После конвертера и ДСП. Печь-ковш как технологический агрегат

А.Н.Смирнов, В.М. Сафонов
ДонНТУ, Донецк

В последние два десятилетия основной тенденцией в деле повышения требований к металлопродукции выступает комплексное улучшение параметров качества стали с упором на ее химический состав. На современных метпредприятиях данная задача решается в основном за счет внедрения прогрессивных процессов доводки стали в ковше. Это в 1960—1970 гг. технология эксплуатации плавильных агрегатов (конвертер, ДСП или мартеновская печь) предполагала выпуск из них практически готовой к разливке стали. Тогда на уровне техпроцесса в ковш выносились, главным образом, операции раскисления и долегирования металла. Современные же технологические построения, напротив, предполагают выпуск в ковш из конвертера или ДСП железоуглеродистого полупродукта. А все дальнейшие шаги в части доводки стали по химическому составу и температуре выполняются исключительно в ковше. Общепризнанным методом здесь является комплексная обработка расплава в сталеразливочном ковше с применением мощного высокотемпературного источника локального нагрева, который обеспечивает непрерывную компенсацию тепловых потерь. Такая схема, как показывает практика, делает процесс выплавки и разливки стали более экономичным, а также обеспечивает наиболее полное совмещение процесса выплавки и разливки стали. А собственно агрегаты, обспечивающие нагрев и перемешивание стали в ковше, ее рафинирование и корректировку химического состава, в металлургической практике получили название «ковш-печь» (от английского ladle-furnace).

Современный «ковш-печь»: общие подходы и основные требования

Прогрессивный подход к производству стали на этапе «жидкий полупродукт — непрерывнолитая заготовка» обусловлен тремя основными моментами (их можно охарактеризовать в т. ч. и как стратегические для успешной работы метпредприятия), а именно:

• достижением стабильного качества жидкой стали, уровень которого определяется как технологическими, так и потребительскими свойствами;
• обеспечением технологичности работы МНЛЗ, включая скорость разливки, серийность, а также качество поверхности и внутренней структуры непрерывнолитого слитка;
• оптимизацией технологии дальнейшей термомеханической обработки заготовки для получения заданных свойств изделий при минимальных материальных, энергетических и временных затратах для технологической цепочки в целом.

В большинстве случаев необходимый (высокий) уровень потребительских свойств металлопродукции при использовании установок «ковш-печь» обеспечивается, в первую очередь, благодаря высокой степени рафинирования металла. Последнее прямо ведет к достижению оптимального химического состава готовой стали, что предполагает особо низкое содержание вредных примесей, как-то:

• кислорода (например, менее 15 ррm для легированных марок стали с особо низким содержанием кислорода);
• серы (как правило, ниже 0,008—0,010%, а для некоторых марок трубной стали — ниже 0,003%);
• газов: водорода (для флокеночувствительных — ниже 1,5—1,8 ррm) и азота (обычно ниже 50—60 ррm для электростали и 20 ррm для конвертерной стали);
• углерода (ниже 0,003% для стали с ультранизким содержанием углерода).

Комплексная обработка стали в агрегате «ковш-печь» предполагает обязательное предотвращение попадания в ковш печного шлака, содержащего FeO и MnO. В современных конвертерах и дуговых сталеплавильных печах операция отсечки шлака выполняется непосредственно на выпуске стали и обеспечивает отсечку 85—90% печного шлака (Альтернативным вариантом является применение машины для скачивания шлака из ковша. Данный подход получил большое распространение в 70-80-е годы прошлого века. Вместе с тем операция удаления шлака из ковша имеет достаточно очевидные недостатки в виде удлинения цикла пребывания стали в ковше, а также потери металла вместе со скачиваемым шлаком). В целом же всю совокупность основных операций, которые могут выполняться на современных установках «ковш-печь» в ходе обработки стали, можно свести к такому перечню:

• гомогенизация металла по температуре и химическому составу;
• корректировка химического состава стали путем присадки соответствующих лигатур;
• удаление вредных примесей (сера, водород, азот, а иногда, углерод и проч.);
• доведение температуры метала до регламентируемого технологией значения;
• рафинирование стали по неметаллическим включениям;
• получение стали с постоянными свойствами от плавки к плавке;
• управление составом шлака и т. д.

С учетом указанных требований (или возможностей) современный «ковш-печь» располагает устоявшейся уже технологической архитектурой. В конструкцию этих агрегатов включены такие обязательные элементы, как системы для нагрева металла электрическими дугами, а также для подачи ферросплавов и материалов для рафинирования стали в ковше. Кроме того, современные установки «ковш-печь» оборудованы устройством для подачи порошковой проволоки, предусматривают средства для перемешивания металла инертными газами и др. Наибольшее влияние на рабочие параметры агрегатов «ковш-печь» оказывает, прежде всего, вместимость сталеразливочного ковша. Наряду с этим многоплановое воздействие на эффективность работы установки дугового нагрева оказывает величина мощности печного трансформатора. Последняя, в частности, непосредственно влияет на скорость нагрева стали в ковше, продолжительность цикла обработки, условия работы футеровки ковша, расход огнеупоров и проч. Поэтому создание оптимальных энергетических условий нагрева является необходимой и решающей предпосылкой эффективного проведения технологического процесса. Что касается различий между конкретными агрегатами, то выполненная авторами сравнительная оценка эксплуатационных характеристики 44-х установок «ковш-печь», выпущенных рядом ведущих производителей, позволяет сделать следующий обобщающий вывод. Основная совокупность рабочих и эксплуатационных параметров этих установок достаточно близка между собой. А некоторые колебания в значениях рабочих параметров агрегатов находятся, на наш взгляд, в прямой взаимосвязи только с работой конкретного сталеплавильного цеха и объемом сталеразливочного ковша.

