Металлургические технологии в высокопроизводительном электросталеплавильном цехе


В. А. Бигеев, А. М. Столяров, А. X. Валиахметов







                МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОМ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ ЦЕХЕ




Учебное пособие









Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия»







Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 669.187 (075)
ББК 34.314я7
    Б59

Рецензенты:

кафедра металлургии стали и ферросплавов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (заведующий кафедрой профессор, доктор технических наук, член-корреспондент РАН К. В. Григорович);
заместитель начальника по сталеплавильному производству управления производством ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» кандидат технических наук А. Б. Великий

      Бигеев, В. А.

Б59     Металлургические технологии в высокопроизводитель      ном электросталеплавильном цехе : учебное пособие / В. А. Бигеев, А. М. Столяров, А. X. Валиахметов - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 320 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0493-8

      Рассмотрены металлургические технологии, используемые в высокопроизводительном электросталеплавильном цехе, на примере ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и металлургической компании «ММК-Metalurji». Представлено основное оборудование и показана технология выплавки полупродукта в мощных дуговых сталеплавильных печах переменного тока вместимостью 180 и 250 т, доводки металла на агрегатах ковшевой обработки: агрегате «ковш-печь» и вакуумных установках камерного и циркуляционного типа. Рассмотрены устройство и работа сухой газоочистки ДСП, уделено внимание способам повышения стойкости футеровки сталеразливочного ковша. Подробно рассмотрена непрерывная разливка стали с получением сортовой и слябовой заготовок, а также тонких слябов и толстого горячекатаного листа в составе литейно-прокатного комплекса.
      Для студентов и аспирантов металлургических специальностей.
УДК 669.187 (075)
ББК 34.314я7





ISBN 978-5-9729-0493-8 © В. А. Бигеев, А. М. Столяров, А. X. Валиахметов, 2020
                       © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                       © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение.........................................8



Раздел 1 ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ЭСПЦ

Глава 1.1. ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ..........9
1.1.1. Классификация дуговых сталеплавильных печей.........................................9
    1.1.2. Устройство дуговых печей.............10
1.1.3. Состав и работа основного электрооборудования ДСП......................25
    Контрольные вопросы.........................31

Глава 1.2. АГРЕГАТЫ КОВШЕВОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ.................................32
    1.2.1. Сталеразливочный ковш................32
    1.2.2. Агрегат «ковш-печь»..................34
    1.2.3. Вакууматор камерного типа............38
    1.2.4. Вакууматор циркуляционного типа......42
    Контрольные вопросы..........................44

Глава 1.3. МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК.......................................45
    1.3.1. Сортовая МНЛЗ........................46
    1.3.2. Слябовая МНЛЗ........................56
    Контрольные вопросы..........................62

Глава 1.4. ЛИТЕЙНО-ПРОКАТНЫЙ МОДУЛЬ.............63
    1.4.1. Тонкослябовая МНЛЗ...................63
    1.4.2. Участок нагревательных печей.........73
    1.4.3. Листовой стан горячей прокатки.......78
    Контрольные вопросы.........................82

Глава 1.5. ВАРИАНТЫ КОМПОНОВКИ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ЭСПЦ.............................83
    Контрольные вопросы.........................88


3

Раздел 2
ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ

Глава 2.1. ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ....................89
    2.1.1. Металлические шихтовые материалы......89
    2.1.2. Шлакообразующие материалы.............95
    2.1.3. Окислители............................96
    2.1.4. Науглероживатели......................97
    2.1.5. Раскисляющие и легирующие материалы...97
    Контрольные вопросы..........................98

Глава 2.2. ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ В ВАННЕ ДСП..........99
    2.2.1. Поведение железа .....................99
    2.2.2. Окисление углерода...................100
    2.2.3. Окисление кремния....................101
    2.2.4. Окисление марганца...................102
    2.2.5. Дефосфорация металла.................103
    2.2.6. Десульфурация металла................105
    Контрольные вопросы.........................108

Глава 2.3. ШЛАКОВЫЙ РЕЖИМ ПЛАВКИ................109
    2.3.1. Формирование шлака...................109
    2.3.2. Вспенивание шлака....................114
    Контрольные вопросы.........................119

Глава 2.4. РАСКИСЛЕНИЕ И ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ, ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА ТВЕРДОЙ ШЛАКООБРАЗУЮЩЕЙ СМЕСЬЮ, ПРОДУВКА ИНЕРТНЫМ ГАЗОМ.........................120
    2.4.1. Основные задачи раскисления и легирования стали.......................................120
    2.4.2. Основные элементы-раскислители.......122
    2.4.3. Технология раскисления и легирования стали в ковше...............................127
    2.4.4. Основные задачи и некоторые аспекты обработки металла твердой шлакообразующей смесью......................................128
    2.4.5. Основные задачи продувки металла инертным газом в ковше...............................129
    2.4.6. Способы продувки металла в ковше инертным газом ......................................129
    Контрольные вопросы.........................130


