Дуговая электросталеплавильная печь

кислорода, неметаллических включений. Кроме того, при обработке жидкой стали кальцием и магнием повышаются свойства металла в результате модифицирующего воздействия этих элементов.

Плавка с рафинированием и доводкой металла вне печи

Плавку ведут по следующей технологии: расплавляют стальной лом с добавкой чугуна и проводят окислительный период с продувкой ванны кислородом, обеспечивая дефосфорацию, обезуглероживание и нагрев металла до требуемой температуры. Далее металл без шлака выпускают в ковш и транспортируют его на специальную установку, где путем различных видов внепечной обработки жидкого металла получают сталь требуемого состава и свойств. Эти установки позволяют продувать металл различными порошкообразными реагентами с целью десульфурации, раскисления и удаления неметаллических включений; обработку вакуумом и продувку аргоном с введением при этом в металл раскислителей и корректирующих добавок ферросплавов; вдувание науглероживателей, замер и корректировку температуры расплава.

5. Плавка с использованием металлизованных окатышей

Основу окатышей (губки) составляет железо с содержанием углерода от 0.2-0.5 до 2%, они содержат также некоторое количество невосстановленных окислов железа и пустую породу (в основном SiO₂ и Al₂O₃), количество которой должно быть не более 3-7% от массы окатышей. Отличительная особенность этого сырья – малое содержание серы, фосфора, меди, никеля, хрома и других примесей, обычно содержащихся в стальном ломе (Pb, Sn, Bi, Zn, As, Sb). Это облегчает и упрощает процесс выплавки и получение стали высокого качества, высокой степени чистоты (суммарное содержание примесей в стали получается в 3-10 раз меньше, чем при выплавке из стального лома).

Если содержание металлизованных окатышей в шихте не превышает 25-30% от её массы, то технология электроплавки существенно не отличается от обычной. Переработка шихты, основу которой составляют металлизованные окатыши требует применения специфической технологии. Особенностями этой технологии являются:

• непрерывная загрузка окатышей со скоростью, пропорциональной подводимой в печь электрической мощности, причем загрузка должна начинаться после сформирования в печи ванны жидкого металла;

• совмещение периода плавления с окислительным (обезуглероживанием);

• упрощение технологии плавки в связи с малым содержанием в шихте вредных примесей – серы и фосфора.

Степень металлизации окатышей должна находиться в определенных пределах, обеспечивающих кипение ванны в процессе их загрузки и плавления. Оптимальной содержание окатышей в шихте составляет 60-70% от её массы - при большем их содержании возрастает длительность расплавления и плавки в целом.

Плавку начинают с загрузки стального лома, который в количестве 30-40% от массы металлической шихты заваливают в печь одной порцией. Далее подают напряжение и после расплавления лома в сформировавшуюся жидкую ванну начинают непрерывную загрузку окатышей; обычно их загружают в зону электрических дуг с помощью автоматизированной системы через отверстие в своде печи. Скорость подачи окатышей согласуют с подводимой в печь электрической мощностью так, чтобы температура ванны был на 30-40 С выше температуры плавления металла, поскольку при более низкой величине перегрева плавление затягивается.

Период загрузки и расплавления совмещают с окислительным, т.е. проводят его так, чтобы обеспечить непрерывное окисление углерода (кипение ванны). При этом благодаря перемешиванию ускоряется плавление окатышей, обеспечиваются дегазация ванны и получение в конце периоде заданного содержания углерод в металле. Для обеспечения кипения степень металлизации окатышей должна находиться в пределах 90-97%, что соответствует остаточному содержанию кислорода в окатышах от 1.2 до 0.6% (при более низком содержании остаточного кислорода не будет кипения ванны.). При недостаточной степени металлизации существенно возрастает расход электроэнергии из-за протекания эндотермической реакции восстановления окислов железа. Для обеспечения кипения ванны металлизованное сырье должно содержать определенное количество углерода, если содержание углерода недостаточно для обеспечения кипения, то в ванну вдувают карбюризаторы.

