CC BY
144
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип.№ 12
УДК 669.18.046.546.2
Макуров С.Л.1, Мотренко С.А.2
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ НА УСТАНОВКЕ КОВШ-ПЕЧЬ
Разработаны и опробованы технологические решения десулъфурации стали при енепечной обработке на установке ковш-печь, включающие условия электрического нагрева, микролегирования, перемешивания, оптимизации состава и количества шлака. Внедрение новой технологии позволило выплавлять низкосернистую сталь с узкими пределами по химическому составу и температуре.
Актуальными проблемами металлургии в новом тысячелетии являются рациональное использование энергетических и материальных ресурсов при условии неуклонного повышения требований к качеству металлопродукции и защите окружающей среды.
Весьма важной в условиях современного металлургического завода представляется функциональная и технологическая роль агрегата ковш-печь, поскольку именно в ковше осуществляется комплекс мероприятий по доводке стали по температуре и химическому составу, ее рафинированию, а также выдержки по времени в соответствии с режимом разливки.
В ОАО «ТАГМЕТ» (Таганрогский металлургический завод) для обеспечения постоянно ужесточающихся требований к качеству трубного металла в мартеновском цехе проведена реконструкция комплекса установок внепечной обработки [1].
Сталь выплавляют в 290-т мартеновских печах, работающих скрап-процессом с завалкой твердого чугуна и карбюризатора (20 - 25 и 0,9 % соответственно). Металл выпускают в два 135-т ковша через раздвоенный симметричный качающийся желоб, что позволяет более точно распределять металл по ковшам. У 80 % плавок масса металла в ковше составляет 135 ± 5 т, без качающегося желоба она была в пределах 135 ± 10 т.
Во время выпуска плавки в ковши после введения раскислителей присаживают твердую шлакообразующую смесь (ТШС), состоящую из извести и плавикового шпата в соотношении 70 : 30 в количестве 5-6 кг/т, и продувают аргоном через пористую пробку, расходуя 50 -100 л/мин, для обеспечения равномерного распределения ферросплавов и более быстрого формирования жидкого шлака. Такая технология позволяет уменьшить содержание серы в стали за время выпуска. В металле ковшей с отсечкой печного шлака степень десульфурации составляет в среднем 39,2 %, а в ковшах, через которые перепускают шлак, - 29,9 %.
После обработки стали на стенде под печью ковши с металлом поступают на установку ковш-печь (УКП), приобретенную у фирмы «Даниэли». Она снабжена трансформатором мощностью 20 MB • А и предназначена для одновременной обработки двух ковшей с поочередным нагревом электродами, закрепленными на поворотной колонне. Электроды диам. 406 мм поворачиваются на угол 80° со скоростью 5°/с. Диаметр их распада составляет 700 мм. Предусмотрены две системы поворотных водоохлаждаемых сводов-крышек (угол поворота 115°, скорость 5%). Максимальный расход аргона через пористую пробку - 600 л/мин. Скорость нагрева - до 4,5°/с, средняя продолжительность обработки одного ковша - 50 мин.
Регулировка подаваемой мощности предусматривает 21 ступень, что позволяет сталевару выбирать оптимальный режим нагрева конкретной плавки (ковша).
Каждый стенд, кроме пористой пробки, установленной в сталеразливочном ковше, оборудован аварийной фурмой для продувки металла сверху (расход аргона до 800 л/мин).
После снятия ковшей со стендов под мартеновской печью ковш, обработанный ТШС с полной отсечкой печного шлака, подают на один из стендов УКП. Второй ковш, через который перепускали печной шлак, подают на установку для скачивания шлака и устанавливают в кан-
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ГТГТУ, аспирант
товальное устройство. Пористая пробка ковша подключается к аргону установки с расходом 20 - 40 л/мин. Продувка металла аргоном во время скачивания шлака позволяет гомогенизировать металл в ковше и улучшить удаление из него шлака. Во время наклона ковша в поворотном устройстве установки скачивания шлака продувочная пробка находится в дальней от гребка машины части ковша. В результате перемешивания шлак перемещается в переднюю (ближнюю к гребку) наклоненную часть ковша, что позволяет скачивать шлак почти полностью (в ковше остается не более 300 - 500 кг печного шлака). Затем ковш устанавливают на второй стенд УКП. К этому времени в первом ковше металл нагрелся и усреднился его состав, а также присажены с соответствующим прогревом первые порции шлакообразующих. В дальнейшем в обоих ковшах одновременно проводится обработка с поочередным подогревом. Такая организация работы позволяет при длительности обработки одного ковша (с учетом периода постановки ковша на стенд и подачи его на разливку) в течение 40 - 50 мин заканчивать обработку двух ковшей в течение 70 - 80 мин.
