книги из ГПНТБ / Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками

Весьма перспективно применение барботажа газом при вакуумной обработке жидкого металла. Для раскисления стали в вакууме наи­ более часто применяют водород, метан и природный газ. Результаты термодинамического анализа возможности раскисления жидкого железа метаном при пониженном давлении показали [36], что при продувке метаном жидкого железа содержание кислорода в нем можно снизить до весьма малых величин.

Раскислительная способность углерода в вакууме резко возра­ стает. Теоретические А и экспериментальные Б величины произве­

численных величин А, поскольку для получения низких концен­ траций кислорода процесс раскисления должен идти в течение про­ должительного времени; при этом развиваются реакции между

модействием газовой и жидкой фаз, скорость ее протекания прямо пропорциональна площади взаимодействия этих фаз и зависит не только от скорости взаимодействия кислорода с водородом на гра­

сплавов водородом должно достигаться при невысоких темпера­ турах, минимальном содержании паров воды в водороде, относи­ тельно высоком его давлении (желательно атмосферное) и возможно большей поверхности взаимодействия водорода с расплавом.

Содержание водорода после обработки СС14 (3— 15 л/т) снизилось до 1,3—2,5 см3/ 100 г.

Таким образом, применение газов и газовых смесей является одним из наиболее перспективных методов интенсификации процес­ сов рафинирования металла при атмосферном и пониженном давле­ ниях.

Развитие методов внепечной обработки стали шлаками и газами позволит осуществлять принципиально новые процессы рафиниро­ вания металла и внедрить прогрессивные схемы производства каче­

70

ственных сталей в крупных дуговых печах с осуществлением ком­ плексной автоматизации всего технологического процесса, что в свою очередь даст возможность значительно повысить производительность труда и эффективность производства, Исходя из этого, представляется целесообразным рассмотреть некоторые варианты технологии вы­ плавки наиболее характерных марок стали в крупных дуговых печах.

3. Варианты технологии выплавки стали

вкрупных дуговых печах

Сучетом повышения мощности трансформаторов и перенесения операции рафи­ нирования металла вне сталеплавильного агрегата технология плавки в общем виде

будет состоять из следующих операций: заправка футеровки печи после выпуска плавки, завалка шихты, расплавление шихты с частичным окисіением примесей, обезуглероживание ванны кислородом, удаление окисленного шлака самотеком, доводка (частичное раскисление шлака, корректировка его состава и химического состава металла), выпуск, обработка стали электропечным или синтетическим шла­ ком, вакуумом и газами.

В зависимости от марки стали и состава шихты используются те или иные тех­ нологические приемы, обеспечивающие получение металла заданных свойств при минимальных затратах на производство. В качестве примера рассмотрим технологию выплавки в крупных печах подшипниковой, конструкционной и нержавеющей стали.

Выплавка подшипниковой стали с обработкой металла «белым» шлаком

1. Металл выплавляют в печах с хорошим состоянием механизмов и оборудо­ вания, а также футеровки стен, свода, подины и выпускного отверстия (между 5-й и 60-й плавками). Уровень металла и шлака после расплавления шихты должен быть ниже порога выпускного отверстия.

3.Известь должна быть свежеобожженной и содержать не менее 90% СаО. Содержание CaF2 в плавиковом шпате должно быть не менее 80%.

4.Шихту загружают в печь сверху без подвалки или с одной-двумя подвалками.

5.Расплавление осуществляют при максимальной мощности трансформатора.

6. Содержание углерода в металле после расплавления шихты должно быть в пределах 1,10—1,40%, а температура металла перед первой пробой должна состав­ лять 1530—1540° С.

7. Расплавление совмещают с окислением. Для этого перед первой подвалкой шихты в печь в корзину после загрузки 40—50% металлошихты присаживают железную руду (10—15 кг/т) и известь (15—20 кг/т); в конце расплавления шихты и во время подрезки ее кислородом шлак должен удаляться из печи самотеком; для дополнительной дефосфорации металла разрешается присадка в печь порции железной руды (агломерата) и извести.

