Разработка и опробование технологии плазменного подогрева стали в промежуточном ковше при непрерывной разливке и исследование ее влияния на структуру и свойства литой и деформированной стали. Юсупов Дамир Ильдусович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ современного состояния и тенденции развития методов регулирования температуры стали в промежуточном ковше УНРС 10

1.1. Роль промежуточного ковша

1.2. Изменение температуры металла в промежуточном при разливке

1.3. Методы регулирования температуры метала в промежуточном ковше

1.4. Обзор существующих установок плазменного подогрева стали в промежуточном ковше УНРС 18

1.5. Обзор существующих конструкций промежуточных ковшей для плазменного подогрева металла 24

1.6. Выводы и задачи исследования

ГЛАВА 2. Влияние температурного режима на технологические показатели разливки и качество нлз в условиях ОАО «ММК»

2.1. Анализ температурных режимов металла в промковше

2.2. Причины возникновения дефектов непрерывнолитых слябов

2.3. Зависимость показателей качества от скорости разливки и температуры металла в промежуточном ковше

2.4. Влияние температурного режима в промежуточном ковше на скорость разливки 43

2.5. Исследование влияния температурного режима в промежуточном ковше на расход воды 2.6. Исследование влияния температурного режима в промежуточном ковше на выход металла CLASS ГЛАВА 3. Создание модельной установки подогрева стали в промковше, опробование технологических параметров подогрева металла и разработка оптимальных технологических режимов подогрева металла в промковше CLASS

4.1. Выбор плазмообразующего газа

4.2. Модельная установка плазменного подогрева стали

4.3. Исследования характеристик плазмотронов

ГЛАВА 4. Опытно-промышленная уппс. разработка и опробование 59

4.1. Структурная схема УППС

4.2. Система газоснабжения

4.3. Система охлаждения

4.4. Система электроснабжения

4.5. Разработка схем автоматического контроля и сигнализации УППС

4.6. Поворотные консоли

4.7. Промежуточный ковш с камерами подогрева для УППС

4.8. Плазмотрон для плазменного подогрева стали в промковше

4.9. Подготовка опытно-промышленного оборудования к проведению экспериментальных плавок с применением плазменного подогрева

4.10. Разработка документации на проведение экспериментальных плавок с применением УППС в промежуточном ковше МНЛЗ-4 ККЦ ОАО «ММК»

4.11. Расчет оптимальных температурно-временных параметров плазменного подогрева металла в промковше

4.12.Опытно-промышленные испытания УППС в промежуточном ковше МНЛЗ-4 ККЦ ОАО

«ММК» 85 4.13. Результаты опытно-промышленного опробования плазменного подогрева металла в

промковше 89

ГЛАВА 5. Лабораторные исследования образцов стали, разлитой с применением плазменного подогрева в промковше

5.1. Исследование макроструктуры слябов

5.2. Распределение сульфидных сечений

5.3. Механические свойства стали, разлитой с различной температурой перегрева над ликвидусом 95

5.4. Фрактографические исследования

5.5. Исследование микроструктуры стали 103

5.6. Фрактографические исследования естественной трещины в слябе 106

5.7. Исследование свойств стали после прокатки 110

5.8. Исследование неметаллических включений в стали до и после прокатки 118

ГЛАВА 6. Экономическая эффективность применения плазменного подогрева жидкого металла в промежуточном ковше УНРС 122

Выводы 125

Литература:

• Методы регулирования температуры метала в промежуточном ковше
• Зависимость показателей качества от скорости разливки и температуры металла в промежуточном ковше
• Модельная установка плазменного подогрева стали
• Разработка документации на проведение экспериментальных плавок с применением УППС в промежуточном ковше МНЛЗ-4 ККЦ ОАО «ММК»

Введение к работе

Актуальность проблемы. Непрерывная разливка стали является наиболее эффективной ресурсо- и энергосберегающей технологией завершающего этапа сталеплавильного производства. Одна из основных задач совершенствования этой технологии – повышение качества непрерывнолитых заготовок (НЛЗ). Во многом это определяется показателями качества жидкого металла, поступающего в кристаллизатор установки непрерывной разливки стали (УНРС): содержанием неметаллических включений, стабильностью химического состава жидкой стали и др. В решении задачи повышения качества жидкой стали важная роль отводится промежуточному ковшу (ПК, промковш). До недавнего времени ПК традиционно рассматривался как промежуточная емкость, устанавливаемая между сталеразливочным ковшом (стальковшом) и кристаллизатором, задачей которой было обеспечение постоянного напора металла, поступающего в кристаллизатор, снабжение и распределение жидкой стали между различными кристаллизаторами УНРС с постоянной скоростью. Однако в последнее время все большее внимание стали уделять роли ПК не просто как промежуточной емкости, а как непрерывно действующему реактору, в котором можно осуществлять различные металлургические операции, такие как отделение включений, их флотация, легирование и нагрев стали, модификация неметаллических включений, гомогенизация металла и другие операции. В результате развития такой концепции в настоящее время получила развитие отдельная область внепечного рафинирования стали, известная как «металлургия промежуточного ковша».

