WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«РАЗРАБОТКА И ОПРОБОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОГО ПОДОГРЕВА СТАЛИ В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЁ ВЛИЯНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИТОЙ И ДЕФОРМИРОВАННОЙ С ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

черной металлургии им. И.П.Бардина

на правах рукописи

ЮСУПОВ ДАМИР ИЛЬДУСОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ОПРОБОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПЛАЗМЕННОГО ПОДОГРЕВА СТАЛИ В ПРОМЕЖУТОЧНОМ



КОВШЕ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЁ

ВЛИЯНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИТОЙ И

ДЕФОРМИРОВАННОЙ СТАЛИ

05.16.02 – «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н. Г.А. Филиппов

Научный консультант:

д. т. н. М.-Э. Х. Исакаев Москва – 2015 Содержание Введение 5 

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СТАЛИ В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ

УНРС 10  1.1.  Роль промежуточного ковша 10  1.2.  Изменение температуры металла в промежуточном при разливке 13  1.3.  Методы регулирования температуры метала в промежуточном ковше 16  1.4.  Обзор существующих установок плазменного подогрева стали в промежуточном ковше УНРС 18  1.5.  Обзор существующих конструкций промежуточных ковшей для плазменного подогрева металла 24  1.6.  Выводы и задачи исследования 29 

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

ПОКАЗАТЕЛИ РАЗЛИВКИ И КАЧЕСТВО НЛЗ В УСЛОВИЯХ ОАО «ММК» 30 

2.1.  Анализ температурных режимов металла в промковше 30  2.2.  Причины возникновения дефектов непрерывнолитых слябов 36  2.3.  Зависимость показателей качества от скорости разливки и температуры металла в промежуточном ковше 39  2.4.  Влияние температурного режима в промежуточном ковше на скорость разливки 43  2.5.  Исследование влияния температурного режима в промежуточном ковше на расход воды 45  2.6.  Исследование влияния температурно

–  –  –

ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ МОДЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ПОДОГРЕВА СТАЛИ В

ПРОМКОВШЕ, ОПРОБОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОДОГРЕВА

МЕТАЛЛА И РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ

ПОДОГРЕВА МЕТАЛЛА В ПРОМКОВШЕ 49 

–  –  –

ГЛАВА 5. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ СТАЛИ, РАЗЛИТОЙ С

ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО ПОДОГРЕВА В ПРОМКОВШЕ 91 

–  –  –

5.8.  Исследование неметаллических включений в стали до и после прокатки 118 

ГЛАВА 6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО

ПОДОГРЕВА ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ УНРС 122 

ВЫВОДЫ 125 

–  –  –

Актуальность темы. Непрерывная разливка стали является наиболее эффективной ресурсо- и энергосберегающей технологией завершающего этапа сталеплавильного производства. Одной из основных задач совершенствования этой технологии является повышение качества непрерывнолитых заготовок (НЛЗ). Во многом это определяется показателями качества жидкого металла, поступающего в кристаллизатор установки непрерывной разливки стали (УНРС): содержанием неметаллических включений, стабильностью химического состава жидкой стали и др. В решении задачи повышения качества жидкой стали важная роль отводится промежуточному ковшу (ПК, промковш). До недавнего времени ПК традиционно рассматривался как промежуточная емкость, устанавливаемая между сталеразливочным ковшом (стальковшом) и кристаллизатором, задачей которой было обеспечение постоянного напора металла, поступающего в кристаллизатор, снабжение и распределение жидкой стали между различными кристаллизаторами установки непрерывной разливки стали с постоянной скоростью. Однако в последнее время все большее внимание стали уделять роли ПК не просто как промежуточной емкости, а как непрерывно действующему реактору, в котором можно осуществлять различные металлургические операции, такие как отделение включений, их флотацию, легирование и нагрев стали, модификацию неметаллических включений, гомогенизацию металла и другие операции.





В результате развития такой концепции в настоящее время получила развитие отдельная область внепечного рафинирования стали, известная как «металлургия промежуточного ковша» [1].

Тем не менее, в УНРС возникают проблемы поддержания температуры в промежуточном ковше, а также существует необходимость выпуска из конвертора стали с повышенной температурой из-за остывания стали в процессе разливки. В существующем производстве используются три наиболее распространенных варианта решения проблемы поддержания температуры: химический, дуговой и индукционный подогрев. Первые два способа влияют на химический состав, а третий требует использования энергозатратного (до 15 кВт·ч/т стали), сложного в эксплуатации и ремонте оборудования [2].

В последние годы возникает всё больший интерес к использованию плазменного нагрева жидкой стали в промковше. Плазменный подогрев металла в промежуточном ковше имеет ряд преимуществ в части достижения оптимальной макроструктуры слитка по сравнению с методом электромагнитного перемешивания и является альтернативой химическому подогреву в сталеплавильном ковше и обработке металла на установке ковш-печь [2].

Технологию плазменного подогрева стали в промковше используют многие зарубежные фирмы: Nucor Steel (США) [3], NIPPON STEEL NKK (Япония) [4], SOLLAC (Франция) [5] и др. Тепловой КПД нагрева генераторами плазмы (плазмотронами) в указанных технологиях варьируется в широких пределах: от 30% до 80%. Нагрев металла обеспечивается излучением плазмы и тепловым потоком в опорных пятнах дуги на поверхности жидкой стали, и при увеличении мощности дуги увеличивается КПД. Типичная длина дуги – 30 см, средний термический КПД – 55%. Эффективность нагрева определяется многими факторами, такими как направление и скорость потоков металла в промежуточном ковше, количество шлака на поверхности металла, скорость разливки, конфигурация промежуточного ковша и его свода, длина и сила тока дуги [2].

