Машины и агрегаты металлургического производства: агрегаты внепечной обработки жидкой стали

№ 1138

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Êàôåäðà ìàøèí è àãðåãàòîâ ìåòàëëóðãè÷åñêèõ
ïðåäïðèÿòèé

À.Â. Ïðîòàñîâ
Á.À. Ñèâàê
Í.À. ×è÷åíåâ

Ìàøèíû è àãðåãàòû
ìåòàëëóðãè÷åñêîãî
ïðîèçâîäñòâà

Àãðåãàòû âíåïå÷íîé îáðàáîòêè æèäêîé
ñòàëè

Êóðñ ëåêöèé

Äîïóùåíî ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèì îáúåäèíåíèåì ïî
îáðàçîâàíèþ â îáëàñòè ìåòàëëóðãèè â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî
ïîñîáèÿ äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé,
îáó÷àþùèõñÿ ïî íàïðàâëåíèþ Ìåòàëëóðãèÿ

Ìîñêâà   Èçäàòåëüñêèé Äîì ÌÈÑèÑ
2009

УДК 669.18:621.746 
 
П78 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, проф. В.А. Чередников 

Протасов А.В., Сивак Б.А., А.Н. Чиченев 
П78  
Машины и агрегаты металлургического производства: Агрегаты внепечной обработки жидкой стали: Курс лекций. – М.: 
Изд. Дом МИСиС, 2009. – 182 с. 

Изложены технологические основы, конструктивные особенности и опыт 
эксплуатации оборудования для внепечной обработки жидкой стали: агрегатов внепечной обработки стали без применения вакуума; струйных, ковшовых и рециркуляционных вакууматоров; комбинированных (многостендовых) агрегатов для реализации комплексных процессов получения высококачественной стали. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 150404 
«Металлургические машины и оборудование», а также может быть полезно 
студентам направления 150100 «Металлургия», которые специализируются в 
области получения заготовок из непрерывнолитой стали. Может быть также 
использовано для курсового и дипломного проектирования при разработке 
технологии и оборудования для внепечной обработки жидкой стали. 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2009 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................5 
Список сокращений..................................................................................7 
Введение....................................................................................................9 
1. Агрегаты внепечной обработки стали без применения 
вакуума ....................................................................................................17 
1.1. Общие сведения...........................................................................17 
1.2. Агрегаты доводки стали инжекцией инертного 
газа и порошкообразных реагентов ..................................................19 
1.2.1. Инжекционные способы рафинирования...........................19 
1.2.2. Конструктивные особенности агрегатов доводки стали...23 
1.3. устройства для обработки расплава проволокой......................34 
1.3.1. Элементы технологического процесса...............................34 
1.3.2. Конструктивные особенности  трайб-аппаратов...............37 
1.3.3. Виды порошковой проволоки  и ее производители ..........44 
1.4. Агрегаты комплексной обработки стали с 
электродуговым и химическим нагревом.........................................47 
1.4.1. Элементы технологического процесса...............................47 
1.4.2. Конструктивные особенности агрегатов «ковш- печь»....53 
1.4.3. Агрегаты внепечной обработки с химическим нагревом......56 
1.5. Внепечная обработка стали  вне 
сталеразливочного ковша ..................................................................57 
2. Вакууматоры.......................................................................................60 
2.1. Струйные вакууматоры...............................................................60 
2.1.1. Классификация вакууматоров.............................................60 
2.1.2. Конструктивные особенности струйных вакууматоров ...64 
2.1.3. Поточные вакууматоры........................................................69 
2.2. Ковшовые вакууматоры..............................................................75 
2.2.1. Вакууматоры без нагрева и продувки кислородом ...........75 
2.2.2. Вакууматоры с дуговым нагревом......................................83 
2.2.3. Вакууматоры с окислительным вакуумированием ...........88 
2.3. Рециркуляционные вакууматоры...............................................93 
2.3.1. Порционные вакууматоры...................................................93 
2.3.2. Циркуляционные вакууматоры .........................................101 
2.3.3. Оборудование для пульсационного перемешивания 
расплава.........................................................................................107 
2.3.4. Конструктивные особенности порционных и 
циркуляционных вакууматоров ..................................................109 