Тем не менее, в УНРС возникают проблемы поддержания температуры в промежуточном ковше, а также существует необходимость выпуска из конвертера стали с повышенной температурой во избежание остывания стали в процессе разливки. В существующем производстве используются три наиболее распространенных варианта решения проблемы поддержания температуры: химический, дуговой и индукционный подогрев. Первые два способа влияют на химический состав, а третий требует использования энергозатратного (до 15 кВтч/т стали), сложного в эксплуатации и ремонте оборудования.

В последние годы возникает все больший интерес к использованию плазменного нагрева жидкой стали в промковше. Плазменный подогрев металла в промежуточном ковше имеет ряд преимуществ в части достижения оптимальной макроструктуры слитка по сравнению с методом электромагнитного перемешивания и является альтернативой химическому подогреву в сталеплавильном ковше и обработке металла на установке ковш-печь.

Технологию плазменного подогрева стали в промковше используют многие зарубежные фирмы: Nucor Steel (США), NIPPON STEEL NKK (Япония), SOLLAC (Франция) и др. Тепловой КПД нагрева генераторами плазмы (плазмотронами) в указанных технологиях варьируется в широких пределах: от 30 до 80%. Нагрев металла обеспечивается излучением плазмы и тепловым потоком в опорных пятнах дуги на поверхности жидкой стали, и при увеличении мощности дуги увеличивается КПД. Типичная длина дуги - 30 см, средний термический КПД - 55%. Эффективность нагрева определяется многими факторами, такими как направление и скорость потоков металла в промежуточном ковше, количество шлака на поверхности металла, скорость разливки, конфигурация промежуточного ковша и его свода, длина и сила тока дуги.

Таким образом, актуальной задачей для отечественного научно-промышленного сообщества является разработка собственной технологии и оборудования для плазменного подогрева стали в промежуточном ковше УНРС и оборудования для внедрения этой технологии на металлургических предприятиях страны.

Цель и задачи исследования - разработка технологии плазменного подогрева стали в промежуточном ковше для повышения качества непрерывнолитой заготовки благодаря снижению перегрева металла выше температуры ликвидус и стабилизации температуры металла при разливке, оценка влияния технологии на структуру и свойства литой и деформированной стали.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

изучить особенности технологии в ККЦ ОАО «ММК», связанные с перегревом стали выше ликвидуса при разливке, оценить влияние перегрева на показатели разливки;

создать модельную установку для определения оптимальных технологических параметров подогрева стали в промковше;

разработать конструкцию плазмотронов и требуемого для осуществления плазменного подогрева жидкой стали нестандартного оборудования опытно-промышленной установки;

разработать технологическую и конструкторскую документацию опытно-промышленной установки для плазменного подогрева стали (УППС) в промежуточном ковше УНРС;

разработать программное обеспечение для осуществления регулировки и стабилизации температуры расплава в промковше в автоматическом режиме;

разработать технологию плазменного подогрева и согласовать в ОАО «ММК» программу опытно-промышленного опробования УППС на работающей УНРС;

провести опытно-промышленное опробование УППС и технологии в производственных условиях ОАО «ММК»;

исследовать механические свойства, макро- и микроструктуру, распределение неметаллических включений и дефектов в литой и деформированной стали, разлитой с применением плазменного подогрева в промковше.

Научная новизна

В работе получены теоретические, экспериментальные и практические результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. На модельной установке экспериментально определены и обоснованы технологические параметры плазменного подогрева стали в промковше при производительности разливки 5 т/мин: сила тока - 3000 А, напряжение - 270 В, расход аргона - 40 м /ч, длина дуги - 150 мм;

2. Разработано программное обеспечение для автоматизированной системы управления технологическим процессом компенсации теплопотерь металла в промковше и поддержания заданной температуры на протяжении разливки плавки;

3. Впервые показано, что в процессе разливки с применением плазменного подогрева в промковше снижение уровня перегрева стали выше ликвидуса способствует:

уменьшению количества дефектов металла (осевой химической неоднородности - с балла 2 до 1, трещин - с балла 1-1,5 до 0-0,5, точечной неоднородности - с балла 2 до 0) и их более равномерному распределению по сечению непрерывнолитой заготовки;

сужению зоны столбчатых кристаллов на 43% и увеличению зоны равноосных кристаллов;

более равномерному распределению сульфидных включений по сечению сляба и уменьшению размера неметаллических включений с балла 2-3 до 0,5-1;

росту показателей пластичности на 18-20% и выравниванию значений ударной вязкости и прочности по сечению сляба;

увеличению дисперсности микроструктуры по среднему расстоянию между осями дендритов второго порядка в 3-4 раза;

4. Установлено, что тенденция к повышению пластичности и уменьшению разброса
значений механических свойств по сечению сляба с уменьшением перегрева стали при
разливке сохраняется и после прокатки металла.

Достоверность результатов диссертационной работы обусловлена использованием современного исследовательского оборудования от ведущих мировых производителей, в том числе системы непрерывного измерения температуры в промковше, проведением испытаний в соответствии с действующей нормативной

5 документацией, а также сопоставимостью полученных результатов с литературными данными.