8.При продувке металла кислородом для обезуглероживания применяют сво­ довую кислородную фурму при температуре металла 1540—1560° С. Для интенси­ фикации процесса обезуглероживания разрешается присадка в печь небольших порций железной руды (агломерата) и извести.

9.Температура металла во время обезуглероживания не должна превышать 1580° С.

10.За время окислительного периода из металла удаляется не менее 0,15% углерода. Содержание углерода в металле перед скачиванием окислительного шлака должно быть не менее 0,85%.

71

И. Температура металла перед скачиванием окислительного шлака должна быть в пределах 1580—1600° С.

12.Продолжительность окислительного периода не должна превышать 40 мин.

13.После окончания скачивания окислительного шлака в печь присаживаются

феррохром (по расчету на нижний предел), ферросилиций Си45 (3,5 кг/т), шамот (5 кг/т).

14. Печь включают на 4—5-ю ступени. Работа печи при указанной ступени мощности трансформатора продолжается до температуры металла 1560—1580° С.

15. После включения в печь под током присаживается 21,5 кг/т извести и 5 кг/т плавикового шпата (в 1—3 приема).

16. Перед присадкой корректирующих добавок (феррохрома и ферромарганца) в печь присаживают первую раскислительную смесь (в 1—3 приема) следующего

При этом температура металла должна быть в пределах 1560—1580° С.

18.За 8—10 мин до выпуска металла в печь присаживают плавиковый шпат (4,0 кг/т).

19.После присадки плавикового шпата печь включают на повышенную сту­ пень мощности трансформатора (10—12-я ступень) на 5—8 мин. Температура металла

и белым на вид. В шлаке должно быть не менее 50% СаО, не более 12% MgO, не более 1% FeO и не более 0,5% СаС2. Продолжительность восстановительного периода —• минимальная, не более 40 мин.

22. Металл раскисляют кусковым первичным алюминием (1,5 кг/т) в ковше при выпуске плавки. Алюминий размещают в ковше на штангах, подвешенных на борт ковша таким образом, чтобы происходило равномерное раскисление металла по мере его поступления в ковш. Слив плавки из печи в ковш должен быть интенсивным и обеспечивать полный выход шлака в первой половине выпуска. Продолжительность выпуска должна быть минимальной.

23.Для осуществления эффективной обработки металла жидким шлаком раз­ меры выпускного отверстия должны быть не менее 300X300 мм.

24.Перед разливкой металл в ковше продувают аргоном через пористые (2—3)

огнеупорные вставки (пробки) в кладке днища.

25. Разливку в слитки массой 4,18 т осуществляют через сифон с применением шлакообразующих экзотермических брикетов. После наполнения на Ѵ2 высоты прибыли засыпают люнкеритную смесь.

Выплавка подшипниковой стали с обработкой металла жидким синтетическим шлаком

1.Выплавку стали ШХ15 проводят на свежей шихте. Шихту при необходимости загружают в два приема.

2.Металлическая шихта состоит из тяжеловесных углеродистых отходов про­ катных цехов (не менее 40%), углеродистого электропечного лома А2-1 (до 35%),

передельного чугуна (до 25%). Расчетное содержание углерода в шихте составляет 1,20—1,40%.

3.В завалку вводится железная руда или агломерат (25—35 кг) и известь 30— 40 (кг/т) для совмещения периодов плавления и окисления. При необходимости металл продувают кислородом. Минимальное количество окислившегося углерода должно быть не менее 0,15%.

4.В конце окислительного периода в металле должно быть не менее 0,85% С, не более 0,015% Р. Температура металла перед скачиванием окислительного шлака должна составлять 1580—1600° С.

72

5.Выдержка после окончания окисления ванны и до начала скачивания окисли­ тельного шлака должна быть около 10 мин. По окончании выдержки отбирают пробу металла на химический анализ и шлак скачивают полностью.