Таким образом, актуальной задачей для отечественного научно-промышленного сообщества является разработка собственной технологии плазменного подогрева стали в промежуточном ковше УНРС и оборудования для внедрения данной технологии на металлургических предприятиях страны.

Цель работы – разработка технологии плазменного подогрева стали в промежуточном ковше для повышения качества непрерывнолитой заготовки за счет снижения перегрева металла выше температуры ликвидус и стабилизации температуры металла при разливке, оценка влияния технологии на структуру и свойства литой и деформированной стали.

Научная новизна. В работе получены теоретические, экспериментальные и практические результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. На модельной установке экспериментально определены и обоснованы технологические параметры плазменного подогрева стали в промковше при производительности разливки 5 т/мин: сила тока – 3000 А, напряжение – 270 В, расход аргона – 40 н. м3/ч, длина дуги – 150 мм;

2. Разработано программное обеспечение для автоматизированной системы управления технологическим процессом компенсации теплопотерь металла в промковше и поддержания заданной температуры на протяжении разливки плавки;

3. Впервые показано, что в процессе разливки с применением плазменного подогрева в промковше снижение уровня перегрева стали выше ликвидуса способствует:

уменьшению количества дефектов металла (осевой химической неоднородности – с балла 2 до 1, трещин – с балла 1-1,5 до 0-0,5, точечной неоднородности – с балла 2 до

0) и их более равномерному распределению по сечению непрерывнолитой заготовки;

сужению зоны столбчатых кристаллов на 43% и увеличению зоны равноосных кристаллов;

более равномерному распределению сульфидных включений по сечению сляба и уменьшению размера неметаллических включений с балла 2-3 до 0,5-1;

росту показателей пластичности на 18-20% и выравниванию значений ударной вязкости и прочности по сечению сляба;

увеличению дисперсности микроструктуры по среднему расстоянию между осями дендритов второго порядка в 3-4 раза;

4. Установлено, что тенденция к повышению пластичности и уменьшению разброса значений механических свойств по сечению сляба с уменьшением перегрева стали при разливке сохраняется и после прокатки металла.

Практическая значимость и реализация работы в промышленности

1. Разработана и реализована одна из возможных технологических схем плазменного подогрева стали в промковше без подового анода как наиболее эффективная в условиях УНРС;

2. Разработаны и созданы оригинальные плазмотроны для подогрева стали в промковше;

3. Разработаны и запатентованы три конструкции промежуточных ковшей для плазменного подогрева (патенты на изобретение 2477197, 2478021, 2490089);

4. Разработана временная технологическая инструкция по применению УППС в промковше МНЛЗ №4 в ККЦ ОАО «ММК» ВТИ 101-СТ-ККЦ-99-2011 и временная инструкция по охране труда и о мерах пожарной безопасности при производстве работ с УППС ИОТ 2–3–46–2011;

5. В ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» проведено опытнопромышленное опробование плазменного подогрева в промковше, определены оптимальные параметры работы УППС;

6. Экономическая эффективность применения УППС:

снижение перегрева стали в промковше позволяет увеличить скорость разливки и производительность УНРС на 23%;

применение подогрева для “холодных” плавок позволяет снизить потери при отсортировке (отбраковке) и повысить выход годного металла на 1,05%;

исключение необходимости технологического перегрева стали в плавильном агрегате, что позволяет экономить порядка 4 кВт·ч/т металла.

–  –  –

1. Оптимальные параметры технологического режима подогрева стали, обеспечивающие эффективный нагрев металла и высокую надёжность работы УППС.

2. Компьютерная программа, обеспечивающая автоматизированное регулирование и стабилизацию заданной температуры расплава в промковше.

3. Результаты опытно-промышленного опробования плазменного подогрева стали в промковше:

• технико-экономические показатели процесса;

• степень интегрируемости разработанной технологии в существующее производство.

4. Впервые установленные зависимости показателей качества непрерывнолитой заготовки от величины перегрева стали выше ликвидуса при разливке с применением разработанной технологии:

• показатели пластичности металла;

• разброс показателей пластичности и прочности стали по сечению сляба;

• ширина зон столбчатых кристаллов и зоны равноосных кристаллов;

• равномерность распределения сульфидов по сечению сляба;

• количество дефектов структуры.

Вклад автора

Соискатель активно участвовал в разработке технологии и оборудования установки, проектировании систем обеспечения её работы, проведении опытно-промышленного опробования технологии, лично проводил металлографические исследования, механические испытания, обработку и анализ результатов исследований; принимал участие в подготовке и написании научных публикаций.

Апробация работы Основные положения и результаты работы были представлены на международных и российских конференциях: II и III и IV конференциях молодых специалистов ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» ( Москва, 2010, 2011 и 2012); XII-м Конгрессе сталеплавильщиков (Выкса, 2013); Международной научно-практической конференции «Технология упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (СанктПетербург, 2013); 2-й Всероссийской научной конференции «Механика наноструктурированных материалов и систем» (Москва, 2013); I Международной научнотехнической конференция «Научно-технический прогресс в черной металлургии» (Череповец, 2-4 октября 2013 г.).

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе пять работ – в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено три патента и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка из 75 наименований и трех приложений; изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 107 рисунков и 36 таблиц.

Тема диссертационной работы соответствует тематическим планам научноисследовательских работ ФГУП ЦНИИЧермет им. И.П.Бардина.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., Филиппову Г.А., и консультанту д.т.н., Исакаеву М.-Э.Х., а также сотрудникам Института качественных сталей ФГУП «ЦНИИЧермет им. И.П.Бардина» и отдела 4.2 ОИВТ РАН за помощь в работе и поддержку.

