CC BY
193
ципиальных затруднений при восстановитель - металлургии Челябинской области является
ной плавке в рудотерминеских печах [7, 8]. По- получение в электрических печах не только
этому дальней перспективой развития черной стали, но и чугуна.
Библиографический список
1. Уточкин Ю.И., Семин А.Е. Электросталеплавильное производство в России должно преодолеть тридцатилетнее отставание // Электрометаллургия. 2004. № 6. С. 2-6.
2. Смоляренко В.Д., Мюллер Ф. Электросталеплавильное производство в первом десятилетии XXI века // Электрометал-лургия. 2004. № 8. С. 2-6.
3. Смирнов H.A. Новое поколение мини-заводов // Электрометаллургия. 2004. №6. С.6-8.
4. Процессы непрерывной разливки / Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., МинаевА.А. идр. Донецк: ДонНТУ, 2002. 536 с.
5. Смоляренко В.Д. Электросталеплавильный мини-завод HADEED-2 по производству стального листа // Электрометал -лургия. 2004. № 10. С. 2-7.
6. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Мальков Н.В. Сырьевая базаиструктурасталеплавильногопроизводстваУрала // Сталь. 2001. № 9. С. 36-39.
7. Мальков Н.В., Рощин А.В., Рощин В.Е. Оценка возможности использования высокомагнезиальных бакальских сидерито-вых руд для получения чугуна в электрической рудовосстановительной печи // Вестник ЮУрГу. 2003. № 2(18). С. 20-23.
8. Мальков Н.В., Рощин В.Е., Поволоцкий Д.Я. Рудовосстановительная плавка в электрических печах - возможная перспектива производства чугуна и стали на Южном Урале //Современные проблемы электрометаллургии стали: Материалы XII Междунар. конференции. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. С. 23-30.
УДК 621.74
A.B. Афонаскин, И.Д. Авдреев, Д.В. Князев, B.C. Малиновский, В.Д. Малиновский
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ПРИ ВЫПЛАВКЕ ЧУГУНА И СТАЛИ
На сталечугунолигейном заводе (СЧЛЗ) ОАО «Курганмашзавод» для плавки чугуна и стали используют дуговые печи переменного тока (ДСП) ДС-5МТ номинальной емкостью 5 т сплава. Технические возможности этих печей позволяют выплавлять широкую гамму литейных сплавов из черных металлов с высокими показателями качества независимо от качества поступающих шихтовых материалов. Это обстоятельство выгодно отличает СЧЛЗ от других предприятий, оснащенных, например, индукционными печами, пассивными в технологическом отношении.
Большая номенклатура лигья, высокое его качество и невысокая стоимость отливок обеспечивают стабильный сбыт литья, ритмичную работу предприятия.
На заводе освоен выпуск 5 тыс. наименований отливок из различных марок сталей: углеродистых, легированных и высоколегированных, а также чугунов серых от СЧ15 до СЧ30 и высокопрочных от ВЧ40 до ВЧ70.
Недостатком ДСП являются высокий угар шихтовых материалов - 5-6,5%, большой расход графигированных электродов - 5,5 кг/т и более, пылегазовыбросы во время плавки значительно превышают предельно допустимые. Уровень
шума, воздействующего на персонал, достигает 103-105 дБ.
