Доводка стали в ковше: эффективный технологический элемент управления качеством металлопродукции
В последние два десятилетия все более выраженной тенденцией является комплексное повышение требований к качеству стали, что планомерно осуществляется на ведущих металлургических предприятиях мира. Причем прогресс в области методов доводки стали обусловил возможность создания технологий для принципиально новых марок сталей, используемых в различных отраслях машиностроения. В большинстве случаев выдвигаемая потребителями задача обеспечения необходимого уровня свойств металлопродукции решается металлургами в первую очередь за счет достижения высокой степени рафинирования металла.
Возможность осуществления глубокого рафинирования не менее актуальна и для производителей стали массового сортамента. Это связано прежде всего с необходимостью обеспечения высокого уровня технологических свойств расплава, позволяющих проводить разливку на современных машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
3
Вне печи
Доводка стали в ковше: эффективный
технологический элемент управления качеством металлопродукции
В последние
два десятилетия все более выраженной тенденцией является комплексное повышение
требований к качеству стали, что планомерно осуществляется на ведущих
металлургических предприятиях мира. Причем прогресс в области методов доводки
стали обусловил возможность создания технологий для принципиально новых марок
сталей, используемых в различных отраслях машиностроения. В большинстве случаев
выдвигаемая потребителями задача обеспечения необходимого уровня свойств
металлопродукции решается металлургами в первую очередь за счет достижения
высокой степени рафинирования металла.
list 36.0pt’>·
достижение
стабильного качества жидкой стали, уровень которого определяется как технологическими,
так и потребительскими свойствами; left;text-indent:-18.0pt;line-height:normal;mso-list:l3 level1 lfo6;tab-stops:
list 36.0pt’>·
оптимизация
технологии дальнейшей термомеханической обработки заготовки для получения заданных
свойств изделий при минимальных материальных, энергетических и временных
затратах для технологической цепочки в целом.
Историческая необходимость
В настоящее время агрегатами типа «ковш-печь» оснащено свыше
400 электросталеплавильных цехов мини-заводов и более 100 конвертерных цехов
заводов с полным циклом. Характерно, что эти агрегаты сооружены в различное
время в цехах с различной стратегией функционирования и развития. Соответственно,
они имеют отличные друг от друга производственные показатели, которые не всегда
корректно сравнивать с показателями других аналогичных агрегатов. Поэтому, на
наш взгляд, для системного анализа эффективности работы конкретных агрегатов
целесообразно классифицировать известные «ковши-печи» на 8 определенных групп,
которые учитывают внешние (макросреда) и внутренние (технологическая система)
условия функционирования и развития.
(Украина)»,
Молдавского металлургического завода и завода Huta Czestochova (Польша). Также
нельзя не учитывать, что в последние годы на территории СНГ появилось еще
несколько мини-заводов с построением, которое характерно для группы 1, а
именно: Новороссийский электрометаллургический завод, ООО «Новоросметалл»,
Фроловский электросталелитейный завод ЗАО «Волга-Фест», JSC Baku Steel Co и др.
Режим работы агрегатов «ковш-печь» на этих предприятиях соответствует
технологической цикличности разливки стали на МНЛЗ.
2, как правило, используют на
мини-заводах (ЭСПЦ), которые были построены более 15 лет назад, т.е. во
времена, когда длительность электроплавки составляла 2-3 часа. В этом случае одной из главных
функций агрегата «ковш-печь» является совмещение работы двух дуговых печей и
МНЛЗ с целью обеспечения серийности разливки. По существу, это означает, что
перед началом разливки на МНЛЗ создается резерв жидкого металла (1-2 ковша).
Поэтому достаточно часто металл может находиться в ковше 3-4 часа и более, что
существенно усложняет условия работы футеровки ковшей и снижает ее стойкость.
Кроме того, с целью уменьшения длительности нахождения металла в печи сталь
выпускается с достаточно низкой температурой, что требует последующего
интенсивного и длительного подогрева ее в ковше. Это, в свою очередь, повышает
скорость износа шлакового пояса в силу высокой температуры и агрессивности
шлака.