Глава 1. Анализ современного состояния и тенденции развития методов регулирования температуры стали в промежуточном ковше УНРС

1.1. Роль промежуточного ковша Промежуточный ковш, являющийся последней емкостью на пути стали к кристаллизатору, предназначен для приема металла из сталеразливочного ковша и распределения его по кристаллизаторам. При непрерывной разливке наличие промежуточного ковша оправдывается, поскольку через него можно разливать несколько плавок без прекращения разливки при замене сталеразливочных ковшей с одинаковой скоростью непрерывной струей. Устройство и ёмкость промежуточного ковша в значительной мере влияют на стабильность процесса разливки стали и качество непрерывнолитой заготовки.

Поэтому к конструкциям промежуточных ковшей предъявляются требования, которые бы позволили устранить влияние на сталь таких факторов, как повторное окисление, эрозия огнеупоров, появление укороченных путей и застойных зон и др. [6, 7, 8].

Современный промежуточный ковш УНРС является металлургическим агрегатом непрерывного действия, функции которого существенно расширены: помимо стабилизации регулирования процесса разливки, ПК используется для дополнительного рафинирования и легирования металла. В связи с этим ПК бывают оснащены датчиками для контроля теплового и гидродинамического режимов расплавленной стали, а также дополнительными устройствами (перегородки, пороги, турбостоп) в сочетании с продувкой металла аргоном [9, 10].

Оптимальная ёмкость промковша зависит от сечения отливаемых заготовок, производительности разливки, числа ручьёв, требований по всплытию неметаллических включений и т.п. Нельзя не учитывать при выборе ёмкости промковша также время замены сталеразливочного ковша. Для применения на двухручьевых слябовых УНРС ёмкость промковша обычно составляет 45-55 тонн. Однако в последнее время повышение скорости вытягивания непрерывнолитой заготовки приводит к увеличению ёмкости промковша до 60тонн и более [9]. Выбирая ёмкость промковша, необходимо, чтобы было выдержано так называемое «резистентное время» нахождения металла в промковше при разливке (8-10 мин), в течение которого происходит всплытие неметаллических включений из стали [6, 10].

На современных установках сталь заливают в промежуточный ковш через удлиненный погружной стакан с поддувом нейтрального газа. С той же целью, для уменьшения взаимодействия металла с воздухом, а также для теплоизоляции, ковш накрывают крышкой, а на зеркало металла в ковш присаживают флюсы, из которых формируются шлаки умеренной основности, способные абсорбировать продукты раскисления и эффективно препятствовать насыщению стали газами [9].

Футеровку промежуточных ковшей, по результатам исследований последних лет, рекомендуется выполнять из основных огнеупоров с повышенным содержанием CaO, MgO, Al 2 O 3, ZrO 2. Активному удалению неметаллических включений способствуют правильный выбор наклона стенок ковша и расстановки перегородок, продувка металла аргоном через вращающиеся насадки для дробления газовой струи и эффективного перемешивания расплава, рациональное раскисление, в том числе, экзотермическими ферросплавами, дающими жидкие продукты раскисления. Особое внимание уделяют такому новому способу рафинирования металла, как фильтрация включений при пропускании металла через специальные отверстия в перегородках, устанавливаемых во внутренней полости промежуточного ковша [6].

Конструкции промежуточных ковшей УНРС можно разделить на слябовые, блюмовые и сортовые. Последние два вида часто объединяют в одну группу из-за схожести геометрии и технологического оснащения. Слябовые промковши по количеству разливаемых ручьёв подразделяются на одно- и двухручьевые, реже – четырёхручьевые. Количество ручьёв определяется, в первую очередь, требуемой производительностью цеха. Наиболее широкое распространение имеют промковши с одним и двумя ручьями [6].

По технологическим операциям, выполняемым в промежуточных ковшах их можно разделить на два группы [11]:

- промковши, в которых производится рафинирование стали;

- промковши для разливки сверхдлинными сериями (от нескольких десятков плавок) [12].

В промковшах для рафинирования стали устанавливаются дополнительные элементы конструкции (различные пороги и перегородки), которые препятствуют попаданию неметаллических включений в заготовку. Также в данном типе промковшей применяется продувка жидкой стали аргоном, что способствует всплытию крупных неметаллических включений (до 30-50%). Недостатком метода является наличие потоков металла между пологими стенками промковша и аргоновой завесой, которые не подвергаются продувке аргоном. Эти потоки могут переносить неметаллические включения в сторону выпускного отверстия промковша [13].

Промковши для разливки сверхдлинными сериями, которые организуются для минимизации издержек производства, оснащаются огнеупорными элементами, способствующими максимальному повышению ресурса футеровки. Одним из таких элементов является металлоприёмник типа «турбостоп» или «колодец», который устанавливается на дно промковша непосредственно под струёй металла, поступающего из сталеразливочного ковша.

Функция данного устройства состоит в защите места падения струи металла на дне промковша, а также торможения поступающего металла и снижения турбулентности потока [14].

Предложен способ повышения чистоты разливаемого металла посредством его вакуумной обработки в промежуточном ковше. Технология позволяет снизить интенсивность отложения оксидов на погружных стаканах, а также исключает необходимость производить рафинирующую продувку стали аргоном через стопоры или шиберные затворы [15, 16].

Для повышения стабильности процесса разливки за счет снижения разницы в температуре металла, поступающего к отдельным сливным отверстиям можно использовать известный промежуточный ковш многоручьевой машины непрерывного литья заготовок прямоугольного сечения. Его емкость разделена вертикальными перегородками, по меньшей мере, на три раздаточные секции со сливными отверстиями и приемную секцию, при этом вертикальные перегородки расположены между сливными отверстиями у одной из продольных стенок ковша и выполнены шириной, равной 0,5-0,8 от ширины торцевой стенки ковша [16].

