Металлургические плавильные печи

По природе происходящих в металлургических плавильных печах процессов их можно разделить на три основных типа:

• печи для переработки первичного сырья
• сталеплавильные печи
• печи для рафинирования стали

Печи первичной переработки предназначены для восстановления окисленного железорудного сырья и извлечения железа. В современном металлургическом производстве это в основном доменные печи, выплавляющие чугун, и печи прямого восстановления железа, производящие металлизованное сырье для сталеплавильных процессов.

К сталеплавильным относятся печи, предназначенные для снижения содержания углерода и удаления вредных примесей из чугуна и получения различных сортов стали.

• мартеновские печи
• электродуговые сталеплавильные печи (ДСП)
• печи для электрошлакового переплава (ЭШП)
• индукционные печи
• агрегаты внепечной обработки стали
• установка ковш-печь или агрегат комплексной обработки стали (АКОС)
• вакууматор

Доменная печь является одним из старейших металлургических агрегатов, ведущая свое происхождение от сыродутного горна, применявшегося еще на заре металлургии. В последние время с развитием прямых способов получения железа в кругах специалистов распространилось мнение о том, что доменный процесс уже отживает свой век. Тем не менее, в современном мире доменный процесс остается основным процессом переработки исходного металлургического сырья.

Сырье для доменного процесса или шихта представляет собой железорудную составляющую:

• кусковая руда
• агломерат
• железорудные окатыши

Добавки для удаления вредных примесей и формирования шлака:

• известняк, который в последнее время практически вытеснен офлюсованной железорудной продукцией – агломератом и окатышами.

А также топливо и энергоносители:

• кокс
• пылеугольное топливо (ПУТ)
• природный газ
• кислород

Доменная печь состоит из колошника, где происходит распределение шихты, шахты - конической части печи, где происходит нагрев и первичное восстановление восстановления железа, распары - цилиндрической части печи для размягчения и плавления железа, заплечиков - конической части, где формируется восстановительный газ и горна - цилиндрической части печи, где происходит расплавление и науглероживание чугуна и формирование шлака. Развитие современного доменного процесса направлено не только на увеличение объемов производства, но и на повышение качества готовой продукции и экономию энергоресурсов. Особенно это касается дорогостоящего и дефицитного кокса. Эти задачи решаются путем обеспечения наиболее эффективного использования доменного газа благодаря лучшему распределению шихты в печи (конструкция засыпного аппарата), применению обогащенного дутья (кислород и ПУТ). В этой связи большую роль играет конструкция фурм доменной печи.

По окружности горна размещаются фурмы - устройства для подачи горячего дутья - воздуха, обогащенного кислородом и ПУТ. В этой части горна температура может достигать до 2000°C. Поэтому фурмы эксплуатируются в чрезвычайно экстремальных условиях воздействия высоких температур, контакта с нагретыми шихтовыми материалами и абразивного воздействия вдуваемого пылеугольного топлива.

Фурменный холодильник устанавливается в амбразуре кладки печи, а фурма выступает в рабочее пространство печи на 250 – 350 мм. Компания ООО «Интех ГмбХ» предлагает различные конструкции фурм в зависимости от условий их эксплуатации и требований по их сроку службы.

ООО «Интех ГмбХ» предлагает современную систему охлаждения фурмы, разработанную на основе совместной исследовательской работы с заказчиками.

Основные характеристики:

• Оптимальная форма системы водяного охлаждения с гладкими каналами
• Система охлаждения обеспечивает 100% контакт с основным металлом
• Совместима с существующей у заказчика системой подачи воды
• Может применяться для двойной и тройной систем охлаждения
• Предотвращает протечки в случае прогара носовой части

На рисунке: водяной канал; водяная трубка; двойная система; тройная система

Футеровка стенок фурмы

В дополнение к защите носовой части фурмы ООО «Интех ГмбХ» предлагает огнеупорную защиту стенок фурмы. Такая защита применима также и для фурменных холодильников. В дополнение к футеровке стенок предлагается дополнительная защита носовой части с помощью металлического покрытия. Основные характеристики:

• Подходит для как для фурм, так и для фурменных холодильников
• Полное покрытие 3600 или частичное, например 1800 , 1600, 1200
• Полное покрытие от носовой до тыльной части фурмы или частичное, например 100 мм, 150 мм
• Использование различных материалов для различных условий эксплуатации
• Увеличенный срок службы фурмы

Интенсификация работы доменных печей привела к повышению требований к вспомогательному оборудованию. Разработка конструкции трехкамерной фурмы явилась результатом совместной работы инженеров ООО «Интех ГмбХ» и операторов доменных печей.

