ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ АГРЕГАТА КОВШ-ПЕЧЬ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ АГРЕГАТА КОВШ-ПЕЧЬ. Преимуще­ства агрегата ковш-печь заключаются в значительном расширении возможности управления физико-химичес­ким состоянием металла и в реализации ресурсо- и энер­госберегающих технологий.

Это направление в стале­плавильном производстве достаточно интенсивно раз­вивается в передовых в техническом плане странах, в частности в СНГ последние 20 лет. Для нового агрегата характерен комплекс тесно взаимосвязанных технологических и энергетических параметров.

От оптимизации этой взаимосвязи как в зало­женных конструктивных параметрах, так и в процессе эксплуатации зависит в целом эффективность работы агрегата. К основным определяющим работу ковша-печи параметрам относятся химический состав рафинировочного шлака и толщина его слоя; длина дуги; отно­шение подводимой мощности к площади зеркала ме­талла; скорость нагрева и интенсивность перемешива­ния и гидродинамика ванны. На первом этапе при формировании рафинировоч­ного шлака определенного для группы сталей состава необходимо обеспечить заданную толщину слоя шлака на зеркале металла, соответствующую установленной длине дуги. В этих условиях достигается оптимальная скорость нагрева с учетом соотношения подводимой мощности и площади зеркала металла в ковше.

Время достижения требуемых значений перечисленных пара­метров зависит от выбора режима перемешивания и гид­родинамики ванны. При этом установление оптималь­ной взаимосвязи технологических и энергетических па­раметров зависит от конкретных условий цеха: типа ста­леплавильного агрегата и состояния с отсечкой высоко-окисленного печного шлака; уровня содержания серы в металле при выпуске; выбранной мощности трансфор­матора; решения вопроса перемешивания металла в ков­ше; длительности выплавки и разливки плавки. Учитывая, что продолжительность технологическо­го цикла на агрегате ковш-печь лимитируется темпом подачи плавок на МНЛЗ, необходимо стремиться к максимальной эффективности выполнения процессов в заданное время.

Технологический цикл можно регу­лировать путем оптимизации температуры металла и частичного формирования рафинировочного шлака уже на выпуске.

При низкой температуре металла дли­тельность его нагрева в агрегате ковш-печь до задан­ной температуры и, следовательно, удлинение периода формирования шлака сокращают продолжительность рафинирования. На некоторых предприятиях для уве­личения пропускной способности АКП на выпуске ме­талла вводят до 30 % составляющих материалов рафи­нировочного шлака, что дает возможность сократить цикл на 10 - 15 мин и расход электроэнергии на 5 - 7 кВт • ч. При этом следует учитывать, что десульфурирующая способность рафинировочного шлака наи­более оптимальна при температуре металла не менее чем 1590 - 1600 °С. Для облегчения условий десульфу-рации и уменьшения затрат времени на нее в заводской практике широко применяют обработку стали во вре­мя выпуска из плавильного агрегата твердой шлакообразующей смесью (ТШС). Для оценки влияния окисленности металла и шлака в условиях одного из металлургических предприятий были проведены опытные плавки в мартеновской печи. Сталь выпускали в два ковша, что позволило исклю­чить фактор влияния ее химического состава. Металл одного из ковшей на выпуске раскисляли алюминием (1 - 1.5 кг/т), а в другой, сравнительный ковш его не добавляли.

Печной окисленный шлак от одного стале-разл и вочного ковша отсекали, через другой ковш пе­репускали весь печной шлак. Чтобы уменьшить окисленность металла и шлака, в состав ТШС одного из ковшей вводили шлак производства вторичного алю­миния (ПВА), содержащий до 20 % А1. Как показали данные по выборке 60 плавок, при практически о дина­ковом начальном содержании серы уменьшение окис­ленности стали приводит к увеличению степени десульфурации за время выпуска на 25 30 % (отн.), что более эффективно, чем только раскисление шлака.