Для повышения рентабельности производства многие фирмы предлагают реконструкцию ДСП, заключающуюся в увеличении мощности печного трансформатора, использовании кислорода, газокислородных горелок, вспененного шлака и др. Это обеспечивает снижение удельного расхода электроэнергии, графигированных электродов, ускоряет темп плавления. Однако после реконструкции работа печей возможна только с «болотом» - остатком металла в печи в количестве 1030% от вместимости ванны, угар шихты увеличивается до 9-12%, многократно увеличиваются пылегазовыбросы и генерируемый печами шум, а затраты на энергоносители, в состав которых входят железо, легирующие элементы переплавляемой шихты и чугун, сгорающие в процессе плавки, электроэнергию, газ, кислород, угольный порошок, увеличивают, а не уменьшают затраты на передел. При наличии «болота» затруднителен переход с одной марки металла на выплавку другой, а угар шихты, состоящей в лигейном производстве на 40-60% из возврата собственного производства, приведет к сверхвысоким потерям основного металла и ферросплавов, исключит экономичный переплав легированной шихты, приве-
дет к оснащению печи дорогими системами пыле-газоочистки [1]. Реконструкция ДСП по предлага-емой схеме потребует строительства газокислородной станции, создания коммуникаций подвода газа или мазута, создаст проблемы по утилизации резко возросшего количества шлака. В реконструируемой ДСП возможно проведение процессов расплавления шихты в режиме окислительной плавки с получением полупродукта, а основной процесс получения стали переносится в установку печь-ковш, т. е. обязательно формирование дуплекс-процесса. В печи-ковше предполагается ведение достаточно энергоемких процессов легирования расплава, его продувка газом в основном аргоном или азотом для перемешивания расплава, обработка металла порошковыми шлакообразующими реагентами с целью десульфурации и синтетическими шлаками, раскисление алюминиевой проволокой, подаваемой в расплав с высокой скоростью, другие технологические процедуры. Нагрев расплава проводится электрическими дугами переменного тока. Данный метод широко распространен в мире для производства стали на металлургических предприятиях, и его основным достоинством считается высокая удельная производительность оборудования. Металл в дальнейшем подвергается прокатке и соответствует го качеству предъявляемым требованиям.
В литейном производстве, как правило, обработка металла давлением отсутствует и поэтому брак отливок, связанный с качеством жвдкой стали, не устраняется. В этом случае дуплекс-процесс может быть причиной снижения каче -ства расплава, полученного, например, в мартеновских печах, характерной особенностью которых является «мягкий», без локальных перегре -вов процесс плавки металла, сопровождаемый глубокой дегазацией расплава в период рудного кипа. Локальный перегрев металла под дугами в печи-ковше практически до температуры кипения способствует повышенному растворению азота, нарушению однородности наследственной структуры стали, усилению насыщения металла неметаллическими включениями.
При выборе направления реконструкции может рассматриваться замена дуговых печей индукционными, но при этом следует учитывать вы -сокое качество металла, получаемого в дуговых печах для литых заготовок. В индукционной печи любой конструкции невозможно провести актив -ные шлаковые процессы, рудный или кислород -ный кип, а это значит, что для получения каче -ственного металла в индукционной печи требуют -ся высококачественные шихтовые материалы. Такая шихта, как правило, недоступна предприятиям
или имеет высокую стоимость, а также повышенные расход электроэнергии и требования к футе -ровке и др. Это побуждает сохранять электроду-говой способ получения черных металлов.
Специалисты ОАО «Курганмашзавод» и
ООО «НТФ «ЭКТА» приняли решение провести совместную работу по переводу дуговых печей переменного тока на питание постоянным током. При этом предполагалось, что новая технология плавки металла должна уменьшать уровень загрязнения окружающей среды и воздействие на питающую энергосистему до допустимых величин, а снижение угара металла, уменьшение расхода графигированных электродов и повышение качества металла должны быстро окупить произведенные затраты.
Простая замена дугового нагрева переменного тока на постоянный создает ограниченные преимущества, заключающиеся в снижении расхода графигированных электродов и снижении фликера питающей энергосистемы. В ряде случаев такая замена может привести к повышению газонасыщенности металла. Это наблюдается в дуговых печах постоянного тока ОАО «Ме-чел», которые были реконструированы из плазменных и дуговых печей постоянного тока, разработанных во ВНИИЭТО. Плазменные и дуговые печи, созданные при участии авторов, обеспечили выплавку более 240 наименований спе-циальных сталей и сплавов высокого качества, но в дальнейшем без согласования с авторами разработки были неудачно реконструированы и потеряли свои технологические и технико-экономические преимущества.
