муллита (70 % Al₂O₃) или периклаза (95 % MgO), стойкость которых достигает 15 - 20 плавок. Средняя интенсивность подачи газа для продувки 0,01 - 0,05 м³/т, продолжительность 5 - 10 мин.

В процессе САS (Composition Adjustment by Sealed Argon) (рис. 39, в) поверхность металла защищена слоем синтетического шлака, а легирование и раскисление проводят в нейтральной атмосфере через выполненный из высокоглиноземистых огнеупоров погружной колпак. Для химического подогрева металла со скоростью 5 – 15 ^оС/мин во время обработки в расплав вдувают сверху кислород и одновременно вводят алюминиевый порошок (CAS – OB (Oxygen Blowing)- процесс).

По сравнению с продувкой инертным газом электромагнитное перемешивание металла (рис. 39, г) более надежно и безопасно, обладает гибкостью и точностью регулирования режима, но ухудшается интенсивность массообмена металлической и шлаковой фаз и невозможно удалить растворенный в металле водород с пузырьками аргона.

Процесс пульсационного перемешивание РМ (Pulsation Mixing) позволяет более равномерно и интенсивно перемешивать весь объем жидкой стали. Огнеупорный полый цилиндр, соединенный с вакуумным насосом и газопроводом погружается в ковш с жидкой сталью (рис. 39, д). Давление в цикле вакуумирования, когда металл поднимается в цилиндр 50 кПа, а в цикле вытекания 150 кПа. Время обработки составляет 15 мин.

Методы введения порошкообразных реагентов, раскислителей и микролегирующих добавок. Эти методы «инжекционной металлургии» широко используются практически во всех промышленно развитых странах и предназначены для максимального очищения металла от вредных примесей. Вдувание порошкообразных материалов (крупностью до 2 мм) производится в токе инертного газа через погруженные в расплав фурмы разнообразных конструкций (рис. 40). Наибольшее распространение получил способ, который изображен на рис. 40, а.

Сущность технологии состоит во вдувании в ковш, заполненный металлом (накрытом крышкой или без крышки, сбоку, снизу и т.д.), различных смесей в струе газа. В качестве порошков используются различные смеси: CaSi + CaO + CaF₂, CaO + CaF₂, Mg + CaO + CaF₂, карбидов Са и Мg в гранулированном виде и др. Время вдувания порошка составляет 15 мин., затем металл перемешивается аргоном в течение 10 мин.

Вакуумная обработка. Металлургическая продукция для изделий ответственного назначения, не прошедшая вакуумирование на стадии производства, в современных условиях пользуется на рынке все меньшим спросом. Рост объемов вакуумированной стали значителен и по прогнозам на 2010 г. около 27 % всей выплавляемой стали должно обрабатываться в вакууме.

Существующие методы вакуумирования делятся на три группы (рис. 41):

1) струйное вакуумирование при выпуске металла из сталеплавильного агрегата в ковш, при переливе из ковша в ковш, при разливе в изложницу или на МНРС (рис. 41, а);

2) вакуумирование в ковше с электромагнитным перемешиванием или продувкой инертным газом (рис. 41, б);

3) вакуумирование отдельных порций металла вне ковша в вакуум-камере (рис. 41, в, г).

Вакуумирование стали при выпуске из печи и при переливе из ковша в ковш не получило широкого распространения из-за технических сложностей и большой потери температуры жидким металлом (до 40 – 90 ^оС). Струйное вакуумирование применяют, в основном, при отливке в изложницы крупных слитков массой до 500 т и более для ответственных поковок коленчатых и гребных валов судов, роторов турбин, генераторов, прокатных валков.

Вакуумирование стали в ковше, помещенном в специальную вакуумную камеру или закрытом герметичной крышкой, является наиболее простым способом вакуумной обработки жидкого металла. Двумя основными способами вакуумирования отдельных порций металла в вакуум-камере вне ковша являются разработанные в ФРГ: порционное вакуумирование и циркулярное вакуумирование. В России установка циркуляционного вакуумирования успешно работает на Ижевском металлургическом и других заводах. Преимущества этих методов следующие:

- простота конструкций и их технического обслуживания;

- высокая производительность (время обработки 8-20 мин);

- технологическая гибкость проводимых операций;

- малые потери тепла;

- возможности физического и химического подогрева металла.

Комплексная обработка стали. Комбинированные способы ВО осуществляют в агрегатах ковш – печь, позволяющих при необходимости выдерживать металл в ковше с заданной температурой перед разливкой длительное время.

Большое распространение получает новое поколение агрегатов ковш – печь, конструкция которых обеспечивает проведение процессов обработки практически всех марок сталей в оптимальном режиме. Такие агрегаты за рубежом получили название LF (Ladle – Furnace), а у нас в стране АКОС (агрегат комплексной обработки стали). Они включают систему точного легирования и корректировки состава, устройства для вдувания порошков и введения проволоки, отбора проб, контроля температуры расплава в пределах ± 2^оС, эффективную очистку отходящих газов.

Установки ковш – печь потребляют 20 - 30 кВт^.ч/т электроэнергии и 0,2 -0,35 кг/т электродов; скорость нагрева металла 2 – 5 ^оС/мин; время обработки 25 - 40 мин. Стоимость таких установок составляет 6 - 13 млн. долларов из-за высокой степени автоматизации, но себестоимость стали, прошедшей такую комплексную обработку, может снижаться за счет повышения производительности сталеплавильных печей, снижения энергетических затрат, повышения качества и расширения сортамента металлопродукции.

Ниже приведены технико-экономические показатели применения установок внепечной обработки:

В России используют все указанные выше способы внепечной обработки, но в меньшем, чем в промышленно развитых странах, объеме. Помимо ограниченных инвестиций ситуация осложняется затруднениями в установке агрегатов в старых цехах, а также отсутствием специализированной базы для их изготовления.

1.4.6. ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ

Индукционные печи (ИП) находят широкое применение в металлургии и машиностроении. От дуговых печей они отличаются источниками нагрева металла до жидкого состояния, конструктивными и технологическими особенностями процессов. По сравнению с ДСП ИП занимают меньше пространства, при плавке на 15 % меньше пыли, потери металла на испарение – 1% (в ДСП из-за испарения в дуге – 5 %), ниже уровень шума. Эффективность использования линий электропередачи и трансформаторов для ИП равна 92 %, для ДСП – 70 %. К недостаткам ИП относится необходимость особого отбора и подготовки лома, низкая стойкость футеровки, а также плохо перемешиваемый шлак, который не позволяет так же интенсивно, как в дуговых печах проводить процессы рафинирования.

Основной тип современных ИП – это печи без сердечника. Такая печь состоит из индуктора-катушки, навитой из медной трубки с водяным охлаждением. Внутрь индуктора вставляется либо готовый огнеупорный тигель, либо тигель набивается порошкообразными огнеупорными материалами. При наложении на индуктор переменного электрического тока образуется переменное магнитное поле, пронизывающее пространство внутри индуктора. Это магнитное поле наводит в металлической садке, находящейся в тигле, вихревые токи индукции. Появление токов сопровождается выделением тепла, которое нагревает и расплавляет металл.

Конструктивно печи выполняют открытыми при плавке на воздухе и закрытыми для выплавки стали и сплавов в вакууме. Источниками тока высокой частоты служат магнитные генераторы с частотой тока от 50 до 10000 Гц.