Основные характеристики:

• Высокая скорость потока охлаждающей воды
• Повышенная стойкость в контакте с расплавом металла
• Полностью независимые системы охлаждения носовой части и корпуса фурмы
• 100% контакт с основным металлом
• Экономия затрат
• Возможность установки термопары
• Конструкция в соответствии с индивидуальными требованиями заказчика

Конструкция двухкамерной фурмы явилась следствием развития традиционной однокамерной конструкции. Она была разработана на базе анализа причин выхода фурм из строя. Эта конструкция характеризуется высокой температурной стойкостью, стойкостью к увеличению содержания кислорода в дутье, вдуванию топлива и повышению давления на колошнике.

Такая конструкция уже является стандартной для многих металлургических предприятий.

Основные характеристики:

• Высокая скорость потока охлаждающей воды
• Полностью независимые системы охлаждения носовой части и корпуса фурмы
• Высокая теплопроводность отливок
• Конструкция в соответствии с индивидуальными требованиями заказчика
• Повышенный срок службы
• Опция – внутренняя вставка

Наплавленный металл UTP 68 TiMo нержавеющий, устойчивый к межкристаллической коррозии (влажная коррозия до 400 °C). Он устойчив к коррозии как похожие низкоуглеродистые стабилизированные, аустенитные 18/8 хромо-никелево-молибденовые стали.

Огнеупорную массу, которой закрывают чугунную летку, высверливают буром с помощью сверлильной машины. Для вскрытия летки сверлильная машина медленным поступательным движением рассверливает отверстие в огнеупорной массе и затем быстро выводит бур из летки для выпуска чугуна.

Пушка предназначена для закрывания чугунной летки путем заполнения ее огнеупорной массой под давлением. Обычно пушка устанавливается напротив сверлильной машины на площадке литейного двора доменной печи. Для закрытия чугунной летки пушку сначала заряжают, то есть заполняют огнеупорной массой приемный цилиндр вплоть до носка, затем пушку поворачивают, вводя носок в леточное отверстие. Огнеупорную массу выталкивают поршнем в летку и запечатывают отверстие.

ДСП предназначена для переплавки стального лома с использованием тепла дуги, образующейся между печными электродами.

Стальной слом (скрап) загружается бадьями в печь. При этом свод печи с электродами отводится в сторону механизмом поворота, а по окончании загрузки возвращается в исходное положение и закрывает печь. На электроды подается электричество и в печи возникает электрическая дуга, которая нагревает шихту до температуры 1800 оС, благодаря чему происходи расплавление материала в печи. В печь также добавляют шлакообразующие компоненты для формирования шлака, который способствует выведению вредных примесей из стали.

В настоящее время электросталеплавильный процесс претерпел существенные изменения. Во всем мире получила развитие технология интенсификации электроплавки с использованием газокислородных горелок, обеспечивающих повышение производительности дуговых сталеплавильных печей и снижение расхода электроэнергии. Вдувание кислорода через горелки и дополнительная инжекция кислорода через фурмы, вводимые в электропечь, позволили использовать в шихте порядка 40% жидкого чугуна. Иногда доля чугуна в шихте может доходить до 80%. Повышение стоимости электроэнергии и высокий расход дорогостоящих электродов стали дополнительными факторами, стимулирующим расширение использования газокислородного нагрева в ДСП.

Компания ООО «Интех ГмбХ» может поставлять кислородные фурмы (горелки) по чертежам заказчика.

Без закрутки воздушного потока:

С закруткой воздушного потока:

В современной металлургической промышленности, когда большую роль стали играть так называемые минизаводы мощностью от 500.000 до 2 млн.т/год электродуговые печи приобрели большое значение. Поэтому внимание металлургов сосредоточилось на развитии технологии электросталеплавильного производства и совершенствования конструкции ДСП. Корпус печи. Конструкция современной электропечи должна обеспечивать энергоэффективность процесса. В этой связи большое значение приобретают системы охлаждения печи; повышение качества готового продукта и надежное отделение шлака от стали при разливке; экономию расходных материалов (электродов, огнеупоров и т.п.).

