Электросталеплавильный цех - 2 (ЭСПЦ - 2) ООО "Сталь КМК" представляет собой сложный технологический комплекс, состоящий из ряда взаимосвязанных агрегатов. Цех имеет в своем составе две электропечи по 100т каждая. Кроме того, цех оснащен двумя сортовыми машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), каждая из которых имеет четыре ручья. Перед отправкой на МНЛЗ металл обрабатывается на установках продувки стали азотом/аргоном (УПСА). В настоящее время строится агрегат комплексной обработки стали (АКОС), который позволит в дополнение к УПСА подогревать металл и осуществлять большее количество операций по доводке стали до требуемого качества в ковше. Связи агрегатов, основные технологические потоки показаны на рис.1.

Описание действующей и проектируемой технологии в ЭСПЦ - 2 далее приводится по агрегатам.

Рисунок 1 – Технологическая схема ЭСПЦ-2

Характеристика ДСП – 100И7

Дуговая электропечь ДСП - 100И7 используется в составе электросталеплавильного комплекса (ДСП - 100, УПСА, АКОС - 100, МНЛЗ) (см. рисунок 1), где использованы технологические и организационные решения, направленные на достижение устойчивой предельной производительности всей технологической цепочки в целом, а именно - выплавка стали, осуществляется в двух технологических взаимосвязанных агрегатах: дуговой сталеплавильной печи и агрегате внепечной обработки стали.

В ДСП выплавляют быстрорежущие, инструментальные, конструкционные, нержавеющие, трансформаторные, жаропрочные, шарикоподшипниковые и другие стали.

В ДСП осуществляется расплавление скрапа и кислородная продувка жидкой ванны с последующей короткой доводкой (или вообще без доводки) металла по химическому составу и температуре. Печной шлак не участвует в рафинировании стали и скачивается из печи перед сливом металла. По окончании окислительного периода плавки полученный полупродукт выпускается из печи в тигель-ковш, где и осуществляется окончательная доводка стали до заданной марки.

Использование ДСП - 100 для процессов плавления шихты и окисления примесей жидкой ванны обеспечивает выпуск стандартного полупродукта для различных марок стали, при этом сокращается время выдержки жидкого металла в печи, уменьшается износ футеровки и повышается производительность печи.

Печь ДСП - 100 имеет следующие основные параметры:

В конструкции ДСП - 100 использованы водоохлаждаемые элементы футеровки и свода, газокислородные горелки, высокомощный трансформатор со ступенями постоянной мощности; осуществлен наклон электродов к вертикали, обеспечивающий сближение их нижних концов для проплавления общего колодца в шихте.

Печь загружается сверху грейферной корзиной, при этом свод поднимается и вместе с электродами отводится в сторону слива металла. Возможна непрерывная подача металлизированных окатышей через загрузочное устройство в своде печи.

Наличие ступеней постоянной мощности расширяет возможности разработки рациональных энергетических режимов плавки в дуговой печи.

Для интенсификации расплавления шихты печь снабжена двумя сводовыми топливно-кислородными горелками. Применение водоохлаждаемых элементов сокращает расход огнеупоров и уменьшает простои на холодные ремонты футеровки. Однако простои печи с водоохлаждаемой футеровкой по ходу плавки вызывают потери энергии, которые необходимо восполнять после включения печи. Остановки печи в период раскисления, например, из-за несвоевременно проведенной подвалки шихты, могут привести к "замораживанию" расплава, так как водоохлаждаемая футеровка не аккумулирует тепло.

Приведенные конструктивные особенности ДСП - 100 влияют и на технологию выплавки стали и, главным образом, определяют необходимость предельного сокращения продолжительности жидких периодов в печи и проведение доводки металла во внешних рафинировочных агрегатах.

В состав оборудования ДСП - 100 входят:

· электрогидравлический регулятор электрического режима АРФГ - 400/6, 3-Н с гидравлическим приводом перемещения электродов;

· печной трансформатор; механизм наклона ванны печи; механизм подъема и поворота свода;

· система охлаждения элементов стен, свода и токопровода;

· фурма для продувки металла кислородом; устройство замера температуры металла в печи;

· система отвода газов из печи;

· датчики технологических параметров (температура, давление, вес, расход) смежных с ДСП —100 систем;

· насосно-аккумуляторная станция.

Сведения о технологическом процессе, регламенте и режиме. Технологический процесс выплавки стали, является непрерывно-дискретным с наличием значительного количества неконтролируемых возмущений и помех. Кроме того, он характеризуется отсутствием возможности непрерывного контроля основных переменных электротермического процесса (температура металла, концентрация компонентов и т.д.) и сложностью математических моделей взаимосвязи основных переменных процесса и нерешенностью задач их параметрической идентификации.

Электропечь ДСП -100 эксплуатируется в технологической линии с установкой внепечной обработки стали на МНЛЗ, и используется, в основном, в качестве высокопроизводительного плавильного агрегата. Длительность плавки при производительности технологической линии 400 - 500 тыс. т. стали в год не должна превышать 100 мин. При этом продолжительность периодов плавки должна соответствовать следующим ориентировочным показателям:

· предплавочные операции (заправка, завалка, подвалка, замена и перепуск электродов) - не более 20 мин;

· расплавление (под током) - не более 55 мин;

· доводка и выпуск - не более 25 мин.

