Повышение производительности сортовой МНЛЗ ООО «Электросталь»

Лам М.М., Хобта А.С., Серов А.И., Галян Н.Н., ООО «Электросталь»
Смирнов А.Н., Кравченко А.В., ДонНТУ, Цупрун А.Ю., НПО «ДОНИКС»

В практике конца двадцатого – начала двадцать первого века металлургические мини-заводы заняли прочные позиции, обеспечивая производство, по меньшей мере, четверти всего мирового объема стали [1-3]. Это, прежде всего, достигается за счет высокой гибкости технологического построения «мини-завод», обеспечивающего, как правило, минимизацию издержек на производство 1 т стали в достаточно широком диапазоне объемов производства.

Сочетание в едином производственном цикле наиболее эффективных технологий и оборудования позволяет использовать преимущества «короткого» пути производства стали и создает дополнительные потенциальные возможности для роста конкурентоспособности мини-заводов. При этом важное значение имеет возможность повышения производительности мини-завода, что, как правило, требует синхронизации работы дуговой печи и МНЛЗ.

Мини-завод ООО «Электросталь» (гор. Курахово, Донецкая обл.), успешно запущенный в эксплуатацию в 2008 г., был спроектирован для номинального годового производства 280-300 тысяч тонн непрерывнолитой сортовой заготовки в год, с дальнейшем ее использованием для получения прутков, полосы, катаной полосы для конвейеров, катаных равнобоких уголков, квадратного и шестигранного катанного профиля в условиях сортопрокатного цеха ОАО «Донецкий металлопрокатный завод».

Электросталеплавильный комплекс ООО «Электросталь» имеет в своем составе 50-тонную высокопроизводительную ДСП, установку ковш-печь и 3-х ручьевую сортовая МНЛЗ, предусматривающую разливку стали в кристаллизатор открытой струей (табл.1).

Таблица 1. Основные технические характеристики оборудования

В течении двух лет, в рамках завода были разработаны новые конструктивные подходы и созданы эффективные технологические решения, обеспечивающие существенный рост удельной производительности дуговой сталеплавильной печи [4]: настройка электрорежимов и режимов работы газокислородных горелок; ввод в эксплуатацию второй установки для вдувания углерод содержащих материалов; ввод в эксплуатацию прессножниц для порезки лома фирмы «Lindemann»; применение робота-манипулятора фирмы «РiroMet» для торкретирования футеровки ДСП и т.д.

Уже в 2009 г. объем производства стали был увеличен более чем на треть. Так, по итогам 2009 г. было выплавлено 418 тыс. тонн стали при средней длительности плавки на ДСП 58-59 минут и массе плавки 58-60 т.

Это обусловило необходимость совершенствования и развития процесса непрерывной разливки стали с целью повышения производительности МНЛЗ. В рамках предприятия выполнено ряд мероприятий совершенствования процесса разливки стали на МНЛЗ для достижения максимальных показателей производительности. В частности выполнен комплекс мероприятий, направленных на увеличение серийности разливки (количества плавок разливаемых без остановки машины из одного промковша) и минимизацию затрат, непосредственно связанных с организацией процесса литья.

Длительность разливки стали из одного промковша сортовой МНЛЗ лимитируется, как известно, двумя основными факторами: износом стаканов-дозаторов и опережающим износом футеровки промковша в зоне падения струи [5]. Для обеспечения высокой серийности разливки на промковшах внедрена система быстрой замены стаканов-дозаторов фирмы Interstop (Швейцария). Дальнейшее повышение серийности разливки стало возможным при условии гармонизации работы всех элементов футеровки промковша при рациональной организации движения потоков стали, исключающей дополнительное разрушение его рабочего слоя футеровки. Установлено, что при разливке длинными и сверхдлинными сериями имеются следующие технологические особенности:

• постоянный контакт определенной части днища промковша со струей металла, падающей из сталеразливочного ковша, что приводит к размыванию огнеупорного слоя в месте падения струи;
• периодическое многократное изменение уровня металла в промковше (во время замены сталеразливочных ковшей), что, по меньшей мере, изменяет динамику движения потоков стали и вносит дополнительные напряжения в футеровку за счет циклических теплосмен;
• бурление металла и его активное перемешивание с покровным шлаком в зоне падения струи стали, что обусловливает износ рабочего слоя футеровки в зоне шлакового пояса;
• попадание в промковш шлака из сталеразливочных ковшей, что существенно изменяет свойства и толщину покровного шлака в промковше по ходу разливки;
• организация движения потоков стали в промковше таким образом, чтобы разность величины температуры стали, вытекающей из центральных и крайних ручьев, была минимальной, что обеспечивает стабильность процесса литья.