6.После скачивания окислительного шлака присаживают феррохром на ниж­

ний предел содержания хрома в готовой стали с учетом остаточного и наводят шлак (0,8—1,2% от массы садки). Шлаковую смесь составляют из извести (10—15 кг/т) и шамота (6—10 кг/т). Составляющие смеси задаются в печь ленточной бросковой машиной.

7. После непродолжительной выдержки ванны и корректировки химического состава шлак скачивают полностью и металл при 1560—1580° С выпускают через хорошо разделанное сливное отверстие в ковш с синтетическим шлаком (4,5—5% от массы металла), содержащим 53,0% СаО и 44,0% А120 3.

8. После выпуска в металл из бункера, подвешенного на крюке мостового крана, забрасывают ферросилиций из расчета содержания кремния в готовом металле в сред­ нем пределе заданного химического состава и вводят специальным приспособлением кусковой алюминиевый (0,2—0,3 кг/т) с одновременной продувкой в течение 5—8 мин жидкой стали в ковше нейтральным газом — аргоном, подаваемым под избыточным давлением 3—4 ат через пористые огнеупорные вставки футеровки днища ковша (расход 0,2—0,4 м3/т).

9. Температура металла в ковше после выпуска должна составлять 1540— 1560° С.

10. Разливку металла осуществляют сифоном в слитки массой 2,8—4,5 т с ис­ пользованием экзотермических смесей и брикетов.

Выплавка конструкционной стали

1. Требования к футеровке печи, шихтовым материалам, а также выполнению операций расплавления садки и окисления примесей аналогичны требованиям, изло­ женным выше.

2. После расплавления и дефосфорации металла, присаживая в завалку известь и железную руду или агломерат и нагревая ванну до 1580—1610° С, проводят обезуг­ лероживание расплава (удаляют 0,10—0,15% С продувкой кислородом, подаваемым через фурму или трубки).

3. Окислительный шлак в процессе кипения ванны сливают частично в шлаковню, а в оставшийся (2,0—2,5% от массы металла) добавляют свежеобожженную известь (5—10 кг/т), шамот (3—8 кг/т), плавиковый шпат (2—5 кг/т) и по расчету порошки раскислителей — кокс, ферросилиций, алюминий.

4.После короткой выдержки (не более 30 мин) и корректировки химического состава нераскисленный металл при 1580—1630° С сливают с частично восстановлен­ ным шлаком (не более 3% FeO) в ковш.

5.Окончательное рафинирование металла от кислорода, неметаллических вклю­ чений, водорода и частично азота, а также его легирование и окончательное раскисле1

ние алюминием, кремнием и другими элементами проводят в процессе обработки расплава вакуумом.

6. При необходимости достижения в готовом металле низких содержаний серы (менее 0,008%) сталь в процессе выпуска из печи (после скачивания шлака периода доводки) обрабатывают в сталеразливочном ковше жидким синтетическим шлаком, выплавляемым в отдельном агрегате. В этом случае для снижения флокеночувствительности конструкционной стали и уменьшения объема термообработки готового проката металл подвергают внепечной обработке вакуумом.

Выплавка нержавеющей стали

Нержавеющие и кислотостойкие стали различных марок выплавляют в дуго­ вых печах емкостью до 100 т методом переплава с применением кислорода. В послед­ нее время принятая технология усовершенствована. Обрабатывая металл в специаль­ ных агрегатах типа конвертера аргоно-кислородной смесью, удалось практически устранить рафинировочный период. Плавка хромоникелевой нержавеющей стали состоит в этом случае из следующих периодов: расплавления твердой садки, нагрева металла до требуемых температур, легирования расплава и выпуска в продувочный агрегат.После проведения обезуглероживания при минимальном угаре хрома металл переливают в разливочный ковш и разливают в слитки или слябы на установках

73

непрерывной разливки. Использование внепечной обработки стали позволяет умень­ шить число технологических операций, стандартизировать процесс и тем самым автоматизировать технологию электроплавки.

