Меню
Статьи
|
Технология производства высококачественной стали
В начале ХХ в. химический состав и прочность стали практически исчерпывали требования к ее качеству. Сегодня изменились не только эти нормы, в стандартах на сталь отражены многообразные требования технологии производства и эксплуатации машин и сооружений: штампуемость, обрабатываемость резанием, свариваемость, прокаливаемость, хладостойкость, коррозионная стойкость, стойкость к старению и многие другие.
Качество стали - характеристика многомерная, хорошо описываемая матрицей свойств, составов и т.д. Металл может оказаться непригодным даже когда не выполнено хотя бы одно из условий работоспособности. А выполнимость почти каждой из норм сегодня зависит не от одного агрегата или режима, а от всей технологической цепочки. Поэтому не только уровень, но и полный перечень обязательных материаловедческих и технологических норм для продукции - предмет обстоятельного анализа перед разработкой любых металлических изделий.
В этой связи современная технология производства высококачественной стали должна обеспечивать строгое соответствие технологических параметров заданным значениям. Для достижения этого в технологических указаниях должны быть оговорены каждый из этапов сталеплавильного передела: от подбора шихты, до сдачи слитка. Ниже кратко рассмотрена общепринятая сегодня концепция технологии производства стали для ответственных изделий машиностроения. Технология должна быть основана на постоянном экспрессном контроле технологических параметров и направлена на получение заданного стандартного состояния металла перед разливкой, определяемого требованиями к свойствам готовой металлопродукции. Технологическая цепочка при этом должна обязательно включать следующие этапы:
- подготовка шихтовых материалов с целью обеспечения заданного содержания цветных и других неудаляемых примесей в конечном металле и снижения расхода электроэнергии (за счет подбора размеров компонентов шихты).
|
|
- получение полупродукта с заданным содержанием примесных и легирующих элементов, заданным содержанием углерода, активностью кислорода и, конечно, с заданной температурой;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ниже рассмотрены четыре основных этапа металлургического передела: подготовка шихты, выплавка, внепечная обработка и разливка. Рассмотренная схема относится к машиностроительным заводом, на которых плавление осуществляют в дуговых печах, а сталь разливаю в слитки.
Подготовка шихты
Основным сырьем для выплавки стали в электродуговых печах, в отличие от конвертеров, является твердая металлошихта, состоящая преимущественно из металлоотходов собственных металлургических производств и поступающего со стороны товарного лома. К регламентируемым показателям качества металлошихты во всем мире относят, прежде всего, такие факторы, как определенность химического состава, насыпная плотность и габаритные размеры отдельных составляющих шихты.
Требования к химическому составу металлической части шихты предъявляют, исходя из заданного содержания в готовом металле не удаляемых в ходе металлургического передела элементов. Так, если низкое содержание серы и фосфора, а также газов может быть достигнуто за счет оптимизации режима выплавки и рафинирования в открытых плавильных агрегатах и технологии внепечной обработки в ковше, то удаление мышьяка и примесей цветных металлов при выплавке стали в открытых агрегатах практически невозможно, а её рафинирование в процессе вакуумной плавки не позволяет получить качественную сталь в достаточном количестве и значительно увеличивает стоимость готовых изделий. Проблема рафинирования стали от примесей цветных металлов усугубляется тем, что в стальном ломе в процессе его оборота эти примеси постоянно накапливаются. Между тем примеси цветных металлов образуют в процессе кристаллизации легкоплавкие эвтектики по границам дендритов, что ослабляет междендритные границы, как первичные структуры первичного металла, это, в конечном счёте, влияет на поверхностные дефекты. Кроме того, примеси цветных металлов ухудшают обрабатываемость стали давлением в горячем состоянии, ухудшают свариваемость и т.д. По этим причинам к материалам для ответственных изделий предъявляют жесткие требования по содержанию цветных примесей.
Определенные требования предъявляют и к фракционному составу металлошихты. Наличие такого рода требований обусловлено тем, что шихта высокой насыпной плотности, имеющая стабильный оптимальный размер кусков, позволяет ограничиться лишь одной подвалкой, исключив тем самым необходимость второй подвалки с соответствующим отключением печи, отводом свода с электродами и т.д. Это, в свою очередь, позволяет существенно форсировать плавку.
Кроме того, от фракционного состава используемой металлошихты зависят технико-экономические показатели работы плавильного агрегата, в том числе угар металла, определяющий выход жидкого (годного) металла.
