8.8. Нагрівання сталі у ковші при атмосферному тиску

Компенсація теплових втрат, пов'язаних з позапічною обробкою сталі, може бути за­безпечена за рахунок перегрівання металу в сталеплавильному агрегаті або спеціальним підігрівом на установці «ківш-піч» (за кордоном процес LF - «Ladle Furnace- - ківш-піч). Вважається, що підігрів металу на установці «ківш-піч» має переваги при необхідності пе­регріву металу на випуску на 70-75°С і більше.

Застосування установки «ківш-піч» в технологічному ланцюгу виробництва якісних ма­рок сталі дозволяє зменшити теплове навантаження сталеплавильного агрегату і підвищи­ти його продуктивність. При цьому помітно знижується знос вогнетривкої кладки конвер­тера або електропечі. Як правило, на установці «ківш-піч» не лише здійснюють підігрів, але й проводять доведення рідкої сталі, включаючи обробку шлаком. Одночасно стабілізується температура розливання сталі, підвищується точність попадання в заданий хімічний склад і ступінь засвоєння легуючих.

В процесі «ківш-піч» застосовують електродуговий підігрів металу при атмосферному тиску. Перемішування сталі ведеться продувкою аргоном, який подається через пористу вставку у днищі ковша (рис. 8.58) або через верхню заглибну фурму.

Порівняно із звичайними електродуговими печами потужність установок «піч-ківш» значно менша. Швидкість нагрівання металу - 2-6 град/хв.

У процесі важливим є здійснення реакцій між розплавленим металом і відновним шлаком в атмосфері з низьким кисневим потенціалом. Тому, з метою підтримки відновних умов, графітові електроди занурюють у шар шлаку відносно великої товщини (кількість шлаку складає 2-8% від маси сталі). На установці в процесі обробки передбачається вве­дення феросплавів або кускових шлакоутворюючих матеріалів. Можливе вдування порошкоподібних реагентів. Підчас роботи установки на ківш встановлюється водоохолод-жувальне склепіння (кришка), через яке і проходять графітові електроди.

На початку нагрівання у ківш присаджують феросплави, потім додають шлакоутворюючі, доводячи товщину шлаку до необхідної для роботи із закритими дугами. Після утворення шлакового покриву, графік нагрівання звичай­но передбачає підвищення електричної потуж­ності і мінімальну тривалість доведення. Як уже наголошувалося, на стенді «ківш-піч», за ра­хунок підтримання низького кисневого потен­ціалу шлаку, регулювання його складу і при­мусового перемішування рідкої сталі здійсню­ють глибоку десульфурацію металу.

Поширення одержують установки «ківш-піч», що працюють на постійному струмі. Електрична схема такої установки виконана на двоелектродному принципі.

Електричний ланцюг замикають робочий електрод (катод) і занурений нижче шлако­вого пояса витратний електрод (анод).

В якості анода можна використовувати блюм (наприклад, розміром 200x200 мм) або

графітовий електрод. Регулювання положення електродів проводиться автоматично. Гли­бина занурення в розплав анода 100 мм.

Порівняно з установками «ківш-піч» змінного струму на нових стендах збільшується швидкість нагрівання металу, знижуються витрати електродів, зменшується знос вогнетри­вів ковша. Значно менший загальний рівень шуму.

Завдяки симетричному, відносно робочого, розташуванню контактних електродів, за­нурених у шлак, дуга горить вертикально від катода до металевої ванни, що забезпечує рівномірний розподіл тепла порівняно з роботою ковша-пічі на змінному струмі. Крім того, існує можливість більш гнучкого контролю довжини дуги з меншим ризиком навуглецьову-вання металу.

Як правило, використання установки «ківш-піч» характерне в киснево-конвертерних і електросталеплавильних цехах, де вимоги до якості сталі передбачають вакуумну обробку металу. Присадки легуючих матеріалів дозволяють регулювати хімічний склад сталі, а вве­дення їх у відносно великій кількості забезпечується компенсацією теплових втрат на стен­ді «ківш-піч».

На ряді заводів застосовується нагрівання металу в ковші плазмовими пальниками (плаз­мотронами). Плазмовий нагрівач з одним чи кількома плазмовими пальниками встановлюється на футерованій кришці. Плазмова дуга запалюється за допомогою графітового електрода. Паль­ники розташовуються під кутом 60° до поверхні ванни. Потужність дуги легко варіюється в межах 1-5,5 МВт, що забезпечує нагрівання металу зі швидкістю до 3 град/хв. Середній час обробки на такій установці - до 40 хе. Необхідно відзначити, що плазмове нагрівання не чинить істотного впливу на хімічний склад сталі протягом усього періоду обробки.

Як уже наголошувалося, нагрівання сталі можна виконувати хімічним методом - шляхом спалювання алюмінію або кремнію газоподібним киснем, що вдувається через фурму.