4

Глава 2.5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ПЛАВКИ В ДСП, ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА...........................................131
    2.5.1. Плавка скрап-процессом................131
    2.5.2. Плавка с использованием в шихте жидкого чугуна.......................................142
    2.5.3. Плавка с применением металлизированного сырья........................................151
    Контрольные вопросы..........................153

Глава 2.6. ОЧИСТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ДСП..............................................154
    Контрольные вопросы..........................160

Раздел 3 ТЕХНОЛОГИЯ КОВШЕВОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
Глава 3.1. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ СТАЛИ НА АГРЕГАТЕ «КОВШ-ПЕЧЬ»..........................161
3.1.1. Особенности десульфурации металла на агрегате «ковш-печь».........................161
    3.1.2. Основные технологические операции.....163
    3.1.3. Режимы продувки металла аргоном.......171
    3.1.4. Обработка металла порошковой проволокой с разными наполнителями......................172
3.1.5. Современное оборудование для экспресс-контроля металла....................174
    Контрольные вопросы..........................178

Глава 3.2. ТЕХНОЛОГИЯ ВАКУУМИРОВАНИЯ СТАЛИ........179
3.2.1. Основные закономерности растворения водорода и азота в стали......................179
3.2.2. Вакуумное обезуглероживание и раскисление металла.......................................182
    3.2.3. Особенности технологии вакуумной обработки в агрегате камерного типа....................183
3.2.4. Особенности технологии вакуумирования в агрегате циркуляционного типа..............187
    Контрольные вопросы..........................190


5

Глава 3.3. ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ФУТЕРОВКИ СТАЛЕРАЗЛИВОЧНЫХ КОВШЕЙ................192
    Контрольные вопросы..............................200

Раздел 4 ТЕХНОЛОГИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ И КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ
Глава 4.1. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В РАЗЛИТОЙ СТАЛИ......................................202
    4.1.1. Затвердевание непрерывнолитой заготовки....202
4.1.2. Кристаллическая структура непрерывнолитой заготовки....................................206
    4.1.3. Усадочные явления при кристаллизации стали.209
4.1.4. Ликвация примесей и перераспределение неметаллических включений....................209
    Контрольные вопросы...............................211

Глава 4.2. ПОДГОТОВКА МНЛЗ К РАЗЛИВКЕ СТАЛИ...........213
    4.2.1. Подготовка и проверка кристаллизатора......213
    4.2.2. Подготовка зоны вторичного охлаждения......214
    4.2.3. Подготовка и ввод затравки.................214
4.2.4. Подготовка промежуточного ковша и погружных стаканов.........................223
    4.2.5. Операции перед приемом жидкого металла.....224
    4.2.6. Операции после приема жидкого металла......225
    Контрольные вопросы...............................227

Глава 4.3. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗЛИВКИ СТАЛИ..................228
    4.3.1. Технология разливки стали открытой струей.228
    4.3.2. Технология разливки стали закрытой струей.238
4.3.3. Особенности технологии разливки стали методом «плавка на плавку»...................251
4.3.4. Технология отливки тонких слябов, их нагреваи прокатки.........................251
    Контрольные вопросы...............................264

Глава 4.4. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК................................266
    4.4.1. Дефекты формы непрерывнолитых заготовок...266
    4.4.2. Поверхностные дефекты заготовок............271


6

    4.4.3. Внутренние дефекты заготовок.....290
    Контрольные вопросы.....................310

Глава 4.5. ГОТОВАЯ ПРОДУКЦИЯ ЛИТЕЙНОПРОКАТНОГО КОМПЛЕКСА........................311
    Контрольные вопросы.....................316

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................317

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......318


7

        ВВЕДЕНИЕ


      В мировой металлургии наблюдается тенденция к увеличению доли электростали в общем объеме производства стали. Это объясняется бурным строительством мини-заводов, на которых преобладает электросталеплавильный способ производства стали. Фирмами разрабатываются высокопроизводительные дуговые сталеплавильные печи, в большинстве случаев, переменного тока. Для интенсификации плавки стали в дуговых печах широко применяется альтернативная энергетика. Скоротечность процесса выплавки ведет к получению в печи полупродукта, доведение которого до требуемых кондиций осуществляется на агрегатах ковшевой обработки. Данные агрегаты являются буферной зоной между участками выплавки и разливки стали. Продолжительность выплавки и ковшевой обработки стали во многом лимитируется необходимостью своевременной подачи металла на машины непрерывного литья заготовки для осуществления непрерывной разливки методом «плавка на плавку». Особенно это актуально для высокопроизводительных электросталеплавильных цехов. Поэтому в таких цехах ритмичность работы всего основного оборудования зависит от организации процесса разливки стали на МНЛЗ. На основании вышесказанного в данной работе широко и подробно освещены вопросы непрерывной разливки электростали и оценки качества производимой непрерывнолитой заготовки.
      В данном учебном пособии рассмотрены основные металлургические технологии производства стали в высокопроизводительном электросталеплавильном цехе на примере ЭСПЦ ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и литейнопрокатного комплекса металлургической компании «ММК-Metalurji» в турецком городе Искендерун.

