Магистр ДонНТУ Федяев Денис Игоревич

Федяев Денис Игоревич

Факультет инженерной механики и машиностроения
Специальность: Металлургическое оборудование

ТЕМА ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ:

Исследование на физической модели работы привода механизма наклона и вращения конвертера для реализации Cal-Do процесса и разработка конструкции исследовательно-промышленного образца 10т сталеплавильного агрегата, который позволяет перерабатывать шихту с повышенным содержанием примесей

Научный руководитель: д.т.н., профессор, заведующий кафедрой МОЗЧМ
Еронько Сергей Петрович

РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ


ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МАГИСТЕРСКОЙ РАБОТЫ

    Основной целью моей магистерской работы является принятие целесообразного конструктивного решения в существующей конструкции конвертера Cal-Do для устранения ниже перечисленных недостатков и разработка исследовательно-промышленного образца сталеплавильного агрегата, который позволяет перерабатывать шихту с повышенным содержанием примесей.

АКТУАЛЬНОСТЬ ДАННОЙ РАБОТЫ

    В настоящее время из-за истощения полезных ископаемых качество выплавляемого чугуна значительно снизилось. В результате постепенного увеличения доли фосфористой руды в шихте доменных печей концентрация фосфора в чугуне возросла от 0,2-0,4 до 0,33-0,7%, кремния в среднем – от 0,7 до 0,9%, серы- от 0,02 до 0,024%. Изменение химического состава чугуна (в первую очередь повышение содержания фосфора) повысило долю плавок, выплавляемых по двухшлаковой технологии, и привело к снижению эффективности производства стали в ККЦ, что обусловлено увеличением длительности плавки, простоями, связанными с ожиданием шлаковых чаш из-за большой массы шлака, и повышением потерь металла с оксидами железа шлака. Повышенное содержание вредных примесей стало причиной замены одношлакового процесса на двухшлаковый, что привело к потере суммарной производительности на 22,79%. Высокое содержание фосфора в чугуне особенно осложняет производство непрерывной стали в связи с необходимостью повышения температуры металла на выпуске из конвертера. Отсутствие внедоменной обработки чугуна, модели шихтовки кислородно- конвертерной плавки, а также изменение химического состава чугуна создали дополнительные трудности в разработке технологии производства стали для разливки на МНЛЗ.[10]

    Для переработки таких чугунов обычная технология продувки сверху оказалась неэффективной, поскольку скорость формирования основного шлака из кусковой извести и интенсивность перемешивания металла и шлака были недостаточными для обеспечения быстрого и полного удаления в шлак больших количеств фосфора. Показатели таких плавок существенно ухудшались по следующим причинам: возрастала длительность продувки из-за необходимости вести ее "мягко", т.е. со сравнительно небольшим расходом кислорода, обеспечивая высокое содержание FeO в шлаке, что необходимо для ускорения растворения извести и более полного протекания реакции дефосфорации; приходилось значительно увеличивать количество шлака и в течение продувки обновлять его (сливать и наводить новый); возрастала длительность плавки в связи со сливом шлака, требующего остановки продувки, и в связи с длительным наведением нового шлака из-за медленного растворения кусковой извести; сильно снижался (до 85—84 % от массы металлической шихты) выход жидкой стали из-за больших потерь железа со шлаком, что связано с увеличенным количеством шлака и высоким в нем содержанием оксидов железа; снижалась стойкость футеровки в связи с большим количеством шлака и его высокой окисленностью; зачастую происходили выбросы.[4]

    В связи с этим со времени возникновения кислородно-конвертерного процесса было разработано много его разновидностей, более отвечающих условиям переработки высокофосфористых чугунов и, в первую очередь, обеспечивающих ускорение шлакообразования и лучшее перемешивание ванны.

    Одним из способов переработки высокофосфористых чугунов является Cal-Do процесс.

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

    Название данного процесса происходит от первых слогов фамилии изобретателя (шведского профессора Каллинга) и названия города Домнарвет (Швеция). Первые опыты были начаты в 1948 г., производственный 30-т конвертер начал работать в Домнарвете в 1954 г. Идея процесса заключается в следующем: 1) для ускорения шлакообразования и управления процессом плавки используют перемешивание ванны путем вращения конвертера; создают лучшие условия для дожигания в полости конвертера СО до СО2, что увеличивает возможность переработки в конвертере металлического лома. Схема установки представлена на рисунке 1[5]:

Конвертер

Рисунок 1 -Конвертер Cal-Do

    Частота вращения конвертера составляет до 30 мин-1. В Cal-Do-конвертере можно перерабатывать шихту любого состава, но большинство установок Cal-Do было построено для переработки высокофосфористых чугунов. Установки Cal-Do оказались особенно целесообразно использовать в тех случаях, когда главным является не высокая производительность, а максимальная экономичность и высокое качество металла .[5]