их функционирования в структуре мини-заводов со стратегией фиксации
определенного сегмента рынка т. е. – выпуска качественной продукции вполне конкретного
назначения (группа 3 и 4). Для таких «ковшей-печей» расширяются задачи по
рафинированию и доводке стали по химическому составу. Очень часто в
технологическую цепь производства заготовки включается операция вакуумирования,
что предполагает увеличение времени пребывания стали в ковше в среднем на 30-40
минут и дополнительные потери тепла (на 40-60 °С). Компенсация потерь тепла
осуществляется за счет подогрева металла в установке «ковш-печь».
Сравнивая условия эксплуатации ковша
для группы 1 и группы 3 необходимо отметить, что в последнем случае
длительность пребывания металла в ковше может возрастать примерно в 2 раза при
увеличении нагрузки на огнеупоры шлакового пояса. «Ковши-печи» группы 3
эксплуатируются, например, в электросталеплавильном цехе №2 Белорусского
металлургического завода и на Волжском трубном заводе.
Иногда в технологической структуре
цехов группы 3 предусматривается также разливка стали в слитки, используемые
затем для получения качественной заготовки для машиностроения. Примером этого
можно считать технологическое построение завода Georgsmarienhütte (Германия), который имеет в своем
составе 130-дуговую сталеплавильную печь, агрегат «ковш-печь», вакууматор,
4-ручьевую блюмовую МНЛЗ и разливку стали в слитки массой 4,5-38 т.
Отличия в
работе «ковшей-печей» группы 4 от группы 3 в основном аналогичны отличиям
«ковшей-печей» группы 2 от группы 1. Примером эксплуатации агрегатов внепечной
обработки группы 4 может быть Оскольский электрометаллургический комбинат,
имеющий в своем составе 4 ДСП, 2 «ковша-печи» и 2 вакууматора DH, а также 4-блюмовых МНЛЗ. Такое же технологическое
построение широко используется и для мини-заводов, демонстрирующих малые объемы
производства стали. Имеется в виду ДП «Завод утяжеленных бурильных и ведущих
труб» СМНПО им. Фрунзе (г. Сумы). В его состав входят две 18-тонные ДСП,
«ковш-печь» типа ASEA-SKF, блюмовая МНЛЗ и разливка в слитки; предприятие
производит до 80 тыс.т стали в год. Еще один пример – металлургический завод в
г. Никшич (Черногория), имеющий в составе две 50-тонные ДСП, «ковш-печь» типа ASEA-SKF, сортовую МНЛЗ
и разливку в слитки (производит до 180 тыс.т стали в год).
немногочисленную категорию, поскольку расположены в мартеновских цехах
металлургических заводов, которые сохранились в Украине и России. Практически все
эти металлургические предприятия соответствуют концепции мини-завода со
стратегией фиксации определенного сегмента рынка, а мартеновские печи работают
скрап-процессом. Так, ОАО «Нижнеднепровский трубопрокатный завод» и ОАО
«Выксунский металлургический завод» имеют в своем составе по 2-4 мартеновских
печи, «ковш-печь», вакууматор и разливают сталь в слитки. Агрегатами
«ковш-печь» оснащены также мартеновские цехи ОАО «Донецкий металлургический
завод» и ОАО «Таганрогский металлургический завод».
Для работы
установок внепечной обработки стали в таких условиях характерна неритмичность
цикла эксплуатации ковшей, а также практически полное отсутствие эффективной
системы отсечки печного шлака, что снижает возможность рафинирования стали и
повышает скорость износа огнеупоров в шлаковом поясе. Кроме того, «ковш-печь» в
мартеновском цехе нередко работает в режиме параллельной обработки металла в
двух сталеразливочных ковшах.
мини-завода со стратегией специализации производства (группа 6 и
7), т.е. выпуска высококачественной уникальной продукции. Обычно такие
мини-заводы имеют небольшие объемы производства (10-50 тыс.т стали в год) и не
должны соответствовать требованиям высокой удельной производительности
сталеплавильных агрегатов и «ковшей-печей». В любом случае в технологическом
построении мини-завода имеется, по меньшей мере, одна установка для вакуумной
обработки стали. Кроме того, сложный сортамент выплавляемой стали
предопределяет увеличение цикла нахождения металла в установке «ковш-печь»,
поскольку расширяется спектр операций по легированию, рафинированию и
модифицированию металла.