Практическая значимость и реализация работы в промышленности

4. Разработана и реализована одна из возможных технологических схем плазменного подогрева стали в промковше без подового анода, как наиболее эффективная в условиях УНРС;

5. Разработаны и созданы оригинальные плазмотроны для подогрева стали в промковше;

6. Разработаны и запатентованы три конструкции промежуточных ковшей для плазменного подогрева (патенты на изобретение 2477197, 2478021, 2490089);

7. Разработана временная технологическая инструкция по применению УППС в промковше МНЛЗ-4 в ККЦ ОАО «ММК» ВТИ 101-СТ-ККЦ-99-2011 и временная инструкция по охране труда и о мерах пожарной безопасности при производстве работ с УППС ИОТ 2-3-46-2011;

8. В ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» проведено опытно-промышленное опробование плазменного подогрева в промковше, определены оптимальные параметры работы УППС;

9. Экономическая эффективность применения УППС:

снижение перегрева стали в промковше позволяет увеличить скорость разливки и производительность УНРС на 23%;

применение подогрева для “холодных” плавок позволяет снизить потери при отсортировке (отбраковке) и повысить выход годного металла на 1,05%;

исключение необходимости технологического перегрева стали в плавильном

агрегате, что позволяет экономить порядка 4 кВтч/т металла.

Основные научные положения, выносимые на защиту

10. Оптимальные параметры технологического режима подогрева стали, обеспечивающие эффективный нагрев металла и высокую надежность работы УППС.

11. Компьютерная программа, обеспечивающая автоматизированное регулирование и стабилизацию заданной температуры расплава в промковше.

12. Результаты опытно-промышленного опробования плазменного подогрева стали в промковше:

технико-экономические показатели процесса;

степень интегрируемости разработанной технологии в существующее производство.

6 4. Впервые установленные зависимости показателей качества непрерывнолитой заготовки от величины перегрева стали выше ликвидуса при разливке с применением разработанной технологии:

показатели пластичности металла;

разброс показателей пластичности и прочности стали по сечению сляба;

ширина зон столбчатых кристаллов и равноосных кристаллов;

равномерность распределения сульфидов по сечению сляба;

количество дефектов структуры.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на международных и российских конференциях: II и III и IV конференциях молодых специалистов ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» (Москва, 2010, 2011 и 2012); XII Конгрессе сталеплавильщиков (Выкса, 2013); Международной научно-практической конференции «Технология упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2013); 2-й Всероссийской научной конференции «Механика наноструктурированных материалов и систем» (Москва, 2013); I Международной научно-технической конференция «Научно-технический прогресс в черной металлургии» (Череповец, 2–4 октября 2013 г.).

Личный вклад автора. Соискатель активно участвовал в разработке технологии и оборудования установки, проектировании систем обеспечения ее работы, проведении опытно-промышленного опробования технологии, лично проводил металлографические исследования, механические испытания, обработку и анализ результатов исследований; принимал участие в подготовке и написании научных публикаций.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе пять работ – в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено три патента и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка из 75 наименований и трех приложений; изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 107 рисунков и 36 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам Института

качественных сталей ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» и отдела 4.2 ОИВТ РАН за содействие в выполнении работы.

Методы регулирования температуры метала в промежуточном ковше

Промежуточный ковш, являющийся последней емкостью на пути стали к кристаллизатору, предназначен для приема металла из сталеразливочного ковша и распределения его по кристаллизаторам. При непрерывной разливке наличие промежуточного ковша оправдывается, поскольку через него можно разливать несколько плавок без прекращения разливки при замене сталеразливочных ковшей с одинаковой скоростью непрерывной струей. Устройство и ёмкость промежуточного ковша в значительной мере влияют на стабильность процесса разливки стали и качество непрерывнолитой заготовки. Поэтому к конструкциям промежуточных ковшей предъявляются требования, которые бы позволили устранить влияние на сталь таких факторов, как повторное окисление, эрозия огнеупоров, появление укороченных путей и застойных зон и др. [6, 7, 8].

Современный промежуточный ковш УНРС является металлургическим агрегатом непрерывного действия, функции которого существенно расширены: помимо стабилизации регулирования процесса разливки, ПК используется для дополнительного рафинирования и легирования металла. В связи с этим ПК бывают оснащены датчиками для контроля теплового и гидродинамического режимов расплавленной стали, а также дополнительными устройствами (перегородки, пороги, турбостоп) в сочетании с продувкой металла аргоном [9, 10].

Оптимальная ёмкость промковша зависит от сечения отливаемых заготовок, производительности разливки, числа ручьёв, требований по всплытию неметаллических включений и т.п. Нельзя не учитывать при выборе ёмкости промковша также время замены сталеразливочного ковша. Для применения на двухручьевых слябовых УНРС ёмкость промковша обычно составляет 45-55 тонн. Однако в последнее время повышение скорости вытягивания непрерывнолитой заготовки приводит к увеличению ёмкости промковша до 60-65 тонн и более [9]. Выбирая ёмкость промковша, необходимо, чтобы было выдержано так называемое «резистентное время» нахождения металла в промковше при разливке (8-10 мин), в течение которого происходит всплытие неметаллических включений из стали [6, 10].

