Проектирование цехов сталеплавильного производства


                ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕХОВ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА





Учебник



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















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 669.18.013(075.8)
ББК 34.327я7
     П80



Авторы:
К. Н. Вдовин, В. Ф. Мысик, В. В. Точилкин, Н. А. Чиченев

Рецензенты:
главный научный сотрудник ФГБУ «Институт металлургии» Уральского отделения РАН доктор технических наук О. Ю. Шешуков; заведующий кафедрой проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
доктор технических наук, профессор А. Г. Корчунов



П80      Проектирование цехов сталеплавильного производства:
     учебник / [К. Н. Вдовин и др.]. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 528 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0522-5

     Изложены основные положения по проектированию сталеплавильных цехов, даны материалы по выбору и расчету основного сталеплавильного оборудования, элементов МНЛЗ, приведены отдельные справочные данные. Рассмотрены схемы применения металлургических машин в сталеплавильных цехах. Представлены вопросы конструирования металлургических машин сталеплавильного производства, рассмотрены элементы оборудования внепечной обработки, машин непрерывного литья заготовок, их отдельных элементов: кристаллизаторов, промежуточных ковшей, сталеразливочных ковшей, систем гидравлического привода машин сталеплавильного производства.
     Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия».

УДК 669.18.013(075.8)
ББК 34.327я7






ISBN 978-5-9729-0522-5

© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

    Список сокращений


ДЦ - доменный цех;
СЦ - сталеплавильный цех;
МЦ - мартеновский цех;
ККЦ - кислородно-конвертерный цех;
ЭСПЦ - электросталеплавильный цех;
ОПЛ - отделение подготовки лома;
МО - миксерное отделение;
ВПО - отделение внепечной обработки стали;
МНЛЗ - машина непрерывного литья заготовок;
ОНРС - отделение непрерывной разливки стали;
ШО - шихтовое отделение;
К - кристаллизатор;
СРК - сталеразливочный ковш;
ПК - промежуточный ковш;
ЗВО - зона вторичного охлаждения;
АКОС - агрегат комплексной обработки стали

3

            СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.............................................7
Глава 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ЦЕХОВ................................................9
     1.1. Существующие технологии и способы переработки железосодержащего сырья....................9
     1.2. Принципы и технология проектирования СЦ и оборудования металлургических машин...... 14
     1.3. Общая характеристика сталеплавильных цехов.29
     1.4. Автоматизированный комплекс цехов сталеплавильного производства. Направления его развития...............................33
Глава 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБОРУДОВАНИЕ ККЦ .... 39
     2.1. Проектирование ККЦ........................39
     2.2. Расчет и конструирование оборудования ККЦ.75
Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБОРУДОВАНИЕ ЭСПЦ ... 96
     3.1. Дуговые сталеплавильные печи..............96
     3.2. Особенности технологии плавки и работы современных ДСП.......................... 124
     3.3. Проектирование комплекса ЭСПЦ........... 133
Глава 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ .................... 147
Глава 5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ДОЛИ ШЛАКА В СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОМ КОВШЕ.......................... 191
     5.1. Оборудование для отсечки первичного шлака.. 191
     5.2. Оборудование для отсечки конечного шлака... 193
     5.3. Оборудование для отсечки шлака манипуляторами........................... 199
Глава 6. ОБОРУДОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОГО КОВША........................... 212
     6.1. Сталеразливочные ковши.................. 212
     6.2. Оборудование для замены СРК ............ 217
     6.3. Устройства для защиты струи металла......220
     6.4. Гидравлические системы стенда для замены СРК........................... 226
     6.5. Транспортирование СРК................... 228