3. Комбинированные процессы и агрегаты........................................111 
3.1. Комплексные технологические процессы 
получения высококачественной стали ...........................................111 
3.2. Многофункциональные одностендовые агрегаты..................113 
3.3. Двухстендовые агрегаты вакуумирования и 
нагрева ...............................................................................................116 
3.3.1. Агрегаты ASEA–SKF .........................................................116 
3.3.2. Агрегаты LF+VD ................................................................120 
3.3.3. Агрегаты LF+RH.................................................................122 
3.3.4. Другие варианты многостендовых агрегатов ..................122 
3.4. Многопозиционные агрегаты повышенной 
производительности .........................................................................124 
4. Конструктивные элементы технологического 
оборудования внепечной обработки стали ........................................130 
4.1. Ковши для внепечной обработки.............................................130 
4.2. Вакуумные камеры струйных и ковшовых 
вакууматоров.....................................................................................139 
4.3. Вакуумные камеры рециркуляционных 
вакууматоров.....................................................................................142 
4.4. Механизмы перемещения ковша и вакуумкамеры ...............................................................................................145 
4.5. Устройства контроля параметров металла..............................149 
4.6. Средства нагрева футеровки ....................................................152 
4.7. Газоотводящий тракт агрегатов внепечной 
обработки стали................................................................................155 
4.8. Откачное оборудование ............................................................160 
4.9. Оборудование для ремонта ковшей и скачивания 
шлака..................................................................................................167 
4.10. Оборудование для ремонта футеровки вакуумкамеры ...............................................................................................171 
4.11. Сталевозы.................................................................................173 
4.12. Система хранения, дозирования, 
транспортировки и подачи материалов..........................................175 
Заключение............................................................................................179 
Библиографический список.................................................................181 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В 1976 году известный специалист в области внепечной обработки стали Джон Лич (British Steel, Великобритания) писал: «Русские 
опубликовали много статей на тему внепечной обработки стали, но 
вряд ли смогли бы что-нибудь показать, если бы их об этом попросили». Было бы большим преувеличением утверждать, что отечественные ученые, технологи и конструкторы за прошедшее с тех пор время достигли выдающихся результатов в данной области. Следует отметить, что большая часть проектов, разработанных в СССР, оказалась невостребованной ввиду недостаточного финансирования, а также вследствие отсутствия спроса на высококачественную сталь, характерного для рыночной экономики. Тем не менее в нашей стране 
накоплен определенный опыт в области создания и эксплуатации 
многих видов оборудования для внепечной обработки, требующий 
систематизации и обобщения. 
Необходимость написания данного курса лекций обусловлена 
тем, что прошел достаточно большой срок со времени публикации 
последних комплексных аналитических обзоров на данную тему, а 
также возникновением в мировой и отечественной металлургии новых тенденций, разработкой новых процессов и устройств, заслуживающих изучения и распространения. Кроме того, предыдущие фундаментальные работы написаны технологами и предназначены для 
технологов. Они, как правило, содержат подробное теоретическое 
описание физико-химических основ протекающих процессов, но 
сведения о параметрах и конструктивных особенностях применяемого оборудования при этом носят отрывочный и фрагментарный характер. 
Между тем эффективность использования того или иного вида 
внепечной обработки существенно зависит от надежности оборудования и соответствия его параметров решаемым технологическим 
задачам. 
Работоспособность и эксплуатационная готовность агрегатов внепечной обработки в значительной степени зависят от вспомогательного оборудования сталеплавильных цехов: сталевозов, трактов подачи сыпучих материалов, ремонтных стендов и т.д. Обычно этим 
видам оборудования не уделяется достаточного внимания. Поэтому 
необходимо рассматривать весь комплекс машин, обеспечивающих 
проведение внепечной обработки стали. 

