Алексей Смирнов, Владимир Сафонов, Донецкий национальный технический университет
Техновакуум
Алексей Смирнов, Владимир Сафонов, Донецкий национальный технический университет
Применение процессов дегазации стали с учетом конкретных задач метпроизводства и отработанных промышленных методов
В современной практике выпуска широкого спектра марок стали вакуумная обработка (дегазация) является неотъемлемым интегрированным звеном технологического процесса на прогрессивном метпредприятии. Это требование все более диктует рынок – из года в год потребность промышленности в вакуумированной стали растет, что увеличивает долю применения агрегатов дегазации в металлургическом производстве.
Сама технология вакуумирования стали в последние десятилетия непрерывно эволюционировала. Основная составляющая этого процесса – решение таких стратегических задач металлургического бизнеса, как соответствие производства все более ужесточающимся требованиям к металлопродукции и системное снижение производственных издержек. В результате, в настоящее время предпочтения отдается двум основным промышленным вариантам вакуумирования расплава в сталеразливочном ковше.
Столповые методы технологии
Современные промышленные способы вакуумирования расплава разделяются на две группы:
• обработка в едином цикле всей массы металла в сталеразливочном ковше, который помещают в специальную вакуумную камеру (камерный вакууматор VD);
• непрерывное вакуумирование потока расплава в специальной вакуумкамере с двумя погруженными в сталеразливочный ковш патрубками, в один из которых вводят инертный газ для организации контура циркуляции (циркуляционный вакууматор RH).
Вакууматоры VD и RH могут быть оснащены средствами для организации глубокого обезуглероживания расплава под вакуумом. В этом случае процессы именуются как VD/VOD и RH-TOP соответственно.
Вакуумирование стали в ковше (VD) является наиболее простым и надежным способом вакуумной обработки жидкого металла. Такой обработке подвергают как нераскисленную, так и раскисленную сталь. Для повышения эффективности вакуумирования применяют перемешивание расплава инертным газом через донные продувочные пробки сталеразливочного ковша. Это необходимо, поскольку пузырьки аргона, барботирующие расплав, в значительной мере способствуют ускорению хода реакций обезуглероживания и дегазации. Кроме того, пневматическое перемешивание обеспечивает усиление взаимодействия высокоосновного рафинировочного шлака с металлом, что благоприятствует десульфурации стали и удалению азота. Благодаря этому конечный результат в камерном вакууматоре достигается в ходе одной технологической стадии.
В то же время распространение получили и циркуляционные вакууматоры (типа RH). Эти агрегаты предоставляют возможности для более полного и быстрого обезуглероживания расплава стали. Последнее выражается в сокращении продолжительности обработки (на 7-10 мин), уменьшении температурных потерь и достижении более низкой концентрации углерода в сравнении с VD/ VOD. Кроме того, отсутствие интенсивного взаимодействия с рафинировочным шлаком сталеразливочного ковша оказывается полезным при выплавке особо чистых марок стали типа IF.
Таким образом, в зависимости от спектра качественных характеристик стали, которые необходимо получить, следует применять тот или иной способ вакуумной обработки. При этом, однако, нужно учитывать конструктивные особенности агрегата и экономические показатели процесса.
Агрегатные особенности
1. Камерное (ковшовое) вакуумирование. В состав камерной установки для вакуумирования стали в ковше (VD) входят:
• вакуумкамера (чаще стационарная),
• накатная крышка,
• система дозирования и подачи сыпучих материалов,
• вакуумпровод,
• высокопроизводительные вакуумные насосы и АСУ ТП.
В корпусе вакуумкамеры, которая футерована огнеупорным кирпичом, имеется стенд для размещения сталеразливочного ковша. Корпус оборудован отверстием-мембраной с термодатчиком для аварийного слива стали, соединительным патрубоком вакуумпровода, а также системой подачи азота при разгерметизации. Верхний торец вакуум-камеры имеет уплотнитель для обеспечения надежной герметизации. На рабочей площадке вакууматора устанавливают трайб-аппарат.
Крышка вакуумкамеры установлена на транспортной тележке и может вертикально перемещаться с помощью гидропривода. Для проведения обработки ста-леразливочный ковш с помощью мостового крана помещают в вакуумкамеру. Крышку вакууматора с помощью тележки транспортируют к камере и устанавливают на ней. С помощью вакуумных насосов создают необходимое разрежение и проводят необходимые технологические операции.