По ходу плавления в печь загружают известь для ошлакования кислой пустой породы (SiO₂ иAl₂O₃) окатышей. Основность шлака в связи с низким содержанием в окатышах серы и фосфора может быть меньшей, чем при плавке на шихте из стального лома и составлять 1.5-2.0. В конце периода плавления необходимо получить требуемое в выплавляемой стали содержание углерода; при недостатке углерода прибегают к вдуванию в ванну карбюризаторов, избыточный углерод окисляют путем кратковременной продувки кислородом.

После окончания плавления применяют различные варианты ведения заключительной части плавки. Один их них – нагрев металла до требуемой температуры и выпуск в ковш, где производят внепечную доводку стали и рафинирование; другой – проведение в печи кратковременной доводки, в течение которой проводят нагрев, раскисление и легирование.

6. Выплавка стали в кислых дуговых печах

Электрические печи с кислой футеровкой обычно используют в литейных цехах при выплавке стали для фасонного литья. Преимуществом кислых печей по сравнению с основными является более высокая стойкость футеровки; наряду с этим стоимость кислых огнеупоров примерно в 2.5 раза ниже стоимости основных. Поскольку при плаке стали для фасонного литья восстановительный период обычно отсутствует, длительность плавки в кислой печи меньше, чем в основной той же емкости; по этой причине, а также в связи с меньшей теплопроводностью кислой футеровки, более низким является и расход электроэнергии.

Основным недостатком кислых печей является то, что во время плавки из металла не удаляется сера и фосфор.

Завалка и расплавление шихты

Шихту составляют таким образом, чтобы содержание углерода после расплавления на 0.15-0.20% превышало содержание углерода в выплавляемой стали. Для повышения содержания углерода в шихту, наряду со стальным ломом, вводят кокс, электродный бой или чугун. Поскольку фосфор и сера под кислым шлаком не удаляются, используемый стальной лом должен содержать фосфора и серы примерно на 0.01% меньше, чем допускается в выплавляемой стали. Металлический лом не должен быть ржавым, так как окислы железа, растворяя кремнезем футеровки пода, разрушают её. В остальном требования к шихтовым материалам и порядку загрузки в печь такие же, как и при основном процессе.

Плавление в кислой печи длится 50-70 мин и протекает примерно так же, как и в основной печи. В период плавления происходит окисление кремния, марганца, железа, углерода. Образующиеся окислы принимают участие в формировании шлака. Поскольку количество этих окислов сравнительно невелико, в печь во время плавления забрасывают шлак от предыдущей плавки, сухой песок, формовочную землю и известняк, чтобы покрыть металл шлаком и уменьшить угар составляющих шихты.

К моменту расплавления шихты шлак имеет следующий состав, %: 40-50 SiO₂; 15-30 FeO; 10-30 MnO; 2-6 Al₂O₃; 5-15 прочие окислы.

Окислительный период

Задачами окислительного периода при кислой плавке являются дегазация металла за счет кипения и нагрев металла. За время периода окисляется 0.10-0.20% углерода. Его окисление идет преимущественно за счет закиси железа, содержащейся в шлаке. Благодаря высокому содержанию FeO в шлаке окисление углерода и вызываемое им кипение ванны начинается без присадок окислителей, когда металл будет достаточно нагрет. Кипение можно интенсифицировать небольшими присадками извести или железной руды (порциями не более 0.2% от массы жидкого металла каждая). При этом происходит высвобождение FeO и повышение окислительной способности шлака.

По мере окисления углерода содержание закиси железа в шлаке уменьшается, а содержание SiO₂ за счет разъедания футеровки возрастает; к концу окислительного периода оно составляет 55-60%. При высоком содержании SiO₂ в шлаке и высокой температуре назначается восстановительного кремния по эндотермической реакции:

(SiO₂) + 2[C] = [Si] + 2CO

Содержание кремния в металле в конце окислительного периода может достигать 0.2-0.4%.