Высокий эффект от внедрения дуговых печей постоянного тока (ДППТ) достигается при ком -плексном подходе к организации плавки металла, при котором использование дуги постоянного тока является одним из элементов общего технического решения. В ДППТ, разрабртанных и запатенгованных специалистами ООО «НТФ «ЭКТА», организация процесса расплавления шихты, управляемого перемешивания расплава, взаимодействия дуги и расплава, управление электрическими параметрами печи [2] обеспечивают отсутствие заметного локального перегрева расплава во все периоды плавки, равномерность температуры и химсостава расплава, эффективное взаимодействие расплава и шлака, высокую скорость протекания металлургических реакций, низкий угар шихты и ферросплавов, быстрое формирование шлака высокого качества, подавление взаимодействия печной среды с окружающим пространством, обеспечивающие экологическую чистоту плавки при минимальном
уровне пылегазовыбросов, сниженный расход электроэнергии, возможность проведения в чистом ввде всех металлургических процессов, разработанных для печей с кислой и основной футеровкой.
ДППТ предназначены для получения стали, чугуна, сплавов на основе алюминия, меди, кобальта, никеля высокого качества непосредственно в печи, которые можно дополнительно обработать в ковше, например, продувкой аргоном, но не следует в ковше подвергать расплав дуговому нагреву, поскольку высокое качество металла, выплавленного при этом, будет снижено.
В результате проведенных совместно с ООО «НТФ «ЭКТА» работ две дуговые печи пере -менного тока ДС-5МТ были реконструированы в агрегат постоянного тока ДППТ-5АГ.
Результаты освоения ДППТ-5АГ подтвердили правильность выбора направления работы по переводу плавки металла с переменного тока на постоянный Четырехлетний опыт работы на пе -чи постоянного тока превзошел уровень запла-нированных технико-экономических показате -лей при выплавке стали и чугуна.
Подтвердилось главное технологическое преимущество печи постоянного тока перед плавиль -ной печью переменного тока, которым является перемешивание расплава в процессе плавки и активное взаимодействие металла со шлаком, что определяет получение высокого качества металла.
Были проведены сравнительные плавки синтетического чугуна в печах переменного тока ДС-5МТ и в печи постоянного тока ДППТ-5АГ с основной футеровкой с целью определения темпов науглероживания расплава, а также темпов удаления серы и фосфора из металла. Во всех случаях плавилось по 5 т металла на одинаковой шихте. Расчетное количество углерода в металлической шихте составляло « 2,2%. Пробы отбирались с интервалом в 10 мин. Науг-лероживатель - графитовая крошка электродного боя фракцией 3-10 мм загружалась на подину после выпуска предыдущей плавки.
При выплавке синтетического чугуна в печи постоянного тока графитовая крошка усвоилась металлам « на 75-80%. С момента зажигания дуги на расплавление, нагрев и науглероживание чугуна потребовалось 80 мин.
Номерпробы 1 2 3
Содержаниеуглерода, % 3,58 3,61 3,62
Такое содержание углерода в расплаве свидетельствует, что науглероживатель практически полностью усвоился к моменту взятия 1 пробы, т.е. через 50-55 мин после включения печи.
Удаление фосфора выглядело такимобразом:
Номерпробы 1 2 3
Содержаниесеры, % 0,0513 0,0402 0,0308
Содержание фосфора, % 0,0893 0,0878 0,0844
Для сравнения была определена усваивае-мость углерода из графитовой крошки печи переменного тока - 50-55%, длительность
плавки при этом составляет 2 ч 30 мин - 3 ч. В ней корректировка металла по углероду тре-бует скачивания шлака. Такая низкая усваива-емость углерода из графитовой крошки объяс -няется свойственной для ДСП пониженной на 70-100°С температурой металла у подины по отношению к температуре расплава у поверхности ванны. Для того чтобы началось эффективное растворение графита в расплаве, требуется перегрев расплава и доведение температуры металла у подины до 1500-1550°С. Это приводит к дополнительному расходу электроэнергии на перегрев и значительному удлине -нию процесса плавки.