Таким образом, для увеличения десульфурируюшей способности шлака необходимо хорошо раскислять металл в ковше во время выпуска, а не переносить рас­кисление металла полностью на АКП. При поступле­нии раскисленного металла улучшаются условия де-сульфурации стали и в ковше-печи. Естественно, отно­сительное уменьшение содержания серы в этом случае на АКП меньше, но процесс десульфурации проходит за более короткий срок, что важно для обеспечения се­рийной разливки стали на МНЛЗ. Химический состав шлака и его количество оказы­вают значительное влияние на скорость формирования рафинировочного шлака и его сульфидную емкость и определяются с учетом раскисления стали кремнием, марганцем и алюминием.

Одно из обязательных условий эффективной рабо­ты АКП — отсечка окисленного печного шлака на вы­пуске из плавильного агрегата.

Современные машины скачивания позволяют оставлять в ковше порядка 300 -500 кг окисленного шлака.

Равновесный коэффициент распределения серы между металлом и шлаком при со­держании FеО в шлаке на уровне 8-10 %, что обыч­но для раскисленной на выпуске из конвертера стали (по сравнению с оптимальным в рафинировочном шла­ке 0,5 %), уменьшается в три раза. При наличии в ков­ше большого количества печного шлака в результате раскисления стали содержание фосфора в стали может вырасти в 1,5-2 раза. Кроме того, затрачивается элек­троэнергия на нагрев оставшегося в ковше печного шлака.

Расчеты показывают, что при наличии 2 т шла­ка в ковше с массой плавки 100 - 130 т расход электро­энергии увеличивается на 1,2 кВт • ч/т. При этом ско­рость нагрева снижается примерно на 0,3 °С/мин. Слой рафинировочного шлака должен быть на 20 -30 % толще длины дуги, а при в 2,5 - 3 раза большей толщине вследствие его высокой электропроводности дуги замыкаются, как правило, через шлак, что ухуд­шает нагрев металла и вызывает нежелательное разло­жение фторида кальция с образованием карбида каль­ция. При толщине слоя шлака меньше длины дуги растут потери подаваемой мощности, перегревается крышка ковша-печи. В случае работы с дугой, длина которой на 10 мм не закрыта шлаком, потери состав­ляют 2 ~ 3 % подводимой мощности.

Это объясняется тем, что температура дуги достигает 4500 - 6000 °С, а передача тепла излучением пропорциональна четвер­той степени температуры.

Для эффективной работы агрегата ковш-печь сред­ней мощности (100 - 150-т ковш) длина дуги должна быть 60 - 90 мм, и тогда при оптимальной толщине слоя шлака дуги замыкаются через металл, обеспечивая хо­роший нагрев. При работе агрегата в сочетании с конвертером от­сутствие должной отсечки окисленного шлака вносит существенные затруднения в обеспечение заданных па­раметров технологического процесса.

Например, на Енакиевском металлургическом заводе (ЕМЗ) толщи­на слоя конвертерного шлака согласно технологичес­кой инструкции не должна превышать 100 мм, что со­ответствует его массе -2,15 т. При таком количестве окисленного шлака требуется присадка большого ко­личества шлакообразующих рафинировочного шлака, длительность увеличивается, ухудшается процесс десульфурации, расходуется больше электроэнергии, а степень десульфурации металла в АКП составляет 33,3 %. Что­бы ее увеличить, изменили технологию присадки шла­кообразующих.

Основную часть извести и плавикового шпата вводили при выпуске стали из конвертера. В ус­ловиях высокой окисленности шлака известь начинала растворяться в нем до обработки стали на АКП. Нерастворившаяся часть извести прогревалась, и на ее нагрев, расплавление и растворение затрачивалось меньше элек­троэнергии. В результате связывания оксида железа в ферриты кальция уменьшалось вредное воздействие шлака на футеровку "шлакового пояса" сталеразливоч-ного ковша.