Первоначально, технологическая схема подачи металла в промковш МНЛЗ ООО «Электросталь» не предполагала обеспечение максимально высоких показателей стойкости рабочего слоя футеровки. Расстояние от оси падения струи металла до кожуха кривой стенки промковша составляла 480 мм. После нанесения теплоизоляционного, бетонного, рабочего слоев, а также защитного слоя кирпичной кладки это расстояние находилось в пределах 200-250 мм. Такие условия литья фактически лимитировали срок службы футеровки промковша ее износом в области падения струи, оказывая на нее статические и термические нагрузки, но и препятствовали созданию новой распределительной системы движения металла. Поэтому для условий МНЛЗ ООО «Электросталь» была модернизирована конструкция внутренней полости промковша, обеспечивающая высокие эксплуатационные показатели стойкости футеровки. В рамках модернизации реализованы следующие решения:

• увеличение расстояния от оси падения струи металла до дельты промковша до 800 мм за счет изменения конфигурации части кожуха;
• наклон кривой стенки изменен на угол 15° (тем самым увеличено расстояние от высокотурбулентной зоны падения струи до торкрет-слоя в плоскости шлак–металл);
• совершенствование схемы футеровки в зоне падение струи и конструкции металлоприемника для более эффективного ее торможения и распределения потоков.

Эти мероприятия позволили увеличить среднюю серийность разливки из промковша примерно в 4,4 раза: с 9,9 до 43,6 плавок (рекордная серия 67 плавок общей длительностью 68 часов 40 минут).

Дальнейшее повышение производительности МНЛЗ возможно за счет увеличения скорости вытяжки заготовки, что в свою очередь требует коррекции режимов охлаждения заготовки в ЗВО. Исследования условий охлаждения заготовки с помощью разработанной математической модели позволили установить рациональные расходы воды по секциям в зоне вторичного охлаждения для обеспечения скорости разливки в пределах 2,8 – 3,5 м/мин. Показано, что система вторичного охлаждения имеет определенный потенциал увеличения скорости вытяжки (порядка 15-20%) при обеспечении рационального распределения охладителя и температуры вдоль технологической оси МНЛЗ [6,7].

Применительно к условиям МНЛЗ ОО «Электросталь» непосредственно под кристаллизатором была разработана и установлена «нулевая» секция для разбрызгивания воды (рис.1), назначение которой заключается в усилении режима отвода тепла от заготовки при ее выходе из кристаллизатора. Конструкция «нулевой» секции оптимизирована на базе выполненных с помощью математической модели расчетов.

Другим мероприятием по повышению эффективности теплоотвода в ЗВО было исследование эффективности охлаждения заготовки в зависимости от конструкции разбрызгивающих воду форсунок. Как показали замеры температуры поверхности заготовки с помощью пирометра, для различных конструкций форсунок температура поверхности может отличаться на 40-50оС для одних и тех же участков заготовки. Такая значительная разница в эффективности работы форсунок объясняется характером распределения охладителя по поверхности заготовки (рис.2), а также количеством охладителя, реально достигающего поверхности заготовки.

Рис. 1 . Общий вид «нулевой» секции ЗВО

Рис. 2. Схема распыления охладителя на поверхность сортовой заготовки

Как показали лабораторные исследования, определенная часть распыляемых капель воды не может достигнуть поверхности заготовки вследствие захвата их паровой «рубашкой», образующейся на поверхности заготовки. Это, в первую очередь, относится к каплям более мелких размеров. Еще более мелкие капли, распыляемые в виде «тумана», даже не попадают в область расположения заготовки и выносятся в атмосферу конвективными потоками. Наибольший эффект охлаждения достигается при использовании форсунок, обеспечивающих распыление охладителя достаточно крупными каплями, которые пробивают паровую «рубашку».

Эксперименты по увеличению скорости разливки и производительности были выполнены на третьем ручье МНЛЗ, на котором были установлены форсунки фирмы “Lechler”, обеспечивающие расход охлаждающей воды 6-8 л/мин при давлении 3-7 бар. Это позволило довести расход воды в зоне вторичного охлаждения до 610 л/мин на ручей, что соответствует коэффициенту расхода воды на уровне 1,5-1,7 л/кг заготовки. Разливку стали (квадрат 125х125мм) осуществляли через стаканы-дозаторы диаметром 17 мм. Использование стакана-дозатора диаметром 17 мм на третьем ручье позволило осуществлять разливку на скоростях 3,0-3,3 м/мин. Всего было разлито 17 плавок.

Одновременно на первом и втором ручье была сохранена используемая система охлаждения в ЗВО, а разливка осуществлялась со скоростью 2,6-2,9 м/мин (стаканы-дозаторы диаметром 15,5 и 16 мм).