Ниже перечислены этапы всего технологического цикла; 1) завалка корзиной сверху отходов (стружки) нержавеющей стали (до 50%),

никеля или закиси никеля, углеродистого феррохрома и углеродистых или мало­ легированных отходов:

2)расплавление шихты с использованием максимальной мощности трансформа­ тора (удельная мощность не менее 600 кВА/т):

3)нагрев металла до 1580—1620° С, корректировка химического состава и вы­

пуск плавки в продувочный агрегат; 4) продувка расплава аргоно-кислородной смесью с содержанием кислорода

около 30% и избыточным давлением 3,5—4,0 ат через специальные водоохлаждаемые

фурмы; 5) обезуглероживание металла до содержания углерода не более 0,02%, про­

дувка легированного расплава аргоном, выпуск в разливочный ковш при заданной температуре и последующая разливка в слитки или слябы на УНРС.

Описанные основные принципы построения технологии выплавки стали в дуго­ вых печах позволяют выделить основные операции, подлежащие механизации и авто­ матизации с учетом получения необходимой информации о параметрах плавки в за­

данный момент времени.

К этим взаимосвязанным параметрам, обусловливающим технологический про­ цесс с минимальными разбросами показателей от плавки к плавке относятся: авто­ матический контроль температуры металла и футеровки печи; автоматизированный контроль химического состава стали; автоматическая подача в печь кислорода и газо­ кислородной смеси; автоматическая подача в печь шлакообразующих, раскислителей и легирующих добавок; автоматизация и механизация заправки футеровки печи; электромагнитное перемешивание металла в печи; автоматическое регулирование отсоса газа и пыли из печи и поддержание заданной атмосферы в рабочем про­ странстве.

4. Автоматический контроль температуры металла и внутренней поверхности футеровки

Контроль температуры жидкой стали во время плавки в дуговых сталеплавильных печах является неотъемлемой частью технологи­ ческого процесса выплавки стали. Для соблюдения технологического процесса плавки необходима достаточно высокая точность измерения температуры жидкой стали. Желательно, чтобы погрешность измере­ ния температуры металла в ванне не превышала ± 5 —6° С. При этом исходят из того, что перегрев металла на 70—80° С над линией ликви­ дуса должен определяться с погрешностью, не превышающей

± 7 —8%.

Как правило, контроль температуры жидкой стали в ванне ДСП осуществляется термопарами. В СССР наиболее распространены относительно простые в эксплуатации конструкции термопар крат­ ковременного погружения с термоэлектродами из вольфрама и мо­ либдена (тип ВМ и ЦНИИЧМ-1), платины с родием (тип ПР 30/6), сплава вольфрама с рением (тип ВР 5/20), обеспечивающие до послед­ него времени необходимую точность измерения. Однако указанные выше термопары погружения имеют следующие недостатки [39]:

а) на массивный защитный стальной или графитовый блок тер­ мопары налипают металл и шлак, что затрудняет извлечение термо­ пары из печи или ковша и требует значительного труда на ее очистку^; б) после нескольких измерений требуется возобновлять рабочий

74

Спай термопары, а кварцевый наконечник необходимо заменять Послё каждого измерения; обе эти операции обычно выполняют в трудных условиях, на рабочей площадке сталеплавильного цеха, вследствие чего не достигается высокого их качества, что влияет на надежность и точность измерения;

в) время, затрачиваемое на одно измерение такими термопарами, составляет несколько десятков секунд, так как только выдержка термопары в погруженном состоянии должна быть около 20 с, что обусловлено сравнительно большой теплоемкостью кварцевого нако­ нечника, рабочего спая и массивного защитного блока.

Перечисленных недостатков в значительной мере лишены термо­ пары кратковременного погружения с расходуемыми при каждом измерении бумажными сменными блоками, разработанные во ВНИИАчермете. Такие термопары, получившие сокращенное наименова­ ние ТТСБ (термоэлектрический термометр со сменным блоком), в комплекте с регистрирующими приборами с сигнализацией вы­ пускаются опытным производством института [39].

