ПРИМЕНЕНИЕ АГРЕГАТОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

В начале 80х годов в ФРГ, Швеции и Франции дуговых печей постоянного тока (ДСППТ). До были созданы первые образцы промышленных 1989 г. печи этого типа создавали в основном путем реконструкции устаревших дуговых электросталеплавильных печей переменного тока емкостью примерно до 30 т.

В 1989 г. в Японии впервые построили новую печь емкостью 130 т для выплавки стали. Начиная с этого времени, темпы разработок и строительства крупнотоннажных печей постоянного тока увеличились. К концу 1993 г. число ДСППТ в мире может достичь 46, а в 1994—1995 гг. намечено построить еще 23 крупные печи. Емкость строящихся печей достигает ~180 т. Имеется информация о разработках ДСППТ емкостью >200 т. Наряду с традиционными разработчиками ДСППТ: европейскими фирмами Ман—Гхх, Клесим, АББ, японскими НКК, Дайдо— к созданию печей постоянного тока в последние годы проявляют интерес известные европейские фирмы: Маннесманн—Де маг (МОН) в Дойче Фёст Альпине (DVAL) [1]. Эти данные свидетельствуют о возрастании интереса к ДСППТ в мире.

В России опыт создания и эксплуатации ДСППТ значительно меньше. Первая крупная печь емкостью 25 т создана в 1988 г. на ПО "Ижсталь". Однако металлурги России и Германии располагают наибольшим в мире опытом разработок» строительства и эксплуатации плазменных печей постоянного тока (ПП), которые в этих странах эксплуатируется с 1970 г. [2]. Сопоставление ДСППТ и ПП позволяет заключить, что по технологическим возможностям они близки, а по основным техническим решениям практически тождественны (рис. 1). Поскольку ПП появились на 10 лет раньше ДСППТ, то они могут с полным основанием рассматриваться как прототип современных ДСППТ.

Работы по созданию и освоению ПП проводили при тесном сотрудничестве металлургов России и бывшей ГДР [3]. Тем не менее направления разработок имели существенные различия. Основной целью немецких металлургов явилось создание процесса, по своим техникоэкономическим показателям превосходящего выплавку в дуговых печах переменного тока (ДСП), применительно к широкому сортаменту сталей — от высоколегированных до низколегированных и углеродистых [4]. Для российских металлургов основной целью явилось освоение выплавки высоко и сложнолегированных сталей и сплавов особо ответственного назначения с уровнем качества, равным или близким к металлу вакуумноиндукционной выплавки (ВИ).

Различие целей нашло отражение в подходе к конструктивным решениям и технологии. В области технологии немецкие металлурги больше внимания уделяли форсированию расплавления и окислительного периода [4]. На печах России выплавку проводили в основном методом сплавления с использованием чистых шихтовых материалов, либо переплавом высококондиционных легированных отходов. Особое внимание уделялось уплотнению печи. Совершенствование технологии было направлено прежде всего на предотвращение загрязнения расплава составляющими атмосферы (азотом) и максимально эффективное проведение рафинировочного периода в атмосфере, близкой к аргоновой (содержание азота <3%) [5].

К концу 70х годов было решено большинство технических проблем, связанных с особенностями работы ПП: созданы взрывобезопасные водоохлаждаемые подовые электроды; разработаны большеточные тиристорные источники питания постоянного тока; созданы плазмотроны на ток до 10—12 кА; выявлены специфические особенности горения плазменной дуги постоянного тока.

Отмечено снижение уровня шума, более стабильное горение дуги, снижение уровня фликкера в питающей сети, многократное уменьшение пыле и газовыделений по сравнению с ДСП переменного тока.

Стоимость сталеплавильного передела в ПП оказалась несколько выше (на 30 %), чем в ДСП переменного тока, в основном изза большего расхода огнеупоров, расхода аргона (38 м3/т), большего расхода воды. Однако это удорожание с избытком компенсируется уменьшением угара металлошихты (на 30—40кг/т) и более полным усвоением легирующих. В результате обеспечивается положительный экономический эффект. Установлено, что по сравнению с металлом ДСП металл плазменной выплавки имеет пониженное содержание кислорода и оксидных включений в 1,52 раза, азота на 2530 %. Содержание серы в металле ПП не превышало 0,004 %. По содержанию указанных примесей металл ПП в большинстве случаев находится на уровне металла ВИ.

Однако ПП не обеспечивает удаления примесей цветных металлов, выплавка в ПП осо бонизкоазотистой (N <0,025 %) и особонизкоуглеродистой (С <0,02 %) высоколегированной стали требует использования особо чистых шихтовых материалов, производство в ПП высокохромистых сталей с суммарным содержанием углерода и азота <0,015% (суперферритов) невозможна. Таким образом, использование ПП взамен ВИ может быть ограниченным.