4

Глава 7. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗЛИВКИ СТАЛИ И ОБОРУДОВАНИЕ МНЛЗ............... 231
     7.1. Этапы развития процессов и оборудования непрерывного литья.......................... 231
     7.2. Основные типы машин непрерывного литья заготовок................................... 233
     7.3. Разливка стали на слябовые заготовки... 243
     7.4. Разливка стали на сортовых   МНЛЗ...... 247
     7.5. Общие тенденции развития производства стали с разливкой в МНЛЗ.......................... 252
     7.6. Выбор основных параметров МНЛЗ......... 255
Глава 8. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ ПОДСИСТЕМЫ ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОВША МНЛЗ....................................... 264
     8.1. Элементы и конструкция ПК МНЛЗ......... 264
     8.2. Дозирование стали...................... 271
     8.3. Погружные стаканы...................... 278
     8.4. Рафинирующие устройства ПК............. 279
     8.5. Рекомендации по проектированию элементов в промежуточных ковшах............ 293
     8.6. Оборудование для подготовки ПК..........305
     8.7. Пневматическое оборудование подсистемы ПК-К МНЛЗ с подачей аргона...................312
     8.8. Оборудование для разливки стали из ПК...316
     8.9. Гидравлические схемы подсистемы ПК-К....323
Глава 9. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕХАНИЗМЫ ПОДСИСТЕМЫ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ МНЛЗ............................ 327
     9.1. Конструктивные особенности и параметры работы современных кристаллизаторов..........327
     9.2. Совершенствование конструкции кристаллизаторов.............................339
     9.3. Математичекая модель механизмов качания кристаллизатора..............................341
     9.4. Особенности течения жидкой стали в кристаллизаторе слябовой МНЛЗ..............345
     9.5. Шлакообразующие смеси и особенности их работы в кристаллизаторе..................350
     9.6. Система гидравлического привода кристаллизаторов.............................355
     9.7. Расчет механизмов качания кристаллизаторов.............................357

5

Глава 10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА............ 364
     10.1. Основные положения...................364
     10.2. Узлы и элементы металлургических кранов..387
     10.3. Конструирование и расчет механизмов металлургических кранов....................417
     10.4. Компоновки металлургических кранов...443
Глава 11. МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ЗВО МНЛЗ.........................455
     11.1. Основные элементы ЗВО................455
     11.2. Гидромеханика системы «мягкого» обжатия зоны вторичного охлаждения......................458
     11.3. Тянуще-правильная машина.............473
     11.4. Затравка и устройства для ее перемещения.480
     11.5. Система разделения заготовок на мерные длины......................................486
     11.6. Расчет элементов роликовых проводок..490
     11.7. Системы охлаждения МНЛЗ..............496
     11.8. Транспортное оборудование    МНЛЗ....503
Глава 12. МНЛЗ ДЛЯ РАЗЛИВКИ ТОНКИХ СЛЯБОВ И ЛИТЕЙНО-ПРОКАТНЫЕ МОДУЛИ..................... 508

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................. 518


6

            ВВЕДЕНИЕ



       Повышение эффективности производства металлопродукции во многом зависит от эффективных технологий металлургического производства и, применяемого для их осуществления, механического оборудования. Поэтому подготовка специалистов в области проектирования металлургических цехов и машин является стратегически важной задачей, необходимой для обеспечения национальной безопасности страны. При создании сталеплавильных цехов и металлургических машин требуются специфическое видение, понимание, абстрактное мышление, которое включает:
       1) компоненты некоторого объемно-планировочного представления, прочтение аксонометрического и декартова изображений;
       2) умение представить объект в некотором табличноцифровом виде, в виде модели, описываемой набором показателей, за которыми предполагается ряд технологических и иных решений;
       3) владение отечественными и зарубежными справочнолитературными данными и нормативными материалами, чтобы уметь выделять тенденции развития данного вида техники, возможности технологии производства и использования материалов, изменение объемов спроса на выпускаемую продукцию (марочник и сортамент), экологические и иные ограничения и, наконец;
       4) достаточные знания и представления обо всех частях проекта, которые требуют от технолога учета при определении габаритов, транспортных и иных развязок, стоимости и проч.
       В число задач, к решению которых готовят инженеров-проектировщиков, входят:
       -  выбор технологических процессов, основного и вспомогательного оборудования;
       -  разработка транспортной схемы производства, включая структуру и объемы устройств для межоперационного хранения продуктов;

7

       -  разработка требований и согласование решений по системам и конструкциям, необходимым для обеспечения технологических процессов проектирования заводов просматривались три проектные стадии процесса реализации инвестиций.
       Это, во-первых, так называемые предпроектные решения (стадии), когда изучается необходимость осуществления будущего проекта, анализируется рынок, спрос, условия конкуренции, технические характеристики аналогичных производств и намечаемого проекта, имеющиеся материальные и иные ресурсы.
       Во-вторых, собственно технико-экономические обоснования (ТЭО), включая согласования, оценку проекта, решения об инвестициях как по стоимости проектных работ, так и по глубине проработки и согласованиям. В результате многие решения принимались волюнтаристски. Заключительная стадия проектирования состоит из разработки проектной и конструкторской документации, которая включает детальные вопросы установки каждой единицы оборудования, решение вопросов строительной части, коммуникаций, обеспечения управления. Учебник допущен учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению Металлургия.

