Металлургия стали : внепечная обработка стали

УДК 669.18.046.5 

Л83 

Р е ц е н з е н т 
проф. М.Г. Крашенинников 

Лузгин В.П., Казаков СВ. 

Л83 
Металлургия стали: Внепечная обработка стали: Учеб. пособие. - М.: МИСиС, 2003. - 47 с. 

В пособии изложены современные представления о некоторых аспектах 
процесса внепечной обработки, а также расчет производительности вакуумных насосов, десульфурации металла шлаковыми смесями, количества оксидных неметаллических включений при раскислении стали. 

Пособие предназначено для специальности 110100 (специализации 
1101.01, 1101.02, 1101.03, 1101.04, 1101.05). 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2003 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. Расчет нагрева металла в процессе внепечной обработки стали 
5 

1.1. Нагрев металла в печи-ковше (ПК) 
6 

1.2. Химический подогрев 
10 

2. Расчет производительности насосов вакуумной системы 
12 

3. Десульфурация стали 
20 

4. Расчет количества и состава неметаллических включений 

на основе термовременной теории их образования 
30 

Библиографический список 
38 

Приложение 1. Технические характеристики вакуумных 
пароэжекторных насосов ОАО «Северсталь» [6] 
39 

Приложение 2. Примеры типовых задач 
44 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

в последние годы в сталеплавильном производстве широкое 
развитие получили процессы внепечной обработки стали, позволяющие обеспечивать надежную и высокопроизводительную работу современного сталеплавильного комплекса - кислородного конвертера 
или сверхмощной ДСП и установок непрерывной разливки стали 
(УНРС). Создание особых физико-химических условий при внепечной обработке дает возможность получать высококачественные стали и стали с новыми потребительскими свойствами. 

В настоящее время работа сталеплавильного комплекса невозможна без агрегатов внепечной обработки. Методами вторичной 
металлургии сейчас в мире обрабатываются сотни миллионов тонн 
высококачественной стали. Основные направления внепечной обработки стали: 

- 
обработка металла инертными газами; 

- 
нагрев и охлаждение металла вне печи; 

- 
вакуумная обработка металла процессами DH, RH, VD, 
VD - ОВ; 

- 
глубокая десульфурация металла обработкой шлаковыми 
смесями; 

- 
микролегирование и модифицирование стали. 
Внепечная металлургия, особенно в нашей стране, является 

относительно новым направлением, которое только сейчас получает 
развитие. В отечественной технической литературе недостаточно пособий, посвященных решению расчетных задач по внепечной обработке стали. Настоящее пособие является попыткой в определенной 
степени восполнить этот недостаток для изучающих курс «Теория и 
технология производства стали», раздел «Внепечная обработка стали». Пособие может быть полезным при изучении по выбору курса 
«Внепечная обработка стали» студентами специализации 1101.04, 
выполнении курсовых научно-исследовательских, курсовых и дипломных работ и проектов. 

4 

1. РАСЧЕТ НАГРЕВА МЕТАЛЛА 

В ПРОЦЕССЕ ВНЕПЕЧНОЙ 

ОБРАБОТКИ СТАЛИ 

Широкое внедрение в современных сталеплавильных цехах 
непрерывной разливки и создание комплексов сталеплавильный агрегат (кислородный конвертер или сверхмощные ДСП) - установка 
непрерывной разливки стали потребовали организации системы 
комплексной внепечной обработки стали (ВОС). 

Основными целями ВОС являются: 
- 
нагрев металла в печи-ковше (ПК) или химический подогрев; 

- 
продувка металла инертным газом с целью усреднения 
его по химическому составу и температуре; 

- 
дегазация металла - удаление водорода и частично азота 
за счет вакуумирования; 

- 
глубокое обезуглероживание стали за счет одновременного воздействия вакуумом и продувки металла кислородом (КП - ОВ или VD - ОВ процессы); 

- 
десульфурация стали при обработке синтетическими 
шлаками или твердошлаковыми смесями (ТШС); 

- 
микролегирование и модифицирование стали с применением технологии cored wire; 

- 
коррекция температуры в сторону ее уменьшения (сляб, 
сечка). 

Одной из основных задач в сталеплавильном производстве 
является согласование температурного режима процессов выплавки 
и непрерывной разливки стали. Отклонение температуры металла 
при разливке на УПРС не должно превышать, как правило, 10...15 °С 
от оптимальных для заданной марки стали значений, что может быть 
обеспечено только при наличии эффективных и быстродействующих 
способов контроля температуры, а также методов нагрева и охлаждения расплава в технологической линии сталеплавильного передела 
в режиме online. 