Несмотря на указанные выше преимущества, ПП не имеют перспектив для широкого внедрения в сталеплавильное производство и взамен ДСП изза более высокой стоимости передела. Основной причиной являются недостатки, свойственные плазмотронам с металлическим катодом: необходимость работы на длинных дугах (не менее 300 мм даже в период рафи нировки); недостаточная надежность работы плазмотронов; необходимость подачи чере? плазмотрон плазмообразующего газа — аргона ^5м3/т; бесперспективность попыток создания плазмотронов большой единичной мощности [6].

Таким образом, создание дугового нагревателя, лишенного недостатков, свойственных классическому плазмотрону, являлось абсолютно необходимым для обеспечения перспективности развития сталеплавильных агрегатов постоянного тока. В связи с этим в 1978 г. на 12т ПП Челябинского металлургического комбината (ЧМК) был установлен новый нагреватель, получивший название плазмотрона с графитовым катодом (ПГК). Он представляет собой металлический водоохлаждаемый шток с закрепленным на рабочем торце полым графитовым электродом (катодом). Через полость катода подается с небольшим расходом (<1м3/т) плазмообразующий газ. Эти печи, сохраняя все преимущества ПП, лишены недостатков, связанных с использованием плазмотрона с металлическим катодом.

В 1982 г. в ФРГ введена в эксплуатацию первая опытная ДСППТ емкостью 12 т. По существу (см. рис. 1) печь ЧМК и ДСППТ являются аналогами. В табл. 1 приведены характеристики ПП с ПГК и ДСППТ в сравнении с ДСП переменного тока. Эти данные подтверждают преимущества обеих разновидностей печей постоянного тока по сравнению с ДСП и свидетельствуют о близости их технологических возможностей. ПП с ПГК по сравнению с ДСППТ обеспечивают некоторые преимущества: меньший расход графита, большую допустимую плотность тока на электроде—катоде, меньшее науглероживание металла. Использование графитовых катодов или электродов позволило создать надежные и экономичные дуговые нагреватели постоянного тока с единичной мощностью, достаточной для создания крупнотоннажных ДСППТ и агрегатЬв комплексной обработки стали (АКОС), тем самым обеспечив перспективы развития последних в сталеплавильном производстве.

К основным технологически важным отличиям ДСППТ от ДСП переменного тока относятся:

Эти отличия не вносят какихлибо принципиальных изменений в технологию сталеплавильного процесса, но их необходимо учитывать. В противном случае даже безусловные преимущества ДСППТ могут проявить себя как недостатки и привести к отрицательным результатам. В качестве примера можно привес 256 ти случай с повышением содержания азота и образованием газовых раковин (пузырей) в верхней зоне слитков низколегированных сталей (40Х, 40ХН, 12ХНЗА, 20Х), выплавленных в ДСППТ25 завода ПО "Ижсталь". В результате работы, проведенной ИНМТ ЦНИИчермет, НТФ "ЭКТА" и ПО "Ижсталь", этот дефект был ликвидирован. В данном случае не учитывали, что окислительные процессы в ДСППТ в период плавления получают меньшее развитие, чем в ДСП, и условия нагрева одной дугой постоянного тока имеют свою специфику [8].

ДСППТ никаких ограничений в отношении сортамента выплавляемых сталей, по сравнению с ДСП переменного тока, не имеет. По технологическим возможностям ДСППТ превосходит печи переменного тока, в частности, они обеспечивают более благоприятные условия для глубокого раскисления металла и десульфурации. Последнее важно, когда печи работают монопроцессом, т.е. без агрегатов внепечной обработки. Это преимущество в сочетании с уменьшением угара металлошихты и потерь легирующих при работе методом переплава обеспечивают. особую перспективу внедрению ДСППТ в малых электросталеплавильных цехах и литейном производстве.

Перспективность крупнотоннажных ДСППТ обусловлена большей их экологичностью и экономичностью (меньшим расходом электродов, огнеупоров, электроэнергии), возможностями более гибкого регулирования режима плавления и некоторыми другими преимуществами. В настоящее время в России проектируются ДСППТ емкоегью 100150 т. В табл. 2 сопоставлены некоторые характеристики разрабатываемой ДСППТ100 и печи фирмы Маннес маннДемаг (MDH) 85/100 ЕВТ 6,6895. Они близки.

Требования к крупнотоннажным ДСППТ должны определяться, исходя из использования их в качестве плавильного агрегата в составе сталеплавильного комплекса: плавильная печь — агрегат внепечной обработки — МНЛЗ.

