Перемешивание расплава в ковше

Перемешивание расплава в ковше является обязательной операцией внепечной обработки. Известно, что в сочетании с перемешиванием скорость рафинирования металла различными технологическими средствами существенно возрастает, а также становится возможным реализация эффективного дугового нагрева и вакуумной обработки раскисленной стали. Более того, путем перемешивания достигают требуемую по условиям разливки степень однородности температуры и химического состава стали, которые в значительной мере определяют технико-экономические показатели процесса производства.

В процессе перемешивания стали в ковше происходит также гомогенизация химического состава в объеме металла. После присадки ферросплавов на выпуске разница содержания таких элементов, как кремний и марганец по высоте ковша, может достигать 0,05-0,15 % абс. После продувки стали инертным газом эта величина обычно снижается до 0,01-0,03%.

Перемешивание разделяют по способу организации на пневматическое (путем продувки инертным газом) и электромагнитное (за счет взаимодействий индуцируемого в жидкой стали электрического тока с внешним переменным электромагнитным полем).

Принято считать, что для достижения максимальной равномерности химического состава целесообразнее использовать электромагнитное перемешивание, а для глубокого рафинирования (десульфурация и дегазация) – продувку аргоном.

Пузырьки газа, барботирующие при продувке весь слой металла, способствуют его рафинированию. При увеличении интенсивности массопереноса в ковше происходит выравнивание состава и температуры в объеме металла. Интенсивное перемешивание ускоряет доставку неметаллических включений к поверхности раздела металл-шлак и удаление их из стали, чему способствует флотация пузырьками продуваемого газа неметаллических включений. Так как парциальное давление, например, водорода в пузырьках инертного газа практически равно нулю, они по отношению к растворенному водороду являются «вакуумными» полостями и экстрагируют газ из металла. Известно, что характер и интенсивность движения стали в ковше зависят от ряда параметров продувки, которые влияют на ее эффективность, в частности на степень гомогенизации металлической ванны. На основании исследований поведения металла при продувке в различных агрегатах установлена зависимость времени, необходимого для достижения определенной степени гомогенизации, от параметров продувки, основным из которых является диссипация энергии. Так, величина диссипации энергии увеличивается, а время, необходимое для гомогенизации стали в ковше при заданной температуре, уменьшается с повышением скорости поступления газа в металл, а также с увеличением глубины барботажной зоны. С увеличением массы металла и диаметра ковша время гомогенизации увеличивается.

Современная техника пневматического перемешивания сравнительно проста и надежна в обслуживании и эксплуатации. Разработанные и широко применяемые технологические варианты обеспечивают необходимый уровень мощности перемешивания и позволяют удалять при атмосферном давлении до 10-15 % водорода и неметаллические включения, а также интенсифицировать массообменные процессы между металлической и шлаковой фазами.

На практике для вдувания инертного газа в металл на этапе внепечной обработки применяют либо погружаемые в расплав фурмы, либо специальные огнеупорные блоки, устанавливаемые в днище ковша.

В конце 70-х годов прошлого века продувка сверху с помощью погружаемой фурмы типа «ложного стопора» была принята в качестве основного варианта при оснащении сталеплавильных цехов Советского Союза установками для усреднения металла в ковше. Продувку в большинстве случаев вели непосредственно через выходное отверстие фурменной трубы, из-за чего интенсивность её не превышала 40-60 м³/ч, а удельный расход газа 0,03-0,05 м³/т стали. Это исключало возможность рафинирования металла, но было вполне достаточно для перемешивания добавок, усреднения состава и температуры стали.

Увеличение интенсивности продувки через погружаемую фурму практически невозможно. Опыт промышленной эксплуатации показал, что при расходах газа около 60 м³/ч наступает так называемый «пробой» ванны: практически прекращается распад струи и начинаются выбросы металла и шлака из ковша.

Серьезной причиной выхода наконечников из строя являлось их отгорание из-за нарушений плотности посадки наконечника на трубу под действием высокой температуры, архимедовой силы и вибрации, а также вследствие забивания пор продуктами взаимодействия пористого материала с металлом и шлаком.

Вместе с тем, применение погружаемой продувочной фурмы не требует изменения конструкции сталеразливочного ковша, устройство ввода надежно и просто в эксплуатации, что и предопределило применение способа как резервного для перемешивания стали на установке «ковш-печь». Большое количество установок «ковш-печь» оснащены дополнительной погружаемой фурмой, которая находится в поднятом положении и вводится в расплав только в случае нарушения газопроницаемости продувочных устройств в днище ковша. В большинстве случаев такой способ аварийного перемешивания позволяет восстановить работу донных продувочных устройств.

Основной тенденцией развития новых конструкций продувочных устройств является все более широкое применение специальных керамических пробок, устанавливаемых в днище ковша. Это стало возможным благодаря повышению их эксплуатационной стойкости и снижению удельных затрат на изготовление. Применение донных продувочных блоков позволяет более точно регулировать расход вдуваемого газа при его стабильной подаче, а также обеспечить вдувание газа в нескольких точках.

В целом, за исключением каких-то специальных случаев, следует отметить стремление технологов уменьшить интенсивность продувки металла в ковше при увеличении ее продолжительности в ходе цикла обработки.