5 

Задача охлаждения металла в цепочке сталеплавильный агрегат - УНРС оперативно решается путем присадки сечки или ввода 
сляба в расплав, находящийся в сталеразливочном ковше. 

Более сложной и актуальной в сталеплавильном производстве является проблема нагрева металла при внепечной обработке. В 
настоящее время получили развитие два основных направления: 
электродуговой и химический подогрев металла. 

В первом случае применяются специальные агрегаты типа 
печь-ковш (LF - ladle-fumaces), работающие на переменном или постоянном токе. Во втором случае используется тепло экзотермической реакции окисления алюминия (вводимого в виде проволоки 
трайб-аппаратом в расплав) за счет продувки металла кислородом. 

Каждый из вариантов имеет определенные преимущества и 
недостатки. 

1.1. Нагрев металла в печи-ковше (ПК) 

Энергетический баланс работы ПК как электротермического 
агрегата можно записать следующим образом [1]: 

где 
Гз, - расход электроэнергии, поступающей из сети; 

Г„„„ - полезная энергия, расходуемая на изменение энтальпии 
стали; 
- сумма тепловых потерь процесса; 

^ Гз.„ - сумма электрических потерь. 

Величина Х ^ т п включает потери теплоотдающих поверхностей ПК, тепло охлаждающей воды, тепло отходящих газов, энтальпию шлака. 

Величина ^ Г з „ - сумма электрических потерь в результате 

диссипации электрической энергии при преобразовании в печном 
трансформаторе и при передаче ее по вторичному токопроводу ПК. 

6 

Ниже приведен энергетический баланс ПК Оскольского электрометаллургического комбината по данным [2], МДж/т (%): 

теплоусвоение металла 
39(50,9) 

теплоусвоение шлака 
4,6(6,0) 

тепло отходящих газов 
10,0(13,0) 

потери тепла теплопроводностью 
через футеровку 
4,3 (5,6) 

потери тепла с охлаждающей водой 
7,3 (9,5) 

потери в омическом сопротивлении 
12,0 (15,7) 

Эффективность работы ПК определяется произведением двух 
коэффициентов полезного действия: 

где 
Лэл - электрический К.П.д.; 

Лтегш - т е п л о в о й К.П.Д. П К . 

По данным [1] электрический к.п.д. составляет г]^^ = 0,85...0,95, 
тепловой К.П.Д. по результатам приведенного энергетического баланса 
Л,епл = 0.45...0,55. 

Величина TI^ существенно зависит от температуры, с которой начинают нагрев металла. При нагреве перегретого металла TI^ 
уменьшается с 0,45 до 0,35; с увеличением толщины слоя шлака до 
200...250 мм величинатепловых потерь уменьшается и л,епл возрастает. 

Одной из основных задач при установке ПК в сталеплавильных 
цехах является выбор мощности трансформатора. Расчет мощности 
трансформатора производится исходя из массы стали в сталеразливочном ковше Мст, (т) и задаваемой скорости нагрева металла Vt, (°С/мин). 

Алгоритм расчета затрат электроэнергии на нагрев стали 

Задано: Мет= 250 т. 
Определяем количество тепла, необходимое для нагрева 1 т 
стали на 1°С. 

q^, = С^АГт„ = 0,85 МДж/(т • °С) • 1°С • 1т = 0,85 МДж/(т • °С). 

Тогда количество тепла, необходимое для нагрева М,, на 1°С 
составит 

бм, =С^АГМ„ =0,850-1°С-М„ =0,850М„ МДж/°С. 

7 

с учетом электрического г\^^ и теплового tj^g^^ к.п.д., т.е. 
суммарных потерь rij,, количество тепла на нагрев 1 т стали на 1 °С 
составит 

^Ф7 = ^ ^ = ^ 
= 1,89МДж/(°С-т). 
ЛЕ 
0,45 

На нагрев Мст= 250 т на 1°С потребуется количество тепла: 

Qj^^^ = 1,89-250 = 472,2 МДж/°С. 

При переводе тепловой энергии (МДж) в электрическую 
(кВт-ч) принимаем соотношение: 1 кВт-ч = 3,6 МДж; тогда при нагреве 250 т стали на 1°С потребуется электроэнергии: 

472 2 
^ з л - ^ ^ - 1 3 1 , 2 к В т . ч / ° С . 
3,6 

Удельный расход электроэнергии на 1 т стали на 1 °С составит 

^ Щ Д ^ Q 32 кВт • ч / (т • °С). 
'/эл 
250 

В результате количество электроэнергии, необходимой для 
нагрева 1 т стали на заданную величину AT - Т^^^ -Т^^ '• 

АГ = 10°С, 
^зл = С-10°^ = 0,52-10 = 5,2 кВт-ч/т; 

АГ = 30°С, 
^зл^^Гл-ЗО^С = 0,52-30 = 15,7 кВт-ч/т; 

АГ = 50°С, 
^зл=^э''л-50°С = 0,52-50 = 26,0кВт-ч/т. 