В настоящее время осваивается установка ковш-печь с последующей разливкой металла на круглые трубные слитки, установленные на 16-местных поддонах, а в дальнейшем предусмотрена разливка стали непрерывным способом. Как известно, чтобы исключить образование трещин на слитках, разливка стали должна происходить в узком температурном интервале. При использовании УКП достигается гарантированная температура металла. Так, ранее интервал температуры на выпуске для каждого типа стали (мало- или высокоуглеродистая) составлял 20 -25 °С. Кроме того, любые организационные задержки приводили к увеличению разброса значений температуры металла. После пуска в эксплуатацию УКП изменение температуры металла перед разливкой не превышает 10 °С.
В результате рафинирования металла на УКП содержание серы в стали дополнительно к десульфурации шлакообразующими смесями во время выпуска уменьшается на 30 - 40 %. В среднем степень десульфурации стали (%) в ковшах без печного шлака (КБШ) и с печным шлаком (КШ) была следующей:
КБШ КШ
В результате обработки ТШС 39,2 29,9
На УКП 14,2 18,3
Общая (ТШС + УКП) 48,9 43,4
Применение такой технологии позволяет выплавлять сталь, содержащую не более 0,010 -0,015 % S. Следует отметить, что степень десульфурации металла зависит от начального содержания в нем серы (рис. 1).
Для выполнения заказов на производство малосернистой стали отработана технология глубокой десульфурации, обеспечивающая содержание серы в металле на уровне 0,005 - 0,008 % (рис. 2). Увеличение расхода шлакообразующих и длительности обработки позволяет повысить степень десульфурации стали в ковше-печи до 65 - 75 %, но при этом возрастают затраты на электроэнергию.
Как известно, десульфурирующая способность рафинировочного шлака в ковше-печи обеспечивается его химическим составом, вязкостью, количеством по отношению к массе металла (кратность шлака), интенсивностью и длительностью перемешивания.
При увеличении количества рафинировочного шлака возрастают затраты материалов на его формирование, а также затраты электроэнергии на нагрев и расплавление шлакообразующих. Кроме того, формирование шлака требует временных затрат, что также связано с затратами энергии.
Учитывая вышеизложенное, химический состав шлака и его количество должны обеспечить: максимальную десульфурирующую способность, удовлетворительную жидкоподвиж-ность, минимальную окисленность, низкую температуру плавления.
Многолетний опыт рафинирования стали высокоосновными шлаками [2] позволил установить, что для обеспечения условий благоприятствующих десульфурации содержание оксидов железа и марганца не должно превышать 1... 1,5 %. Для глубокой десульфурации стали (содержание серы в металле не более 0,005 %) содержание оксида железа в шлаке не должно превышать 0,5 %.
Для обеспечения жидкоподвижности рафинировочных шлаков отношение основности %CaO/%SiC>2 к содержанию А120з в шлаке, по данным [2] должно составить 0,25...0,35.
Начальное содержание серы, 10 % Рис. 1 .
10 15 20 25 30 35 40 45
Начальное содержание серь.!, 10 "/<> Рис. 2.
Рис. 1 - Зависимость степени десульфурации при обработке на установке ковш-печь от начального содержания серы [8]о (обычная технология): у = 3,24х - 20,55, Я2 = 0,5127
Рис. 2 - Зависимость степени десульфурации (от выпуска до разливки) от начального содержания серы (глубокая десульфурация): у = 1,16х 36.05, Я" = 0,3812
Содержание М§0 в шлаке не должно превышать 8... 10 %, так как при содержании до 5 % высокоосновный шлак разжижается, а свыше 10 % - загущается. При соблюдении вышеперечисленных условий, по данным [3] уже через 7-8 мин после начала обработки на ковше-печи шлак может быть полностью сформирован и обладает необходимыми десульфурирующи-ми свойствами.
В шлаках мартеновских печей ОАО «ТАГМЕТ» обычно содержится 5 - 16 % М§0. что обусловлено значительной продолжительностью плавки на твердой завалке (в среднем она составляет 10,5 ч). В то же время в сортаменте цеха имеется металл, раскисленный алюминием, и содержание алюминия в стали колеблется от 0,015 до 0,060 %, а содержание А1203 в рафинировочном шлаке находится в пределах 9 - 16 %. Поэтому для разжижения шлака в зависимости от химического состава стали предусмотрели использование алюмошлака или плавикового шпата (его количество составляет 5 - 20 % массы присаживаемых шлакообразующих).