Современная ДСП состоит из трех основных компонентов: свода печи, кожуха и днища. В корпусе печи имеется рабочее окно, необходимое для решения различных технологических задач: отбора проб, удаления шлака, осмотра рабочего пространства, проведения различных измерений и т.д. В корпусе современной печи устанавливают топливо-кислородные горелки и устройства для вдувания порошковых материалов. Некоторые конструкции горелок предусматривают подачу порошковых материалов через комбинированные сопла. Современная конструкция печи также предусматривает отверстия в днище для установки пробок для подачи инертного газа и улучшения процесса перемешивания металла в ванне печи. Продувочные пробки изготавливают из пористых огнеупоров и устанавливают по окружности днища печи.

Корпус печи оснащают водоохлаждаемыми панелями, на которых в ходе плавки формируется защитный гарнисаж. Толщина образующегося гарнисажа способствует самостоятельной регулировке температурного градиента. Срок службы водоохлаждаемых панелей зависит от их конструкции и условий эксплуатации. Компания ООО «Интех ГмбХ» предлагает панели, изготовленные из трубчатых элементов.

Свод ДСП обычно футеруют огнеупорами с высоким содержанием Al2O3 и также охлаждают трубчатыми панелями.

Печь устанавливают на платформу, которая соединяется с сегментами, необходимыми при наклоне печи. Угол наклона варьируется в интервале от 15 до 45 градусов. Наклон печи выполняется с помощью гидроцилиндров.

Во время завалки свод печи с электродами отводят в сторону с помощью подъемно-поворотного устройства. Электроды крепятся на электрододержателях, где фиксируются специальными зажимами. Так как в ходе плавки нагретые электроды начинают окисляться, то для предотвращения их преждевременного разрушения применяют спрейное охлаждение электродов.

Для удаления продуктов горения служит система газоочистки ДСП. Газы отводятся через отверстие в своде печи и поступают в дымоход, где установлены фильтры для очистки пыли. Современная технология предусматривает также использование тепла отходящих газов для предварительной сушки и нагрева металлического лома в бадье. Это дает существенную экономию энергоносителей и снижает риск попадания влаги в пространство печи.

Кроме предварительно подогрева и сушки в современном металлургическом производстве иногда используют систему непрерывной горячей завалки шихты, нагрев которой с помощью топливных горелок осуществляется на специальном укрытом загрузочном конвейере. Такая система иногда используется вместо металлического лома горячего металлизованного сырья – окатышей или брикетов, которые непосредственно производят на установках металлизации.

Если еще в середине прошлого столетия основным способом получения стали из чугуна являлся мартеновский процесс, то в настоящее время его практически вытеснил конвертерный. Он существенно проще, дешевле и не такой продолжительный, как мартеновский. Ранее существенным ограничением конвертерного процесса являлась невозможность получения в нем высококачественной стали, но с появлением внепечной обработки этот недостаток перестал играть решающую роль.

Сырьем для конвертерной плавки являются:

• жидкий передельный чугун
• металлолом
• шлакообразующие (флюсы)

Жидкий чугун заливают через горловину конвертера, туда же загружают и твердые компоненты шихты. Для удаления углерода из чугуна и получения стали осуществляют продувку кислородом через фурму, которую подают через горловину конвертера. Существует также процесс донной продувки кислородом, но он менее распространен. Кроме углерода в ходе плавки удаляется некоторое количество серы и фосфора, но, как уже отмечалось выше, в основном процесс доводки и рафинирования стали протекаем во время внепечной обработки.

Обычно конвертерная плавка длится от 40 минут до одного часа. Ниже представлена схема конвертерного цеха.

Современный кислородный конвертер представляет собой металлургический плавильный агрегат, состоящий из футерованного корпуса грушевидной формы с опорным кольцом с цапфами, которые крепятся к механизму наклона конвертера. В верхней части корпуса расположена горловина, через которую загружают шихтовые материалы и осуществляют выпуск стали. Современные кислородные конвертеры имеют тоннаж до 400 тонн и производительность до 500 тонн в час.

Футеровка конвертера имеет большое значение для технологии конвертерной плавки и показателей процесса. Компания ООО «Интех ГмбХ» осуществляет инжиниринг и поставку футеровки конвертера.

Продувка плавки кислородом осуществляется фурмой, вводимой через горловину конвертера. Фурма представляет собой водоохлаждаемую трубу, через которую под давлением подается кислород. Для распределения кислородной струи на фурму устанавливается специальный наконечник (головка) с соплами. Компания ООО «Интех ГмбХ» предлагает различные конструкции таких головок.