Расчет мощности трансформатора печи-ковша 

1. Расчет мощности трансформатора производится исходя из 
массы металла в ковше Мст(т) и заданной скорости нагрева 
Vt, (°С/мин). При нагреве металла в ПК принимают, что скорость нагрева металла изменяется в пределах 3.. .5 °С/мин. 

Задаем у^ = 4°С/мин; в этом случае при нагреве Мст=250т 
потребуется подведение мощности, равной 

fr = 0,52 - 250 - 4 = 520 кВт - ч / мин. 

Соответственно необходима установка трансформатора мощностью Г = 520-60 = 31,2 MB-А. 

По каталогу подбирают тип трансформатора, ближайший по 
мощности [1]; для данного случая выбираем трансформатор ЭТУН52000/35 могцностью 35 MB • А. 

2. Вариант второй - это случай, когда на ПК при обработке 
определенной массы металла уже установлен трансформатор заданной могцности. Определить необходимое время нагрева для достижения определенной температуры металла. 

Задано: М,,= 200 т, могцность установленного трансформатора Г,р = 20 MB • А (ЭТУПК - 32000/20). 

Заданное значение перегрева металла, которое необходимо 
достигнуть при работе ПК: ^T = 60 °С, т.е. ^T = Г _ - Г,,, = 60 °С. 

Количество тепла, потребное для нагрева М,,= 200 т металла 
на 60 °С, составит 

е _ = C^^TM^ = 0,85 • 60 • 200 = 10 200 МДж = 10,2 ГДж. 

Для подведения этого количества тепла к металлу, находящемуся в ПК, потребуется электроэнергии: q,,- 10 200 : 3,6 = 2833,3 кВт • ч, 
а с учетом лх-0,45 величина q^^^^ возрастет и составит 

^Факт^28333:0,45= в2%Ъ кВт ч 

или ^*;" = W^x^^ , 

где 
W^ -мощность трансформатора, равная 20 MB-А; 
т,,, - время, необходимое на нагрев металла на 60 °С в ПК, ч; 

, ^ ^ . ^ ^ ^ . 
0,315 ч-19 мин. 
W^ 
20 000 

3. Вариант третий - при заданной мощности трансформатора 
Г = 20 MB • А и массе металла в ковше М,, = 200 т определить возможную скорость нагрева металла Vt (°С/мин). 

Для нагрева 1 т стали на 1 °С требуется 0,85 МДж/(т • 1 °С). 
Трансформатор данной мощности способен подвести в единицу времени (1 ч) тепла в металл: 

^ ^ ^ = 2 0 000-3,6-0,45 = 32 400 МДж. 

При этом М,, = 200 т за 1 ч нагреется на ^T (°С): 

д ^ . 1 1 ^ . ^ 2 4 0 ^ . 3 2 4 0 0 ^ ^ ^ ^ „ ^ / ^ 
q^ 
0,85-200 
170 

9 

или соответственно: 

V, = — ^ 3,2 °С/мин. 
' 
60 

4. Основные преимущества и недостатки нагрева стали в ПК 
(электродуговой способ) приведены ниже: 

Преимущества: коррекция «холодных» плавок; демпфер между сталеплавильным агрегататом и УПРС, устранение аварийных 
ситуаций, плавное регулирование температуры; возможность проведения процесса десульфурации; большой диапазон подогрева металла (до 80 °С); нет большого пылегазовыделения. 

Недостатки: большие капитальные вложения (несколько 
млн долл. США); необходимость создания специальной электрической подстанции; зависимость себестоимости стали от роста цен на 
электроэнергию; науглероживание и насыщение газами металла при 
нагреве; относительно низкий тепловой к.п.д. 

1.2. Химический подогрев 

Процесс химического подогрева стали базируется на использовании тепла экзотермической реакции окисления алюминия, вводимого в виде проволоки или гранул в сталь, и продувке металла кислородом [3] по реакции 

2[A1] + ^ { 0 2 } = (AI2O3) + 31,2 МДж/кг алюминия. 

Суммарный тепловой эффект реакции 

t^E ~ ^^экз ~ \^:;А120З + UAUOJ 
)' 

где 
2зкз ~ тепловой эффект реакции, МДж; 

6AUO ~ количество тепла на нагрев АЬОз, МДж; 

6А™О ~ количество тепла на плавление АЬОз, МДж. 

Затраты на нагрев 1,9 кг AI2O3 до 1600 °С составят 

Qllo, = С^, • АГ • М = 850 кДж = 0,85 МДж. 