Для обеспечения устойчивого горения дуги и снижения теплопотерь на крышку и с отходящими газами толщина слоя шлака должна быть не ниже длины дуги, что для ковша емкостью 120 - 140 т составляет величину 6,5 см [4].
При увеличении толщины слоя шлака могут иметь место негативные тенденции при нагреве металла. Известно, что основные шлаки обладают сущсствснной электропроводностью. Причем СаО увеличивает электропроводность, а 8Юз и АЬОз ее уменьшают. С увеличением толщины слоя шлака часть текущих через электроды токов накоротко замыкают электроды между собой через слой шлака вместо того, чтобы проходить через электрические дуги и жидкий металл в ковше. Это ведет к перегреву шлака до температуры 1800 - 1900 °С и протеканию нежелательной реакции образования карбида кальция в результате взаимодействия электродов со шлаком.
Уменьшение толщины слоя шлака увеличивает его газопроницаемость. На рис. 3 приведена зависимость содержания азота в металле от толщины шлака, полученная обработкой данных серии опытных плавок. Приведенные данные показывают, что содержание азота в металле резко увеличивается при уменьшении толщины шлака ниже 20 - 30 см. Следует отметить, что при тонком слое шлака имело место поглощение металлом углерода из электродов (порядка 2,0 -2,5 ррт/мин).
Исходя из изложенного, оптимальная толщина слоя шлака для ковша-печи емкостью 120 -140 т должна быть в пределах 6,5 - 20,0 см.
Для точной корректировки химического состава стали и обеспечения возможности ее микролегирования и модифицирования неметаллических включений каждый стенд ковша-печи оборудован двухручьевым трайб-аппаратом поставки фирмы «Даниэли» с четырьмя стендами статической размотки порошковой проволоки и алюминиевой катанки. С помощью трайб-аппаратов в металл вводят порошковую проволоку диам. 9-18 мм и алюминиевую катанку диам. 9-13 мм со скоростью до 300 м/мин. Корректировка стали углеродсодержащей проволокой обеспечивает получение содержания углерода в стали в узких пределах с интервалом значений ± 0,01 %.
Для обеспечения снижения содержания неметаллических включений в стали и глубокой десульфурации используют кальцийсодержащую проволоку. Количество вводимой порошковой проволоки с силикокальцием в случае рядовых трубных сталей составляет 0,3 - 0,4 кг/т (по силикокальцию), а при глубокой десульфурации - 0,8 - 1,0 кг/т.
В дальнейшем предусмотрена обработка стали другими видами порошковой проволоки для корректировки химического состава и микролегирования.
Выводы
Усовершенствована комплексная технология внепечной обработки стали, включающая качающийся сталсвыпускной желоб, продувку в ковшах аргоном через пористую пробку, присадку на выпуске плавки в ковши ТШС и обработку металла в ковше-печи. Внедрение такой технологии позволило выплавлять сталь, содержащую не более 0,010 % S, а в случае необходимости 0,005 - 0,008 % S с узкими пределами по химическому состав}' и температуре.
Перечень ссылок
1. Опыт совершенствования технологии внепечной обработки стали / Назаров С.Н., Грабов A.B., Мотренко СЛ., Гринберг С.Е. II Сталь.-2001.-№12.-С. 20-22.
2. Шакиров K.M., Айзатулов P.C. Оптимизация режима внепечной обработки стали с использованием математической модели образования ковшевого шлака // Труды IV Конгресса сталеплавильщиков.-М.:Металлургия, 1997.-С. 251-253.
3. Оптимизация работы ковша-печи Молдавского металлургического завода I Дюдкин ДА., Онищук В.П., Гринберг С.Е. и др. И Металл и литье Украины,- 2000.-№1-2.-С. 26-28.
4. Егоров A.B. Электроплавильные печи черной металлургии.-М.Металлургия, 1985.-280 с.
Макуров Сергей Леонидович. Д-р техн. наук, профессор кафедры «Теория металлургических процессов», окончил Мариупольский металлургический институт в 1971 году. Основные направления научных исследований - совершенствование процессов разливки и кристаллизации стали. Мотренко Сергей Анатольевич. Аспирант кафедры «Теория металлургических процессов», окончил Мариупольский металлургический институт в 2000 году. Основные направления научных исследований - совершенствование технологии внепечной обработки стали.
Статья поступила 11.03.2002