На современных установках сталь заливают в промежуточный ковш через удлиненный погружной стакан с поддувом нейтрального газа. С той же целью, для уменьшения взаимодействия металла с воздухом, а также для теплоизоляции, ковш накрывают крышкой, а на зеркало металла в ковш присаживают флюсы, из которых формируются шлаки умеренной основности, способные абсорбировать продукты раскисления и эффективно препятствовать насыщению стали газами [9]. Футеровку промежуточных ковшей, по результатам исследований последних лет, рекомендуется выполнять из основных огнеупоров с повышенным содержанием CaO, MgO, Al2O3, ZrO2. Активному удалению неметаллических включений способствуют правильный выбор наклона стенок ковша и расстановки перегородок, продувка металла аргоном через вращающиеся насадки для дробления газовой струи и эффективного перемешивания расплава, рациональное раскисление, в том числе, экзотермическими ферросплавами, дающими жидкие продукты раскисления. Особое внимание уделяют такому новому способу рафинирования металла, как фильтрация включений при пропускании металла через специальные отверстия в перегородках, устанавливаемых во внутренней полости промежуточного ковша [6].

Конструкции промежуточных ковшей УНРС можно разделить на слябовые, блюмовые и сортовые. Последние два вида часто объединяют в одну группу из-за схожести геометрии и технологического оснащения. Слябовые промковши по количеству разливаемых ручьёв подразделяются на одно- и двухручьевые, реже – четырёхручьевые. Количество ручьёв определяется, в первую очередь, требуемой производительностью цеха. Наиболее широкое распространение имеют промковши с одним и двумя ручьями [6].

По технологическим операциям, выполняемым в промежуточных ковшах их можно разделить на два группы [11]: - промковши, в которых производится рафинирование стали; - промковши для разливки сверхдлинными сериями (от нескольких десятков плавок) [12]. В промковшах для рафинирования стали устанавливаются дополнительные элементы конструкции (различные пороги и перегородки), которые препятствуют попаданию неметаллических включений в заготовку. Также в данном типе промковшей применяется продувка жидкой стали аргоном, что способствует всплытию крупных неметаллических включений (до 30-50%). Недостатком метода является наличие потоков металла между пологими стенками промковша и аргоновой завесой, которые не подвергаются продувке аргоном. Эти потоки могут переносить неметаллические включения в сторону выпускного отверстия промковша [13].

Промковши для разливки сверхдлинными сериями, которые организуются для минимизации издержек производства, оснащаются огнеупорными элементами, способствующими максимальному повышению ресурса футеровки. Одним из таких элементов является металлоприёмник типа «турбостоп» или «колодец», который устанавливается на дно промковша непосредственно под струёй металла, поступающего из сталеразливочного ковша. Функция данного устройства состоит в защите места падения струи металла на дне промковша, а также торможения поступающего металла и снижения турбулентности потока [14].

Предложен способ повышения чистоты разливаемого металла посредством его вакуумной обработки в промежуточном ковше. Технология позволяет снизить интенсивность отложения оксидов на погружных стаканах, а также исключает необходимость производить рафинирующую продувку стали аргоном через стопоры или шиберные затворы [15, 16].

Для повышения стабильности процесса разливки за счет снижения разницы в температуре металла, поступающего к отдельным сливным отверстиям можно использовать известный промежуточный ковш многоручьевой машины непрерывного литья заготовок прямоугольного сечения. Его емкость разделена вертикальными перегородками, по меньшей мере, на три раздаточные секции со сливными отверстиями и приемную секцию, при этом вертикальные перегородки расположены между сливными отверстиями у одной из продольных стенок ковша и выполнены шириной, равной 0,5-0,8 от ширины торцевой стенки ковша [16].

С целью повышения качества стали за счет улучшения ее очистки от неметаллических включений, а также повышения стойкости футеровки, используется промежуточный ковш со следующими конструктивными особенностями. Приемная и разливочная камеры в нём разделены перегородкой, в которой выполнены верхний, средний и нижние ряды переливных каналов. Приемник-гаситель струи заливаемого из защитной трубы металла установлен на днище ковша и выполнен в виде стакана с заплечиками. Переливные каналы в перегородке выполнены конусными, причем каналы нижнего и среднего рядов переливных каналов направлены сужением в сторону разливочной камеры, а переливные каналы верхнего ряда – сужением в сторону приемной камеры. В теле перегородки выполнен газоотводящий канал с горизонтальным щелевидным соплом, выходящим в разливочную емкость [18].

Известен промежуточный ковш для обработки металла при непрерывном литье [19]. Его футерованный корпус и крышка герметично соединены между собой. Промковш снабжён струеобразующим элементом, приемным и сливным патрубками, стопорным устройством и средством для перемещения ковша, причем на дне корпуса выполнен выступ, в котором струеобразующий элемент выполнен в виде разделительной перегородки. Огнеупорная кладка этой перегородки расположена на выступе между боковыми стенками корпуса. Приемный патрубок расположен в крышке ковша с возможностью формирования барометрического феррозатвора. В основании выступа выполнен сливной канал. Выходное отверстие расположено над струеобразующим желобом, выполненным из огнеупорного материала и размещенным на стенке разделительной перегородки. Средства для перемещения ковша выполнены в виде трех гидроподъемников, связанных между собой, с возможностью работы по одному, по два или тремя одновременно для обеспечения сложного пространственного перемещения ковша. Применение данного ковша позволяет повысить производительность УНРС и качество металла за счет увеличения степени вакуумного рафинирования.