С целью повышения качества стали за счет улучшения ее очистки от неметаллических включений, а также повышения стойкости футеровки, используется промежуточный ковш со следующими конструктивными особенностями. Приемная и разливочная камеры в нём разделены перегородкой, в которой выполнены верхний, средний и нижние ряды переливных каналов. Приемник-гаситель струи заливаемого из защитной трубы металла установлен на днище ковша и выполнен в виде стакана с заплечиками. Переливные каналы в перегородке выполнены конусными, причем каналы нижнего и среднего рядов переливных каналов направлены сужением в сторону разливочной камеры, а переливные каналы верхнего ряда – сужением в сторону приемной камеры. В теле перегородки выполнен газоотводящий канал с горизонтальным щелевидным соплом, выходящим в разливочную емкость [18].

Загрузка...

Известен промежуточный ковш для обработки металла при непрерывном литье [19]. Его футерованный корпус и крышка герметично соединены между собой. Промковш снабжён струеобразующим элементом, приемным и сливным патрубками, стопорным устройством и средством для перемещения ковша, причем на дне корпуса выполнен выступ, в котором струеобразующий элемент выполнен в виде разделительной перегородки. Огнеупорная кладка этой перегородки расположена на выступе между боковыми стенками корпуса. Приемный патрубок расположен в крышке ковша с возможностью формирования барометрического феррозатвора. В основании выступа выполнен сливной канал. Выходное отверстие расположено над струеобразующим желобом, выполненным из огнеупорного материала и размещенным на стенке разделительной перегородки. Средства для перемещения ковша выполнены в виде трех гидроподъемников, связанных между собой, с возможностью работы по одному, по два или тремя одновременно для обеспечения сложного пространственного перемещения ковша. Применение данного ковша позволяет повысить производительность УНРС и качество металла за счет увеличения степени вакуумного рафинирования.

С целью повышения стойкости перегородки применялся промежуточный ковш для непрерывной разливки, содержащий футерованный корпус, зону поступления металла из сталеразливочного ковша и погружные стаканы. Между зоной поступления металла и погружными стаканами расположена перегородка. Перегородка выполнена выпуклой и направлена выпуклостью в сторону зоны поступления металла [20].

Приведенные выше известные конструкции промежуточных ковшей для непрерывной разливки стали показывают развитие конструкции ковша (крышка, пороги, перегородки, переливные каналы и пр.), а также различных сопутствующих технологических устройств для таких приёмов, как вакуумирование, продувка инертным газом, нагрев металла и др., предопределяющих повышение качества литой заготовки.

1.2. Изменение температуры металла в промежуточном при разливке Уровень температуры стали в промежуточном ковше влияет на качество непрерывнолитых заготовок и производительность разливки. Слишком малый перегрев разливаемого металла над ликвидусом может стать причиной «замораживания» ручья и незапланированного (аварийного) прекращения разливки. При чрезмерном перегреве приходится уменьшать скорость разливки, в противном случае повышается вероятность прорыва затвердевающей корочки, при этом происходит снижение выхода годного металла.

Обычно каждой марке стали соответствует определённый уровень перегрева над ликвидусом при разливке, при котором достигается оптимальное сочетание качества металла непрерывнолитой заготовки и производительности разливки [21].

В качестве теплоизолирующего свода промежуточного ковша используются крышки с наливной футеровкой или кирпичной кладкой различной конструкции. Главный недостаток подобных крышек промковшей – отслоение материала футеровки во время нагрева промковша и её унос с потоками стали в разливочные стаканы и кристаллизаторы. Из-за описанной проблемы на большинстве производств существует тенденция использовать в качестве крышек промковшей обрезки некондиционных слябов, которые не имеют огнеупорного покрытия и, соответственно, гораздо менее эффективно защищают металл в промковше от потерь тепла [22].

Повсеместно распространено применение шлакообразующих смесей (ШОС) для образования на поверхности металла в промковше защитного покрытия в виде слоя расплавленного шлака, который также ассимилирует всплывающие неметаллические включения. Расход такого защитного покрытия в течение разливки незначителен, но его физико-химические характеристики со временем меняются в результате разрушения футеровки, попадания шлака вместе с потоком металла из сталеразливочного ковша, а также ассимиляции неметаллических включений из жидкой стали [23].

Известным методом является использование в качестве теплоизолятора на поверхности стали состава на основе золы рисовой шелухи. Этот материал, к примеру, применяется на Череповецком металлургическом комбинате «Северсталь», Белорусском металлургическом заводе, ЗАО «ММЗ-ИСТИЛ» (Украина). Установлено, что применение составов на основе золы рисовой шелухи приводит к сокращению в 2-3 раза потерь тепла в промковше по сравнению с использованием для данных целей шлакообразующих смесей на основе синтетических компонентов [24].

Ряд металлургических комбинатов Японии и Германии применяют комбинированное защитное покрытие металла в промковше типа «сэндвич». На зеркало расплавленного металла предварительно засыпают чистый гранулированный магнезит, на который насыпают теплоизолирующий слой из обожжённой рисовой шелухи. Однако высокая стоимость покрытия данного типа определяет его использование, в основном, при разливке высококачественных марок стали [25].