Примером
«ковша-печи» группы 6 с определенной степенью допущений и перспектив
модернизации может служить установка внепечной обработки сталеплавильного цеха
ЗАО «Камасталь». А «ковши-печи» группы 7 применяются на электрометаллургическом
заводе ОАО «Днепроспецсталь» или в ЭСПЦ-3 Челябинского металлургического завода
(ОАО «Мечел»). Эти агрегаты имеют небольшие объемы ковшей (соответственно 50 т
и 15 т) и обеспечивают получение стали специального назначения при разливке в
слитки разной массы. Между тем при работе таких «ковшей-печей» происходит
повышенный износ футеровки в зоне шлакового пояса, что объясняется значительным
перегревом шлака и близким расположением электродов по отношению к огнеупорному
слою.
сталеплавильных цехах крупных заводов тяжелого и энергетического
машиностроения. Для этих агрегатов характерно появление дополнительной
функции: сбор металла из нескольких плавильных агрегатов и накопление большого
количества металла для отливки крупных и сверхкрупных слитков. Примером работы
такого агрегата является «ковш-печь» АО «Новокраматорский машиностроительный
завод». Эта установка имеет три типоразмера ковша (30 т, 60 т, 90 т) и
позволяет собирать металл из трех плавильных агрегатов. Следует особо отметить,
что время пребывания металла в ковше при такой схеме работы составляет 60-360
мин., что существенно влияет на стойкость футеровки ковшей.
Агрегаты
«ковш-печь» группы 8 крайне немногочисленны, и их работа в технологическом
цикле с мартеновскими печами объясняется, главным образом, незавершенностью
модернизации металлургического производства. В будущем следует ожидать, что в
таких цехах мартеновские печи будут заменены на эквивалентные по объему
дуговые.
Безусловно,
предлагаемая классификация «ковшей-печей» носит в некотором плане условный
характер. На конкретном металлургическом заводе данный агрегат может
одновременно выполнять функции, характерные для нескольких групп одновременно.
Вероятно, в этом случае следует просто говорить о той или иной степени
универсальности «ковша-печи».
В целом же функциональная эффективность
данных агрегатов может существенно отличаться в зависимости от стратегии завода
и структуры металлургического производства. Это, соответственно, определяет
круг требований к отдельным параметрам внепечной обработки и огнеупорам,
используемым в ковшах (в зависимости от длительности пребывания металла в ковше
и требуемого уровня качества стали).
зависимости от технологической структуры сталеплавильного цеха
mso-border-alt:solid windowtext .5pt;mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt;
mso-border-insideh:.5pt solid windowtext;mso-border-insidev:.5pt solid windowtext’>
технологическое построение
металла в ковше, мин.
●
●
(●)
легированные
●
(●)
мартеновская печь; (●) – возможное наличие или отсутствие заданной
позиции
Приведенное в таблице сравнение позволяет
сделать вывод о том, что основная совокупность рабочих и эксплуатационных
параметров агрегатов «ковш-печь», задействованных на различных предприятиях,
достаточно близка. А
некоторые колебания параметров агрегатов находятся в прямой взаимосвязи только с работой конкретного сталеплавильного цеха.
Вместе с тем статистическая обработка значений энергетических параметров
129 промышленных агрегатов типа «ковш-печь», построенных в период с 1989 по
2002гг. компаниями SMS Demag и VAI-FuchsСредняя удельная установленная
мощность трансформатора агрегатов «ковш-печь» снижается с 0,30 до 0,14
МВА/т по мере увеличения массы стали в ковше от 20 до 400 т. При этом
скорость нагрева металла в ковше также уменьшается с 5-6 °С/мин. до 3,5-4,0 °С/мин. соответственно, что вызвано
сокращением потерь тепла в более крупных ковшах.