Зависимость показателей качества от скорости разливки и температуры металла в промежуточном ковше

Вода, используемая при непрерывной разливке, играет существенную роль при работе УНРС. Она используется для охлаждения кристаллизаторов, зоны вторичного охлаждения (ЗВО), механизмов и подшипников УНРС. Для ЗВО слябов на УНРС используется водо- и водовоздушное охлаждение, позволяющее более эффективно и равномерно охлаждать поверхность непрерывнолитой заготовки благодаря уменьшению диаметра капель воды и сокращению ее удельного расхода. Доля охлаждающей воды при разливке плавки, затрачиваемая на охлаждение механического оборудования, составляет в среднем 60%, примерно в два раза меньше (31%) расходуется на охлаждение кристаллизатора, расход воды в ЗВО при разливке на УНРС составляет чуть более 1% от общего расхода воды на плавку, а остальное идёт на охлаждение подшипников [6]. На УНРС отдельные зоны включают несколько рядов форсунок, поэтому необходимо перераспределение расходов воды по отдельным рядам форсунок для исключения разогрева слитка при переходе из зоны в зону при стационарной скорости разливки. При зонном охлаждении сляба в ЗВО температура поверхности слитка выдерживается в среднем на заданном уровне при произвольном изменении скорости, исключая «пояс», который образуется в кристаллизаторе при временном снижении скорости разливки. Поверхность сляба вблизи «пояса» может существенно разогреваться и переохлаждаться при переходе из одной зоны в другую, что связано с конечной длиной зон. При рациональном изменении интенсивности охлаждения этого не происходит. Кроме того, при позонном охлаждении слитка при длительном снижении скорости разливки может образоваться «мост», когда внутри слитка остается жидкая фаза, отделенная от основной массы жидкого металла. При рациональном изменении интенсивности охлаждения «мост» не образуется [22].

В связи с этим в случае подогрева металла плазмой в промежуточном ковше, когда поддерживается определенная температура перегрева металла над Тл можно стабилизировать скорость разливки и расход воды на ЗВО, кристаллизатор, механическое оборудование и подшипники. Поэтому можно не только упростить и стабилизировать технологию разливки стали при повышенных скоростях разливки, но и снизить поверхностные и внутренние дефекты литого сляба.

Представляет интерес изучение существующей технологии разливки с точки зрения определения перегрева металла в промежуточном ковше над температурой ликвидус. В таблицах 2.6.1, 2.6.2 приведены разлитые плавки, сгруппированные по трем диапазонам перегрева: превышение температуры металла в промежуточном ковше над Тл на 10оС и менее, в пределах 11-20оС и более 20оС. Такая группировка плавок позволяет абстрагироваться от марочного состава, который очень разнообразен и не дает достаточно представительных группировок. Используя не абсолютную величину температуры металла в промежуточном ковше, а перегрев металла в промежуточном ковше над температурой ликвидус можно рассматривать весь массив плавок, не группируя их по маркам стали. Таблица 2.6.1 – Усредненные показатели УНРС при разливке слябов сечением 250х1650 мм

Выборка попревышениютемпературыметалла в п/к надТЛ, ОС Число плавок Средняямассаразлитогометалла, т Средняямассагодногометалла, т Выходгодногометалла наразливке, % Среднийрасходводы наплавку, м3 Средняяскоростьразливки,м/мин Среднийперегревметалланад Тл, ОС

Выборка попревышениютемпературыметалла в п/к надТЛ, ОС Число плавок Средняямассаразлитогометалла, т Средняямассагодногометалла, т Выходгодногометалла наразливке, % Среднийрасходводы наплавку, м3 Средняяскоростьразливки,м/мин Среднийперегревметалланад Тл, ОС

Анализ показателей непрерывной разливки в ККЦ ОАО «ММК», приведенных в таблицах 2.6.1, 2.6.2, показывает, что выход годной стали при уменьшении перегрева металла над Тл с 22 до 8-9оС имеет тенденцию к увеличению. Выход годного металла увеличивается с 98,87% при разливке на слябы сечением 250х1650 мм до 99,11%, то есть на 0,24%, как видно при рассмотрении 46 и 30 плавок при различном перегреве над Тл . А выход годного металла разливке на слябы сечением 250х1730 мм увеличивается с 98,30% до 98,56%, то есть на 0,26%. Такое повышение выхода металла можно объяснить улучшение качества слябов, уменьшением брака при разливке и др. При перегреве металла над Тл менее 5оС могут возникнуть трудности при разливке, так как температура металла в период непрерывной разливки плавки снижается на 3-11оС и металл может уйти в брак. При увеличении перегрева металла над Тл более 24оС снижается качество литого сляба из-за увеличения брака по причинам «продольные трещины на широких гранях», «осевые трещины», «искажение профиля слябов» и др. [1, 2].

Таким образом, результаты исследований показателей непрерывной разливки показывают, что выход стали наиболее оптимален при перегреве металла в промежуточном ковше над Тл в пределах от 8 до 12оС. При большем перегреве выход стали снижается на 0,24-0,26%.

Выход годной стали и получение качественной непрерывнолитой заготовки зависит также от технологии рафинирования металла в конвертере, раскисления и внепечной обработки в сталеразливочном ковше, гидродинамики металла в ПК и в жидкой лунке кристаллизатора, технологических параметров разливки, определяющих условия затвердевания и кристаллизации стали; химического состава стали [2].