Раскисление стали

При выплавке стали для фасонного литья восстановительный период отсутствует и сталь раскисляют осаждающим методом. Если содержание кремния в металле ниже, чем требуется в выплавляемой стали, то за 7-10 мин до выпуска в печь присаживают ферросилиций. Ферромарганец вводят либо в печь (за 3-5 мин выпуска), либо в ковш. Алюминий для окончательного раскисления вводят в ковш.

3. Отвод и очистка печных газов

Во время плавки из электропечи выделяется большое количество запыленных газов. Температура газов составляет 900-1400 С, содержание пыли в период продувки ванны кислородом доходит до 100 г/м³ газа; количество газов, выделяющихся, например, из 100-т печи в период продувки кислородом достигает 9-10 тыс. м³/ч. Для создания нормальных условий работы в сталеплавильном цехе необходимы улавливание и очистка отходящих газов.

В старых цехах с печами малой емкости применяются отсасывающие зонты, установленные над сводом. Однако они громоздки и обеспечивают неполное сгорание газов. В последние годы повсеместное распространение получает отвод газов через отверстие в своде с последующей очисткой от пыли. Наибольшее распространение получила мокрая газоочистка с использованием труб Вентури.

Рис. 1. Схема отвода печных газов.

Печные газы через отверстие в своде по футерованному патрубку 1 поступают в скруббер-охладитель 2; перед скруббером имеется регулируемый зазор, через который подсасывается воздух, обеспечивающий дожигание горючих компонентов аза. В скруббере 2 газ охлаждается водой, подаваемой через форсунки от водопроводной сети 3. отработанная вода собирается в баке 5. расход воды регулируют, обеспечивая охлаждение газов до температуры менее 200 С; температуру газов измеряют термопарой 4, установленной в вертикальном газопроводе. Далее газы через регулирующую заслонку 6 дымососом 7 подаются в батарею труб Вентури 8 с водяными форсунками, где пыль поглощается каплями воды. После прохождения циклонного каплеуловителя 9 газы выбрасываются в атмосферу через выхлопную шахту 10.

Во вновь сооружаемых цехах рекомендуется устанавливать печи в герметичных камерах, снабженных дверями для въезда тележек со шлаковыми и сталеразливочными ковшами и крана для завалки шихты. Камера снабжена системой отсоса газов, что предотвращает их попадание в цех; кроме того, камера существенно снижает в цехе уровень шума, вызываемого электрическими дугами.

4. Автоматизированное управление процессом плавки

Дуговая электросталеплавильная печь является мощным трехфазным агрегатом с соответствующим силовым электрическим оборудованием. Высокотемпературные дуги обеспечивают расплавление шихты и нагрев ванны до нужной температуры. Каждая плавка может быть подразделена на три основных периода:

1. расплавление загруженной в печь твердой шихты;

2. окисление (кипение) жидкой ванны;

3. раскисление ванны (восстановительный период).

Периоды плавки обуславливаются особенностями протекания физико-химических процессов и определяют различия задач системы автоматического контроля.

Управляющими воздействиями на процесс плавки в дуговой печи являются:

• электрическая мощность;

• напряжение питающего тока (длина дуги);

• состав шихты, количество и состав присадок;

• расход кислорода на продувку металла;

• электромагнитное перемешивание ванны.

Возмущающие воздействия, прежде всего можно подразделить на две группы: а) возмущения электрического режима и б) возмущения технологического и теплотехнического режима.

Возмущения электрического режима возникают из-за обвалов шихты в период плавления, кипения металла в периоды с жидкой ванной, обгорания электродов, подъема уровня металла по мере плавления, колебаний сопротивления дугового промежутка, вызванных изменениями температурных условий в зоне дугового разряда. Возмущения технологического и теплотехнического характера связаны с нестабильностью состава шихты, нестационарностью протекания физико-химических реакций в ванне, введением присадок, износом кладки, выбиваниями и подсосом газов в печь.

