авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка рационального режима плавки стального полупродукта в сверхмощных дуговых электропечах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Некрасов Илья Владимирович

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА

ПЛАВКИ СТАЛЬНОГО ПОЛУПРОДУКТА В СВЕРХМОЩНЫХ

ДУГОВЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧАХ

Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт металлургии Уральского отделения РАН, г. Екатеринбург

Научный руководитель - доктор технических наук

Шешуков Олег Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дерябин Анатолий Андреевич

кандидат технических наук, доцент

Бурмасов Сергей Петрович

Ведущее предприятие - ОАО «Уралгипромез»

(г. Екатеринбург)

Защита состоится 5 марта 2010 г. в 13 00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.001.01 при Учреждении Российской академии наук Институт металлургии Уральского отделения РАН по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101, в актовом зале. Тел. (343) 267-91-24, факс (343) 267-91-86, E-mail: admin@imet.mp lik.ru

Автореферат разослан «___» февраля 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук А.Н. Дмитриев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В настоящее время более 30 % мирового производства стали выплавляется в дуговых электропечах. При этом одной из основных тенденций развития металлургии является опережающее развитие электропечного способа производства стали. Современные электросталеплавильные цехи оснащены сверхмощными печами (далее - ДСП) с удельной мощностью трансформатора более 500 кВА/т. В них расплавляют металлошихту и подвергают жидкий металл окислительному рафинированию, решая задачи удаления фосфора и нагрева металла до температуры выпуска. Полученный таким образом жидкий полупродукт доводится до стали средствами ковшовой металлургии.

Важнейшей частью технологии плавки полупродукта в ДСП является вспенивание шлака, имеющее целью экранирование мощных электрических дуг в конце расплавления и по ходу окислительного периода плавки. Укрытие горящих дуг хорошо вспененным шлаком приводит к значительному продлению ресурса футеровки ДСП, ускорению нагрева и плавления металла, снижению насыщения металла азотом. Однако сейчас резервы технологии вспенивания шлака используются не полностью. Это связано с тем, что до настоящего времени физические свойства шлаков, в т.ч. вязкость, изучались в диапазоне температур, не характерном для электропечных шлаков по ходу плавки в ДСП. Кроме того, улучшение вспенивания шлаков требует разработки рациональных режимов плавки, определяющих и протекание процессов рафинирования металла, и влияющих на стойкость футеровки ДСП, а также включающих режим продувки металла кислородом.

С другой стороны, важнейшей задачей является разработка методов контроля и автоматизации электроплавки, в частности, контроля качества вспенивания шлака по параметрам электрического режима. Актуальность исследований, позволяющих связать рациональный технологический и электрический режимы электроплавки, не вызывает сомнений.





Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», по программе ОХНМ РАН «Создание новых металлических, керамических, стекло-, полимерных и композиционных материалов», по программе ОХМН РАН «Создание новых видов продукции из минерального и органического сырья» - проект «Создание новых материалов - металлизованного концентрата и магнезиальных шлаковых смесей путем переработки минерального сырья, содержащего карбонаты железа и магния для применения в сталеплавильном производстве», по проекту Института металлургии УрО РАН «Экспериментальные исследования и математическое моделирование электрических и теплофизических процессов в ваннах электропечей с открытой дугой».

Цель работы – улучшение технико-экономических показателей работы сверхмощной ДСП и повышение качества выплавляемого в ней полупродукта за счёт совершенствования технологии плавки, создания и применения метода оперативного контроля качества вспенивания шлака.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследований являлись:

  • проведение одновременных измерений температур шлака и металла в конце расплавления и по ходу окислительного периода;
  • исследование влияния температуры шлака на процессы дефосфорации и рефосфорации полупродукта;
  • оценка вспениваемости шлаков, моделирующих электропечные, в диапазоне температур, характерном для них по ходу плавки полупродукта в ДСП;
  • изучение влияния химического состава и температуры шлаков, моделирующих электропечные, на их агрессивность к магнезиальным огнеупорам;
  • разработка и промышленные испытания технологических приёмов реализации рационального режима плавки в ДСП;
  • разработка метода оперативного контроля качества вспенивания шлака по параметрам электрического режима плавки в ДСП переменного тока.