2. Циркуляционный метод. Конструктивное исполнение циркуляционного вакууматора может быть двух типов: с вертикальным перемещением вакуумкамеры или сталеразливочного ковша.
В состав установки RH входит:
• вакуумкамера с вакуумпроводом,
• вакуумные насосы,
• механизм перемещения вакуумкамеры (ковша),
• система дозирования и ввода добавок, а также АСУ ТП.
(Иногда вакуумную камеру устанавливают на транспортной тележке для перемещения между рабочим положением и позицией готовности к вакуумной обработке. Над сталеразливочным ковшом в рабочей позиции размещают манипуляторы для отбора проб и измерения температуры, а также трайб-аппарат. Кроме того, вакуумкамера может быть оснащена системой визуального контроля процесса вакуумной обработки.)
Корпус вакууматора – цилиндрический (объемом до 300-350 м3) с двумя патрубками в нижней части. Внутренняя поверхность корпуса футерована специальным огнеупорным кирпичом. Циркуляционные патрубки имеют дополнительную футеровку с внешней стороны. Входной патрубок оснащен системой сопел для подачи инертного транспортирующего газа.
Агрегаты RH-TOP имеют водоохлаждаемую фурму для продувки стали кислородом, которую вертикально сверху вводят в корпус вакуумкамеры через специальные уплотнители. Новые установки RH-TOP оснащают многофункциональной фурмой. Помимо вдувания кислорода и дожигания СО, с ее помощью можно проводить нагрев футеровки вакуум-камеры, замерять ее температуру и контролировать состояние, а также удалять настыли.
При необходимости перед вакууми-рованием проводят нагрев вакуумкамеры. После откачки воздуха из вакуумпровода подъемник приподнимает ковш до тех пор, пока патрубки не окажутся на уровне ниже борта ковша, после чего включают подачу на сопел несущего газа. Затем погружные патрубки опускают в металл, после чего открывается вакуумклапан.
Давление снижают с помощью вакуумных насосов, за счет чего металл поднимается в вакуумкамеру. Подача несущего газа через один из погружных патрубков обеспечивает циркуляцию металла. По достижении необходимого давления в вакуумкамере проводят соответствующие технологические операции.
Следует отметить, что для приведенных выше двух типов вакууматров существуют ограничения по массе обрабатываемой стали. Так, минимальная вместимость ковша для RH-агрегата составляет около 80 т, а максимальная для VD-установки – 300 т. При этом на установке ковшевого вакуумирования необходимо иметь свободный борт сталеразливочного ковша высотой до 600 мм, а в отдельных случаях – до 1000 мм вследствие возможного подъема уровня расплава в ходе вакуумирования.
Важнейший конструктивный элемент
Для создания вакуума независимо от типа вакууматора чаще всего применяют пароэжекторные вакуумные насосы, которыми можно откачивать газы, в т.ч. агрессивные и загрязненные механическими примесями, без установки специальных фильтров. Эти насосы не содержат движущихся частей, поэтому их работа весьма надежна, а срок службы практически не ограничен. Они просты в управлении и могут работать как от автономных парогенераторных установок, так и на отработанном паре ТЭЦ и котельных.
Масса насосов даже самой большой производительности относительно невелика, они компактны, не требуют мощных фундаментов. Отдельные элементы насоса могут быть закреплены на стенах и колоннах здания цеха, поэтому занимаемая ими полезная площадь невелика. К тому же изготовление таких насосов не требует дорогостоящих материалов.
Часто для снижения эксплуатационных издержек систему пароэжекторных насосов дополняют двумя-четырьмя параллельно работающими водокольцевыми вакуумными насосами.
А в условиях мини-завода в некоторых случаях является весьма рациональным применение механических вакуумных насосов, так как для их работы не требуется сооружение парогенератора, который, в свою очередь, является довольно энергоемким агрегатом. Вместе с тем система механических насосов чувствительна к пыли и температуре, что вызывает необходимость подвергать очистке и охлаждать газ на выходе из вакуумкамеры. Кроме того, механические насосы требуют организации отдельной системы обслуживания и ремонта.
Схема компоновки вакуумных агрегатов в сталеплавильном цехе определяется объемом и сортаментом вакуумируемой стали, химическим составом жидкого полупродукта, необходимостью выполнения ряда других технологических операций по маршруту внепечной обработки, а также возможностью размещения того или иного типа оборудования.