Опубликованные в специальной литературе материалы не дают 
достаточного представления об известных и вновь создаваемых видах оборудования как о систематизированном наборе апробированных на практике унифицированных узлов и систем (модулей), из которых в сжатые сроки и с минимальными затратами возможно создание агрегатов с оптимальными технологическими возможностями. 
В данном курсе лекций рассмотрены наиболее распространенные 
агрегаты внепечной обработки стали и даны рекомендации по выбору конструктивных схем и параметров основного и вспомогательного оборудования. 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АКОС – агрегат комплексной обработки стали (агрегат типа 
«ковш-печь»). 
АКП – агрегат «ковш-печь». 
АПВ – агрегат поточного вакуумирования, реализующий способ 
струйного вакуумного рафинирования стали при непрерывной разливке. 
ККЦ – кислородно-конвертерный цех. 
ММЗ – Молдавский металлургический завод. 
ММК – Магнитогорский металлургический комбинат. 
МНЛЗ – машины непрерывного литья заготовок. 
НЛМК – Новолипецкий металлургический комбинат. 
AOD – процесс дегазации металла в результате создания над ним 
инертной среды (argon oxygen degassing) 
ASEA–SKF (или ASEA) – двухстендовый агрегат, включающий тигель-ковш для вакуумирования и установку электрического нагрева. 
BV – процесс вакуумирования струи металла при выпуске из сталеплавильного агрегата (по названию фирмы-разработчика Bohumer 
Verein). 
DH – процесс порционного вакуумирования (по названию западногерманской фирмы Dortmund Herder Huttenunion). 
ELVAC – комплексный процесс получения полупродукта в дуговой электропечи, включающий его последующую обработку в агрегате «ковш-печь» и циркуляционном вакууматоре, разливку готовой 
стали на МНЛЗ. 
LF – агрегат электродугового подогрева плавки в ковше или в агрегате «ковш-печь» (ladle furnace). 
LF+VD – двухстендовый агрегат, включающий ковшовый вакууматор и агрегат «ковш-печь». 
LF+RH – двухстендовый агрегат, включающий циркуляционный 
вакууматор и агрегат «ковш-печь». 
LL – процесс вакуумирования струи при переливании стали из 
ковша в ковш (ladle-to-ladle). 
NK–AP – вариант агрегата «ковш-печь» (по названию японской 
фирмы Nippon Kokan – Arc process). 
РМ – процесс пульсационного рециркуляционного вакуумирования (Pulsating Mixing Process). 

RH – процесс циркуляционного вакуумирования (по названию западногерманской фирмы – Ruhrstahl Heraus). 
TD – процесс вакуумирования струи при выпуске металла из печи 
(tap degassing). 
VAD – процесс ковшового вакуумирования с перемешиванием и 
электродуговым подогревом металла (vacuum arc degassing – вакуумно-дуговая дегазация). 
VD – способ ковшового вакуумирования путем выдержки сталеразливочного ковша с металлом при пониженном давлении с принудительным перемешиванием ванны инертным газом. 
VFH – комбинация агрегатов VAD и VOD (Vakuum Frisch und 
Heiz – процесс окисления под вакуумом с подогревом). 
VOD – процесс обработки стали кислородом при вакуумировании 
стали (vacuum oxygen decarbonisation – вакуумно-кислородное обезуглероживание). 
VOH – процесс вакуумно-кислородного нагрева (vacuum oxygen 
heating) стали в конвертере; разновидность процесса VOD. 