Затраты на плавление 1,9 кг AI2O3: 

е ^ о , = 2000 • 1,9 = 3780 кДж = 3,78 МДж ; 

Q^=31,2-(0,85 + 3,78) = 26,57 МДж (приприсадке 1 кг А1 на 1 тстали). 

10 

Тепло, необходимое на нагрев 1 т стали на 1 °С составит 

0,85МДж/(°С-т). 

Следовательно, при вводе в сталь 1 кг А1 на 1 т стали нагрев 
ее теоретически составит АГ = 26,57:0,85 = 30 °С. 

Расчетное количество кислорода при этом на 1 т стали должно составлять ^Q^ = 0,63 м^/т 
стали. 

Основные показатели химического подогрева стали в ковше: 
Преимущества: коррекция «холодных» плавок; высокий тепловой к.п.д. (0,90); нет прямой зависимости от роста цен на электроэнергию; возможность проведения процесса десульфурации под специальным шлаком; нагрев стали возможен до 70 °С. 

Недостатки: большие капитальные вложения (несколько 
млн долл. США); большие объемы пыле- и газовыделений при продувке кислородом (нужна современная система отвода и очистки газов); эксплутационные расходы достаточно велики из-за высокой цены на алюминиевую катанку; низкая стойкость продувочных кислородных фурм (менее 2.. .4 плавок). 

Сравнительные показатели электродугового и химического 
способов нагрева приведены в табл. 1. 

Таблица 1 

Сравнительные показатели электродугового 
и химического способов нагрева 

Показатели 

Скорость нагрева, °С/мин 
Повышение температуры 
АГ,°С 

Т е п л о в о й к.п.д. (Лтепл) 
Расход электроэнергии, 
кВт • ч/т 

Расход материалов, кг/т 

Капитальные вложения 
Чистота металла по неметаллическим включениям 

Увеличение себестоимости 
1 т стали (1 кВт -4 = 1 руб) 

Электродуговой 
нагрев (ПК) 

3 - 5 

Пе ограничено 
(обычно 40 - 80) 

0,40 - 0,50 
Па 1 т стали 
20-30 

Электроды 
0,2 - 0,5 
Большие 

Хорошая 

1 руб. • 25 кВт • ч = 

= 25 руб / т 

Химический 
подогрев 

3-5,5 

30-70 

0,90 

Па1кгА1«20 

Алюминий 1 кг/т 
(0,1 %) 
Большие 

Возможно наличие 
корунда в металле 
40 руб/т при цене 

1 кг А1 катанки 

40 руб. 

11 

2. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ 
НАСОСОВ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ 

Одной из основных операций при внепечной обработке стали 
является обработка металла в вакууме, что обеспечивает прежде всего существенное удаление водорода (до 70...80%), азота (до 
15...25 %) и при определенных условиях глубокое обезуглероживание металла (до 0,005 % С при производстве стали типа IF). 

Существуют различные способы обработки металла в вакууме, однако основными в настоящее время являются [4]: 

- 
порционная вакуумная обработка (DH-процесс); 

- 
циркуляционная обработка в вакууме (RH-процесс); 

- 
обработка металла вакуумом в ковше при одновременной 
продувке расплава аргоном (VD) или аргоном снизу и кислородом сверху (VD - ОВ-процесс). 

Процесс вакуумной обработки стали необходимо провести в 
достаточно короткий промежуток времени, что связано прежде всего 
с существенными потерями температуры металла в процессе вакуумирования, составляющими 1,8...2,5 °С/мин, в зависимости от вместимости ковша и температуры предварительного нагрева футеровки 
ковшей и вакуумных камер [4]. 

Операция по вакуумной обработке стали при любом из перечисленных способов состоит из двух этапов: 

- 
I этап - набор рабочего разряжения в вакуумной камере 
путем откачки воздуха из нее, т.е. создания рабочего вакуума. Величина рабочего вакуума должна составлять около 1,0 мбар (10"^ ат или 
0,76 мм рт. ст.); 

- 
II этап - проведение непосредственно процесса вакуумирования расплава при достигнутом рабочем разрежении, т.е. удаление газов из металла. При этом расчетная производительность вакуумных насосов должна быть такой, чтобы обеспечить набор рабочего 
разрежения, как правило, в течение не более 5 мин, а в процессе вакуумирования - обеспечить удаление подаваемого для интенсификации процесса инертного газа (аргона), а также всех удаляемых в процессе вакуумирования газов - водорода, азота и оксида углерода (в 
случае проведения глубокого обезуглероживания расплава). 

Производительность вакуумной системы принято выражать в 
килограммах сухого воздуха в единицу времени (кг/ч). 

12