Так, например, с учетом ограничений в производственных площадях при реконструкции цеха установить камерный вакууматор проще, чем циркуляционный. При этом для обеспечения высокой производительности и снижения капитальных затрат возможны следующие варианты компоновки оборудования с одной системой вакуумных насосов:
• однокамерный вакууматор;
• двухкамерный вакууматор с одной крышкой;
• двухкамерный вакууматор с двумя крышками.
А в новых кислородно-конвертерных цехах, где продолжительность цикла плавки не превышает 25-35 мин., предпочтение отдают следующим вариантам:
• циркуляционный вакууматор;
• сдвоенный циркуляционный вакууматор с одной системой вакуумных насосов;
Возможны и другие варианты. Например, в ЭСПЦ Белорусского металлургического завода с одной системой вакуумных насосов успешно работают камерный и циркуляционный агрегаты с шиберным переключением.
Отметим, что в настоящее время некоторые металлургические компании, например, Posco in Gwandgyang, в стремлении занять в долгосрочной перспективе лидирующую позицию на рынке плоского проката сверхнизкоуглеродистой стали с суммарным содержанием примесей не более 100 ррm начинают применять технологическую схему «кислородный конвертер – RH – VD – МНЛЗ». Это позволяет после обработки металла в агрегате RH получать полупродукт с весьма низким содержанием углерода и азота, а затем на установке VD проводить глубокую десульфурацию под вакуумом.
Сравнение методов: основные преимущества и недостатки
Учитывая вышеизложенное, необходимо отметить, что производительность однокамерной установки VD на 50% ниже установки RH, но она на 50% дешевле (стоимость типового вакууматора ковшевого типа сегодня составляет порядка € 6-10 млн. в зависимости от вместимости ковша и конструкции установки). При этом производительность двухкамерной установки VD примерно одинакова с установкой RH. Двухкамерная установка VD с одной крышкой дороже установки RH на 20%, а с двумя крышками – на 40%. Между тем установка RH требует значительно больших удельных расходов на текущее обслуживание – например, ремонт футеровки погружаемых в расплав патрубков.
При более продолжительном цикле обезуглероживания процесс VD/VOD является простым и надежным способом вакуумной обработки жидкого металла. Оборудование камерного (ковшового) вакууматора не контактирует с жидкой сталью, значит, не требует специальных огнеупоров для футеровки камер. На стойкость огнеупоров здесь не влияет периодичность применения, что особенно важно при возможных простоях оборудования. Во многом благодаря этим обстоятельствам ковшовые вакууматоры сегодня распространены больше, чем агрегаты циркуляционного вакуумирования стали (около 65% построенных с 1990г. вакууматоров относятся к типу VD).
Установки RH получили развитие и успешно эксплуатируются на крупных заводах, имеющих плавильные агрегаты большой вместимости и высокой производительности. Вероятно, это связано с возможностью стабилизации в узких пределах технологических параметров при производстве стали массового сортамента, что позволяет жестко регламентировать, например, высоту налива стали в ковше и толщину шлака.
Более высокая скорость процесса обезуглероживания в циркуляционном ваку-уматоре способствует предпочтительному его применению при производстве стали IF со сверхнизким содержанием углерода (менее 30 ppm) и позволяет завершить цикл обработки в течение от 26 (Thyssen Krupp Stahl, 265 т) до 35 мин (EKO Stahl, 240 т). Вместе с тем на величине общей производительности агрегата RН существенным образом сказывается продолжительность технического обслуживания.
В зависимости от физико-химических свойств ковшового шлака и технологических параметров обработки, а также применяемого оборудования такое обслуживание занимает от 20 до 60 мин. После обработки 60-150 плавок погружные патрубки нуждаются в замене. После каждых 2-3 кампаний погружных патрубков требуется производить замену вакуумкаме-ры из-за износа огнеупорной кладки ее нижней части. Вследствие этого на передовых металлургических заводах Германии средний годовой цикл вакуумирования стали в агрегате RH составляет от 53 (Thyssen Krupp Stahl, 2640000 т/год) до 70 мин. (EKO Stahl, 1800000 т/год).
Кроме того, данному способу присущи повышенные удельные затраты на обработку и содержание. Они могут быть связаны с расходом огнеупоров, энергоносителей для подогрева камеры, значительным снижением температуры металла в ходе вакуумирования и проч.
Этапы развития технологии
Первые сведения из истории внедрения технологии дегазации стали относятся далекому 1893г., когда на заводе германской компании Bochumer Verein была опробована разливка стали под вакуумом. А первый продукт по этой технологии получили в Бельгии, где в 1914г. вакуумировали 2,5 т плавки.