Важным фактором, влияющим на угар металлошихты в сталеплавильном процессе, является величина ее активной поверхности, которая определяет степень взаимодействия шихты с кислородом. Активная поверхность зависит в основном от ее толщины (диаметра), которая может быть оценена насыпной массой. В технико-экономических показателях сталеплавильных процессов величина угара лома является важной статьей, определяющей производительность агрегата и себестоимость стали. При использовании на плавку различных видов шихты (прежде всего различных видов лома) угар металла значительно изменяется.
Мировой опыт работы современных ДСП показывает, что выход жидкого металла составляет от 91 до 92 % от общей массы металлозавалки. При этом угар составляет от 4 до 6 %, в том числе в пыль отходящих газов уходит от 1,5 до 3,0 % и в виде оксидов со шлаком от 2,5 до 3,0 %. Со скрапом в шлаковые отвалы уходит от 2 до 3 %.
Выплавка стали
Анализ мирового опыта производства показывает, что устойчивой тенденцией развития сталеплавильного производства всех машиностроительных заводов, в том числе производящим ротора ЦНД, является строительство новых и реконструкция существующих электросталеплавильных комплексов в виде высокопроизводительных компактных производств, в которых сталь выплавляют в сверхмощных электродуговых печах, работающих по одношлаковой технологии, в комплексе с агрегатами "ковш-печь".
Садка таких печей составляет от 100 до 120 т. Техническая характеристика основных наиболее распространенных в мире типов мощных ДСП приведена таблице ниже
Таблица 1 - Основные параметры ДСП средней и большой емкости
|
Наименование параметра
|
ДСП-30
|
ДСП-60
|
ДСП-80
|
ДСП-100
|
ДСП-125
|
ДСП-150
|
|
Номинальная масса плавки, т
|
30
|
60
|
80
|
100
|
125
|
150
|
|
Мощность печного трансформатора, МВА
|
26
|
40
|
60
|
95
|
110
|
120
|
|
Расчетное время цикла выпуск/выпуск, мин
|
58
|
58
|
55
|
55
|
55
|
55
|
|
Диаметр графитированного электрода, мм
|
400
|
500
|
550
|
610
|
610
|
610
|
|
Тип выпуска
|
донный (эркерный) выпуск с отсечкой шлака
|
|
Напряжение высокой стороны трансформатора, кВ
|
35
|
35
|
35
|
35
|
35
|
35
|
На всех машиностроительных предприятиях в конструкциях электропечей средней и большой емкости стремятся реализовать современные технические решения, обеспечивающие эксплуатационные преимущества, направленные на сокращение периода плавки, удельного расхода электроэнергии, уменьшение длительности ремонтов, повышение надежности работы исполнительных механизмов, снижение эксплуатационных расходов, повышение безопасности, удобства эксплуатации и пр. В связи с этим современные электропечи, используемые в том числе на мировых машиностроительных заводах, имеют современные конструкции ванны с разъемным кожухом, донным (эркерным) выпуском металла с гарантированной отсечкой шлака, новые опорно-поворотные системы подъема-поворота свода, улучшенные конструкции водоохлаждаемых элементов, систем теплоконтроля, современные системы регулирования мощности, гидроприводов, водо- и газоснабжения, современные системы вторичного токоподвода в которых используются токоведущие рукава электрододержателей, а расчетная несимметрия фаз токоподвода составляет не превышает 2 %, печные трансформаторы с высокой удельной мощностью и повышенным для такого типоразмера печей вторичным напряжением, комплекты оборудования средств интенсификации плавки с использованием дополнительных источников тепла и системами вспенивания шлака, а также многое другое.
Электропечи оснащают современными системами автоматизированного управления технологическим процессом АСУ ТП, решающими следующие задачи:
- контроль параметров и управление электрическим режимом плавки с учётом технологических факторов и реактора электропечи;
- контроль параметров и управление весодозирующим комплексом;
- контроль параметров и управление системами подачи альтернативных источников тепла и вспенивания шлака;
- контроль состояния и управление механизмами печи, трансформатора и переключателя ступеней напряжения;
- расчёт количества и управление подачей в печь кислорода для продувки металла и твёрдых окислителей;
- контроль параметров водоохлаждаемых элементов печи;
- контроль параметров и управление системой удаления и очистки газов;
- вывод данных на монитор оператора, визуализация процесса плавки, передача и получение данных по системе ввода/вывода и пр.
Также анализ мировых технологий производства стали на машиностроительных предприятиях показал, что общепринятым является внедрение в электросталеплавильном производстве технологий, позволяющих значительно снизить затраты за счет экономии энергии при нагреве лома теплом отходящих газов. Прежде всего это установки с горизонтальной (фирма "Consteel") или вертикальной (фирма "Fuchs") схемой подачи шихты навстречу потоку отходящих газов.
