Разработка технологии выплавки и внепечной обработки стали в современном конвертерном цехе. Методические указания к курсовому проектированию по дисцип

3091

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра металлургии

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ И ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ В СОВРЕМЕННОМ КОНВЕРТЕРНОМ ЦЕХЕ

Методические указания к курсовому проектированию

по дисциплине «Внепечная обработка стали»

А.Н. Роготовский Т.В. Кравченко А.А. Шипельников

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

УДК 669.18 (07)

Р598

Рецензент – В.Г. Михайлов, канд. техн. наук, доц.

Роготовский, А.Н.

Р598 Разработка технологии выплавки и внепечной обработки стали в современном конвертерном цехе [Текст]: метод. указ. к курсовому проектированию по дисциплине «Внепечная обработка стали» /

А.Н. Роготовский, Т.В. Кравченко, А.А. Шипельников. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2014. – 45 с.

Рассмотрены различные варианты расчетов кислородно-конвертерной плавки, процессов подготовки жидкого чугуна к выплавке высококачественной стали, обработки металла в сталеразливочном ковше.

Предназначены для студентов направления 150400 «Металлургия» профиля подготовки «Металлургия черных металлов», изучающих дисциплину

«Внепечная обработка стали».

Табл. 1. Ил. 6. Библиогр.: 11 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014

2

3

Современная техника предъявляет все более высокие требования к качеству стали. В тех случаях, когда проведение операций, обеспечивающих требуемое качество металла, непосредственно в самом агрегате связано с потерей его производительности и недостаточно эффективно, операции переносят в ковш или во вспомогательную емкость. Проведение технологических операций вне плавильного агрегата называют вторичной металлургией. Основную цель вторичной металлургии можно сформулировать как осуществление ряда технологических операций быстрее и эффективнее по сравнению с решением аналогичных задач в обычных сталеплавильных агрегатах.

Быстрое распространение внепечной обработки в широких масштабах объясняется рядом причин:

1.Распространением метода непрерывной разливки стали, который, в свою очередь, для высокопроизводительной работы установок требует точного (и

стандартного от плавки к плавке) регулирования температуры и химического состава металла.

2.Непрерывно увеличивающиеся масштабы производства сталей ответственного назначения, которые трудно получить при обычной технологии плавки.

3.Возрастающими масштабами производства сталей и сплавов с особо низким содержанием углерода.

4.Повышением требований к качеству рядовых сталей, выплавляемых в конвертерах.

5.Определенную роль в распространении новых методов вторичной металлургии играет и то обстоятельство, что эти методы позволяют коренным образом изменять структуру и тип потребляемых ферросплавов и раскислителей

всторону существенного снижения требований к их составу и соответствующего их удешевления.

6.Наличие в цехе агрегатов, в которых осуществляется внепечная

обработка стали, позволяет сократить (или вообще исключить) проведение

4

периода доводки в собственно сталеплавильных агрегатах. Соответственно возрастает производительность этих агрегатов, снижается расход огнеупоров,

топлива, электроэнергии.

7. Современные методы внепечной обработки позволяют получать сталь с очень малым («ультранизким») содержанием углерода (<0,003%) и азота

(<0,003%). В результате стало возможным появление нового класса сталей – IF-

сталей (от англ. Interstitial Free Steels).

Уникальные свойства IF-сталей предопределили их быстрое и повсеместное распространение (особенно – в автомобилестроении).

В нашей стране производство IF-сталей организует Новолипецкий металлургический комбинат.

Методы внепечной обработки могут быть условно разделены на простые

(обработка металла одним способом) и комбинированные (обработка металла несколькими способами одновременно).

К простым методам относятся:

1)обработка металла вакуумом;

2)продувка инертным газом;

3)обработка металла синтетическим шлаком в ковше;

4)введение реагентов в глубь металла;

5)продувка порошкообразными материалами.

Основными недостатками перечисленных простых способов обработки металла являются:

1)необходимость перегрева жидкого металла в плавильном агрегате для компенсации снижения температуры металла при обработке в ковше;

2)ограниченность воздействия на металл (только десульфурация или только дегазация и т.п.).

Наилучшие результаты воздействия на качество металла достигаются при использовании комбинированных способов, когда в одном или нескольких последовательно расположенных агрегатах осуществляется ряд операций. Для

5

их осуществления оказывается необходимым усложнять конструкцию ковша и использовать более сложное оборудование.

Несмотря на многоплановость задач, стоящих при решении проблемы повышения качества металла методами вторичной металлургии, используемые при этом технологические приемы немногочисленны и сводятся к интенсификации следующих процессов:

1.Взаимодействия металла с жидким шлаком или твердыми шлакообразующими материалами (интенсивное перемешивание специальной мешалкой, продувкой газом, вдуванием твердых шлакообразующих материалов непосредственно в массу металла, электромагнитное перемешивание).

2.Газовыделения (обработка металла вакуумом или продувка инертным

газом).

3.Взаимодействия с вводимыми в ванну материалами для раскисления и легирования.