Практика разливки стали из большегрузных сталеразливочных ковшей в течение длительного времени, которое достигает 80-90 мин, показала, что за время разливки средняя температура металла в сталеразливочном ковше существенно снижается, кроме того возникает значительная разница температуры металла по высоте ковша. Значительная разница температуры стали по высоте сталеразливочного ковша и изменение средней температуры стали в сталеразливочном ковше в течение разливки определяют характер изменения температуры стали в промковше. Обычно первые порции металла, поступающего в промежуточный ковш, имеют самую низкую температуру из-за охлаждения у днища и стенок сталеразливочного ковша, что усугубляется также отводом тепла из металла на нагрев промежуточного ковша [26]. В течение первых 15-25 минут после начала поступления металла из сталеразливочного в промежуточный ковш температура металла в нём постепенно увеличивается на 10-15 °С, после чего около 30-40 минут температура практически не меняется [27]. Однако для большегрузных сталеразливочных ковшей отмечается постепенное снижение температуры металла в течение разливки [22].

По другим данным [28] первые два этапа проходят с таким же характером изменения температуры спокойной и кипящей стали в промковше (рисунок 1.2.1), в последней же части разливки происходит снижение температуры на 5-15 °С.

Рисунок 1.2.

1 – Изменение температуры по ходу разливки спокойной (1) и кипящей (2) стали в промежуточном ковше Разница заключается в том, что изменение температуры в промковше по ходу разливки кипящей стали происходит со значительно меньшей амплитудой, что по всей видимости, обусловлено тем, что в сталеразливочном ковше происходит более интенсивная конвекция по сравнению со спокойной сталью, из-за газовыделения в нижних более охлаждённых слоях стали. При этом температура по высоте сталеразливочного ковша распределяется более равномерно.

Недостаточный уровень нагрева металла при непрерывной разливке часто приводит к появлению на поверхности расплава в кристаллизаторе плавающей корочки, которая становится причиной образования на поверхности непрерывнолитой заготовки поясов, плен, заворотов, местных скоплений шлаковых включений по причине ухудшения условий их всплытия, вызывает прихватывание стопоров к седлу разливочного отверстия, образований в разливочном отверстии настылей и т.п. Перегретый же металл может привести к развитию дефектов усадочного характера, а также повышению эрозии огнеупоров [26].

Таким образом, правильность выбора температуры металла в промковше и стабильность температурного режима являются одними из основных условий повышения качества непрерывнолитой заготовки и производительности разливки. Принято считать, что для достижения оптимального качества заготовки и производительности разливки перегрев стали над ликвидусом в промковше должен быть на уровне 25-30 °С [22].

1.3. Методы регулирования температуры метала в промежуточном ковше

Снижение температуры металла в промковше при необходимости осуществляется относительно простыми методами: производится регулирование температуры стали в сталеразливочном ковше (добавкой в ковш скрапа, продувкой инертным газом, погружением в металл стальной болванки и т.п.) [29].

Известна практика применения порошковой проволоки (порошок чистого железа, иногда с алюминием) в промежуточном ковше для охлаждения, дополнительного легирования и модифицирования разливаемой стали. Итальянская компания «Tetni ACCUI Specuir» на заводе в городе Терни провела эксперименты по вводу порошковой проволоки в струю металла через стопор промковша при разливке. В результате отработки режимов ввода проволоки было достигнуто увеличение зоны равноосных кристаллов в поперечном сечении слитка с 17 до 27%. Подавление роста столбчатых кристаллов в данном процессе происходит за счёт искусственного ввода дополнительных центров гетерогенной кристаллизации [30, 31].

Подогрев металла в промковше технологически гораздо сложнее. Существует способ подогрева металла в промежуточном ковше при помощи индукционного нагревателя канального типа (рисунок 1.3.1), позволяющего поддерживать постоянную температуру металла в пределах ±2,5 °С в течение разливки длительностью 120 мин [32].

Рисунок 1.3.

1 – Схема промежуточного ковша с внешним индукционным нагревателем (1 – индуктор, 2 – жидкая сталь, 3 – промковш, 4 – разливочный стакан) Существует погружной индукционный нагреватель [32], который представляет собой погружаемый в сталь керамический стакан с индукционными катушками внутри (рисунок 1.3.2).

Известен опыт применения индукционного промежуточного ковша в Японии на заводе компании Kawasaki Steel, который позволил существенно повысить выход годных заготовок, обеспечив стабильность температуры разливки. Однако, к сожалению, указанная разработка не нашла широкого промышленного применения, что объясняется в первую очередь, несовершенством систем управления расходом стали, основанных на использовании механических устройств – стопоров и шиберов [33].

Рисунок 1.3.2 – Погружаемый индукционный подогреватель

Гораздо реже из-за науглероживания стали применяется дуговой нагрев в промежуточном ковше. Установка для дугового нагрева, представленная на рисунке 1.3.3, содержит две стойки для вертикального перемещения графитовых электродов, подведённых на определённом расстоянии к поверхности подогреваемого металла, печной трансформатор, токоподводящие кабели, шины и систему управления. Подогрев металла производится от двух дуговых столбов, горящих между поверхностью металла и торцами графитовых электродов.

Главным недостатком данного метода является быстрый износ графитовых электродов, что приводит к повышению концентрации углерода в разливаемой стали [34].

Химический подогрев стали при непрерывной разливке производится, как правило, в агрегатах комплексной обработки стали (АКОС) или в сталеразливочных ковшах. При этом производится ввод в расплав определённого количества алюминия (виде катанки посредством трайб-аппарата, чушками с продувкой нейтральным газом либо специальными блоками) и продувка стали кислородом с помощью погружаемой фурмы [35].

Ориентировочные затраты материалов в данном методе:

- алюминий – 2,5-2,6 кг/т стали (1 кг алюминия обеспечивает нагрев 1 т стали на 23-25 °С);

- кислорода – 1 н. м3/т стали;

- дополнительных огнеупоров – 0,1-0,2 кг/т стали.

Рисунок 1.3.