Технология производства стали в ДСП - 100 высокой производительности, характеризуется следующими основными положениями:

1. Марочный сортамент включает углеродистые, низколегированные, легированные стали.

2. Основным принципом технологического процесса является ориентация плавки в печи на расплавление шихты, окислительное рафинирование (дефосфорация, обезуглероживание) и нагрев металла до температуры выпуска (1600 - 1700°С) с последующей десульфурацией, легированием, корректировкой состава и температуры в ковше при внепечной обработке, в том числе и с дуговым подогревом стали. При отсутствии подогрева в ковше операция легирования может частично осуществляться в печи.

3. Основными составляющими шихты являются подготовленный стальной лом и внутризаводские отходы, а также чушковый чугун. При наличии особых требований к качеству стали в состав шихты включаются металлизированные окатыши. Металлозавалка готовится в скрапном отделении цеха, где подготовленный лом с помощью кранов загружается в завалочные корзины. Корзины в процессе заполнения шихтой взвешиваются. Металлозавалка должна составляться таким образом, чтобы обеспечить загрузку печи не более чем в два приема: завалка - 70 - 75 т., подвалка - 35 - 40 т. Общий вес загружаемой шихты - не более 115 т.

4. Добавочные материалы (шлакообразующие, ферросплавы, кокс, окатыши) догружаются в печь через отверстие в своде. В отдельных случаях легирующие вводятся через рабочее окно мульдозавалочной машиной. Предусматривается также подача материалов в ковш. Шлакообразующие материалы и ферросплавы, используемые для выплавки и внепечной обработки металла, соответствуют стандартам и техническим условиям.

5. Для интенсификации расплавления шихты используются газокислородные горелки ориентировочной мощностью по 7 МПа. При общей длительности расплавления под током 50-55 мин. длительность работы горелок составляет 15-20 мин. Максимальный расход газа на горелку составляет 700 нм3/час, максимальный расход кислорода 1400 нм3/час.

6. Кислород для окислительного рафинирования подается через фурму, вводимую в печь. Расход кислорода составляет 50 м3/мин при давлении 1,2 - 1,5 Мпа. Длительность продувки – 15 - 40 мин.

7. Для обеспечения необходимой стойкости футеровки и снижения потерь энергии во время доплавления шихты и нагрева жидкого металла формируют пенистый шлак, экранирующий дуги, присадками по ходу плавки известняка или извести, кокса, окислительных окатышей или вводя кислород через погруженную в металл фурму.

8. Для контроля химического состава металла в процессе плавки отбираются 3 - 4 пробы металла из печи и 1 - 2 - из ковша при внепечной обработке. Время от момента отбора проб да получения результатов анализа составляет 8-10 мин.

9. Выпуск стали из печи, производиться без печного окисленного шлака, оставляемого в электропечи с некоторым количеством металла (до 10 т.). Масса металла, сливаемого в ковш, измеряется взвешивающим устройством на сталевозе. Периодически, через 5-7 плавок, металл и шлак выпускаются полностью, после чего производится заправка футеровки печи.

Технологический процесс выплавки стали в ДСП - 100 состоит из следующих основных операций и стадий:

· загрузка шихты в печь;

· закрытие свода;

· перевод скрапа в жидкое состояние, представляющий собой ряд стадий (заглубление электродов, проплавление колодцев, формирование зоны плавления, расплавление, подвалку скрапа);

· окислительное рафинирование с помощью кислородной продувки; отбор проб металла; замеры температуры металла; подача в печь шлакообразующих;

· выпуск металла из печи, включающий отворот свода и наклон ванны.

Поддержание на каждой стадии оптимальных электрорежимов позволяет минимизировать продолжительность расплавления и расход электроэнергии.

Под оптимальным режимом работы ДСП - 100 понимается работа с максимальным термическим КПД при соблюдении ограничений, накладываемых на температуру футерованной части стен и свода, на тепловой поток с водоохлаждаемых элементов стен и свода и на электрические параметры трансформатора, короткой сети и электродов.

Характеристика УПСА

Технологическая схема УПСА показана на рисунке 2.

В комплексе ОНРС ЭСПЦ-2 ООО «Сталь КМК» предусмотрено сооружение агрегата в составе двух установок для обработки стали азотом/аргоном и порошками за каждой электропечью. Производительность одной установки - до восьми плавок в сутки. Интервал выдачи плавок с электропечи - 3 часа. Продолжительность обработки стали - до 15 мин. Режим работы - непрерывный, трехсменный. Максимальный вес жидкой стали в ковше - 110-115т.