Зависимость выхода металла на разливке от превышения средней температуры металла в промежуточном ковше над Тл при получении сляба сечением 250х1560 мм На рисунках 2.6.1 и 2.6.2 приведена зависимость выхода годного металла на разливке от превышения средней температуры металла в промежуточном ковше над Тл. Линия тренда на рисунке 2.6.2 для выхода металла при разливке в слябы сечением 250х1560 наиболее близка к ожидаемому результату. То есть, наибольший выход металла наблюдается при превышении средней температуры металла в промежуточном ковше над Тл в пределах от 14 до 24оС.

Модельная установка плазменного подогрева стали

Установка плазменного подогрева стали (УППС) состоит из промковша, двух поворотных консолей с плазмотронами, центрального пульта управления (ЦПУ), электрооборудования, систем охлаждения, газоснабжения, электроснабжения и управления (рисунок 4.1.1).

Промежуточный ковш имеет две камеры подогрева, в которых производится плазменный нагрев стали. Поворотные консоли служат для крепления на них плазмотронов, подвода к ним энергоресурсов и установке их в камерах подогрева в требуемое положение, а также отведение их в исходное положение. Консоль расположена максимально близко к камере подогрева и обеспечивает вертикальное перемещение плазмотрона (электропривод). При изменении уровня металла в промковше высота плазмотрона регулируется автоматически поворотной консолью. Основание консоли крепится к полу анкерами.

Управление всей установкой производится с ЦПУ, выполненного на контроллерах с выходом на промышленный компьютер. Компьютер может находиться в любом из трех мест: рядом с ЦПУ, на площадке оператора шиберного затвора и в диспетчерской МНЛЗ. Защиты и блокировки (реализовано в компьютерной программе): 1) При температуре воды в трубопроводе системы охлаждения (на входе в плазмотроны) выше допустимого запуск плазмотронов не производится (проверка перед запуском) или работа плазмотронов прекращается и они выводятся из промковша; 2) При расходе воды в трубопроводе системы охлаждения (на выходе из плазмотронов) ниже допустимого запуск плазмотронов не производится (проверка перед запуском) или работа плазмотронов прекращается и они выводятся из промковша; 3) При расходе аргона в плазмотронах ниже допустимого запуск плазмотронов не производится (проверка перед запуском) или работа плазмотронов прекращается и они выводятся из промковша; 4) При падении уровня металла в промковше более, чем на 100 мм от номинального уровня, плазмотроны прекращают работу и выводятся из промковша. 5) На разливочной площадке рядом с заземляющими разъединителями расположены кнопки аварийного отключения установки. На рисунке 4.2.1 показана уточнённая пневматическая схема системы газоснабжения УППС. Давление аргона, необходимое для нормальной работы плазмотронов, составляет около 0,2 МПа, а давление в аргоновой магистрали ККЦ – 1 МПа, поэтому необходима установка газового редуктора в начале ответвления. После редуктора идёт разветвление на снабжение аргоном генераторов плазмы через блок расхода газа и на продувку металла в промковше через перегородки.

На разливочной площадке, между поворотными консолями трубопровод расходится на два направления. Перед каждым плазмотроном на аргоновой магистрали стоит газовый фильтр тонкой очистки аргона для удаления из него твёрдых частиц и взвешенной влаги. После фильтров по направлению потока аргона установлены электромагнитные клапаны, которые получают сигнал на открытие/закрытие от системы управления УППС. Далее расположены стабилизаторы давления, необходимые для смягчения возможных пульсаций давления аргона в магистрали, которые отрицательно влияют на стабильность горения плазменной дуги. За стабилизаторами давления следуют объёмные газовые расходомеры, которые выдают непрерывный электронный сигнал о расходе аргона в каждой из веток. На общей магистрали предусмотрен накладной датчик температуры трубопровода, по показаниям которого система управления производит пересчёт объёмного расхода в массовый. Так как анодный и катодный плазмотроны имеют несколько различающуюся конструкцию, расход аргона, необходимый для устойчивого горения дуги, для них тоже отличается и должен регулироваться независимо друг от друга. С этой целью каждая ветвь снабжения плазмотронов аргоном снабжена собственным электронным регулятором расхода, состоящим из трёхходового крана и электромагнитного привода, также управляемого дистанционно и автоматически. В третий выход тройника вышеупомянутых кранов вмонтирован датчик давления, показания которого используются для вычисления массового расхода аргона в плазмотронах.

В таблице 4.2.1 представлены параметры подачи аргона в плазмотроны для опытно-промышленного опробования УППС с учётом результатов экспериментов, проведённых на модельной УППС.

Параметры охлаждения плазмотронов в УППС (таблица 4.3.1) выбирались с учётом результатов калориметрических исследований, проведённых на модельной УППС. Охлаждение плазмотронов – водяное, двухконтурное. Центральный электрод (кадод или анод) охлаждается отдельно от корпуса с соплом. Основные тепловые потоки в воду идут именно через центральный электрод, что обусловлено высокой интенсивностью тепловыделения в анодном и катодном пятнах на центральном электроде по сравнению с интенсивностью нагрева выходного канала сопла и стенок плазмотрона излучением плазменного столба дуги и поверхности расплава.