При такой технологии степень десульфура­ции существенно возросла, количество и продолжитель­ность додувок "на серу" в конвертере уменьшились. Рас­ход электроэнергии при этом может быть снижен на 2,3 кВт • ч/т без увеличения температуры стали на вы­пуске из конвертера. На рис.5 приведено типичное час­тотное распределение изменения содержания серы в ме­талле по этапам внепечной обработки.

Мощность трансформатора при работе на перемен­ном токе (практически все ковши-печи, эксплуатируе­мые в СНГ, работают на переменном токе) должна быть оптимальной для данного объема металла и геометри­ческих размеров ковша. В случае недостаточной мощ­ности удлиняется цикл обработки, а при сверхмощном трансформаторе растут капитальные затраты, отмеча­ется перерасход энергии и уменьшается стойкость фу­теровки ковша. Для определения оптимальной мощно­сти следует учитывать активную мощность для нагре­ва металла с определенной (заданной) скоростью и мак­симально допустимую мощность дуги на единицу пло­щади зеркала металла.

Институтом IRSID (Франция) на основе данных работы агрегатов ковш-печь емкостью 18 - 320 т со­ставлена диаграмма (рис. 6). Из нее следует, что для нагрева металла со скоростью 4,5 °С/мин необходимо! подводить активную мощность 120 кВт • ч/т стали. При использовании трансформатора с подводом такой мощ. ности обеспечивается оптимальный нагрев металла шлака и футеровки ковша.

В принципе, по данной ди­аграмме можно определить необходимую активную мощность для нагрева любой массы металла с задан­ной скоростью в пределах указанного интервала. Рис. 5- частотное распределение изменения содержания серы в ме­талле по этапам внепечной обработки: КК — конвертер; АКП — агрегат ковш-печь: МНЛЗ — разливка; ГМ — готовый металл Рис.6- зависимость скорости нагрева металла от активной мощнос­ти, подводимой от трансформатора: а—водоохлаждаемый свод; б — огнеупорный свод Мощность, подводимая к агрегату ковш-печь, ог­раничивается скоростью износа футеровки излиш­няя неизбежно приведет к ускорению износа огнеупо­ров в зоне шлакового пояса и в "опасных" точках крыш­ки агрегата (очаговый износ). Максимально допусти­мая удельная мощность дуги, по данным фирмы "Да­ниэли", должна составлять порядка 1,8 - 2,2 МВт/м2 зеркала металла.

Этот показатель учитывает геометри­ческие размеры ковша. Так, к ковшу с большим отно­шением диаметра к высоте можно подводить большую мощность при одинаковом объеме металла.

При подводе мощности более необходимой увели­чивается диаметр электродов, и они, приближаясь к стенке ковша, способствуют большему износу футеров­ки. При этом исключается возможность работы на мак­симальных ступенях нагрева и ухудшаются условия горения дуг из-за приближения "аргонных пятен" к электродам. Кроме того, работа с трансформатором завышенной мощности приводит к увеличению расхо­да электроэнергии. Известно, что ~16 % подводимой мощности теряется на резисторное сопротивление трансформатора и короткой цепи, причем потери обыч­но достигают 8-10 %. Для их уменьшения трансфор­матор должен работать с полной нагрузкой.

Следует отметить, что трансформаторы производ­ства стран дальнего зарубежья рассчитаны на работу с 20%-ной перегрузкой относительно номинальной мощ­ности, учитывая, что обычно требуется 3 - 5-мин на­грев. Наиболее высокая ступень напряжения считается аварийной. Ее рекомендуется включать, когда транс­форматор (масло и железо) прогрет.

В этом случае он расходует меньше энергии на себя, а больше отдает в сеть. Поэтому трансформатор мощностью, например, 20 МВ - А на максимальной ступени напряжения рабо­тает с мощностью 25 МВ • А. Таким образом, использование трансформатора за­вышенной мощности увеличивает расход электроэнергии. На ЕМЗ мощность трансформатора завышена (25 МВ*А) со всеми вытекающими отсюда последстви­ями. В частности, из-за недопустимой тепловой нагруз­ки на футеровку ковша нельзя работать на верхней сту­пени напряжения. 5.