Окончательный химический состав синтетического чугуна, выплавленного в печи постоянного тока, был получен следующим, %: С - 3,60, Мп - 0,96, Бі - 2,18, Б - 0,027, Р - 0,086.
По содержанию углерода и кремния такой чугун соответствует марке СЧ15 по ГОСТ 1412-85. Однако механические свойства чугуна этой плавки дали следующий результат: ов=21,0 кгс/мм2, НВ-229, т.е. соответствует марке СЧ20.
В связи с большим повышением цен в янва-ре - феврале 2004 г. на чушковые чугуны - литейные и передельные перед СЧЛЗ остро встал вопрос освоения технологии получения чугуна различных марок без использования в шихте чушковых чугунов и замене их стальным ломом 2А по ГОСТ 2786-75. Были проведены опытные плавки с использованием в шихте чушкового чугуна и без него. Пробы на определение химических элементов в металле отбирались из заливочного ковша в начале и в середине разливки плавки. Плавка № 50114 с использованием в шихте чушкового чугуна, были получены еле -дующие результаты:
Номер пробы 1 2
С 3,120 3,340
Мп 0,700 0,720
БІ 2,340 2,290
Б 0,040 0,029
Р 0,070 0,070
Сг 0,230 0,100
Получены механические свойства:
1 проба: ов=25,4 кгс/мм2, НВ-197;
2 проба: ов=25,4 кгс/мм2, НВ-197.
Плавка № 50115 с заменой чушковых чугу-нов стальным ломом и использованием наугле -роживателя:
Ном ерп робы 1 2
С 3,120 3,360
Мп 0,700 0,750
БІ 2,140 2,340
Б 0,040 0,031
Р 0,073 0,074
Сг 0,240 0,100
Получены механические свойства:
1 проба: ов=32,4 кгс/мм2, НВ-229;
2 проба: ов=29,9 кгс/мм2, НВ-212.
Полученные результаты по химическому составу чугуна и его механическим свойствам свидетельствуют в пользу работы без использования в шихте чушковых чугунов, причем стоимость 1 т такой шихты на более чем 4 тыс. руб. меньше шихты с чушковыми чугунами.
Были проведены 2 опытные плавки углеродистой стали в печи постоянного тока ДППТ-5АГ для определения скорости удаления углерода и фосфора. Первая плавка - без скачивания шлака, вторая - со скачиванием шлака сразу после расплавления шихты. Пробы отбирались через 5 мин. В первом случае получены такие результаты:
Номерпробы 1 2 3
Содержание углерода, % 0,211 0,146 0,130
Содержание фосфора, % 0,0241 0,0252 0,059
Некоторый рост содержания фосфора в ме -талле объясняется восстановлением его из шлака, при перегреве ванны температура шлака составила около 1580-1600°С.
Во втором случае: сразу после скачивания шлака отобрана 1 проба, после наведения нового шлака с основностью « 2,2 - 2 и 3 пробы.
Номерпробы 1 2 3
Содержание углерода, % 0,268 0,143 0,153
Содержание фосфора, % 0,00423 0,00382 0,00534
Некоторое увеличение содержания углерода и фосфора в третьей пробе объясняется диффузионным насыщением металла углеродом при раскислении шлака молотым коксом и восстановлением фосфора из шлака при нагреве металла.
Таким образом, при выплавке стали в печи постоянного тока эффективно проведена дефос-форация металла с 0,0241 содержания фосфора без скачивания шлака и до 0,00382 со скачиванием шлака. Определено, что сталелитейное производство не имеет смысла оснащать кислородным оборудованием, поскольку скорость обезуглероживания при рудном кипе составляет
0,1% за 3-4 мин в ДППТ и проходит с резко сниженным уровнем пылегазовыбросов [3].
Эффективные науглероживание синтетического чугуна и дефосфорация стали объясняются постоянным перемешиванием металла в печи постоянного тока.
Сравним влияние переплава на качество в ДППТНП и ДСП также на примере стали 110Г13Л, производство которой ведет ОАО «Курганм а шз авод ».