В ходе испытаний постоянно фиксировалась температура поверхности заготовки до и после тянуще-правильной машины на всех трех ручьях (рис.3).

Рис. 3. Изменение температуры НЛЗ в ходе разливки

Разливка заготовки на третьем ручье в интервале времени 11,0-13,2 часа осуществлялась со скоростью, эквивалентной скорости разливки на двух других ручьях (диаметр стаканов-дозаторов 16 мм). Затем с помощью устройства для быстрой замены был установлен стакан-дозатор диаметром 17 мм, а в 15,1 час на втором ручье был установлен стакан-дозатор диаметром 15,5 мм.

Обобщая приведенные данные, следует отметить, что применение «нулевой» секции и новых форсунок на третьем ручье (интервал времени 11,0-13,2 часа) обеспечило снижение поверхности температуры заготовки на 40-50оС. Это дало возможность повысить скорость разливки на третьем ручье.

Использование сменных стаканов-дозаторов диаметром 17 мм позволило повысить среднюю скорость разливки до 3,15 м/мин и производительность ручья до 385 кг/мин. При этом средняя температура заготовки перед тянуще-правильной машиной составила 1170°С при общем расходе воды на ЗВО – 610 л/мин. Замечания по величине ромбичности и качеству заготовки на третьем ручье отсутствовали.

При разливке со средней скоростью 3,05 м/мин и увеличении расхода воды в первой секции ЗВО до 150 л/мин (общий расход на ручье – 635 л/мин), температура поверхности заготовки составила 1140°С.

Таким образом, в результате выполненных исследований доказана возможность существенного повышения производительности сортовой МНЛЗ ООО «Электросталь». Так, при разливке на всех трех ручьях со средней скоростью 3,15 м/мин производительность составит 1,155 т/мин (69,3 т/час), что соответствует времени разливки одной плавки за 50-51 мин. Такая производительность МНЛЗ позволяет разливать 1660 т/сутки (28,5 плавок).

Дополнительным преимуществом разливки с повышенной скоростью является возможность наиболее полной синхронизации работы системы «ДСП – УКП – МНЛЗ», что исключает длительные технические отстои ковшей с металлом (более 20-30 мин) перед обработкой на УКП. Это обеспечивает снижение расхода электроэнергии и электродов на УКП, снижение угара кремния и расхода ферросплавов, а также уменьшение удельного расхода огнеупоров.

В целом выполненные исследования и теоретические оценки позволяют сделать вывод о том, что имеющийся состав оборудования электросталеплавильного цеха (в том числе МНЛЗ) позволяет вести разливку заготовки (квадрат 125-135 мм) со скоростями до 3,3-3,4 м/мин, что обеспечит дополнительное увеличение производства стали в среднем на 8-12%. Полная синхронизация работы основных агрегатов при разливке сверхдлинными сериями обеспечивается оперативной заменой стаканов-дозаторов с изменением их внутреннего диаметра.

Библиографический список:

1. Металлургические мини-заводы / Смирнов А.Н., Сафонов В.М., Дорохова Л.В., Цупрун А.Ю. – Донецк: НОРД-ПРЕСС, 2005. – 469 с.
2. В Украину приходит инновационный электросталеплавильный процесс / Кривченко Ю.С., Малик А.А., Годун В.Е., Бабай А.С. // Электрометаллургия. 2008. №8. – С.43-47.
3. Адно Ю. Новая концепция мини-завода // Металлы Евразии. 2010ю №1. – С.26-28.
4. Серов А.И. Создание и развитие электрометаллургического комплекса ООО «Электросталь» (г. Курахово, Украина) // Металлы и литье Украины. 2010. №9-10. – С.10-14.
5. Повышение эксплуатационного ресурса металлоприемника и футеровки промковша 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ / Смирнов А.Н., Подкорытов А.Л., Климов В.Г. и др. // Сталь. 2009. №11. – С.23-27.
6. Технологическое развитие параметров высокоскоростной разливки стали на сортовых МНЛЗ / А.Н.Смирнов, Г.И.Касьян, А.Я.Минц, Е.В.Штепан // Труды восьмого конгресса сталеплавильщиков (г. Нижний Тагил, 18-22 октября 2004 г.).- Москва, 2005.-С.484-491.
7. Смирнов А.Н., Цупрун А.Ю., Редько Г.А. Разработка системы водоохлаждения слябовой МНЛЗ на основе математического моделирования теплофизических процессов // Труды 3-й международной научно-техн. конференции «Прогрессивные технологии в металлургии стали: XXI век» - Донецк: ДонНТУ: 2007. – С. 338-344.

© Лам М.М., Хобта А.С., Смирнов А.Н., Цупрун А.Ю, Серов А.И., Галян Н.Н., Кравченко А.В. , 2010