8

        РАЗДЕЛ 1. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ЭСПЦ


     ГЛАВА 1.1. ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ

     1.1.1. Классификация дуговых сталеплавильных печей
     Явление электрической дуги было открыто В. В. Петровым в 1802-1803 гг., показавшим возможность использования этого явления для плавления металла. Первые электрические дуговые печи появились спустя почти 50 лет после этого открытия. Однако вследствие малой мощности электрогенераторов эти печи были лабораторными. Только в самом конце XIX столетия электротехника достигла уровня, достаточного для создания первых промышленных дуговых печей с косвенным и прямым нагревом с помощью тепла электрических дуг. Кроме того, появились многочисленные конструкции печей с токопроводящим подом, в которых ток проходил через ванну металла и вызывал перемешивание расплава. Однако постепенно печи с токопроводящим подом были заменены более простыми и надежными печами с прямым нагревом. В настоящее время по этому принципу работают дуговые сталеплавильные печи (ДСП) вместимостью до 360 т. Более 90 % всей электростали выплавляется в печах переменного тока.
     В России первые дуговые печи были установлены в 1910 г. ДСП вместимостью 3 т работала на Обуховском заводе, две дуговые печи для выплавки ферросплавов мощностью по 350 кВт эксплуатировались на заводе Пороги (Урал). В 1913 г. было выплавлено около 3,5 тыс. т электростали и 500 т ферросплавов. К 1917 г. в стране работали 22 дуговые сталеплавильные печи и было начато строительство первого специализированного электросталеплавильного завода «Электросталь» под Москвой.
     По эволюционным показателям различают четыре поколения электродуговых сталеплавильных печей переменного тока:
     1. Печи небольшой (до 30 т) вместимости, имеющие маломощные трансформаторы до 6 МВА. В настоящее время они эксплуатируются, как правило, в литейных цехах и на заводах специальной металлургии.
     2. Печи вместимостью 35-100 т, имеющие трансформаторы мощностью 35-50 МВА, без дополнительных источников альтернативной энергетики. Такими агрегатами

9

        оснащены электросталеплавильные цехи (ЭСПЦ) постройки 50-60-х годов прошлого века.
      3. Печи вместимостью 100-160 т, оборудованные некоторыми устройствами для интенсификации плавки и трансформаторами с удельной мощностью 0,5-0,65 МВА/т. К этому поколению относятся практически все печи, построенные в СССР в 70-80 гг. прошлого века. Многие печи подверглись реконструкции с целью сокращения цикла плавки и удельного расхода электрической энергии. В настоящее время такие печи функционируют в ПАО«Мечел» (г. Челябинск), на Белорусском металлургическом заводе (г. Жлобин).
      4. Печи вместимостью 70-250 т, оснащенные разборными водоохлаждаемыми стеновыми панелями и водоохлаждаемым сводом, трансформаторами с удельной мощностью 0,8-1,0 МВА /т, мощными топливо-кислородными горелками, продувочными кислородными фурмами и устройствами для вдувания углеродсодержащих материалов. В таких печах проводятся процессы «Данарк», «Ультимейт», «Констил», «Корфарк»и др.
      5. Печи вместимостью до 250-300 т с усиленной альтернативной энергетикой, которыми оснащаются современные мини-заводы. Характерным представителем таких печей является ДСП вместимостью до 300 т фирмы «Danieli» литейно-прокатного комплекса металлургической компании «ММК-Metalurji» в турецком городе Искендерун. К этому поколению также относятся телескопические ДСП, высота рабочего пространства которых может изменяться в процессе плавки по мере необходимости за счет раздвижки-сдвижки в вертикальном направлении боковых стенок корпуса печи.

1.1.2. Устройство дуговых печей
      Рассмотрим устройство современной дуговой сталеплавильной печи переменного тока на примере двух печей: ДСП-180 фирмы «Siemens VAI» ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и ДСП-250 фирмы «Danieli» литейно-прокатного комплекса металлургической компании «ММК-Metalurji» в турецком городе Искендерун. Первая печь относится к дуговым печам четвертого поколения, а вторая - к агрегатам пятого поколения. Техническая характеристика печей приведена в табл. 1.1.1.