Металл и шлак не налипают на бумажный блок этих термопар, время погружения бумажного блока в металл составляет всего 3— 4 с, надежность и точность измерения термопары обеспечиваются тем, что сменные блоки изготовляют на специализированном пред­ приятии в условиях, гарантирующих высокое качество.

Термоэлектрический термометр со сменным блоком (рис. 27) представляет собой стальную трубу (жезл) 1 с проложенными в ней компенсационными проводами. Рабочий конец трубы снабжен кон­

75

жезла имеет клеммную колодку 3 с небольшим запасом компенсацион­ ного провода. Контактное устройство и часть компенсационных про­ водов защищены от перегрева бумажным блоком 4.

Для надежного удержания термопары при измерении в нужном положении предусмотрена специальная рукоятка 5. Сменная го­ ловка 2 состоит из полипропиленовой колодки, в которой укреплена U-образная кварцевая трубка 6 наружным диаметром 3 мм и толщи­ ной стенки 0,5 мм с термопарой ВР 5/20 [40] и из термоэлектродов 7 диаметром 0,1 мм.

Свободные концы термопары соединены холодной пайкой с от­ резками компенсационных проволок из медноникелевых сплавов. Кварцевая трубка защищена стальным колпачком 8 от возможных механических повреждений. Размеры основных модификаций ТТСБ

Термоэлектрический термометр со всеми входящими в его ком­ плект запасными деталями и узлами рассчитан на выполнение 6000 измерений. Термопара обладает весьма малой постоянной вре­ мени (около 0,5 с). Время измерения температуры жидкой стали со­ ставляет 3—4 с. Весь цикл от момента ввода термопары в печь до извлечения ее из печи продолжается 8— 12 с.

В качестве вторичного прибора для ТТСБ применяют быстродей­ ствующий электронный потенциометр типа БП-6105 класса точности 0,5 с сигнальным устройством, каретка пера пробегает шкалу при­ бора (диапазон 1200—1800° С) за 2,5 с. В комплект сигнального устройства входят блок сигнализации, световое табло с трехцветной световой сигнализацией и звонок громкого боя. Включение соответ­ ствующей световой сигнализации указывает на состояние измери­ тельной цепи и стадию измерения.

Термопары ручного погружения имеют существенные недо­ статки:

1)значительный перепад температур по глубине и радиусу ванны

иизменение места точки погружения спая термопары от замера к за-

76

меру, неизбежные при ручном вводе термопар, вызывают дополни­ тельную погрешность измерения средней температуры ванны;

2)по условиям техники безопасности на время измерения необ­ ходимо отключить печь, что при 20 измерениях за плавку длитель­ ностью по 15—20 с вызывает простой печи без тока в течение 5— 7 мин;

3)использование ручного труда пирометристов исключает воз­ можность создания замкнутой системы автоматического регулиро­ вания теплового режима.

Более предпочтительна механизированная термопара, дающая хорошую воспроизводимость показаний при условии ее многократ­ ного периодического использования без замены термоспая и защит­ ного наконечника [41]. В результате исследования температурных полей металлической ванны устанавливают точку, значение тем­ пературы в которой больше всего соответствует средней температуре

вванне. Например, для ДСП-20 без электромагнитного перемешива­ ния такая точка расположена между электродами и стенкой печи на глубине 150 мм от поверхности ванны. Отверстие для ввода термо­ пары (диаметром 100 мм) делают в боковой стенке под углом 30— 35° к поверхности металла. Во время замера воздушный экран защищает металлический жезл от перегрева бьющим из печи пла­ менем.

Установка (рис. 28) состоит из термопары 1, пневматического механизма 2, тележки 3, направляющих 4, механизма управления положением термопары 5. Термопара перемещается тележкой 3, связанной со штоком поршня пневматического цилиндра тросовыми полиспастами 6, 7. Ход тележки в крайнем верхнем и нижнем поло-

77

жениях ограничивают пружинные амортизаторы. Управлять накло­ ном термопары в горизонтальной и вертикальной плоскостях можно механизмом, расположенным на вертикальной стойке на высоте 1 м от уровня рабочей площадки. Установку крепят к порталу печи кронштейном 8. Запас термоэлектродов помещают на катушках 9.