Методы исследования Для решения задач исследования применён комплексный подход, включающий расчёты характеристик шлаков по полимерной теории строения шлаков, разработанной в ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», термодинамическое моделирование реакций в системе «металл-шлак» с помощью специальных компьютерных программ, экспериментальное изучение вязкости шлаков с помощью электромагнитного вибрационного вискозиметра, петрографические исследования электросталеплавильных шлаков, методы теории нелинейных электрических цепей и математической статистики, средства вычислительной техники.

Достоверность полученных результатов подтверждается практической реализацией разработанного режима плавки в ДСП, публикацией результатов в центральной печати и их апробацией на представительных научных форумах.

Научная новизна работы

Показана перспективность контроля температуры шлакового слоя в качестве дополнительного технологического параметра, позволяющего оценивать возможности рафинирования полупродукта и вспенивания шлака. Впервые исследовано влияние температуры шлака на процесс дефосфорации полупродукта в сверхмощной ДСП. Показано, что при прогнозировании минимально достижимого содержания фосфора в полупродукте по ходу плавки, а также содержания фосфора в полупродукте в конце плавки целесообразно ориентироваться на температуру шлака. Установлено, что наблюдаемый эффект рефосфорации в конце плавки объясняется, в основном, повышением температуры шлака, а не традиционно измеряемой по ходу плавки температуры полупродукта.

В диапазоне температур, характерном для промышленных электропечных шлаков, изучена вспениваемость шлаковых систем, моделирующих электропечные шлаки. Расчётами и промышленными экспериментами на ДСП с температурой выпуска полупродукта 1670-1690°С показано, что для поддержания до конца плавки достаточного уровня шлаковой пены следует формировать гетерогенные шлаки за счёт повышения их основности до 2,7-3,1 ед. при содержании (FeO) = 20-35 %.

Разработан новый метод оперативного контроля качества вспенивания шлака для ДСП переменного тока по параметрам электрического режима.

Практическая значимость работы Определены рациональные параметры технологии плавки для ДСП-135 ОАО «Северский трубный завод», позволяющие стабилизировать вспенивание шлака, повысить качество полупродукта, обеспечить более благоприятные условия эксплуатации футеровки, реализация которых позволила снизить содержания фосфора и азота в полупродукте, соответственно, на 29 и 16 отн. %, удельный расход электроэнергии на 11 кВт·ч/т, а также расходы некоторых технологических материалов с ожидаемым экономическим эффектом 10,34 млн. руб. в год. Получен приоритет ФИПС на патент по заявке № 2008148432 от 08.12.2008 «Способ получения стали в дуговой электросталеплавильной печи».



Апробация работы Основные положения работы докладывались и обсуждались на 9-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2008 г.), XII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2008 г.), Х конгрессе сталеплавильщиков (Магнитогорск, 2008 г.), V Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов (Москва, 2008 г.), 67-й научно-технической конференции МГТУ-ММК по итогам научно-исследовательских работ (Магнитогорск, 2009 г.).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст занимает 145 страниц, включает 43 рисунка, 14 таблиц и 154 источника.

Автор выражает признательность д.т.н. Воробьёву В.П., д.т.н. Сивцову А.В., д.т.н., проф. Истомину С.А., к.т.н. Цымбалисту М.М., к.т.н., доц. Невидимову В.Н., к.г.-м.н. Сапожниковой Т.В. и специалистам ОАО «Северский трубный завод» за помощь при выполнении диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана оценка состояния решаемой проблемы, обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследований.