8.9. Комплексні технології і критерії вибору ті і:і и іч и пі обробки сталі

Широкомасштабне використання установок для позапічної обробки сталі, подальші розробки нових процесів і технологій створили для виробничників досить складні умови вибору для своїх цілей найбільш придатної схеми вторинної обробки металу.

Разом з тим, очевидні критерії вибору дозволяють у великій мірі визначитись з необ­хідними технологіями і установками найбільш доцільної вторинної обробки сталі.

Перш за все, це металургійні критерії, пов'язані з температурними можливостями об­робки, необхідністю дегазації, модифікації неметалевих включень, легування та ін.

Розглядаючи температурні аспекти технологічної схеми, передусім, визначаються з мож­ливостями додаткового нагрівання сталі поза сталеплавильним агрегатом. Останнє дозволяє компенсувати теплові втрати при позапічній обробці при більш тривалому витримуванні сталі в ковші, крім того, знизити температуру металу на випуску із конвертерного агрегату.

Дегазація, як і зневуглецьовування металу з метою отримання сталі з особливо низь­ким вмістом вуглецю, передбачають, передусім, застосування вакуумної обробки. При цьо­му вибір установки вакуумування може бути пов'язаний не лише з металургійними параме­трами.

Для десульфурації металу слід, безперечно, мати на увазі виконання наступних умов: низький кисневий потенціал в металі і шлаку, основна футеровка, адекватна температура, забезпечення інтенсивного перемішування ванни.

Легування металу в процесах позапічної обробки дозволяє одержати точне попадання в заданий інтервал вмісту легуючого компонента в поєднанні з підвищенням ступеня засво­єння легуючої добавки.

В табл. 8.5 наведено засвоєння легуючих матеріалів при різних способах позапічноТ обробки. С -урах-уванням наведених, даних, слід чекати підвищення виходу рідкої сталі при легуванні металу порошковим проводом при використанні установок «ківш-піч» і вакуум­них. Наступним кроком можна розглядати розподіл технологій і установок вторинної мета­лургії на ковшеві і конвертерного типу, а подальшим - на процеси при атмосферному або при зниженому тиску (під вакуумом).

Таблиця 8.5

Засвоєння легуючих матеріалів при різних способах позапічної обробки, %

	Засвоєння у ковші	Ківш-піч	Циркуляційне вакуумування	Інша вакуумна леї а за ці я	Порошковий провід
С	60-80	75	97	85	100
Мп	80-85	92	100	95-98	100
Si	75-95	90	95	95	100
Cr	90-95	90-95	100	95-98	100
Ті	60	60	75	65	90
В	70	70	90	90	80
Nb	75	75	95	95
AI					90-100

Ковшова обробка передбачає наявність необхідного вільного простору ковша. Табли­ця 8.6 ілюструє мінімальний вільний простір, необхідний для різних процесів позапічної обробки у ковші.

Якщо необхідний вільний простір не забезпечується, ніяка ковшева обробка не про­водиться, а як альтернативу розглядають більш дорогі конвертерні процеси або, напри­клад, циркуляційне вакуумування сталі.

Збільшення вільного борту ковша можна досягати скороченням маси плавки, нарощу­ванням висоти ковша. Безумовно, виходом з положення є установка нових ковшів більшої ємності зі зміненою конструкцією.

Таблиця 8.6

Мінімальний вільний борт ковша при різних способах позапічної обробки

Процеси	Мінімальний вільний борт (мм)
Циркуляційне вакуумування	50
Ківш-піч	300
Вакуумна дегазація	500
УАО	500
УСЮ	1000
Підігрів дугою з перемішуванням	300-500

У всіх випадках позапічної обробки необхідно передбачати перемішування металу. Частіше останнє забезпечується продувкою інертним газом через пористу вставку або верх­ню заглибну продувну фурму, рідше - електромагнітним перемішуванням.

При вирішенні практичних задач, у кожному конкретному випадку вибір способу поза­пічної обробки визначається вимогами до якості і властивостей сталі, особливостями тех­нологічного устаткування, умовами розливання.

При цьому складні задачі вторинної обробки можуть вирішуватись у двох напрямах:

- на основі модульної системи, при якій окремі операції здійснюються на різному устатку­ванні в процесі послідовного транспортування до них ковша з оброблюваним металом;

- на основі універсальної системи, що поєднує кілька видів позапічної обробки в неру­хомому ковші; при цьому пристрої позапічної обробки можуть поперемінно транспортува­тися до ковша з оброблюваним металом або об'єднуватись в один агрегат, що дозволить одночасно здійснювати кілька видів обробки.

Основна перевага першої системи полягає в тому, що можуть використовуватись не всі модулі, які входять у систему, а лише ті, які необхідні для досягнення потрібного резуль­тату.

Перевагою універсальної системи є можливість значного скорочення загальної трива­лості позапічної обробки. С цією ж метою і при модульній системі широко використовують поєднання операцій, необхідних для вирішення конкретних практичних задач.