Для охлаждения плазмотронов используется вода из так называемого грязного водооборотного цикла МНЛЗ. Из грязного водооборотного цикла МНЛЗ вода поступает на электронасосный агрегат АЭ (рисунок 4.3.1.). После насоса на магистрали установлен магнитный активатор воды для предотвращения преждевременного засорения трактов охлаждения плазмотронов отложениями накипи. Для очищения воды от твердых частиц используется фильтр Ф1. Перед разветвлением водопровода на два плазмотрона на нём установлен электронный акустический расходомер воды Р3.

Так как плазмотроны в рабочем положение находятся близко к расплаву в промковше, а расход и давление охлаждающей воды довольно велики, существует опасность возникновения аварийной ситуации в случае разгерметизации трактов охлаждения и залива промковша водой. Для своевременного автоматического отключения подачи воды в плазмотроны предусмотрена система защиты. На сливе из плазмотронов расход воды измеряется расходомерами Р1 и Р2. Система управления в непрерывном и автоматическом режиме принимает, обрабатывает и фиксирует сигналы с трёх датчиков расхода воды и сравнивает показания входного расходомера Р3 с суммарным показанием сливных расходомеров Р1 и Р2. Если в процессе работы началась утечка воды, её подача будет автоматически отключена с помощью электромагнитных вентилей К02, установленных на напорной магистрали. Вентили К11, К12, К21, К22 установлены на сливных магистралях для регулировки расхода воды, подаваемой на охлаждения центральных электродов и сопла с корпусом каждого из плазмотронов. Входная и выходная температуры воды измеряются с помощью накладных датчиков температуры ДТН1, ДТН2, ДТН3. Металлический трубопровод и поворотные консоли электрически изолированы по воде с помощью резинотканевых рукавов.

Система электроснабжения плазмотрона может быть создана как с использованием переменного тока, так и постоянного. Безусловно, система питания трехфазным током промышленной частоты имеет преимущества из-за своей простоты и экономичности. Такие плазмотроны в нашей стране разработаны и использованы школой академика Рутберга Ф.Г. [69]. Однако при использовании переменного тока усложняется конструкция плазмотрона и ухудшается устойчивость его работы в большом интервале изменения мощности дуги. К примеру, возникает проблема поддержания дуги в момент, когда напряжение дуги переходит через ноль [63, 64]. Поэтому для нагрева стали в промковше предпочтительно использовать плазмотроны постоянного тока.

Плазменный нагрев стали в промежуточном ковше при постоянном токе можно осуществить как с использованием подового электрода, так и без него. Каждый из вариантов имеет свои преимущества и недостатки. Схема подогрева с подовыми анодами позволяет при необходимости отключать один из плазмотронов в случае, если потребуется подогрев только половины потока стали, проходящего через промковш, что невозможно в схеме «плазмотрон-плазмотрон», так как при этом произойдёт разрыв электрической цепи. Однако регулировка интенсивности тепловложения по половинам промковша во второй схеме возможна путём изменения мощности работы плазмотрона с помощью установки нужного дугового промежутка - расстояния от торца плазмотрона до расплава.

Разработка документации на проведение экспериментальных плавок с применением УППС в промежуточном ковше МНЛЗ-4 ККЦ ОАО «ММК»

Поворотная консоль состоит из стойки 1, подошва 25 которой крепится анкерными болтами к полу разливочной площадки. В подшипниковых опорах 3 и 4 вращается балка 5, снабжённая ручкой 6. На конце балки 5 установлен червячный одноступенчатый редуктор 14, к быстроходному валу которого пристыкован асинхронный электродвигатель переменного тока. Редуктор имеет полый тихоходный вал, в который входит шпоночный конец подъёмного винта 8. Мотор-редуктор закрыт кожухом 17. При вращении винта гайка 16 перемещается вверх или вниз совместно с пяткой 10. Колонна 28 поднимается или опускается в направляющей 27 пяткой 10. Рычаг 7 обеспечивает возможность ручного поворота колонны 28 вокруг своей оси. Для закрепления нужного угла поворота колонны направляющая 27 снабжена фиксатором 16. Со второй стороны полого выходного вала редуктора 14 установлен энкодер 15, который измеряет частоту вращения подъёмного винта, а также количество сделанных оборотов. Это позволяет точно задавать высоту расположения плазмотрона над уровнем металла в камере подогрева, что очень важно для успешного возбуждения рабочей дуги плазмотрона и её стабильного горения. На верхней площадке колонны 28 установлена стрела 19, которая представляет собой связку труб различного диаметра в металлическом кожухе. По трубам к плазмотрону подводится и отводится охлаждающая вода и плазмообразующий газ, а также электрический ток. Плазмотрон на поворотной консоли вставляется в стыковочное гнездо 20 с подключением трубопроводов 22. Накладка 23 обжимает трубы, подводящие и отводящие охлаждающую воду от катода плазмотрона, которые одновременно являются токоподводом. К резьбовым наконечникам 24 подсоединяются резинотканевые водяные рукава. На отгибах накладки 23 выполнены отверстия для стыковки кабельных наконечников силовых кабелей. Кронштейны 18 и 2 предназначены для крепления на них рукавов и кабелей с помощью хомутов 21. Система концевых выключателей 11 и тормозных планок 12 ограничивает движение колонны по вертикали.