3 – Схема дугового нагрева стали в промковше В экстренных случаях, при возникновении непредвиденных логистических проблем на разливочной площадке (задержка разливки металла из промковша в кристаллизаторы по различным причинам, переохлаждение металла в промковше) химический подогрев применяют и в промежуточном ковше. Для данной цели используют алюминий, а также порошковую проволоку с силикокальцием [22].

Известен способ нагрева металла в сталеразливочном и промежуточном ковшах машины непрерывного литья заготовок с помощью одного или нескольких лазеров, установленных на крышке каждого из ковшей и непрерывно перемещаемых в горизонтальной плоскости [36].

Задачей изобретения является улучшение качества металла и снижение его себестоимости за счет нагрева всего объема металла и устранения необходимости применения дорогого оборудования для индукционного нагрева.

Отдельного внимания заслуживает плазменный подогрев стали в промежуточном ковше при непрерывной разливке.

1.4. Обзор существующих установок плазменного подогрева стали в промежуточном ковше УНРС На сталеплавильном производстве компании «Nucor Steel» в Норфорлке провели подробное исследование колебаний температуры расплава от печь-ковша до кристаллизатора при использовании 50-тонных электропечей и 15-тонных промковшей [37]. При разливке без дополнительного подогрева в промежуточном ковше установили, что для успешной разливки оптимальны следующие параметры:

- настроечная температура в промковше превышает температуру ликвидуса на 30 °С;

- диапазон изменения температуры в промковше: +15 и -10 °С от настроечной температуры;

- перегрев в стальковше – на 30…45 °С выше настроечной температуры.

Однако практика показала, что фактические колебания температуры оказались ещё выше вследствие нестабильной тепловой защиты металла покровным шлаков в промковше, задержек при разливке и выплавки стали и др. факторов [2]. В результате пришли к выводу, что наиболее подходящим решением является динамический нагрев стали в промковше.

Оснащение промежуточного ковша устройством подогрева позволяет уменьшить настроечную температуру стали и вести разливку без опасения выйти за нижнюю границу допустимого температурного диапазона при возникновении непредвиденных ситуаций. Для реализации подогрева стали в промковше выбрали оборудование компании «Plasma Energy», включающее плазмотрон с полой медной электродной вставкой, работающий на постоянном токе обратной полярности. Диаметр использовавшегося плазмотрона – 150 мм, максимальная длина дуги 200-250 мм, сила тока – до 2000 А. В качестве плазмообразующего газа по соображениям экономичности и стабильности горения дуги использовался азот. Управление параметрами работы установки осуществлялось программоконтроллером с использованием пульта управления. Для установки плазмотрона в рабочее положение использовался механизированный подъёмник [3].

По результатам первого этапа испытаний систему подогрева модернизировали [3]:

- упростили подвод потенциала к промковшу, заменив подовый анод на простую стальную токоведущую шину, которую прикрутили к корпусу промковша болтами;

- уменьшили длину плазмотрона, чтобы его можно было извлекать и устанавливать в промковше при нахождении над ним стальковша;

- оснастили установку подогрева системой непрерывного измерения температуры стали компании «Accumetrix», что расширило возможности операторов по контролю температуры стали в промковше и своевременному адекватному регулированию мощности подогрева.

После успешного проведения испытаний системы подогрева настроечную температуру в стальковше снизили на 10 °С, уменьшив на 4 минуты длительность нагрева стали в агрегате ковш-печь. Кроме того, выяснилось, что с экономической точки зрения наибольшую эффективность имеет подогрев в промковше только в течение разливки последних 15-20 т стали, которые оказываются наиболее остывшими. С использованием плазменного подогрева увеличилась точность регулирования температуры стали в промковше с +15/-10 °С до ±5 °С, что способствовало повышению качества непрерывнолитой заготовки [3 и далее по тексту].

Снижение среднего перегрева стали над ликвидусом при разливке привело к повышению на 10-15% средней скорости разливки, при этом время разливки плавки сократилось на ~4 мин.

Наиболее значимый результат применения плазменного подогрева в промковше – успешная разливка холодных плавок. Так за первые два года использования технологии было разлито 40 холодных плавок.

Внедрение новой технологии подогрева также привело к более чёткой синхронизации процедур выплавки и разливки стали за счёт появления возможности не только подогрева стали холодных плавок, но и уменьшения скорости разливки, если возникла непредвиденная задержка на этапе выплавки или рафинирования стали. Зафиксированы случаи вынужденного увеличения продолжительности разливки на время до 30 минут без её остановки и ухудшения качества непрерывнолитой заготовки.

Некоторые марки стали имеют ограничения по содержанию азота. По имеющимся данным [3], что при использовании азота в плазмотронах, подогревающих сталь в промковше, за всё время разливки концентрация азота в стали увеличивается на ~0,0006 %, что является допустимым для большинства выплавляемых в тот период на заводах компании «Nucor Steel»

сталей. Для применения плазменного подогрева при разливке чувствительных к содержанию азота марок сталей компания планирует разработать систему регулирования состава плазмообразующего газа с возможностью работать на азоте, аргоне, либо их смеси.

На этапе разработки системы плазменного подогрева стали в промковше были опасения, связанные с возможным интенсивным износом футеровки промковша от излучения дуги.

Фактически же по результатам двухлетнего использования плазменного подогрева частота смены промковше по причине износа футеровки уменьшилась вследствие снижения средней температуры разливаемой стали. Главным фактором, лимитирующим распространение технологии, стала низкая стойкость защитной трубы, через которую сталь заливается в промковш.

За последние два года эксплуатации технологии подогрева эксплуатационные затраты на установку составили ~0,5 долл/т стали. В 1994 году общие затраты на подогрев составили 132 620 долл. При этом с плазменным подогревом было разлито более 372 тыс. т стали.