К основным задачам автоматизированного управления процессом плавки в ДСП можно отнести следующие:

1. Централизованный контроль за ходом технологического процесса с сигнализацией и регистрацией отклонений от заданных параметров.

2. Управление металлургическим процессом:

• расчет оптимального состава шихты, исходя из планируемых заданий и наличия исходных сырьевых материалов;

• управление загрузкой печи в соответствии с рассчитанным составом шихты;

• расчет кислорода, легирующих и шлакообразующих, обеспечивающих получение металла заданного состава и качества и экономию материалов;

• прогнозирование момента окончания технологических периодов с обеспечением заданных значений температуры и химического состава металла.

3. Управление энергетическим режимом, обеспечивающее:

• введение электроэнергии с учетом теплового состояния печи и тепловой энергии, вводимой в печь другими источниками;

• максимальное использование мощности печи;

• минимальные удельные расходы энергоносителей;

• нормальную эксплуатацию электрического и другого печного оборудования.

4. Управление вспомогательными операциями (отбором проб, замером температуры металла и др.).

5. Сбор и обработку информации с выдачей необходимой документации, в том числе учет и регистрацию расходов шихтовых материалов, электроэнергии, кислорода и других энергоносителей, распечатка протоколов плавки.

6. Контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неисправностей и непредвиденных остановок.

Предусматриваемый на ДСП объем средств автоматического контроля и управления должен обеспечивать поддержание с требуемой точностью заданных технологией режимов и параметров процесса электроплавки, а также безопасность эксплуатации агрегата.

Рациональный объем автоматизации новых и реконструируемых печей определяется с учетом технологически требований к управлению процессом выплавки различных марок сталей, развития электросталеплавильного производства в направлении повышения удельной мощности трансформаторов, использования данных о передовом зарубежном опыте и научных разработок в области автоматизации процесса электроплавки.

ДСП необходимо оснащать современными быстродействующими регуляторами мощности, обеспечивающими высокие технико-экономические показатели и имеющими высокую надежность. Автоматический регулятор должен поддерживать заданное соотношение между силой тока и напряжением дуги в данной фазе печи при наименьших дисперсиях, обеспечить скорость перемещения электрода не менее 5-6 м/мин. Системы управления весовым дозированием компонентов металлошихты и дозированием ферросплавов и шлакообразующих материалов должны обеспечить подачу металлошихты в бадью и ферросплавов для загрузки в печь с погрешностью не долее 0.3%.

Система управления электрической мощностью должна обеспечить программное изменение мощности и ступени напряжения трансформатора в соответствии с заданным электрическим режимом плавки, поддержание заданной мощности трех фаз с погрешностью не более 2.0% и заданного температурного графика металла по ходу плавки с отклонениями, не превышающими 15 С. Система управления химическим составом металла должна обеспечить получение заданного состава стали в соответствии с требованиями ГОСТ или ТУ.

Группа печей емкостью 50-200 т должна оснащаться АСУ ТП плавки с использованием УВМ.

Рис. 2. Рациональный объем автоматизации ДСП.