Были проведены сравнительные испытания стали 110Г13Л ГОСТ 977-88, выплавленной в печи ДС-5МТ (плавки 1 и 2), в печи ДППТ-5АГ (плавки 3 и 4), на изгиб, твердость и микроструктуру.
Результаты испытаний приведены в табл. 1-3.
Оценка произведена по шкале контроля микроструктуры траков после закалки.
Испытания траков, изготовленных из стали 110Г13Л, выплавленной в ДППТ в реальных условиях, выявили в несколько раз увеличенную их износостойкость.
При плавках на ДППТ-5АГ из-за низкого уга-ра металла практически не образуется первичный шлак, что позволяет формировать шлак высокого качества, который в условиях интенсивного перемешивания активно взаимодействует с металлом. За счет ускорения ведения технологических процессов на печи достигнуто также сокращение времени выплавки углеродистых сталей со 150 до 80 мин при значительном улучшении их качества.
Таблица 1
Химсостав етапи 110Г13Л, %
Номер плавки С Мп БІ Б Р Сг І\ІІ
1, ДС 1,36 12,08 0,62 0,005 0,060 0,54 0,22
2, ДС 1,38 11,81 0,55 0,002 0,060 0,61 0,22
3, ДППТ 1,35 12,46 0,65 0,002 0,057 0,47 0,25
4, ДППТ 1,36 11,99 0,73 0,003 0,053 0,42 0,27
Таблица 2
Механические свойства
Номер плавки Стрелапрогиба, мм Твердость, НВ
1, ДС 2,8 255
2, ДС 2,5 269
3, ДППТ 3,6 269
4, ДППТ 4,4 269
Условия испытания на изгиб при постоянной нагрузке 6 т,
расстояние между опорами 200 мм.
Таблица 3
Результаты металлографического исследования
Номер плавки Балл аустенитного зерна Балл по карбидам
1, ДС 2 2а
2, ДС 2-3 2а
3, ДППТ 1 2а
4, ДППТ 1 2а
В ряде производимых на ОАО «Курганмашзавод» находятся стали типа ХНЛ и хладостойкая сталь 30 ХМЛ. Первая предназначена для производства лигой заготовки для запорной арматуры. В мире лигая заготовка выпускается на давление до 150 атм, на ОАО «Курганмашзавод» освоено производство лигой заготовки на давление 400-750 атм. Основой повышения ме -ханических свойств явилось широкое использование различных комбинаций модификаторов и плавка в ДППТНП. Подробнее свойство, а в особенности содержание растворенных газов - азота и водорода, исследовалось в стали 30 ХМЛ.
Образцы для испытаний изготавливались из клиновых проб. Все исследуемые плавки были предварительно раскислены алюминием в количестве 0,1% по массе. Состав, количество использованных модификаторов и химический со -став образцов, а также результаты анализа содержания водорода и азота в образцах приведе -ны в табл. 4-6.
Эти результаты позволили получить пре -дельно высокие механические характеристики металла, ударная вязкость равна 1,0-1,4 МДж/м2 после переплава в ДСП (в термообработанном состоянии).
На ОАО «Курганмашзавод» в электродуго-вых печах ДС-5МТ выплавлялись серые чугуны различных марок от СЧ15 до СЧ30 включигель-но и ВЧ40-ВЧ70.
Содержание перлита в СЧ30 увеличивается с возрастанием марки от П45, Ф55 до П в СЧ30.
Плавка исход- Таблица 6
ного чугуна для Содержание газов в образцах, %
ВЧ осуществляется в дуговой печи с основной футе-ровкой
С внедрением в производство дуговой печи, работающей на постоянном токе, значительно облегчился и ускорился процесс десульфурации за счет перемешивания металла и его активного взаимодействия со шлаком, основность которого составляет более 2,0.
В результате мы всегда имеем содержание серы в исходном чугуне не более 0,01%, что позволяет уменьшить расход магниевой лигатуры до 1,0-1,2%.