Коэффициент использования подогрева повышался при уменьшении перегрева стали и в итоге в среднем составил 92 %. В результате операторы агрегата печь-ковш привыкли отправлять на разливку более холодную сталь.

Уменьшение средней температуры стали на 10° позволило компании «Nucor Steel» в 1994 году сэкономить 190 тыс. долл. (за счёт снижения затрат на графитовые электроды для агрегата печь-ковш, огнеупоры и электроэнергию) [3].

Известен опыт внедрения плазменного подогрева стали в промковше на четырёхручьевой блюмовой УНРС на заводе компании SOLLAC во Флоранже [5]. Технология используется при разливке кордной, рельсовой и других сталей, для которых необходимо строгое соблюдение температурного режима при разливке. На УНРС масса плавки составляет 240 т, скорость вытяжки – 0,85 м/мин, время разливки – 110 мин. В этих условиях дополнительный подогрев стали в промежуточном ковше необходим.

С целью снижения эксплуатационных затрат на систему подогрева приняли меры по уменьшению потерь тепла сталью в промковше, применив теплоизоляционную смесь на поверхности расплавленного шлака. В результате скорость остывания металла в промковше снизилась с 0,20 до 0,12 °С/мин. Для оптимизации потоков металла в промковше совместно с компанией IRSID провели модернизацию его конструкции, кроме того изменили состав футеровки крышки промковша, увеличив её стойкость.

Основные технологические параметры подогрева:

- мощность дуги 350…700 кВт;

- длина дуги – до 300 мм;

- КПД ~60%;

- сила тока – до 7 000 А;

- напряжение на дуге ~100В;

- рабочий газ – аргон;

- материал катода – вольфрам, легированный торием;

- материал анодного электрода – медь.

В 2002 году 15% всех плавок на заводе разливалось с использованием плазменного подогрева в промковше, точность поддержания температуры стали в промковше для 94% блюмов составляла ±5% от заданной [5].

Интересен опыт германской компании «BGH Edelstahl», специалисты которой на заводе в Зигене внедрили плазменный подогрев стали с вдуванием рабочего газа через полый графитовый катод [38]. Проведено исследование науглероживания расправа при данном методе нагрева. Выплавка стали на заводе осуществляется в 27-тонной дуговой печи и разливают на двухручьевой горизонтальной УНРС, а также на слитки. Продолжительность разливки одного ковша составляет 70…100 минут.

На первом этапе применения плазменного подогрева в промковше использовали плазменную горелку прямого действия с вольфрамовым катодом. Впоследствии, после предварительного испытания, перешли на полый графитовый электрод со сквозной подачей рабочего газа.

Длина угольного электрода составляла 1250 мм, диаметр – 100 мм, диаметр центрального канала – 20 мм, плазмообразующий газ – аргон, расход газа – 3,6 м3/ч, рабочее напряжение на дуге – 100 В, сила тока – 3000 А. Элекрододержатель оснащён электроприводом, способным перемещать электрод вертикально для отслеживания изменений уровня стали в промковше (рисунок 1.4.1).

–  –  –

За полгода эксплуатации системы подогрева было разлито 4770 т стали, при этом общее время плазменного подогрева составило 315 ч. В процессе эксплуатации системы определили средний расход угольных электродов, который составил около 0,03 кг/т стали. Для специалистов завода также представлял интерес процесс науглероживания стали от электродов. По результатам разливки 14 плавок с подогревом при начальном содержании углерода от 0,015 до 0,455% среднее повышение концентрации углерода составило менее 0,001%. В сравнении с вольфрамовыми электродами использование графитовых электродов требует значительно меньших финансовых и трудовых затрат на ремонт. Кроме того, графитовые электроды не требуют водяного охлаждения при работе в промковше, что повышает эффективность подогрева и уменьшает эксплуатационные затраты на подогрев на 24% (со 116 до 88 немецких марок / час). Капитальные же затраты на создании установки подогрева мощностью 1 МВт с угольными электродами ниже примерно на 30% по сравнению вольфрамовыми электродами [38].

–  –  –

Как видно из таблицы 1.4.1, плазменный подогрев стали в промежуточном ковше УНРС довольно широко применяется на зарубежных металлургических предприятиях как при разливке слябовых, блюмовых, так и сортовых заготовок. При этом количество ручьёв УНРС не ограничено двумя. Для различного количества ручьёв предложены варианты конструкций промежуточных ковшей с камерами подогрева.

1.5. Обзор существующих конструкций промежуточных ковшей для плазменного подогрева металла Плазменный подогрев металла предъявляет к конструкции промежуточного ковша дополнительные требования для обеспечения нормальной работы УНРС. На рисунке 1.5.1 представлен промежуточный ковш для непрерывной разливки с плазменным подогревом [45].

Ковш имеет простою прямоугольную форму и один ручей. Промковш разделён на приёмную и разливочную камеры двумя неполными перегородками (порогами), которые не пропускают в разливочную камеру слой расплавленного шлака, находящегося на поверхности металла в приёмном отсеке. Приёмный и разливочный отсеки промковша закрыты общей крышкой, в которой предусмотрены отверстия для стопора, защитной трубы и плазмотронов. Участок крышки в районе расположения плазмотронов имеет выпуклую форму в виде свода для обеспечения возможности растягивания дуг плазмотронов, увеличивая напряжение на дуге и мощность подогрева. Поток металла из приёмного в разливочный отсек здесь направляется вверх, к анодному и катодному пятнам для более эффективного тепловложения в расплав.

Данная конструкция позволяет использовать как плазмотроны постоянного тока, так и переменного. При этом подовый анод не требуется.

