Электросталеплавильная печь и технология производства

      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;