Система "Consteel" в настоящее время эксплуатируется или находится в состоянии пуска в 16 сталеплавильных цехах: "Ameristeel" (Чарлотт, США), "Nucor" (Дарлингтон, США), "Kyoei" (Нагоя, Япония), "CoSteel" (Сейеревилл, США), NSM (Бовин, Таиланд). "ORI Martin" (Брешиа, Италия), "Xining" (Китай), "Guiang" (Китай), "Ameristeel" (Ноксвилл, США), "Nucor" (Хертфорд, США), "Shaoguan" (Китай), "Wuhi" (Китай), "Shiheng" (Китай), "Echeng" (Китай), "Tonghua" (Китай) и "Wheeling Pittsburg" (США). На стадии проектирования и строительства находятся еще три новых цеха: "Hengly" (Китай), "Jiaxing" (Китай) и "Sonasid" (Марокко).
Опыт эксплуатации систем подогрева показал, что если среднюю температуру подогрева поддерживать в пределах от 400 до 600°С, то экономия энергии составит от 80 до 120 кВтч на 1 т выпущенной жидкой стали. Время работы под током составляет 90-95 % от всего времени от выпуска до выпуска. Снижается содержание в стали азота и водорода, уменьшается количество выбрасываемой пыли, примерно на 30...40 % по сравнению с печами порционной загрузки и выбросы СО2 - на 10...30 %. Система подогрева шихты обеспечивает работу печи с более низким уровнем шума (в среднем ниже 90 дБ). На 60...70 % уменьшается воздействие на питающую электрическую сеть (фликкер-эффект). Предварительный подогрев металлошихты и непрерывная загрузка обеспечивают такие важные преимущества процесса как низкая стоимость производства, высокая производительность, гибкость технологии, снижение нагрузки на окружающую среду и повышение безопасности условий работы.
Мировой уровень расхода материалов и энергии при производстве в ДСП 1 т жидкой стали следующий: 340 кВт-ч электроэнергии, 1,2 кг электродов, 35 м3 кислорода, 5 м3 природного газа, 10 кг угольной шихты, 7 кг угольного порошка для вспенивания шлака и 40 кг извести.
Примеру иностранных производителей последовали и на отечественном предприятии ООО "ОМЗ-Спецсталь", запустившем в 2009 г 120-т дуговую плавильную печь. Характерно, что зарубежные производители используют эти печи только для своих нужд, не продавая слитки на сторону своим конкурентам, как это делают ООО "ОМЗ-Спецсталь" и "Pilsen Steel".
Внепечная обработка
Сталь для ответственных изделий производят с обязательной внепечной обработкой, включающей вакуумирование.
При этом решающими факторами, обеспечивающими эффективность и производительность процессов внепечной обработки, являются высокая эксплуатационная готовность, короткий цикл загрузки, низкие показатели расхода, а также снижение расходов на зарплату. Важным фактором качественного выполнения технологии внепечной обработки является:
- тонко настроенная автоматическая система управления технологическим процессом, обеспечивающая эффективное использование персонала и сокращение производственного цикла;
- точное определение расчетных параметров для используемых материалов может гарантировать проверяемое соответствие расходным показателям;
- правильный выбор конструкции агрегата ведет к сокращению до минимума стоимости площадей, необходимых для размещения вакуумного насоса, системы подачи легирующих и вакуум-камер
На предприятиях мировых лидерах по производству металла для нужд машиностроения вакуумирование проводят на установках как ковшевого (VD), так и порционного (DH) и циркуляционного (RH) вакуумирования. Наиболее распространены ковшевые вакууматоры, так как именно вакууматоры такого типа позволяют обеспечить интенсивное перемешивание металла со шлаком проведя, тем самым, глубокую десульфурации.
Разливка
На машиностроительных заводах сталь преимущественно разливают в слитки. При этом как правило используют сифонную разливку. Высококачественные маркис тали могут также разливать в вакууме.
Осоебнности сифонной разливки порднобно рассмотрены в отдельной статье здесь.
Замечания, предложения, комментарии и вопросы к данной статье Вы можете отправить здесь. Мы Вам обязательно ответим.
|
Наши партнёры
Спец-предложение
Предлагаем услуги по оптимизации геометрии разливочной оснастки с целью обеспечения повышения коэффициента использования металла и снижения осевой пористости слитков
подробнее
|