Агрегат доводки металла предназначен для выполнения следующих технологических операций:

1. продувка металла аргоном через неохлаждаемую фурму с целью усреднения его химического состава и выравнивания температуры по всему объему ковша, а также доведение температуры расплава перед разливкой до требуемого уровня;

2. продувка металла невысокоактивными порошкообразными реагентами в струе азота/аргона с целью науглероживания, десульфурации;

3. дозированная подача кусковых ферросплавов для легирования и коррекции химического состава стали по марганцу, кремнию и др. элементам;

4. дозированная подача алюминиевой проволоки с целью раскисления и легирования стали;

5. охлаждение расплава присаживаемой дозированными порциями металлической сечки;

6. автоматизированный отбор проб металла для экспресс-анализа стали, замер температуры и степени окисленности.

Рисунок 2 – Технологическая схема УПСА

Технологический процесс.

После выпуска плавки ковш с металлом транспортируется на УПСА. Ковш устанавливается оператором в заданное положение, опускается защитная футерованная крышка.

Продувка металла азотом/аргоном. Задается время продувки, расход азота/аргона общий и в единицу времени (30 - 60 м³/час), включается устройство на опускание фурмы в ковш. Включение подачи азота/аргона осуществляется автоматически при включении привода опускания фурмы. При достижении заданной глубины погружения (на 90 - 95 % глубины металла в ковше - 200-300 мм до дна) устройство ввода фурмы отключается. Проводится кратковременная (около 3 мин) продувка металла азотом/аргоном с целью усреднения химического состава и температуры. После продувки заданного расхода азота/аргона фурма выводится из ковша, а при достижении крайнего верхнего положения отключается подача азота/аргона.

Производится замер температуры и, если требуется, окисленности и отбор проб металла с целью получения информации о химическом составе.

Если химический состав и температура металла не удовлетворяют требованиям, соответствующим заданной марке стали, то рассчитываются и задаются в ковш требуемые порции ферросплавов и металлической сечки, подается алюминиевая проволока и может производиться продувка металла порошкообразными материалами.

Охлаждение металла. Корректировка больших отклонений температуры металла от заданного уровня производится добавлением металлической сечки (0,625 кг сечки на 1 т металла снижает его температуру на 1°С). Присадка металлической сечки производится отдельными порциями по 100 - 300 кг с интервалом 1-2 мин. После присадки последней порции сечки продувка металла азотом/аргоном должна быть не менее 3 мин.

Для коррекции малых отклонений температуры сталь продувается азотом/аргоном в течение 5 - 10 мин., исходя из получения температуры, необходимой для разливки стали. В процессе продувки металла азотом/аргоном температура снижается на 1,5 - 2°С/мин.

Доводка химического состава стали по марганцу, кремнию и другим элементам. Масса корректирующей добавки определяется по результатам экспресс-анализа пробы металла.

После введения корректирующей добавки металл продувается азотом/аргоном в течение 3-6 мин. в зависимости от массы присаженных ферросплавов.

Раскисление, легирование и доводка химического состава стали по содержанию алюминия. Алюминиевая проволока диаметром 9 - 12 мм для раскисления и легирования задается из бунтов с постоянной скоростью.

Количество алюминия определяется по данным экспресс-анализа, исходя из получения концентрации алюминия на 0,01% выше верхнего марочного предела при 50% усвоении. Интенсивность подачи азота/аргона 30...60 м³/час.

Введение алюминия в металл возможно совмещать с присадкой ферросплавов.

Доводка химического состава металла по содержанию углерода. Корректировка состава стали по углероду производится путем вдувания в металл молотого коксика или графита в струе азота/аргона (фракция не более 2 мм). Углеродосодержащие добавки вводятся в ковш с постоянной скоростью после погружения в металл фурмы. Расход порошка углеродосодержащих материалов определяется, исходя из 90% усвоения углерода, содержащегося в графите или коксе. Интенсивность подачи азота/аргона - 40... 60 м³/час.

Десульфурация стали. Для десульфурации сталь обрабатывается смесью порошков извести (85-90%) и плавикового шпата (10-15%) в струе азота/аргона. Металл продувается с интенсивностью 30...60 кг/мин в течение 10 минут. В перспективе возможна обработка порошком силикокальция и карбида кальция.

В конце обработки измеряется температура, отбирается проба металла.

Затем ковш с металлом, имеющим температуру на 20-30°С выше нижней температуры разливки, транспортируется на МНЛЗ.

Постановка задачи

Повышение требований к качеству продукции, учитывая тему дипломного проекта, требует оптимизации проведения процесса обработки стали в ковше на УПСА. Получение металла с заданным химическим составом и требуемыми свойствами затруднительно из-за большого количества выплавляемых марок стали и используемых охладителей, раскислителей и легирующих, высокой колебаемости заданного состава готовой стали от выпуска к выпуску, изменчивости свойств применяемых раскислителей, проведение обработки металла в условиях неполноты, а иногда и недостоверности, информации, колебаний угара элементов, малого времени слива. Сменный мастер назначает требуемые массы вводимых добавок зачастую по инструкции, что ведет к перерасходу газа, сечки, ферросплавов, браку готовой продукции. Для повышения качества обработки металла и экономии корректирующих добавок необходима автоматизированная система сбора, обработки и отображения информации на УПСА.

Алгоритмы контроля и оценки получаемой информации в ходе внепечной обработки стали должны быть универсальными и легко реализуемыми в уже имеющейся АСУ ТП УПСА.