ВВЕДЕНИЕ 

Отдельные элементы внепечной обработки появились одновременно с выплавкой стали. Уже тогда металлурги практиковали скачивание шлака с поверхности жидкого металла, присадку разнообразных добавок и их механическое перемешивание. Эти процессы в 
усовершенствованном виде дошли до наших дней и получили свое 
развитие с учетом возможностей современной техники. Однако первые, весьма приблизительные аналоги современных процессов появились значительно позднее, как и само понятие «внепечная обработка стали», или «вторичная металлургия». 
Впервые в мировой практике Г. Бессемер в 1865 году получил патент на обработку металла при пониженном давлении. В 1882 году  
Р. Айткен предложил способ, напоминающий современное порционное вакуумирование. В 1883 году Р. Гордон получил патент на способ отливки слитков в вакууме. В 1931 году Е. Вильямс предложил 
способ, представляющий собой отдаленный прототип циркуляционного вакуумирования. Первый способ вакуумирования стали в ковше 
запатентован в 1940 году А.М. Самариным и Л.М. Новиком. 
Промышленное внедрение внепечного вакуумирования жидкой стали многие годы сдерживалось отсутствием необходимого откачного 
оборудования, и лишь в 1952 году после многочисленных опытов, проведенных в различных странах, было осуществлено промышленное вакуумирование струи металла на заводе объединения Bochumer Verein 
(ФРГ), а в 1953 году – ковшовое вакуумирование кипящей и рельсовой 
стали на Енакиевском металлургическом заводе. 
В 50-е годы прошлого века на отечественных металлургических 
заводах был внедрен ряд струйных и ковшовых вакууматоров 
(«Днепроспецсталь», имени Дзержинского, «Красный Октябрь», 
«Уралмаш», Верх-Исетский и др.). Однако в дальнейшем опережающими темпами внепечное рафинирование стали стало развиваться в 
зарубежных странах. Тогда же были внедрены основные виды агрегатов внепечной обработки, применяемые до настоящего времени. 
Первым из современных способов внепечного рафинирования в 
промышленности было реализовано порционное вакуумирование 
(1956 год), получившее в зарубежной литературе название процесс 
DH по наименованию западногерманской фирмы Dortmund Herder 
Huttenunion, затем в 1959 году появилось циркуляционное вакуумирование (процесс RH – Ruhrstahl Heraus). 

Необходимо отметить, что еще в 1948 году А.М. Самарину  
и Л.М. Новику было выдано авторское свидетельство на способ ковшового вакуумирования с индукционным перемешиванием, однако 
лишь в середине 1960-х годов данный способ был применен американской фирмой Republic Steel для обработки плавок массой 40 и 80 
тонн на заводах в Кливленде и Кентоне. 
В середине 1960-х годов почти одновременно в нескольких странах были созданы разновидности ковшового вакуумирования с перемешиванием и электродуговым подогревом металла. Работы по их 
созданию проводились в Швеции фирмой ASEA, в ФРГ – фирмой 
Standard Messo, в США – фирмами Finkl и Mohr, во Франции – фирмой Heurtey. Впервые вакуумно-дуговая дегазация с перемешиванием инертным газом была осуществлена на заводе фирмы Finkl в Чикаго (США) в 1968 году. 
В дальнейшем этот процесс получил распространение под обозначением VAD (vacuum arc degassing – вакуумно-дуговая дегазация). 
Возрастающая потребность различных отраслей промышленности 
в хромистых нержавеющих сталях с особо низким содержанием углерода 
привела 
к 
появлению 
различных 
методов 
вакумнокислородного рафинирования. Метод обработки стали кислородом 
при вакуумировании стали в ковше впервые применен для обработки 
50-тонных ковшей на заводе в г. Виттене (ФРГ) в 1967 году. Впоследствии были разработаны различные варианты процесса с соответствующими обозначениями; однако наиболее употребительным 
является обозначение VOD (vacuum oxygen decarbonisation – вакуумно-кислородное обезуглероживание). 
К началу 1970-х годов наметилось существенное отставание отечественной промышленности в данной области от ведущих стран, и 
образцы основных типов агрегатов внепечной обработки стали были 
приобретены по импорту. Характерно, что прогрессивная для того 
времени техника была приобретена для машиностроительных заводов, производящих сталь ответственных и особо сложных марок: ПО 
«Ижорский завод»; завода «Энергомашспецсталь» в г. Краматорске. 
Первые полупромышленные циркуляционные вакууматоры конструкции института «Стальпроект» были также установлены на машиностроительных заводах: «Баррикады» (г. Волгоград) и «Большевик» (г. Ленинград). 
В СССР технологические основы процессов вторичной металлургии разрабатывались во многих научно-исследовательских и учебных институтах: ИМЕТ имени А.А. Байкова АН СССР (г. Москва), 