Внепечная обработка металла комбинированными методами может производиться:

1) в обычном сталеразливочном ковше с футеровкой из шамота и с вертикальным стопором;

2) в сталеразливочном ковше с футеровкой из основных высоко-

огнеупорных материалов и стопором шиберного типа;

3)в сталеразливочном ковше, снабженном крышкой;

4)в сталеразливочном ковше, оборудованном для вдувания газа или газопорошковой струи снизу через смонтированные в днище устройства;

5)в агрегате печь-ковш с крышкой (сводом), через которую опущены электроды, нагревающие металл в процессе его обработки;

6)в агрегате типа конвертера с продувкой металла кислородом, аргоном,

паром;

7) в агрегате типа конвертера, снабженном оборудованием для

вакуумирования расплава.

6

1. Комбинированные (комплексные) методы внепечной обработки

По мере совершенствования простых методов внепечной обработки получают развитие комбинированные (комплексные) методы. Это развитие идет по пути или комбинации нескольких «простых» методов, или создания новых агрегатов с комплексной обработкой стали (АКОС), или превращения «простых» методов в комплексные.

Рис. 1. Схема последовательной обработки стали вначале на установке с вдуванием кальцийсодержащих материалов, затем на установке циркуляционного вакуумирования

Пример решения проблемы по первому пути показан на рис. 1, когда необходимо использовать метод вакуумирования, организуют последовательную обработку металла вначале на установке с вдуванием кальцийсодержащих материалов (раскисление и удаление серы), затем на вакуумной установке (дегазация).

7

В случае необходимости получения низкоуглеродистых сталей (например,

коррозионностойких, жаропрочных и др.) широко используют комбинирование вакуумной обработки с аргоно-кислородной продувкой.

Пример решения по второму пути – создание агрегатов, получивших название ковш-печь, или LF. Процесс LF проводится в ковше, футерованном основными огнеупорами, накрываемом крышкой, через которую опускают электроды (рис. 2). Процесс включает перемешивание металла продувкой аргоном в ковше, дуговой подогрев и обработку металла синтетическим шлаком в процессе его перемешивания аргоном. Процесс обеспечивает не только получение заданного химического состава и температуры металла, но и снижение количества неметаллических включений в результате удаления серы и кислорода [1-4].

Рис. 2. Установка типа ковш-печь:

1 – шиберный затвор; 2 – тележка; 3 – основной шлак; 4 – смотровое окно;

5 – электроды; 6 – бункеры для хранения легирующих добавок; 7 – инертная атмосфера внутри печи; 8 – нагрев погруженной дугой; 9 – ковш; 10 – жидкая сталь; 11 – пористая пробка для подачи аргона

8

На рис. 3 показан вариант установки типа ковш-печь, предусматривающий возможность перемешивания металла аргоном под слоем синтетического шлака,

вдувание порошкообразных реагентов и подогрев расплава одновременно.

Рис. 3. Схема установки ковш-печь типа АР (Arc-Process):

1 – ковш; 2 – крышка-свод; 3 – бункера для ферросплавов и флюсов; 4 – фурма для подачи в металл аргона или азота; 5 – электроды; 6 – подача аргона;

7 – фурма для вдувания порошка силикокальция в струе аргона;

8 – безокислительная атмосфера; 9 – шлак CaO-SiO2-А12О3

Агрегаты ковш-печь работают как на переменном, так и на постоянном токе. На рис. 4 показаны примерные схемы работы агрегатов LF на постоянном токе. По схеме рис. 4, а нагрев ванны происходит через шлак. По такой схеме работает крупная (160 т емкости) установка внепечной обработки стали в конвертерном цехе НЛМК. В качестве примера превращения «простого» метода в комплексный можно привести пример трансформации агрегата циркуляционного вакуумирования (RH).

Первым этапом усложнения процесса явилось дополнительное введение кислорода в вакуумную камеру с целью интенсификации обезуглероживания и дополнительного подогрева металла (рис. 4, а). Далее для подогрева металла в процессе его обработки начали использовать метод подачи в вакуум-камеру

9

алюминия (в виде проволоки или в виде гранул) с последующим окислением его вдуванием кислорода (при протекании реакции 4А1 + ЗО2 = 2А12О3 + Q

выделяется большое количество тепла) [1-4].

Дальнейшее усложнение – подача сверху из бункера непосредственно в вакуум-камеру или снизу в подающий патрубок шлакообразующих материалов

(обычно десульфурирующих смесей на базе СаО-CaF2); вариант такой технологии получил наименование VOF-процесс (англ. Vacuum-Oxygen-Flux Process).

Инертный газ

Рис. 4. Схема установки ковш-печь постоянного тока: а – без подового электрода (1 – ковш; 2 – свод; 3 – электроды; 4 – шлак; 5 – пористая пробка);

б– с подовым электродом (1,2 – электроды; 3 – шлак; I – к вакуумной системе;

II– ввод добавок и флюсов)

На рис. 5, в показана применяемая схема дополнительной подачи кислорода и аргона непосредственно в камеру вакууматора. Такая схема позволяет эффективно использовать вводимый в камеру алюминий для подогрева собственно металла, позволяет контролировать и регулировать температуру металла (меняя соотношение О2 /Аr) и образовывать в камере зоны интенсивного кипения и перемешивания металла. Это дает возможность, меняя

10