8

            ГЛАВА 1



ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ЦЕХОВ



1.1.           Существующие технологии и способы переработки железосодержащего сырья

       Потребность и качество металла определяют потребители. В качестве сырья для производства стали могут использоваться первородное сырье и металлолом, или их совместные различные комбинации. В соответствии с этим идет и развитие технологий по выплавке стали. Рост цен на энергоносители и ухудшение качества сырья заставляет металлургов разрабатывать новые металлургические агрегаты и способы рафинирования стали от вредных примесей, в том числе от цветных металлов. Известно, что одна и та же марка стали, выплавленная с использованием разных шихтовых материалов или выплавленная в различных сталеплавильных агрегатах, отличается своими свойствами.
       В настоящее время используются различные металлургические процессы производства стали. Одна из таких процессов представлен на рис. 1.1.
       По данным журнала «Новости черной металлургии за рубежом», в 2010 году в мире было выплавлено - 1400 млрд т стали и 900 млрд т чугуна. Из этого следует, что было переплавлено более 0,5 млрд т стального лома, т. е. доля вторичного лома в общей шихте составляет ~35 %.
       В России, по данным того же источника, чугуна было произведено примерно 48 млн т, а стали ~67 млн т и доля лома в металлозавалке составила ~ 28 %. Этот показатель ниже среднемирового, что связано с меньшей долей выплавки стали методами электрометаллургии.
       Доля электростали в общем объеме будет увеличиваться. Это связано, прежде всего, с увеличением фонда металлолома, территориальным размещением новых мини-заводов для удовлетворения региональных потребностей, из-за растущих железнодорожных тарифов и по экологическим соображениям. Кроме того, маршрут выплавки металла с использованием дуговых сталеплавильных печей (ДСП) от

9

личается универсальностью, так как возможно применение не амортизационного лома, но жидкого или твердого чугуна и продукта металлизации. Основным сырьем в ближайшей перспективе для таких заводов останется амортизационный лом. Качество лома постоянно снижается из-за накопления в нем примесей цветных металлов.
       В табл. 1.1 приведен типичный состав амортизационного лома, используемого в черной металлургии. Следует отметить, что загрязненность лома зависит от технологий сбора и подготовки лома к плавке и меняется от страны к стране.


        Таблица 1.1
        Типичный химический состав лома, % 10"³

Вид лома              C   Mn  S  P  Cr  Ni Sn Cu 
Старый лом            122 786 45 40 22  52 12 70 
Пакеты 1 категории    82  198 17 33 27  73 90 55 
Измельченный лом      163 178 28 14 44  68 44 298
Дважды измельченный . 330 350 37 25 280 74 10 23 

       С увеличением оборота амортизационного лома, содержание загрязняющих элементов в готовой стали на соответственном в последующем из нее амортизационном ломе и ломе металлообработки повышается и может достичь пределов, когда лом становится непригодным для дальнейшего использования.
       На рис. 1.2 приведены данные накопления неиспользуемого лома при выплавке 1 млрд т стали способами, применяемыми в настоящее время без использования специальных методов очистки лома.
       Расчет накопления неиспользуемого лома: 1 - при условии увеличения содержания загрязняющих примесей в 1,5 раза к 2020 г.; 2 - при условии, что качество лома меняться не будет.
       В настоящее время существует много методов подготовки лома, основными из которых являются:
       -  предварительная обработка лома;
       -  разделка, механическое дробление и сортировка;
       -  криогенное дробление;
       -  автоматизированная сортировка; многократное дробление;
       -  удаление загрязняющих веществ из жидкой стали;
       -  испарение в вакууме - удаление сульфидов, свинца.
       Однако экономически аффективных способов рафинирования лома от загрязняющих элементов пока не разработано. Наибольшее распространение получил шрединг-процесс для получения мелкокус-ковоголома, который при дроблении обеспечивает уменьшение содержания примесей цветных металлов в два раза.

10

Железная руда

Металлофона

агломерат

Кусковая руда

Коксующийся уголь

ока! ыши

флюс

Предварительное восстановление

Воздушное дутье;
Кислород; Природный газ;
Угольная пыль; Мазут.