В первой главе проведён обзор литературных данных о современном состоянии электросталеплавильного производства. Отмечено, что на сегодняшний день вспенивание шлака является неотъемлемой частью технологии плавки в ДСП, обеспечивает снижение энерго- и материалоёмкости электроплавки в условиях повышения удельной мощности трансформаторов. Однако на практике потенциал технологии укрытия дуг вспененным шлаком полностью не реализуется. Зачастую достаточный уровень вспенивания шлака наблюдается только в конце расплавления и начале окислительного периода, к концу же плавки высота шлаковой пены снижается, и дуги экранируются не полностью. Из практики известно, что снижение вспениваемости шлаков наблюдается при повышении содержания в них оксидов железа, которое действительно происходит к концу плавки из-за снижения содержания углерода в полупродукте и приводит к снижению вязкости шлака. Однако закономерности изменения вязкости сталеплавильных шлаков до настоящего времени изучались в диапазоне температур, в основном, характерном для полупродукта, а не электропечного шлака. Это ограничивает возможности анализа способов улучшения вспенивания за счёт регулирования вязкости шлаков.

Имеются отдельные данные, что температура шлакового покрова в сталеплавильных агрегатах с мощными электродуговыми установками существенно выше температуры металла и изменяется от 1650 до 1800°С. Причинами перегрева шлака относительно объёма металла, температура которого контролируется по ходу плавки, являются преимущественное расположение зон горения дуг в шлаке и прохождение через него части тока.

В литературе неоднократно отмечалась особенность плавки в сверхмощных ДСП и мартеновских печах – формирование двухфазной (шлако-металлической) зоны в шлаковом покрове, занимающей до 70 % его толщины. Наличие двухфазной зоны и перегрев шлакового покрова относительно металла могут влиять на эффективность решения одной из основных задач плавки – дефосфорации полупродукта. Необходимо учитывать это при оценке возможностей рафинирования металла и разработке рациональных режимов плавки.

Сложная геометрия ванны ДСП и особенности технологии вызывают неравномерный износ футеровки. Стойкость футеровки в целом определяется стойкостью наиболее изнашиваемых зон шлакового пояса, что ограничивает продолжительность кампании сверхмощных ДСП, которая в большинстве случаев не превышает 600-800 плавок. Одним из направлений повышения стойкости футеровки ДСП является выплавка полупродукта под шлаками, одновременно обладающими и меньшей агрессивностью к огнеупорам и повышенной вспениваемостью. Естественно, при этом должны сохраняться достаточные рафинирующие свойства шлаков.

Критический анализ показал, что возможности дальнейшего повышения технико-экономической эффективности ДСП во многом сводятся к разработке рационального шлакового режима, на практике связанного с режимом продувки и другими параметрами технологии. В связи с этим особую важность приобретает исследование температур шлака, чему до настоящего времени не уделялось достаточного внимания.

Во второй главе представлены результаты измерений температур шлака и металла в ДСП-135 ОАО «Северский трубный завод», оснащённой трансформатором мощностью 110 МВА. Температуры шлака измерялись термопарами на уровне примерно половины его толщины в зоне, расположенной над областью замера температуры полупродукта. Практически одновременно с этим измерялась температура полупродукта автоматическим зондом (через рабочее окно). Всего было проведено 16 пар измерений на 14 плавках. Результаты замеров температур металла и шлака по ходу плавки приведены на рисунке 1 в сопоставлении с обобщёнными литературными данными о температурах металла и вспененного шлака в сверхмощной ДСП. Температура шлакового покрова превышает температуру металла примерно на 70 °С и изменяется от 1650 до 1750 °С. Известно, что температура шлака в околоэлектродных зонах может достигать 1800°С (рис.1).

  Изменение температур-0

Рисунок 1 – Изменение температур шлакового покрова и металла по ходу плавки полупродукта в сверхмощной ДСП: 1 – температура шлака (литературные данные); 2 – температура металла (литературные данные); – температура шлака (собственные измерения); – температура металла (собственные измерения)

На плавках серийной технологии отмечено вредное явление рефосфорации - повышение содержания фосфора в металле в конце плавки (рис.2). Для разработки методов предотвращения рефосфорации необходимо проанализировать её причины. Использование традиционного метода анализа, основанного на сопоставлении фактического (текущего) содержания фосфора в металле с равновесным, рассчитанным по температуре металла, приводит к ряду противоречий.