Электросталеплавильный комплекс постоянного тока

В основе концепции электросталеплавильного комплекса заложена идея осуществления сквозной технологии, последовательно использующей в оптимальном соотношении возможности каждого звена (т.е. агрегата). Применение постоянного тока, обеспечивая дополнительные преимущества для каждого звена, позволяет наиболее полно реализовать возможности комплексной технологии в целом. ДСППТ в составе комплекса должна: превосходить по своим основным техникоэкономическим показателям ДСП переменного тока, обеспечивать максимально интенсивное расплавление и проведение окислительного периода (включая удаление фосфора), гарантировать оптимальное содержание углерода и необходимый уровень температуры на выпуске, сохраняя при этом экологические преимущества. Сталеплавильный комплекс постоянного тока включает ДСППТ, универсальный вакуумный АКОС постоянного тока, промковш МНЛЗ с обогревом ПГК.

Агрегат комплексной обработки стали АКОС постоянного тока

К основным преимуществам по сравнению с АКОС переменного тока относятся осевое расположение дуги и как результат этого — повышение стойкости футеровки верхней зоны ковша на 15—20%; возможность использования большей удельной мощности и более высокой скорости нагрева (более 5°С/мин); возможность нагрева металла в широком диапазоне давлений от атмосферного до примерно 6,6 кПа; более полное усвоение тепловой энергии металлом непосредственно от дуги постоянного тока в зоне привязки анодного пятна (на 8—10%); меньший расход графити рованных электродов и меньшее науглероживание металла; возможность создания индукционного электромагнитного перемешивания; использование одного сводового электрода упрощает проблему размещения его на крышке агрегата.

ИНМТ ЦНИИчермета согласно с АО ВНИИЭТО и ВНИИметмаш разработан проект универсального вакуумного агрегата комплексной обработки стали емкостью 16 т постоянного тока (АКВОС16). Схема этого агрегата предусматривает использование одного сводового нагревателя и подового электрода—анода (рис. 2). В качестве дугового нагревателя может быть использован как сплошной графитовый электрод, так и ПГК, последний предпочтительнее.

Основные проектные характеристики АКВОС 16: удельная полезная мощность • 0,25 МВт/т; скорость нагрева 5—6°С/мин; скорость науглероживания <0,002 %/ч.

Первый АКВОС16 предполагается ввести в эксплуатацию в 1995 г. Начаты разработки проектов крупнотоннажных агрегатов типа АКВОС16.

Обогрев металла дугой постоянного тока в промежуточном ковше МНЛЗ. В качестве нагревателя в этом случае целесообразнее использовать ПГК. Использование дуги постоянного тока для нагрева металла в промковше МНЛЗ обеспечивает гибкое регулирование режима нагрева и, следовательно, температуры металла; возможность организации кондукцион ного перемешивания металла; контроль уровня металла по напряжению в дуге; возможность нагрева металла при разрежении до 6,6 кПа.

Имеющиеся разработки достаточны для проектирования, изготовления и поставки в комплекте (источник питания, регулятор дуги, ПГК, подовый электрод), нагревательных комплексов всех необходимых для существующих МНЛЗ параметров.

Нагрев металла разрядом постоянного тока в агрегатах вакуумной обработки стали. Компенсация тепловых потерь при вакуумировании представляет собой проблему. Для этой цели определенные перспективы представляют разработки в области электронноплазменных нагревателей (ЭПН). Такие нагреватели обеспечивают стабильный разряд в диапазоне давлений 0,1—10 Па и относительно высокий к.п.д. нагрева до 50—70 %. В результате совместных исследований ИНМТ и МЭИ разработаны нагреватели (точнее катоды к ним) на токи до 12 кА. Опробованы опытные конструкции катодов для диапазона давлений 10—100 Па. Получены положительные результаты. Создание катодов на 100150 кА для диапазона давлений 10—500 Па обеспечило бы возможность обогрева металла в вакууматорах любого типа и емкости. Задача эта решаема, но требует больших материальных затрат.

Применение нагрева дугой постоянного тока в сталеплавильном производстве имеет широкие перспективы. Развиваться оно должно на основе концепций сталеплавильных комплексов постоянного тока. Такой подход облегчит разработку наиболее сложных технических проблем, поскольку для всех звеньев технологической цепи они имеют много общего.

К наиболее важным технологическим и техническим задачам, требующим решения, относятся разработка сводового электрода (катода) на токи до 150—200 кА с использовашяем графитированных электродов существующих размеров— для ДСППТ и АКОС; разработка оптимального варианта конструкции подового электрода (проводящей подины) для крупно тоннажных АКОС— до 350т; выбор и разработка оптимальных вариантов кондукционного перемешивания для ДСППТ, АКОС, промковшей [8, 9, 10]; создание и внедрение на существующих МНЛЗ нагревательных комплексов постоянного тока для нагрева металла в пром ковше; оптимизация режима расплавления в крупнотоннажных ДСППТ; разработка и создание источников питания постоянного тока на 150200 кА для ДСППТ и АКОС; разработка электронноплазменных нагревателей, надежно работающих в диапазоне давлений 10—500 Па, на токи 100—150 кА; повышение стойкости футеровки шлакового пояса в ковшах АКОС; максимально возможное ускорение технологических операций в АКОС.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994