Промышленные эксперименты по вакуумной обработке проводили в 1932-1935гг. на заводах Skoda в Чехии. А собственно промышленное применения различных методов вакуумирования стали начали практиковать с 1950-х гг. в ряде стран. В Советском Союзе (разработка промтехнологии начата была в 1940г.) ковшовое вакуумирование применили в 1952г. на Енакиевском металлургическом заводе в Донбассе.
Основная идея первых промышленных способов базировалась на повышении скорости массообменных процессов в металле под вакуумом путем активизации
реакции окисления углерода. Очевидно, что такой подход имел серьезные технические и технологические ограничения. Например, ковшовое вакуумирование могло быть эффективно только при наличии условий интенсивного перемешивания всего объема расплава, что невозможно было реализовать в глубоком сталеразливоч-ном ковше из-за высокого ферростатического давления. Недостатки ковшового вакуумирования решали путем продувки металла аргоном и гелием (1958г., Германия и 1959г., США) или с помощью электромагнитного перемешивания (1962г., Германия и США).
В последнем десятилетии ХХ века в мире введены в эксплуатацию 119 агрегатов вакуумирования стали. Представители немецкой компании SMS Меvac отмечают, что более 50% новых вакуумных установок эксплуатируют в Азии. Так, например, за последние десять лет общий объем вакуумированной стали
в Китае увеличился с 3,5 до 18,6 млн.т/год. На сегодняшний день в этой стране работают или находятся в стадии сооружения около 20 вакууматоров.
До 1990г. на металлургических заводах Украины были сооружены вакууматоры различных типов на меткомбинате «Азовсталь» (DH, кислородно-конвертерный цех), Донецком метзаводе (DH, электросталеплавильный цех), Краматорском заводе «Энергомашспецсталь» (RH, электросталеплавильный цех), Мариупольском машзаводе «Азовмаш» и Сумском заводе им. Фрунзе (на обоих в составе установки ASEA-SKF в электросталеплавильном цехе). В большинстве своем эти агрегаты выведены из эксплуатации и демонтированы.
После кризиса 1990-х годов на украинских заводах построены и введены в эксплуатацию пять вакууматоров камерного типа.
Главное в технологической концепции вакуумирования стали
Основная идея технологии вакуумной обработки стали исходит из термодинамической возможности смещения равновесия химических реакций в сторону выделения газообразных продуктов в результате снижения атмосферного давления. Прежде всего, это относится к растворенному в стали водороду, азоту, а также кислороду. При этом в результате химической реакции с углеродом кислород выделяется из расплава в виде СО и СО2, обеспечивая наряду с раскислением обезуглероживание стали.
Данное обстоятельство представляет особый интерес при производстве стали с особо низкой концентрацией углерода, а также высокохромистых низкоуглеродистых сплавов. В последнем случае вакуу-мирование позволяет избежать чрезмерно высокого перегрева расплава, необходимого для достижения низких концентраций углерода и снижения окисления хрома при атмосферном давлении. При производстве стали с особо низкой концентрацией углерода растворенного в расплаве кислорода не достаточно для проведения глубокого обезуглероживания. Поэтому его вводят в металл под вакуумом через специальную кислородную фурму.
Газообразные продукты реакции окисления углерода выделяются в глубинных слоях расплава и облегчают экстракцию растворенного в металле водорода и азота. Вместе с тем способ вакуумирования нераскисленной и полураскисленной стали не гарантирует получение низкого содержания газов в готовой продукции в силу ряда причин. Одна из них заключается в том, что после окончания вакуумной обработки, как правило, требуется проведение раскисления, легирования и десульфурации. Таким образом, если главной задачей вакуумирования является удаление из металла водорода и азота, то вакуумной обработке подвергают глубоко раскисленную сталь непосредственно перед разливкой.
Для обеспечения достаточной площади поверхности раздела взаимодействующих фаз вакуумную обработку раскисленной стали совмещают с продувкой расплава инертным газом. При этом следует отметить, что под вакуумом достижим принципиально новый количественный результат пневматического перемешивания металла инертным газом, так как величина мощности перемешивания при снижении давления до практически достижимых в вакуумной камере значений увеличивается в четыре-пять раз. Следует отметить, что при атмосферном давлении такая величина мощности перемешивания практически недостижима.
Таким образом, в зависимости от решаемых задач разнообразные технологические варианты ковшового вакуумирования стали позволяют эффективно рафинировать расплав на любой стадии внепечной обработки.