На рисунке 2 приведены области фактических содержаний фосфора в металле и равновесных, рассчитанных по измеренной температуре металла (361 точка в каждой области). Область равновесных содержаний получена расчётами по полимерной модели «УГТУ-УПИ», аналогичные области получаются при использовании адаптированной модели Кожеурова, а также моделей Сюито-Иное (Suito – Inoue) и Хили (Healy).

Если анализировать рафинирование полупродукта согласно традиционному подходу, оценивая равновесное содержание фосфора в полупродукте по фактически измеряемой температуре полупродукта, то следует признать, что дефосфорация должна продолжаться и после 80-85% продолжительности плавки. Однако в действительности этого не происходит (рис.2). Кроме того, наблюдаемая рефосфорация должна начинаться после выравнивания фактических концентраций фосфора с равновесными и оставаться в пределах рефосфорации, которая прогнозируется по температуре полупродукта. В действительности же этого также не происходит (рис.2). Область фактических содержаний фосфора в полупродукте никогда не перекрывается с областью равновесных, рассчитанных по температуре полупродукта, несмотря на последовательное протекание процессов дефосфорации и рефосфорации полупродукта. Причём указанные противоречия принципиально не устраняются привлечением в анализ известных закономерностей кинетики дефосфорации металла и возникают, по существу, при рассмотрении термодинамики процесса.

  Сопоставление фактических-3

Рисунок 2 – Сопоставление фактических содержаний фосфора (%) в металле и равновесных, рассчитанных по температурам металла и шлака: – фактические содержания; – рассчитанные по температуре металла; – рассчитанные по температуре шлака

Традиционное для практики представление о том, что равновесие, к которому стремится процесс распределения фосфора между металлом и шлаком, допустимо оценивать по фактически измеряемой температуре объёма металла, обеспечивает лишь качественное объяснение наблюдаемой рефосфорации, только в некотором приближении отражает действительную физикохимию процесса в ванне ДСП. Это не позволяет, например, прогнозировать минимально достижимые по ходу плавки содержания фосфора в полупродукте и конечное содержание фосфора, количественно оценивать степень повышения основности шлака к концу плавки, необходимую для предотвращения рефосфорации.

Таким образом, обоснована необходимость нового подхода к пониманию сложного вопроса о протекании реальных процессов дефосфорации и рефосфорации в ДСП с целью расширения возможностей анализа и корректировки технологии. В связи с этим, на рисунке 2 также приводится область равновесных содержаний, рассчитанных по тем же моделям по температуре шлака, за которую приняты усреднённые результаты собственных измерений температур шлака (рис.1). Из данных, представленных на рисунке 2, следует, что фактические концентрации фосфора в полупродукте, которыми заканчивается его дефосфорация и с которых начинается рефосфорация, близки к равновесию по температуре шлака, а не полупродукта.

Следовательно, при определении рациональных параметров шлакового режима с учётом технологической необходимости дефосфорации полупродукта, целесообразно ориентироваться на температуру шлака. Данный приём обоснован следующим известным фактом. При кипении металлической ванны ДСП формируется двухфазная шлако-металлическая зона в шлаковом покрове, значительно увеличивающая площадь контакта «металл-шлак». Особенности теплогенерации и теплообмена в сверхмощных ДСП приводят к тому, что температура двухфазной зоны существенно выше температуры объёма металла. Петрографические исследования шлаков ДСП-135 подтвердили наличие металлических корольков размером до 3 мм, которые появляются в шлаке благодаря кипению металла при обезуглероживании. Отмечено, что рефосфорация начинается после полного расплавления лома на откосах печи, которое фиксируется по истечении 80-85 % продолжительности плавки. По-видимому, находящийся в шлаке лом, оказывая термостатический эффект на близлежащие объёмы шлака, создаёт благоприятные условия для дефосфорации металла.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.