1 — устройство для измерения расхода активной энергии; 2 — устройство для измерения среднеквадратичных токов; 3 — устройства для измерения расхода, температуры и состава отходящих газов; 4 — устройство для измерения положения кислородной фурмы; 5 — устройство для определения состава стали и шлака; 6 — устройство дли измерения расхода газа и кислорода на горелки; 7 — устройство для измерения температуры футеровки; 8 — устройство для измерения температуры металла в ванне печи; 9 — устройства для измерения расхода, давления и температуры воды; 10 - устройство для измерения положения электродов; 11 — устройство для измерения расхода реактивной энергии; 12 — устройство для измерения коэффициента мощности; 13 — устройства для измерения активной и реактивной мощности; 14 — устройства для измерения расхода, давления и количества кислорода; 15 — устройство для взвешивания ферросплавов; 16 — устройство для измерения перепада температур воды на входе и выходе охлаждаемых элементов; 17 — устройство для измерения давления и расхода газа; 18 — устройство для взвешивания металлизованных окатышей; 19 — весы для взвешивания скрапа; 20 — устройство для взвешивания шлакообразующих и заправочных материалов; 21 — устройство для взвешивания жидкого металла в ковше; 22 — система автоматического управления (САУ) электрическим режимом; 23 — регулятор мощности; 24 — САУ весовым дозированием металлизованных окатышей; 25 — САУ весовым дозированном ферросплавов и шлакообразующих; 26 — САУ продувкой ванны кислородом; 27 — система регулирования давления газов под сводом печи; 28 — САУ весовым дотированием компонентов металлошихты; 29 — САУ химическим составом металла и шлака; 30 — система измерения времени плавки и технологических интервалов; 31 — система сбора и обработки информации; 32 — УВМ.

АСУ ТП выплавки стали в ДСП выполняет следующие функции:

• расчет шихты, кислорода, легирующих и шлакообразующих материалов;

• расчет параметров электрического режима;

• выдачу и коррекцию заданий локальным системам управления;

• регистрацию и сигнализацию отклонения текущих параметров от заданных значений, регистрацию неисправностей оборудования и нарушений технологического режима;

• централизованный контроль основных технико-экономических показателей работы печи;

• выдачу информации на печь;

• выдачу оперативной технологической информации оператору.

Автоматизация дуговых сталеплавильных печей в рациональном объеме должна обеспечить:

• увеличение производительности электропечей на 3-5%, сокращение расхода электроэнергии на 2-4%, повышение стойкости футеровки на 5-8% за счет оптимизации энергетического режима плавки и повышения точности поддержания заданного режима;

• снижение затрат на металлошихту, легирующие и шлакообразующие материалы на 1-2% за счет рационального их использования;

• снижение себестоимости выплавляемого металла не менее, чем на 1.5%.

В последние годы производство электростали характеризуется увеличением емкости печей, повышением мощности печных трансформаторов, совершенствованием технологии и методов управления рабочим процессом, причем для управления процессом электроплавки все шире применяют автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) с применением электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Эти системы выполняют следующие функции:

а) расчет оптимального состава шихты, исходя из планируемых заданий и наличия исходных сырьевых материалов;

б) расчет количества электроэнергии, кислорода, легирующих и шлакообразующих материалов;

в) выбор оптимального режима процесса плавки и выдача управляющих сигналов в локальные системы автоматического управления;

г) контроль запасов лома, легирующих отходов, ферросплавов и других материалов;

д) выдача оперативной технологической информации оператору печи и на печать;

е) контроль за работой оборудования, сигнализацию и регистрацию неисправностей;

ж) автоматизированный централизованный контроль основных технико-экономических показателей работы печи.

В состав АСУ ТП выплавки стали в ДСП входят локальные системы управления электрической мощностью, продувкой ванны кислородом, давлением под сводом печи, дозированием шихты и легирующих материалов, присаживаемых в печь. АСУ ТП снабжена устройствами контроля массы металлошихты, ферросплавов, жидкого металла; электрических и теплотехнических параметров (мощности, расхода электроэнергии, тока и напряжения печи, расхода и давления кислорода и др.); физико-химических параметров процесса плавки; температуры металла и футеровки печи и контроля состояния и работы оборудования.

Внедренная на Донецком металлургическом заводе АСУ ТП выплавки стали в ДСП-100 имеет двух уровневую структуру. Верхний уровень представлен специализированной УВК с дополнительными модулями устройств связи с объектом (УСО) для приема и выдачи аналоговых и дискретных сигналов. Нижний уровень представлен комплексом локальных САУ взвешиванием металлошихты 1, дозированием сыпучих и ферросплавов 2, дозированием заправочных материалов 3, подготовкой и загрузкой шихтовых материалов 4, электрическим режимом 5, продувкой ванны кислородом 6 и системами измерения положения электрода 7, передачи результатов химического анализа 8, измерения продолжительности плавки 9. Кроме того, на нижнем уровне обеспечивается формирование технологической информации устройством позиционных сигналов и приборами КИП печи. Все локальные САУ обеспечивают управление объектом в автономном и комбинированном режимах. Обмен информацией с УВК осуществляется кодированными сигналами.