трансформатора 80% агрегатов рассмотренной выборки имеет отклонения от
средней величины не более 20%, что, несомненно, вызвано особенностями
условий эксплуатации.
мощности печного трансформатора (менее чем на 20% от средней) позволяет
минимизировать износ ковшевых огнеупоров и характерна прежде всего для
двухпозиционных установок, работающих в условиях ритмичной подачи ковша с
запасом времени на нагрев. Так, из пяти установок SMS
Demag, имеющих
пониженную мощность, три – двухпозиционные.
на 20% от средней), как правило, имеют агрегаты внепечного нагрева для
производства специальных марок стали. Все четыре установки SMS Demag,
которые попали в эту группу, применяют в качественной металлургии, где
необходимо проводить перегрев расплава перед вакуумированием. В условиях
высокой цены металлопродукции и приоритета потребительских свойств металла
задача экономии огнеупоров в таких условиях может быть отодвинута на
второй план.
mso-border-left-alt:solid windowtext .5pt;mso-border-top-alt:1.5pt;
mso-border-left-alt:.5pt;mso-border-bottom-alt:1.5pt;mso-border-right-alt:
.5pt;mso-border-color-alt:windowtext;mso-border-style-alt:solid;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt’>
normal’> [ДМЗ]
mso-border-left-alt:solid windowtext .5pt;mso-border-top-alt:1.5pt;
mso-border-left-alt:.5pt;mso-border-bottom-alt:1.5pt;mso-border-right-alt:
.5pt;mso-border-color-alt:windowtext;mso-border-style-alt:solid;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt’>
normal’>[
mso-border-left-alt:solid windowtext .5pt;mso-border-top-alt:1.5pt;
mso-border-left-alt:.5pt;mso-border-bottom-alt:1.5pt;mso-border-right-alt:
.5pt;mso-border-color-alt:windowtext;mso-border-style-alt:solid;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt’>
[ЕМЗ]
(нагрев)
Не просто вакуум
Практика
использования агрегатов дегазации стали получает все большее распространение
Технологические
процессы вакуумирования (дегазации) стали вносят весомый вклад в повышение
качества металлопродукции. Их использование позволяет добиться особо низкого
содержания вредных примесей в готовом металле, как-то:
а для некоторых марок стали, например трубной, – ниже 0,003%);
флокеночувствительных – ниже 1,5-2
рр normal’>ррm для
электростали и 20 рр
стали с ультранизким содержанием углерода).
Сегодня востребованность
в указанных марках стали возрастает, а значит, увеличивается доля применения
агрегатов вакуумирования в металлургическом производстве. В последние годы только в Украине
введены в эксплуатацию четыре вакууматора камерного типа.
В последние годы благодаря значительному прогрессу в области вакуумной
техники и ковшевой металлургии существенно
расширились технические и технологические возможности ковшевого вакуумирования,
в частности камерных вакууматоров. Технология камерного вакуумирования
параллельно с дегазацией обеспечивает интенсивное проведение реакций между шлаком и металлом, что благоприятствует таким
металлургическим процессам, как десульфурация и удаление неметаллических включений
из стали. При этом в отличие, например, от циркуляционного вакууматора, высокая
чистота металла может быть уже достигнута в ходе
одного технологического этапа.
Способ камерного вакуумирования
имеет более широкие технологические возможности рафинирования
стали под вакуумом, простую конструкцию и требует меньших капитальных
затрат. В зависимости от решаемых задач технологические варианты ковшевого
вакуумирования позволяют эффективно рафинировать расплав на любой стадии
внепечной обработки. Кроме того, объем работ по обслуживанию камерного вакууматора
минимален, а процесс обработки достаточно надежно контролируем и управляем.
Опыт работы ряда отечественных и
зарубежных металлургических заводов доказал высокую эффективность применения
одно- и двухкамерных вакууматоров для внепечной обработки стали. При этом, согласно экспертному прогнозу, к завершению текущего десятилетия объем
вакуумируемой стали (по сравнению с 1999г.) возрастет более чем в 3 раза и
составит около 15-18% в общем объеме произведенной стали.