    Процесс организуется следующим образом: конвертер, в котором остался загущенный известково-железистый шлак предыдущей плавки, устанавливают в вертикальное положение, после чего в него загружают необходимые количества извести, руды и флюсующих материалов. После этого конвертер поворачивают в горизонтальное положение и загружают вначале металлический лом, а затем заливают жидкий чугун, после чего конвертер поворачивают в положение продувки. Угол наклона оси конвертера в горизонтальной плоскости колеблется в пределах 16—20°. Устье горловины плотно присоединяют к подвижному водоохлаждаемому газоотводу, через который в конвертер вводят кислородную фурму, имеющую угол наклона в горизонтальной, плоскости 22—30°. Соответствующие механизмы позволяют покачивать фурму или сообщать ей колебательное движение, если это требуется. После начала продувки конвертеру сообщают вращательное движение. Примерно через 18—20 минут после начала продувки производят первое скачивание шлака. На каждом заводе отработаны свои технологические приемы, обеспечивающие получение к этому моменту шлака с минимальным содержанием железа. При переработке фосфористого (1,7—2,0% Р) чугуна содержание Р2О5 в первом скачиваемом шлаке составляет 16—20 %. После скачивания первого шлака в конвертер загружают следующую порцию извести и железную руду в количестве, достаточном для корректировки конечной температуры металла, и возобновляют продувку и вращение конвертера.[5]

    В тех случаях, когда перерабатывают высокофосфористую шихту и необходимо получать сталь с особо низким содержанием фосфора, через 5—7 мин продувки производят второе скачивание шлака. Второй скаченный шлак содержит обычно 12—14 % Р2О5 и 18—20 % Fe. Для использования в качестве удобрений желательно иметь шлак с содержанием Р2О5>15 %. В связи с этим второй шлак или смешивают с первым, или (чаще) загружают в конвертер повторно в начале следующей плавки для обеспечения максимального извлечения содержащихся в нем фосфора и железа. После скачивания второго шлака берут пробу металла, измеряют его температуру, загружают последнюю порцию извести и продолжают операцию. Примерно за 1 минуту до окончания плавки подачу кислорода прекращают и начинают вращать конвертер с максимальной частотой. В результате хорошего перемешивания металла с высокоосновным шлаком содержание фосфора уменьшается почти до равновесных с данным шлаком значений. Одновременно удаляется также и сера. Вращение конвертера облегчает условия зарождения и образования пузырей СО даже при очень малых (в конце плавки) концентрациях углерода. В результате восстановления оксидов железа шлака содержание углерода снижается за этот период еще на 0,02—0,03%. Вместе с тем снижение содержания оксидов железа в шлаке приводит к повышению температуры плавления высокоосновного конечного шлака. Шлак почти затвердевает и сталь можно выпускать без опасения, что он вместе со сталью попадет в ковш. Конечный шлак характеризуется значительной вязкостью, предотвращает бурное вскипание ванны при заливке на него чугуна в начале следующей плавки.[5]

    Для регулирования процесса плавки в Cal –Do конвертере используют такие методы воздействия, как изменение частоты вращения, положения и угла наклона фурмы. При постоянном положении фурмы и интенсивности подачи кислорода увеличение частоты вращения конвертера обеспечивает хорошее перемешива¬ние металла и шлака и ускорение обезуглероживания ванны (преимущественно окисляется углерод); замедление вращения сопровождается увеличением окисленности шлака, его жидкоподвижность возрастает, преимущественно окисляется фосфор. Опускание головки фурмы к ванне вызывает более непосредствен¬ное воздействие на нее струи кислорода, условия протекания реакции окисления углерода при этом улучшаются, преимущественно окисляется углерод, отходящие газы состоят в основном из СО. Подъем головки фурмы (подача кислорода под меньшим углом) приводит к преимущественному окислению железа, окисленность шлака возрастает, интенсивность обезуглероживания уменьшается, а выделяющийся из ванны монооксид углерода в значительной мере окисляется до СО2, повышая температуру во внутренней полости конвертера. Если при этом чистота вращения невелика, то в шлаке растет содержание оксидов железа. Если увеличить частоту вращения, то более интенсивно окисляется углерод и содержание оксидов железа в шлаке уменьшится. При увеличении расхода кислорода и неизменном угле наклона фурмы скорость окисления углерода возрастет; уменьшение расхода кислорода оказывает противоположное действие.[5]