Вольфрам-рениевая термопара ВР 5/20 защищена графитовым блоком длиной 400 мм и наконечником, например, из силицированного графита, выдерживающего 7— 10 погружений в расплавлен­ ную сталь. Длительность замера составляет примерно 20 с. Термопара работает с вторичным показывающим и регистрирующим быстродей­ ствующим прибором — электронным потенциометром типа БП-102 с блоками сигнализации и автоматического управления окончанием измерения.

На заводе «Большевик» разработана автоматизированная уста­ новка для замеров температуры жидкого металла в ДСП по ходу плавки с использованием термопары кратковременного погружения. Температуру замеряют через водоохлаждаемую фурму, вмонтирован­ ную в кладку свода [42]. В верхней части фурмы имеется воздушная коробка, из которой в амбразуру с наклоном в сторону печного про­ странства просверлено большое число мелких отверстий. Эти от­ верстия служат для отдувания пламени, выбиваемого из печи при открывании заслонки фурмы в момент замера температуры.

На одном из заводов качественных сталей в ГДР применяется установка автоматического периодического измерения температуры металла в дуговых сталеплавильных печах с использованием кас­ сеты термопар со сменными блоками С

Установка (рис. 29) состоит из прямоугольной направляющей 1, по которой движется тележка 2 с закрепленным на ней металличе­ ским жезлом 3. Жезл содержит контактное устройство и клеммную головку 4. В качестве привода для движения жезла применен редук­ торный двигатель 5 с цепным приводом. В передней части установки расположен барабанообразный накопитель 6 сменных бумажных блоков, который оснащен пневматическим рабочим цилиндром 7 для переключения на ступень после каждого замера. Верхнее и ниж­ нее положения тележки 2 ограничиваются контактными переключа­ телями 8 и 9, которые останавливают привод. Нижний выключа­ тель 8 устанавливается в соответствующем положении в зависимости от необходимой глубины погружения.

Сменный бумажный блок 10 надевается на металлический жезл (жезл оснащен контактным устройством) в барабанообразном нако­ пителе 6 при движении жезла вперед. После истечения заданного времени на погружение происходит обратное движение жезла, при котором сменный бумажный блок 10 снимается рессорами (пружи­ нами) 11. При достижении верхнего выключателя 9 останавливается жезл, при этом подается одновременно импульс, переводящий бара­ банообразный накопитель с помощью рабочего цилиндра 7 в исход-

1 Пат. (ГДР), № 68985, 1969.

78

ное положение. Этот цилиндр подает сменный бумажный блок в ра­ бочее положение.

Аппаратура управления состоит из схемы контроля электриче­ ской цепи термопары со звуковой сигнализацией, схемы пуска элек­ тродвигателя установки, электропневматического клапана для по­ дачи воздуха в пневматический привод барабанообразного накопи­ теля, блокировочного контакта, фиксирующего вертикальное поло­ жение печи.

В стенке печи имеется цилиндрическое отверстие диаметром 120 мм, расположенное под углом 45°. Для предохранения зарастания фурмы 12 и устранения выбивания пламени из нее вокруг наружного фланца фурмы установлено кольцо 13 с отверстиями диаметром 2 мм. В это кольцо подается сжатый воздух избыточным давлением 5—6 ат.

На рис. 30 показано устройство ввода термопары для непрерыв­ ного контроля температуры металлической ванны. В качестве термо­ электродов применяют платина-платинородиевую проволоку типа ПР 30/6. Для ввода термопары в печь предусмотрено устройство, состоящее из салазок, направляющих и лебедки, которые крепятся к порталу печи. Для охлаждения термопары подают воду от насосной установки под избыточным давлением 6—8 ат; расход воды достигает 30 м3/ч.

79