Информация о виде и массе шихты поступает в ЭВМ УВК и хранится в памяти машины, которая рассчитывает основные компоненты шихты. Задание на загрузку корзины металлошихтой по видам и массе вводится в САУ взвешиванием металлической шихты мастером с пульта или от УВК. После окончания загрузки всех компонентов шихты в корзину ЭВМ УВК сообщает мастеру печи о готовности корзины с шихтой. Затем тележка подается в печное отделение для выгрузки в печь.

В ЭВМ УВК храниться программа всех марок сталей, выплавляемых в ЭСПЦ. Перед началом плавки ЭВМ находит в базе данных выбранную марку стали и выдает общую программу её выплавки.

ЭВМ рассчитывает количество электроэнергии, необходимой для расплавления шихты, с учетом экзотермических реакций при вдувании в печь кислорода и тепловых и электрических потерь печи, рассчитывает и выдает в САУ электрическим режимом оптимальные параметры энергетического режима.

Начинается плавление металлической шихты. Система измерения положения электродов определяет моменты начала технологических интервалов периода плавления шихты и передает эту информацию в ЭВМ, которая через САУ электрического режима ЭР изменяет ступень печного трансформатора Т устанавливает оптимальную величину тока дуги.

Если температура футеровки достигает значения, влияющего на её износ, то САУ ЭР переключает печной трансформатор на ближайшую низшую ступень напряжения. Перед началом продувки ЭВМ УВК выдает задание в САУ продувкой кислорода – режим продувки. САУ осуществляет перемещение кислородной фурмы, устанавливает её в заданную позицию, производит управление подачей кислорода и при заданном количестве введенного в печь кислорода отключает подачу кислорода и поднимает кислородную фурму.

Экспресс-лаборатория соединена с системой передачи результатов химического анализа. ЭВМ УВК дает команду на отбор пробы металла. При поступлении в экспресс-лабораторию проба отрабатывается и устанавливается в квантометр и в течение 40-60 с анализируется в соответствии с заданной программой. По результатам этого анализа ЭВМ вычисляет, какие материалы (легирующие, шлакообразующие и раскислители) и в каком количестве необходимо ввести в печь. При этом ЭВМ учитывает количество и стоимость материалов, хранящихся в бункерах, вычисляет оптимальный по себестоимости вариант наборов материалов.

САУ дозированием сыпучих и ферросплавов посылает команду на включение вибропитателей под соответствующими расходными бункерами, из которых должны отбираться требуемые материалы. После набора полной дозы материала питатель отключается. Заданная и фактическая массы каждого из дозируемых материалов инициируются на цифровых табло, установленных на пульте управления. При выгрузке материалов их масса регистрируется и передается в ЭВМ.

Для стали каждой марки в базе данных ЭВМ хранится оптимальный закон изменения температуры металла. УВК в наперед заданные интервалы плавки периодически информирует сталевара о необходимости произвести замер температуры металла. Измеренные величины температур передаются в ЭВМ УВК, которая, сопоставив фактические и заданные температуры металла, определяет их разность и вычисляет требуемое количество электроэнергии. САУ ЭР устанавливает новый электрический режим с учетом того, что следующий замер температуры должен соответствовать заданной температуре металла.

Непрерывно получая информацию о текущих значениях мощности тепловых потерь, напряжения сети, температуры подины и футеровки и других показателях, ЭВМ УВК вычисляет электрический и тепловой режимы, отвечающие условиям минимальных удельных расходов электроэнергии, длительности плавления или себестоимости 1т стали.