Особые замечания к эксплуатации агрегатов «ковш-печь»

Практика последних десятилетий показывает, что вопрос рационального перемешивания металла в ковше при продувке аргоном является особенно актуальным при работе установок «ковш-печь». Это объясняется тем фактом, что в ковшах данных агрегатов предусматривается, как правило, один-два (иногда три) продувочных узла, расположение которых регламентируется определенными технологическими соображениями. Во-первых, продувочные узлы необходимо располагать таким образом, чтобы вдуваемый в металл аргон не попадал в зону работы электрической дуги. Во-вторых, один из продувочных узлов должен располагаться в зоне подачи ферросплавов, что позволяет обеспечить высокую степень их усвоения. В-третьих, продувочный узел не может располагаться в зоне падения струи металла во время наполнения ковша. В-четвертых, продувочный узел не может располагаться вблизи стенки ковша, поскольку в этом случае будет происходить повышенный износ огнеупоров в области распространения восходящего потока. В-пятых, в зависимости от конкретной технологической операции, выполняемой в агрегате «ковш-печь», интенсивность продувки металла аргоном необходимо варьировать в значительных пределах. На практике для вдувания инертного газа в металл используются либо специальные блоки, устанавливаемые в днище ковша, либо погружаемые в расплав фурмы. В соответствии с основными технологическими задачами продувку стали аргоном ведут на разных этапах пребывания стали в ковше и с различной интенсивностью, что предъявляет к продувочному узлу требование универсальности. В общем случае при продувке металла инертными газами одновременно протекают многие процессы, которые оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на качество и себестоимость стали. Среди таковых процессов выделим следующие:

• энергичное перемешивание жидкой ванны металла в ковше путем формирования восходящего газометаллического циркуляционного потока в месте инжекции газа и нисходящих конвективных потоков стали по периферии;
• усреднение металла в ковше по температуре, а также некоторая корректировка температуры перед разливкой за счет охлаждающего действия инжектируемого газа;
• усреднение металла в ковше по химическому составу;
• повышение степени чистоты стали по неметаллическим включениям за счет эффекта флотации во всплывающих пузырьках инжектируемого газа;
• ускорение процессов расплавления и усвоения вводимых в жидкую ванну твердых реагентов, раскислителей, модификаторов и лигатур;
• ускорение процесса дегазации стали за счет транспортировки к поверхнос ти порций металла, расположенных в нижней части ковша; перемешивание металла и покровного шлака в зоне выхода газа из металла в шлак (интенсивность этого процесса зависит от интенсивности вдувания газа и способа его инжектирования);
• вторичное окисление стали в зоне выхода газа на поверхность в случае чрезмерно интенсивной продувки;
• ускорение износа футеровки сталеразливочного ковша, что во многом предопределяет повышение требований к качеству и химическому составу огнеупоров.

В отношении последнего особо укажем — широкие возможности современных способов внепечной обработки были достигнуты в немалой степени и за счет инновационных процессов в создании огнеупорных и вспомогательных материалов. В частности, благодаря серьезному прогрессу в области создания огнеупоров повышенной стойкости (футеровка сталеразливочного ковша, продувочные пробки и т. п.) удалось снизить удельные затраты на огнеупоры для внепечной обработки с $10—15 до $1,2—1,5 на тонну стали. Также нельзя проигнорировать и то обстоятельство, что за последние два десятилетия практически обязательным функциональным элементом установок «ковш-печь» стала операция введения в расплав порошковой проволоки в стальной оболочке с помощью специальных трайб-аппаратов (диаметр применяемой проволоки — от 9 мм до16 мм, что зависит от гибкости металлической оболочки). Этот прием обеспечивает точное введение в расплав требуемых легирующих элементов.

В целом же порошковые проволоки целесообразно использовать для ввода таких добавок, которые обладают:

• меньшей плотностью, чем расплав (могут всплывать на поверхность при другом способе подачи в расплав);
• ограниченной растворимостью;
• высоким показателем давления пара;
• высоким сродством к кислороду и др. (например, требуют больших затрат, являются токсичными, добавляются в небольших количествах и т. п.).

Еще не так давно в черной металлургии Украины бытовало устойчивое мнение, что использование агрегатов «ковш-печь» экономически оправдано и приемлемо только лишь на производствах по выплавке особых (специальных) марок стали, которые обладают повышенной добавленной стоимостью. А при выпуске рядовых марок стали, что отличало деятельность большинства меткомбинатов и заводов Украины, считалось вполне возможным обходиться и без применения новых технологий и оборудования в сфере внепечной обработки стали. Согласимся с первым — к металлопродукции ответственного назначения всегда предъявляются высокие требования по макро- и микронеоднородности внутренней структуры готовых изделий и заготовок. Это и обусловило пионерское внедрение агрегатов «ковш-печь» на заводах/участках, специализирующихся на выпуске сложных марок стали и продуктов из нее. Однако последние мировые тенденции наглядно демонстрируют — задача глубокого рафинирования и прецизионного раскисления стали сегодня не менее актуальна и для производителей ее массового сортамента, рядовых марок. Связано это с необходимостью обеспечения высокого уровня технологических свойств расплава, позволяющих проводить разливку стали на современных машинах непрерывного литья заготовок. В последние годы в Украине как раз активно реализуют проекты (либо заявляют об этом) внедрения способа непрерывной разливки стали со строительством МНЛЗ и выводом из эксплуатации слябингов/блюмингов. И без новых установок «ковш-печь» здесь явно не обойтись.