–  –  –

Недостатком данной конструкции является то, что разливочная камера, по сути, совмещена с отсеком для подогрева, то есть, нет отдельной камеры для плазменного подогрева. При этом довольно большая поверхность расплава должна быть освобождена от защитного шлака для лёгкого зажигания дуг плазмотронов, что может привести ко вторичному окислению стали кислородом воздуха при недостаточной герметичности крышки и расходе плазмообразующего газа. Кроме того, стопор, находящийся в одном отсеке с плазмотронами, вероятно, будет интенсивно изнашиваться при воздействии излучения от плазменных столбов.

При использовании для подогрева не пары, а одиночного плазмотрона, возникает вопрос, как подвести потенциал к расплаву в промквоше. Обычно при оснащении промковша подовым анодом в днище или стенке ковша предусматривают дополнительное отверстие, что сопряжено с риском аварийной утечки расплавленного металла на разливочной площадке.

Специалисты компании Nippon Steel запатентовали [46] оригинальную конструкцию промковша с подовым анодом (рисунок 1.5.2).

Рисунок 1.5.

2 – Промежуточный ковш с подовым анодом и плазмотроном (1 – футеровка, 2 – крышка, 3а – максимальный уровень металла, 3b – минимальный уровень металла, 4 – выпуклая зоны крышки с отверстием для промковша, 5 – плазмотрон, 6 – дополнительная стенка, 7 – токоведущая анодная шина, 8 – подовый анод, 9 – катодный токоподвод) Решение данной проблемы, предложенное японскими металлургами, заключается в оснащении промковша подовым анодом, состоящим из трёх участков (7а, 7b, 7c на рисунке 1.5.2), последний из которых контактирует непосредственно с расплавом, остальные участки, защищённые дополнительными огнеупорными стенками 6 и 10, выводят потенциал к верху промковша.

Известна конструкция промежуточного ковша треугольной формы с камерой для плазменного подогрева [47], которая предусматривает подогрев общего потока металла, поступающего из сталеразливочного ковша в приёмный отсек, и его последующее разделение на два ручья через два разливочных отсека (рисунок 1.5.4, 1.5.5).

Рисунок 1.5.

4. – Схема движения расплава в треугольном промковше (1 – промковш; 2 корпус; 3 – футеровка; 5 - защитная труба; 6 – выпускное отверстие; 8, 9 – поперечные перегородки; 10 – продольная перегородка; 11 – приёмный отсек; 12 – поперечный перепускной канал; 13 – камера подогрева; 14 – левый разливочный отсек; 15 – правый разливочный отсек; 16, 17 – диагональные перепускные каналы; 18 – плазмотрон; 19 – катод; 20 – корпус плазмотрона) Рисунок 1.5.

5. – Продольный разрез треугольного промковша (1 – промковш; 2 – корпус; 3 – футеровка; 4 – расплав; 5 – защитная труба; 6 – выпускное отверстие; 7 – разливочный стакан; 9 – поперечная перегородка; 10 – продольная перегородка;

11 – приёмный отсек; 12 – поперечный перепускной канал; 13 – камера подогрева; 17 – диагональный перепускной канал; 18 – плазмотрон; 19 – катод; 20 – корпус плазмотрона; 21 – днище; 22 – подовый анод; 23 – электрическая дуга; 24 – крышка; 25 – огнеупорная футеровка крышки; 26 – слой жидкого шлака; 27 – отверстие для подачи аргона) Подогрев металла в данном промежуточном ковше осуществляется плазмотроном прямого действия, работающим на постоянном токе. Потенциал к расплаву 4 подводится через подовый анод 22, вмонтированный в днище 21 промковша 1. Отличительной особенностью данной конструкции является дополнительное отверстие в крышке промковша над камерой подогрева для подачи защитного газа.

К недостаткам данной конструкции можно отнести наличие дополнительного отверстия в днище для подового анода, сложную треугольную форму, высокую стоимость изготовления, а также невозможность независимого регулирования мощности тепловложения в каждый и ручьёв.

Для независимого регулирования интенсивности подогрева каждого из ручьёв предлагается конструкция промежуточного ковша, представленного на рисунке 1.5.6 [47].

Двухручьевой промежуточный ковш имеет простую прямоугольную форму и оснащён двумя камерами 39 для плазменного подогрева жидкого металла с крышками 43. в которой камеры подогрева расположены между приемным 36 и разливочными 42 отсеками и разделены перегородками 37, 40 с переливными каналами 41, 38. Внутренние стенки промежуточного ковша и перегородки сформированы из огнеупорного материала. Вставка 49 из огнеупорного материала, имеющая отверстие расширяющейся формы, дополняет крышку 43 и верхнюю часть внешней стены промежуточного ковша и перегородок камеры нагрева, и крепится к огнеупорной части промежуточного ковша и перегородок [47]. Поверхность расплава в камерах подогрева здесь также освобождена от жидкого шлака для обеспечения хорошей электрической проводимости. В днище 45 промковша вмонтировано два подовых анода, по одному для каждой из камер подогрева.

Рисунок 1.5.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 
Похожие работы:

«Колесников Владимир Александрович МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛУРГИИ 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям) Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Томск 2015 СОДЕРЖАНИЕ Стр. Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов Введение Раздел 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛУРГИИ И ПРОБЛЕМЫ ИХ...»

«БОЙКОВ Алексей Викторович АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ С ОБОЖЖЕННЫМИ АНОДАМИ Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (металлургия)...»

«Ноздрин Игорь Викторович РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ И ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА НАНОПОРОШКОВ БОРИДА И КАРБИДА ХРОМА Специальность 05.16.06 – Порошковая металлургия и композиционные материалы Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант Руднева Виктория...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.