ИЧМ (г. Днепропетровск), НИИМ (г. Челябинск). Большой вклад в 
разработку теории циркуляционного вакуумирования внесли ученые 
Московского института стали и сплавов. С конца 1970-х годов обязанности головного института, отвечающего за технологию и техническую политику в области внепечной обработки стали, возложены 
на ЦНИИЧЕРМЕТ имени И.П. Бардина. Головным разработчиком 
оборудования был определен ВНИИМЕТМАШ, разработавший целый ряд проектов агрегатов основных типов. 
Первые отечественные вакууматоры порционного типа ВП-130 и 
ВП-350, разработанные во ВНИИМЕТМАШе, были введены в строй 
в 1982 году. Несмотря на полученные положительные результаты, 
дальнейшее развитие отечественной внепечной обработки стали затянулось. Причины отставания в данной области от ведущих стран 
весьма многообразны, однако главной из них в тот период явилось 
отсутствие прямой экономической заинтересованности металлургов 
в производстве металла высокого качества. Широкому распространению отечественных агрегатов в 1970–1980-е годы препятствовали 
такие факторы, как межведомственные барьеры, отсутствие ряда 
отечественных комплектующих изделий требуемого качества (термостойких вакуумных уплотнений, быстродействующих паровых 
клапанов, вакуумметров и др.), недостаток опыта создания и освоения агрегатов внепечной обработки стали. 
К началу 1990-х годов большая часть перечисленных проблем 
была успешно решена, остальные потеряли свою актуальность. Отсутствие спроса на металлопродукцию на внутреннем рынке привело 
к переориентации отечественных металлургов на экспортные поставки с жесткими требованиями к качеству, что заставило предприятия 
вплотную заняться проблемами вторичной металлургии. Стремительный рост цен на сырье и энергоносители в эти годы обусловил 
дальнейшее повышение интереса к внепечной обработке стали, которая дает возможность решать проблемы не только повышения качества продукции, но также ресурсосбережения, защиты окружающей 
среды, организации производства и повышения его эффективности. 
К этому времени отечественными машиностроителями, и в том 
числе ВНИИМЕТМАШем, был накоплен значительный опыт создания и освоения агрегатов внепечной обработки стали, изучена практика эксплуатации импортных вакууматоров и агрегатов доводки 
стали. Это позволило разработать серию конкурентоспособных агрегатов доводки стали для ковшей емкостью 160 и 385 тонн, а также 

циркуляционных и порционных вакууматоров для ковшей емкостью 
130, 160, 250 и 385 тонн. 
Разрушение жесткой централизованной системы управления промышленностью позволило предприятиям самостоятельно привлекать 
любых соисполнителей и организовывать комплектную поставку 
сложных видов оборудования. Возможность приобретения конвертируемой валюты решила проблему обеспечения поставляемого оборудования любыми импортными комплектующими изделиями требуемого качества. Таким образом, к началу 1990-х годов в стране были 
созданы предпосылки для кардинального улучшения ситуации с внепечной обработкой стали. 
Однако проявились и негативные тенденции: неконтролируемый 
рост цен и отсутствие оборотных средств у предприятий, ослабление 
связей с партнерами, оказавшимися в других странах СНГ. Общий 
кризис промышленности воздвиг новые барьеры на пути развития 
вторичной металлургии, что привело к прекращению работ над рядом проектов. В это время несколько агрегатов были приобретены у 
зарубежных фирм, которые начали доминировать на отечественном 
рынке. 
Можно утверждать, что внепечная обработка жидкой стали является ключевым звеном современного сталеплавильного производства. Она распространена практически на всех металлургических заводах и включает разнообразные операции, начиная с простого перемешивания в целях усреднения температуры и химического состава 
металла во всем объеме ковша и кончая сложнейшими технологическими процессами с применением вакуума и нагрева. 
Разработано и широко применяется в промышленности большое 
число различных агрегатов внепечной обработки разного назначения 
с широким спектром технических параметров. 
В современной технологической схеме производства внепечная 
обработка начинается уже на выпуске стали из сталеплавильного агрегата и заканчивается в промежуточном ковше машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). При этом процесс получения жидкой 
стали разделяется на два основных технологических этапа: производство нерафинированной стали в плавильном агрегате (первичная 
металлургия) и осуществление вне печи различных металлургических процессов: раскисления, рафинирования синтетическими шлаками, десульфурации, дегазации, присадки легирующих материалов, 
регулирования температуры и достижения заданного химического