За счет глобулизации неметаллических включений в ЧШГ заметно возрастают механические и пластические свойства. Так, чугун со следующим содержанием элементов, %: С=3,58; Б1=2,13; Мп=0,68; Б=0,007; Р=0,06; Сг=0,17;
N1=0,05 имеет предел прочности 60,6 кгс/мм2, а относительное удлинение 12,0%. Чугун следующего химического состава: С=3,23; Б1=2,65; Мп=0,58; Б=0,004; Р=0,06; Сг=0,17; N1=0,06%
имеет предел прочности 68,0 кгс/мм2, а относительное удлинение 8,4%.
Кроме таких технологических преимуществ печи постоянного тока ДППТ-5АГ перед печью переменного тока ДС-5МТ получены значительные преимущества технико-экономических и экологических показателей Так, расход графи-тированных электродов с 5,5 кг/т в печи ДС-5МТ снизился до 1,4-1,7 кг/т в печи ДППТ-5АГ. Угар металла снижен с 6,0-6,5% в печи переменного тока до 0,5-1,0% в печи постоянного тока. Замеры выбросов пыли при плавке стали 110Г13Л в ДППТ-5АГ составили [3].
Выбросы Г/с ПДВ
Пыль 0,7914 0,9853
В т.ч. марганец 0,026562 0,1486
Колебания мощности нагрузки при расплав -лении снизились более чем на 80%. Увеличение слива метала из печи ДППТ-5АГ в сравнении с ДС-5МТ за счет снижения угара шихты « 40 кг на 1 т. Уровень шума снижен до 93-95 дБ [2].
Все преимущества плавки привели к повы-шению качества литых заготовок запорной арматуры для нефтегазового комплекса из конструкционных углеродигсых и легированных сталей, а также получены данные повышения
Таблица 4
Варианты модифицирования
Номер образца Количество добавок модификаторов, вес %
СК 25 ФС30РЭМ 30 ФСМг7
1 0,20 - -
2 - 0,10 -
3 - 0,15 -
4 0,10 0,20 -
5 0,20 0,10 0,10
6 0,20 0,10 0,20
Таблица 5
Содержаниехимических элементов в образцах из клиновых проб, %
Номер образца С Мп БІ Б Р Сг І\ІІ Мо Си АІ
1 0.26 0.41 0.44 0.024 0.031 0.83 0.15 0.22 0.11 0.065
2 0.25 0.38 0.32 0.039 0.031 1.00 0.17 0.21 0.17 0.047
3 0.25 0.37 0.31 0.040 0.032 1.02 0.16 0.21 0.14 0.079
4 0.31 0.57 0.46 0.033 0.032 1.24 0.14 0.21 0.13 <0.01
5 0.32 0.76 0.53 0.028 0.025 0.92 0.11 0.22 0.12 0.055
6 0.33 0.74 0.58 0.027 0.024 0.91 0.11 0.21 0.12 0.058
Номер образца Азот Водород
2 0,0145 0,00032
3 0,0125 0,00031
4 0,0150 0,00030
5 0,0090 0,00028
6 0,0011 0,00024
качества лигых заготовок из серого чугуна и чу- работающих на переменном токе, с переводом
гуна с шароввдной формой графита. их на постоянный ток, а также установка новых
На ОАО «Курганмашзавод» намечается печей для плавки сплавов на основе алюминия,
дальнейшая реконструкция плавильных печей, чугуна, специальных сплавов.
Библиографический список
1. Малиновский B.C., Дубинская Ф.Е. Технико-экономические и экологические аспекты альтернативных технологий плавки металла в дуговых печах // Электрометаллургия. 1999. № 3. С. 8-16.
2. Малиновский B.C. Способ электроплавки и дуговая печь для его осуществления: Пат. 2104450 РФ.
3. Результаты первого этапа дугового плавильного агрегата постоянного тока нового поколения на ОАО «Курганмашзавод » / А.В.Афонаскин, ИДАндреев идр. // Литейное производство. 2000. № 11. С. 20-23.