10

Т а б л и ц а 1.1.1
Техническая характеристика дуговых печей

            Параметр             ДСП-180 ДСП-250
Масса стали, т:                                 
номинальная                        180     250  
максимальная                       200     300  
Масса металла «болота», т          20      50   
Мощность трансформатора,                        
МВА                                150     300  
Годовая производительность печи,                
млн т                              2,0     2,4  
Внутренний объем печи, м3          185     330  
Объем завалочной корзины, м3       165     300  
Диаметр распада электродов, мм   1200     1500  
Диаметр электрода, мм              610     762  
Инжекторы:                                      
кислорода                           6       8   
углеродсодержащего материала        2       5   
Интенсивность вдувания                          
для каждого инжектора:                          
кислорода, м3/ ч                 2600     2600  
природного газа, м3/ ч             800     350  
углеродсодержащего                              
материала, кг/ мин                 70      45   
Количество и мощность                           
горелок RCB, шт .х МВт           7х3,5   13х4,4 
Количество донных блоков, шт.       3       3   

      Из представленных данных видно, что внутренний объем ДСП-250 по сравнению с ДСП-180 в 1,8 раза больше, а используемый трансформатор вдвое мощнее. Это позволяет выплавлять массу стали, большую в полтора раза. Однако годовая производительность ДСП-250 выше всего лишь на 20 %, что объясняется работой печей по различной технологии. В ДСП-250 сталь выплавляется скрап-процессом, а в ДСП-180 - с использованием жидкого чугуна в металлической шихте.
      Дуговая сталеплавильная печь ПАО «ММК» (рис. 1.1.1) состоит из корпуса, расположенного на специальной люльке, что позволяет наклонять печь как в сторону рабочего окна для слива шлака, так и в противоположную сторону для выпуска металла через эркерное устройство.


11

 Газоход Свод Электроды Электрододержатели



Корпус печи

Заслонка

Колонна

Короткая

рабочего окна    подъемно-      сеть

поворотного


механизма


Рис. 1.1.1. Вид ДСП-180 ПАО «ММК»


     Корпус печи сверху закрывается сводом (рис. 1.1.2) с центральной футерованной частью, в которой имеются три отверстия для электродов, и периферийной частью из кольцевых водоохлаждаемых труб. Футеровка выполняется из алюмо-силикатныз огнеупоров с содержанием 80 % А1₂Оз, 13,5 % SiO₂, 3,1 % TiO₂, 1,8 % Fe₂O₃ и др. Гнездовые блоки свода печи делаются из корунда с содержанием 97 % Al₂O₃ с добавкой стальных иголок на специальной связке.


12

Рис.1.1.2. Устройство свода дуговой печи

     Свод оборудован газоходом для отвода образующихся в печи газов и отверстием для ввода в печь извести. Графитизированные электроды крепятся в токопроводящих электрододер-жателях и соединяются короткой сетью с трансформатором. Электроды могут опускаться и подниматься специальным механизмом. После подъема электродов и вывода их из отверстий свод может приподниматься и отворачиваться в сторону, открывая рабочее пространство печи.
     Рабочее пространство печи (рис. 1.1.3) состоит из нижней части: подины и откосов, футерованных огнеупором, и верхней части, выполненной из водоохлаждаемых панелей.
Подина печи является многослойной. На металлический кожух толщиной 40 мм накладывается в несколько слоев асбеста, затем делаются арматурный и рабочий слои из периклазоуглеродистого кирпича либо выполняется набивка из магнезиальной массы с содержанием 75 % MgO, 20 % CaO, 3,6 % Fe₂O₃, 0,6 % SiO2 .

13

Водоохлаждаемые панели \

Комбинированная
____ горелка

Инжектор

         Под печищу




















Рис. 1.1.3. Рабочее пространство дуговой печи


     Толщина футеровки откосов печи составляет 450-500 мм. Футеровка выполняется из периклазоуглеродистых блоков с содержанием MgO до 96-97 %, около 2 % CaO, содержание углерода составляет 14,5 % (свыше 100 %).
     В панели встроены комбинированные и кислородные горелки, а также инжекторы для вдувания кислорода и углеродсодержащего материала. Расположение горелок в дуговой печи показано на рис. 1.1.4.
     Из этого рисунка видно, что желоб для заливки жидкого чугуна в печь ставится в открытое рабочее окно, хотя по проекту он должен был вводиться в специальное отверстие в корпусе печи. В процессе эксплуатации от этого варианта отказались, так как это отверстие быстро зарастало. Для заливки чугуна предназначен специальный манипулятор (рис. 1.1.5), передвигающийся по рельсам. В подину печи вмонтированы три донных блока для продувки инертным газом. В выступающей части рабочего

14

пространства печи расположено эркерное устройство для выпуска жидкой стали (рис. 1.1.6).

Рис. 1.1.4. Схема расположения горелок в рабочем пространстве дуговой печи

15