* Железорудный концентрат

I

флюс

Кусковая руда, ж/р копиейipai

окатыши

уголь

кислород

Corcx / Finex

Кусковая РУДД

ЖСЛ СЗОрудН Ы Й концентрат



П/ газ

Воздушное дутье;

Маршрут жидкий металл/ чугун

уголь

Шахтные Вращающиеся

Печи с кипящим

Переработка м/ло.ма

ККЦ

кислород

металлолом

флюс

ККЦ

печи

печи

ДСП           ДСП
_1______________I

Внепечная обработка стали


Рис. 1.1. Существующие технологические схемы получения жидкой стали

       Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод - в ближайшем будущем может возникнуть дефицит лома, пригодного для переплавки его существующими в настоящее время технологиями.
       Помимо возможного дефицита лома и роста цен на него повышение требований к качеству готового металла ставит задачу использования заменителей лома в сталеплавильном производстве, в первую очередь, первородных компонентов. Пока доля альтернативных источников железа в металлозавалке сталеплавильных агрегатов невелика и составляет примерно 10-12 % от доли переплавляемого лома. Основные факторы, сдерживающие развитие процессов прямого восстановления железа, экономические. Ключевым моментом при этом является соотношение между ценой на сырьевые материалы и энергопотреблением, доля издержек которых в производстве электростали превышает 70 %.
       Губчатое и горячебрикетированное железо являются очень удобными материалами для регулирования уровня содержания остаточных элементов в электростали. Однако если количество материалов прямого восстановления превышает 30 % массы шихты, то расход энергии, необходимой для проведения процесса, увеличивается. Кроме того, если содержание этих материалов в шихте не превышает 40 %, загрузка может осуществляться с помощью эагрузочных корзин. При большем количестве железа прямого восстановления эти материалы вводят посредством системы питания непрерывного действия через отверстие в своде печи. В тех странах, где ресурсы стального лома ограничены, шихта дуговых печей содержит железо прямого восстановления в количестве до 70 % и более.
       Есть способы, когда в шихте дуговых печей используют карбид железа, вдувая его в расплав. Это способствует хорошему вспениванию шлака. Однако высокая стоимость этого вида сырья делает процесс с его использованием экономически невыгодным.
       Важным шихтовым материалом для дуговых печей является чугун, который в печь можно подавать в твердом или в жидком виде. Чугун выполняет роль разубоживателя вредных примесей в расплаве стали и одновременно является науглероживателем.
       Использовать в шихте жидкий чугун выгоднее, так как при этом в печь вносится дополнительное тепло и существенно снижается расход электроэнергии на выплавку стали, увеличивается производительность печи, но растет и расход кислорода на 10-20 м³/т в зависимости от доли заливаемого чугуна.

12

       Источником жидкого чугуна являются доменные печи или специальные агрегаты для выплавки искусственного чугуна (внедо-менный чугун).
       Сейчас проходят промышленное апробирование такие процессы, как «COREX», «FINMET», «ЕАР» и другие, использующие новые решения в производстве стали, включающие подготовку сырья и получение готового продукта чугуна и стали.
       Привлекательно для получения чугуна использование вагранок с кислородным дутьем, так как создаются лучшие условия для переработки загрязненного лома и появляется возможность уменьшить нагрузку при очистке отходящих газов.
       Технико-экономический анализ работы электропечей с использованием жидкого чугуна показывает, что использование жидкого чугуна в шихте электроплавки стали является перспективным в следующих ситуациях: при недостаточности ресурсов металлолома с низким содержанием не удаляемых примесей; при ограниченных ресурсах электроэнергии; при необходимости улучшения показателей работы устаревших печей с недостаточной мощностью трансформаторов; при сооружении мини-заводов в регионах с недостаточными ресурсами металлолома и достаточными запасами железной руды и угля.
       Хотя технологии плавки стали с использованием заменителей железа разработаны, но они пока не совершенны, чтобы стать конкурентоспособными современному процессу производства стали из чугуна доменного передела.
       Выбор технологии получения первичного металла для минизаводов необходимо осуществлять с учетом качественных характеристик готовой продукции, доступности восстановителя, уровня освоения процесса и других показателей.
       Однако следует помнить, что каждая тонна утилизированного лома позволяет экономить 1,5 т железной руды, 0,3 т кокса, 70 % электроэнергии и 40 % воды.

Рис. 1.2. Расчет накопления неиспользуемого лома

13