    Таким образом Cal-Do-конвертер обеспечивает большую гибкость в управлении процессом. Поскольку струя кислорода попадает на ванну под острым углом, то площадь воздействия кислородной струи велика и характерная для вертикальных конвертеров локальная высокотемпературная зона в месте контакта струи с ванной отсутствует. В связи с этим процессы испарения железа и образования плавильной пыли менее развиты. Кроме того, организация движения газов в конвертере и большая пло¬щадь контакта газов с футеровкой таковы, что значительная доля образовавшейся плавильной пыли оседает на футеровке и при вращении возвращается в ванну. Все это позволяет работать с минимальными потерями железа. К достоинствам Cal-Do-процесса относятся: возможность дожигания большей части образующегося при продувке монооксида углерода и в результате возможность повы¬шения расхода лома до 40—50 %, гибкость управления, возможность переработки чугунов любого состава, получение стали с очень низким содержанием вредных примесей, высокий выход металла, небольшие потери железа в шлаке и в отходящих газах и соответствующее уменьшение расходов на улавливание плавильной пыли.[5]

    Недостатки Cal-Do-процесса следующие: значительная продолжительность плавки (почти вдвое выше, чем в LD-конвертере), невысокая стойкость футеровки (5 —100 плавок, т.е. почти в 10 раз ниже, чем стойкость футеровки LD-конвертеров), вследствие динамических нагрузок при вращении конвертера и воздействия шлака, сложность и громоздкость механического оборудования вращающегося конвертера.[5]

ОПИСАНИЕ СУТИ ПРЕДЛАГАЕМОЙ РАЗРАБОТКИ

    Перечисленные недостатки (особенно последний) оказались очень существенными и Cal-Do процесс получил ограниченное распространение. Существенным недостатком Cal-Do-конвертора является большие габариты и, соответственно, масса. Путем проведения научной работы этот недостаток был частично устранен. Схема усовершенствованного привода вращения Cal-Do-конвертора приведена на рисунке 2.

Конвертер

Рисунок 2 - Промышленный образец усовершенствованного конвертера Cal-Do

    Вал электродвигателя проходит через отверстие цапфы и входит в зацепление с коническо-цилиндрической передачей расположенной в кожухе конвертера. Передача в свою очередь входит в зацепление с зубчатым венцом, который жестко закреплен в нижней части кожуха конвертера, вращая конвертор вокруг своей оси.

    Такое техническое решение позволяет уменьшить габариты конвертера, уменьшить реакции в опорах конвертера, снизить перегрузку и мощность, а так же габариты электродвигателя механизма поворота конвертора. Это позволяет не только решить ряд технических проблем, но и уменьшить энергозатраты, необходимые для работы конвертора.

    Для проведения исследований в лабораторных условиях с целью проверки правильности принятых технических решений и устранения возможных недостатков была разработана, в лаборатории физического моделирования кафедры МОЗЧМ. Фотография модели конвертера представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Модель конвертера Cal-Do

Анимационное изображение имитирующее процесс поворота и вращения конвертера представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 - Анимационное изображение 3х мерной модели промышленного образца усовершенствованного конвертера Cal-Do (16 кадров, задержка 0.1с, 147 Кбайт, 7 циклов, gif-аниматор)

Литература

  1. Еронько С.П., Быковских С.В., Ошовская Е.В. Расчет и конструирование оборудования для внепечной обработки и разливки стали.- К.: Техніка, 2007.- 320 с.
  2. Еронько С.П., Быковских С.В. Разливка стали. Оборудование.Технология.- К.: Техніка, 2003.- 216 с.
  3. Еронько С.П., Быковских С.В. Физическое моделирование процессов внепечной обработки и разливки стали. - К.: Техніка, 1998.- 136 с.
  4. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия: учебник для вузов 6-изд., перераб и доп. -М.: ИКЦ «Академкнига», 2005 - 768 с.
  5. Кудрин В. А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. — М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003.— 528с., ил.
  6. Баптизмаиский В. И., Меджибожскнй М. Я., Охотский В. Б. Конвертерные процессы производства стали. Теория, технология, конструкции агрегатов.— Киев; Донецк: Вища шк. Главное нзд-во, 1984 — 343 с.
  7. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х томах. Т. 2. Машины и агрегаты сталеплавильных цехов. Учебник для вузов/ А. И. Целиков, П. И. Полухин, В. М. Гребеник и др. 2 изд., перераб. н доп. — М : .Металлургия, 1988. 432 с.
  8. Якушев А. М. Справочник конвертерщика. — Челябинск Металлургия, Челябинское отделение, 1990 — 448 с.
  9. Металлургические печи: Атлас. Учеб. пособие для ВУЗов / В.И.Миткалинный, В.А.Кривандин, В.А.Морозов и др. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1987.
  10. Переработка высокофосфористого чугуна в конвертере для разливки на МНЛЗ/ В.Е. Лаукарт, Б.О. Чуквулебе ,А.А. Добромилов и др.// Сталь.-2007.-№8.