При изменении уровня металла в промковше положение плазмотрона по высоте регулируется автоматически электроприводом поворотной консоли.

Важным технологическим агрегатом современной УНРС является промковш, так как его конструкция оказывает существенное влияние на уровень качества непрерывнолитой заготовки. В процессе непрерывной разливки переливные каналы активно влияют на тепло-и массообменные процессы в промежуточном ковше. В этих условиях роль переливных каналов, особенно при плазменном нагреве, резко возрастает. Форма и вид переливных каналов могут играть существенную положительную роль в обеспечении равномерного распределения температуры металла в камере нагрева и разливочном отсеке при плазменном нагреве металла в ковше и улучшить качество литой заготовки.

При разработке конструкции ПК необходимо не только знать условия тепло- и массообменных процессов, обеспечивающих равномерное распределение температуры в объемах металла, но и определить конструктивные особенности, позволяющие наиболее эффективно обеспечить условия для равномерного распределения температуры в объемах металла камеры нагрева и разливочных отсеках. В данной работе не стояло задачи оптимизировать конструкцию промковша для подогрева в нём стали, необходимо лишь обеспечить проведение опытно-промышленных испытаний технологии подогрева.

В разработанной конструкции промежуточного двухручьевого ковша для плазменного подогрева жидкого металла содержатся две камеры подогрева, расположенные между приемным и разливочными отсеками. Переливные каналы, расположенные в перегородке камеры подогрева и приемного отсека, круглого сечения, а в перегородке камеры подогрева и разливочного отсека – прямоугольного сечения (рисунок 4.7.1).

Разливка стали с применением промежуточного двухручьевого ковша с камерами для плазменного подогрева осуществляется следующим образом (рисунок 4.7.1). С помощью механизмов перемещения плазмотроны 6 опускают через отверстия 14 в крышках 7 камер подогрева 5 до необходимого положения их торцов над зеркалом металла 4. Оператор посредством компьютера производит запуск процесса нагрева: подается аргон, включаются источники вспомогательных дуг. После замыкания рабочей дуги через расплав параметры процесса подогрева определяются исходной температурой и скоростью разливки стали. Механизмами перемещения производят изменение положения плазмотронов в соответствии с уровня металла в промежуточном ковше.

Для более эффективного тепловложения в расплав от плазменного столба организовано интенсивное перемешивание металла в камере подогрева и его постоянное течение под анодным (катодным) пятном на зеркале расплава. С этой целью в центре камеры подогрева 5 уставлен отбойник 11, который увеличивает вертикальную составляющую скорости течения расплава, полученную от его прохождения через цилиндрические отверстия 8. Сочетание отверстий 8, расположенных под углом к горизонтали, и отбойника 11 обеспечивает направление основного потока металла непосредственно к источнику тепла – столбу дуги плазмотрона 6. После прохождения зоны нагрева металл поступает в разливочный отсек 15 через прямоугольное отверстие 9 в перегородке 17, откуда производится разливка в кристаллизатор МНЛЗ. Для полного опорожнения промковша при его замене предусмотрены нижние отверстия 10 в отбойнике 11 и прямоугольное отверстие 12 в перегородке 17, через которые проходит незначительный расход металла при работе промковша в установившемся режиме. Через отверстие 18 в перегородке 17 сбрасывается избыток давления газа из камеры подогрева 19 в разливочный отсек 15. Замер температуры разливаемого металла производится с помощью системы непрерывного измерения температуры, термопара 13 которой погружается в расплав в разливочном отсеке.

При конструировании плазмотронов для УППС использовались результаты ранее проведённых исследований [54-57], а также заимствована особенность конструкции специальных генераторов плазмы – расширяющийся канал сопла [57].

Основные преимущества использования расширяющегося канала в плазмотронах: увеличение КПД, повышение стабильности и ресурса работы плазмотрона.

Расчёт размеров сечений каналов охлаждения плазмотронов проводился по результатам испытаний экспериментальных моделей плазмотронов на модельной установке подогрева стали, а сечение и материал токоведущих элементов – с учётом рекомендаций по оптимальным режимам работы плазмотронов в промковше.

На рисунке 5.8.1 представлен плазмотрон-катод в разрезе. Охлаждение – принудительное, водяное, двухконтурное. Первый контур проходит в полости катода 6 с вольфрамовой вставкой 7 по нержавеющей трубке 3, которая дистанционируется от стенок катододержателя 12 лапками 2. Второй контур, проходящий по трубкам 11, снимает избыток тепла с корпуса 13 и сопла 9. Сопло имеет расширяющийся канал и внутреннюю полость охлаждения 10 специальной формы. Плазмообразующий газ подаётся через трубку 1 и проходит через изолятор 5, в котором выполнены продольные газовые каналы 4. Уплотняющие кольца 8 изготовлены из теплостойкой резины.

Вспомогательная дуга в плазмотроне инициируется посредством осциллятора между вольфрамовой вставкой 2 и соплом 3. Рабочая дуга горит непосредственно между вольфрамовой вставкой 2 и подогреваемой поверхностью металла в промковше.