Сталеплавильные процессы

Установка для обработки стали в ковше

Ковш в металлургии – стальной или чугунный сосуд, предназначенный для кратковременного хранения, транспортирования и разливки расплавленного металла или шлака. С целью защиты от разъедающего действия горячего металла и с целью уменьшения тепловых потерь, корпус ковша обычно футеруют внутри огнеупорным кирпичом. Перемещают ковш с помощью мостовых кранов или на железнодорожных тележках. Вместительность ковша доходит до 480 тонн.

После разливки в ковше удобно проводить дополнительную обработку стали для удаления примесей. Такую обработку жидкой стали называют внепечной обработкой или вторичной металлургией. Развитие внепечной обработки позволило резко упростить технологическую цепочку в черной металлургии путем гарантированно качественной разливки стали на МНЛЗ (машины непрерывного литья заготовок) взамен разливки в слитки.

В общем случае, примесями можно считать газы (О2, СО, Н2, N2), оксидные неметаллические включения (Al2O3, MnO, Cr2O3, TiO2 и др.), кислород в соединении с металлами, примеси цветных металлов (свинец, сурьма, олово, цинк и др.), а также серу, фосфор, а в некоторых случаях –углерод и другие восстановители (марганец, кремний).

Для удаления примесей в ковшах применяются следующие технологии:

  • Обработка металла вакуумом;
  • Продувка металла газами (инертными, окислительными и восстановительными);
  • Перемешивание объема металла со специально приготовленным шлаком;
  • Продувка металла порошкообразными материалами;
  • Обработка металла порошковой проволокой.

Из них первые три имеют резко отличающиеся признаки. Продувка порошками и гранулами (CaF2, CaO, железная руда, FeMn, FeSi, Са, Mg, C и др.) обычно осуществляется в струе инертного (аргон) или восстановительного (природный газ) газа и конструкции ковшей для реализации этого способа близки к конструкциям, реализующим продувку металла газами.

Обработка стали порошковой проволокой заключается в подаче в ковш с жидкой сталью порошковых материалов в стальной оболочке посредством трайб-аппаратов. После ввода такой проволоки тонкая оболочка расплавляется и порошки распределяются в объеме металла. Подача порошкообразных материалов необходима для быстрого и равномерного раскисления, а также точного легирования стали.

Качество стали в основном определяется длительностью (чем дольше идет процесс обработки, тем качественнее сталь) и способом внепечной обработки. В процессе длительной обработки происходит большая потеря теплоты от объема металла в окружающую среду, падает температура жидкой стали и снижается эффективность обработки. Для компенсации тепловых потерь от металла и поддержания его температуры на высоком уровне в течение достаточно длительного времени необходимо либо перегревать сталь в сталеплавильной печи, либо подогревать ее в ковше. Как правило, 2-й вариант более экономичен при необходимости перегрева металла в сталеплавильной печи более чем на 70-75 °С. С одной стороны, дополнительный расход энергии в ковше приводит к увеличению себестоимости производства стали, а с другой – дает такие преимущества, как получение низкои высоколегированных сталей из обычных углеродистых конвертерных марок, спасение «холодных» плавок взамен возврата металла в сталеплавильную печь и т.д.

Существуют два основных способа подвода энергии к жидкой стали в ковше: непосредственный нагрев электрической дугой и химический способ – путем продувки стали кислородом с окислением предварительно введенных в неё веществ. Например, быстрый нагрев химическим способом можно получить в том случае, когда в сталь предварительно введена алюминиевая проволока посредством трайб-аппарата.

Первый способ является основой установок называемых ковш-печь (см. LF-процесс ниже). Ковш-печь – это установка в виде ковша с крышкой для рафинирования стали путем ее продувки снизу азотом или аргоном и подогрева электродами, вводимыми через отверстия в крышке.

Второй способ лежит в основе работы установки химического нагрева.

При ориентировочных расчетах считается, что ввод 0,04 кг алюминия на 1 тонну стали с последующей продувкой кислородом (расход ~0,022- 0,03 м3 на 1 т стали) повышает среднемассовую температуру стали на 1 °С. После продувки кислородом обязательна продувка аргоном для удаления остатков кислорода.

Наибольший эффект дает комплексный подход к внепечной обработке металла. Основные наиболее распространенные процессы комплексной обработки стали следующие:

  • AP-процесс (Arc Process – дуговой процесс) –электродуговой подогрев металла при продувке аргоном через верхнюю фурму, наводке высокоосновного шлака и вдувании порошков силикокальция в струе аргона;
  • LD-RHOB-процесс (LD-процесс, т.е. кислородно-конвертерный процесс продувки чугуна, RH-процесс, т.е. циркуляционного вакуумирования, Oxygen Blowing – кислородная продувка) – обработка конвертерной стали вакуумом в установке циркуляционного вакуумирования с подачей в вакуум-камеру кислорода для дожигания СО до СО2 и нагрева металла в процессе обработки;
  • LF-процесс (Ladle-Furnace – ковш-печь) – укрытие ковша огнеупорной крышкой с отверстиями под электроды, подогрев металла с помощью дуги в процессе продувки аргоном и одновременно наводка на поверхности металла высокоосновного шлака;
  • LRF-процесс (Ladle-Refining-Furnace – ковш-рафинирование-печь, разновидность LF-процесса) – в дополнение к LF-процессу: обработка вакуумом под герметичной крышкой (взамен свода с электродами) с отводом к вакуум-насосам с одновременным перемешиванием аргоном, далее разливка через промежуточный ковш в изложницы, находящиеся в вакуумной камере;
  • VAD-процесс (Vacuum Arc Degassing – вакуумно-дуговая дегазация) – нагрев электрической дугой, продувка аргоном без вакуума, обработка вакуумом с наводкой высокоосновного безокислительного шлака и заключительная продувка аргоном;
  • VOD-процесс (Vacuum Oxygen Decarburization – вакуумно-кислородное обезуглероживание) – продувка кислородом металла, находящегося в ковше, который, в свою очередь, находится в вакуумной камере.

Представляется логичным называть термином «ковш-печь» или «ковшовая печь» все те установки внепечной обработки, в которых происходит подвод энергии, т.к. эти установки полностью подходят под понятие «печь», данное в разделе 1. Правда с введением всеохватывающего термина «ковш-печь» неуместным становится употребление термина «внепечная обработка».

Перед изучением работы установок «ковш-печь» рассмотрим более подробно три основные технологии обработки стали: вакуумом, инертным газом и синтетическим шлаком, а также простейшие устройства, реализующие эти технологии.