В соответствии с основными технологическими задачами продувку стали инертным газом ведут на различных этапах пребывания стали в ковше с изменением интенсивности в широких пределах: от 3-6 до 35-50 м³/ч (от 50-100 до 600-800 л/мин), что предъявляет к продувочному узлу требование универсальности. Характеристика газового потока из продувочного узла зависит от профиля и расположения газовых каналов.

Для продувочной пробки выбирают огнеупорный материал, исходя из условий эрозии и абразивного износа при службе с учетом конструктивного исполнения и особенностей изготовления:

• пористые пробки из материала с высокой пористостью, где газ протекает через произвольно расположенные капиллярные каналы, имеющие большой спектр величины диаметра;
• комбинированные пробки с круглыми каналами заданного диаметра, которые соединены между собой или являются независимыми;
• сборные сегментные пробки со щелевыми каналами заданного сечения, расположенные по какой-либо схеме.

Как показал опыт промышленной эксплуатации, пористые пробки рекомендуется применять только для условий работы с относительно коротким временем продувки и пребывания металла в ковше. Это объясняется тем, что из-за высокой пористости и несистематизированного расположения газовых каналов на практике происходит быстрое проникновение стали в поры продувочного узла. Последующие термические удары и химическая (кислородная) очистка приводят к быстрому разрушению пробки (в течение 7-15 плавок). При удлинении времени продувки разрушение пробки может происходить еще быстрее и приводить к аварийным ситуациям.

Более высокая эксплуатационная стойкость продувочных узлов может быть достигнута в случае применения специальных блоков с направленной пористостью. При этом сборная пробка с щелевыми каналами оказывается наиболее предпочтительной с точки зрения организации процесса продувки и подбора наилучших по стойкости материалов для отдельных керамических элементов, входящих в конструкцию продувочного узла. При использовании пробки сегментного типа их проницаемость для газа сохраняется в 90 % и более случаев без применения кислородной очистки перед очередным наливом. Эксплуатационная стойкость такой пробки может сохраняться в течение 30-50 плавок и более (до 4000 мин продувки), что обеспечивает ее равную стойкость в сравнении с огнеупорами днища ковша. При этом посредством выбора начальной высоты пробки возможно регулирование ее эксплуатационной стойкости.

Известно, что усреднение стали в объеме сталеразливочного ковша сопровождает ряд процессов, которые оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на её качество и себестоимость:

• энергичное перемешивание жидкой ванны металла в ковше путем формирования восходящего газометаллического циркуляционного потока в месте инжекции газа и нисходящих конвективных потоков стали по периферии;
• взаимодействие потоков металла и покровного шлака как по всей поверхности, так и в зоне выхода газа из металла в шлак (степень развития этого процесса зависит от интенсивности вдувания газа и способа его инжектирования);
• повышение степени чистоты стали по неметаллическим включениям за счет эффекта флотации во всплывающих пузырьках инжектируемого газа и взаимодействие их с рафинировочным шлаком;
• ускорение процессов расплавления и усвоения вводимых в жидкую ванну твердых реагентов, раскислителей, модификаторов и лигатур;
• ускорение процесса вакуумной дегазации стали за счет транспортировки к поверхности зеркала расплава порций металла, расположенных в нижней части ковша;
• развитие процесса вторичного окисления и насыщения стали газами в случае чрезмерно интенсивной продувки (рисунок 2.4, для случая продувки через 2 пористые пробки в 300-тонном сталеразливочном ковше ОАО «АМК»);
• ускорение износа футеровки сталеразливочного ковша, что во многом предопределяет повышение требований к качеству и химическому составу огнеупоров.

При проектировании технологии внепечной обработки все вышеперечисленные процессы необходимо количественно оценить и соизмерить в зависимости от целей, а также технических и технологических ограничений в конкретных условиях производства. Наряду с обеспечением требуемого уровня рафинирования стали оптимизируют конструкцию ковша, тип и расположение продувочных устройств, а также режим продувки с целью экономии энергетических и материальных ресурсов.

Альтернативным методом перемешивания металла в ковше является воздействие на расплав электромагнитного поля (рисунок 2.5).

Характерной особенностью этого метода перемешивания является то, что индуктор расположен с внешней поверхности ковша и воздействие проникает от стены ковша внутрь жидкой ванны.

Рисунок 2.4 – Изменение конфигурации «глаза» в зависимости от расхода вдуваемого газа: а – без продувки; б – вдувание 50 л/мин на каждую фурму; в – вдувание 150 л/мин на каждую фурму

При этом в оборудовании отсутствуют движущиеся части и элементы, непосредственно контактирующие с жидким металлом. Кроме того, при наложении электромагнитного поля на металл имеются весьма широкие возможности по регулированию мощности перемешивания, а также по реверсированию направления движения потоков.

Рисунок 2.5 – Схематическое представление характера перемещения потоков металла при продувке газом (а) и при электромагнитном перемешивании (б)

Между тем, нельзя не отметить и достаточно очевидные недостатки электромагнитного перемешивания – ограничения в глубине проникновения поля в металл и необходимость наличия «немагнитных» вставок в стальном кожухе ковша в зоне расположения индуктора. Достаточно очевидным также представляется и тот факт, что в случае повышения интенсивности перемешивания значительно возрастает скорость износа огнеупоров в зоне расположения индуктора.