Досить повний комплекс засобів позапічного рафінування використовується в кисне­во-конвертерному цеху № 2 заводу фірми «Ніппон кокан» у Фукуямі в універсальному про­цесі NK-AP(Nippon Kokan Arc Process - процес із дуговим нагріванням фірми «Ніппон ко­кан»).

Основою комплексу є багатофункціональна установка «ківш-піч», що дозволяє гнучко ви­користовувати різноманітні прийоми, в залежності від вимог до сталі, що виплавляється.

Варіант рафінування, впроваджений у конвертерному цеху, передбачає обробку пла­вок масою 120-265 т у ковші внутрішнім діаметром 3940 мм з нагріванням електричною дугою. Ківш накривають водоохолоджуваною кришкою, через яку пропущено три електро­ди діаметром 367 мм. Потужність трансформатора - 40 MB.А, напруга на вторинній обмотці 335-535 В. Температура металу усереднюється в обсязі ковша шляхом перемішування га­зом, що вдувається зверху (інтенсивність - 0,4-0,8 м3/хв.). Для введення легуючих і флюсів є дев'ять (шість і три відповідно) бункерів із системами дозаторів і жолобів. Феросплави вводять в нейтральній атмосфері, для чого через водоохолоджувану кришку у ківш подають аргон.

Через склепіння проходять дві занурювані фурми - вертикальна для перемішування металу аргоном або азотом в процесі нагрівання і похила - для вдування десульфуратора (силікокальцію) у струмені аргону. Шлак можна повністю або частково скачувати і відновлювати для підвищення ступеня засвоєння легуючих і отримання ультранизького вмісту фосфору. Шлак видаляється вакуумним відсмоктуючим пристро­єм. Керування нагріванням автоматизоване і здій­снюється залежно від температури металу і до­бавок легуючих.

Схема установки наведена на рис. 8.59.

Послідовність і набір операцій можуть змі­нюватися в широких межах залежно від вимог, що пред'являються до сталі, яка виплавляється (табл. 8.7).

Тривалість обробки залежить від застосову­ваних операцій: тривалість підігріву і легування -менше ЗО хв., десульфурації - менше 50 хв., де­фосфорації - 15 хв.

Типові приклади виробництва сталі з ультра-низьким смістом сірки методами NK-AP і звичайним з десульфурацією наведені на рис 8.60. Сталь, що піддається NK-AP-обробці, випускають з конвертера з температурою, на 78°С нижчою, ніж звичайна, в процесі випуску у ківш присаджують випалене ва­пно (2-5 кг/т) і синтетичний шлак. Після видалення

Таблиця 8.7

Варіанти рафінування сталі

Характеристика сталі	Варіант обробки	Послідовність операцій позапічної обробки від випуску з конвертера до розливання на МБЛЗ	Тривалість обробки, хв.
3 низьким вмістом водню	1	Нагрівання, вакуумування	15-30
3 дуже низьким вмістом сірки (для трубопроводів, по яких транспортується газ з високим вмістом Н2)	2	Вакуумування, нагрівання і десульфурація	Не більше 50
Низьковуглецева розкислена алюмінієм з вузькими межами хімічного складу	3	Скачування шлаку, нагрівання і легування	Не більше 30
3 дуже низьким вмістом сірки і фосфору, яка задовольняє особливим вимогам по ударній в'язкості при негативній темпера­турі	4	Дефосфорація до 0.002 -0,003% і нагрівання, вакуумування, повторне нагрівання, десульфурація до 0,001%	60 - 70%

Рис. 8.60. Технологічна схема процесу NK-АР і зміна температури сталі (пунктирна лінія - без нагрівання у ковші; суцільна лінія - з нагріванням)

водню і розкислення на циркуляційному вакууматорі сталь передають на установку ковшового підігріву. Обробка включає нагрівання, десульфурацію і точне легування. Нагрівання здійсню-сть заглибленою у шлак дугою при вторинній напрузі 385-435 В і струмі 40-50 кА. При нагріван­ні для перемішування металу додають аргон у кількості 0,4-0,6 м3/хв. Під час десульфурації -тенсивно перемішують шлак і метал шляхом вдування 1,8-2 м3/хв. аргону через спеціальну Т-подібну фурму, відмінну від фурми, яка подає газ при нагріванні. Інтенсивне вдування аргону продовжується 15 хв.

В процесі легування кількість аргону, що вдувається, зменшують до 0,8 м3/хв.; феро­сплави вводять на вільну від шлаку поверхню металу. Після введення феросплавів для за­побігання насичення сталі азотом і підвищення засвоєння легуючих через водоохолоджува­чу фурму вдувають аргон в кількості 1 м3/хв.

При використанні ЫК-АР-обробки температура металу, що випускається з конвертера, може бути на 70-80°С нижча, ніж при обробці на циркуляційному вакууматорі з подальшою десульфурацією. Швидкість нагрівання в ковшевій печі - в межах 3,5-4,5°С/хв, що забезпечує досягнення необхідних температур металу за порівняно короткий час.