Сам процесс плавки делится на следующие основные составляющие:

• Загрузка твердых компонентов: металлического лом, чушкого чугуна, флюса и т.п.
• Заливка жидкого чугуна
• Продувка плавки кислородом
• Выпуск продуктов плавки

Для загрузки конвертер наклоняют и затем через горловину загружают шихту и осуществляют заливку расплавленного чугуна с температурой 1300—1450 °С. Твердые компоненты шихты загружают с помощью мульд, а заливка чугуна производится непосредственно из ковша, который подается чугуновозом к заливочному крану.

Технология продувки кислородом имеет большое значение для показателей плавки в целом. В зависимости от состава исходных компонентов и требований к готовому продукту регулируют высоту фурмы над поверхностью расплава. Высота головки фурмы до уровня жидкой стали обычно варьируется в пределах 1 – 3 м.

Для повышения эффективности контакта кислорода с чугуном важную роль играет циркуляция ванны, которая, кроме вышеперечисленных факторов зависит также от конструкции головки кислородной фурмы. Технология современной конвертерной плавки предусматривает также комбинированную продувку ванны расплава, которая в дополнение к верхней продувке кислородом предусматривает донную продувку нейтральным или инертным газом (азот, аргон) для обеспечения более качественного перемешивания ванны, что в конечном итоге способствует удалению вредных примесей из стали и более эффективному обезуглероживанию. Такая продувка осуществляется через специальные пористые пробки, устанавливаемые в днище конвертера.

Донные фурмы могут быть также выполнены в виде стальных трубок, использование которых по сравнению с пробками имеет как положительные, так и отрицательные стороны. В частности трубки обладают повышенной стойкостью, хотя в то же время требуют непрерывной подачи газа, а при применении пробок подачу газа можно остановить в любой момент. Для донного вдувания кроме нейтральных газов применяю также углеводороды. Также через донные дутьевые устройства можно подавать дополнительный кислород и порошковую известь. В целом донная продувка обеспечивает лучшее удаление углерода, серы и фосфора из стали и, соответственно, повышение качественных показателей конвертерной плавки.

В ходе плавки ведется контроль температуры и осуществляется отбор проб с помощью термозондов.

Когда температура стали и ее состав достигают заданных значений, процесс плавки заканчивают и приступают к выпуску продуктов плавки. Сталь разливают в сталеразливочный ковш, отсекая шлак от попадания в ковш специальным стопорным устройством.

В целом процесс кислородно-конвертерной плавки занимает от 30 до 50 минут.

Печь-ковш представляет собой установку, состоящую из крышки для ковша с отверстиями, через которые проходят электроды. Ковш с жидкой сталью устанавливается на позицию для обработки и закрывается крышкой. Нагрев расплава осуществляют графитовыми электродами. Во время обработки сталь обычно перемешивают инертным газом и вводят различные добавки: раскислители, легирующие элементы и т.п. Для ввода таких добавок используют непрерывно подающуюся трайб-аппаратом специальную проволоку. Такая проволока большой длины поставляется в катушках на металлической или деревянной раме.

Вакуумирование стали проводят в сталеразливочном ковше. Благодаря разряжению в вакууматоре происходит интенсивное выделение растворенных в расплаве газов — водорода, азота и монооксида углерода. Вместе с пузырьками газа удаляются также и неметаллические включения, которые переходят в шлак. Процесс вакуумирования также дает возможность дополнительного удаления углерода, поэтому его используют для получения низкоуглеродистых нержавеющих сталей.

Различают две разновидности процесса:

• VD (Vacuum Degassing) — вакуумная дегазация металла
• VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) — вакуумно-кислородное обезуглероживание, при котором для удаления углерода из металла используют и продувку кислородом.

Порошковая проволока используется в металлургии при внепечной обработке чугуна и стали с целью улучшения свойств конечного продукта путем легирования, изменения химического состава стали, модифицирования, и удаления вредных примесей. Применение проволоки дает следующие преимущества по сравнению с использованием кускового материала.

• Сокращение удельных расходов ферросплавов
• Точное дозирование добавок
• Снижение эксплуатационных затрат
• Увеличение стабильности и надежности ведения процесса
• Снижение выброса пыли
• Улучшение условий труда

Компания ООО «Интех ГмбХ» предлагает широкий ассортимент порошковой и устройств для ее введения в расплав стали.

1-оболочка, 2-наполнитель, 3-замок, 4-компенсатор

Предлагается проволока: Ø10 мм, Ø 13 мм, Ø 15 мм.

В качестве компонентов наполнителя проволоки используют материалы, указанные в таблице 1. По согласованию с заказчиком компания ООО «Интех ГмбХ» может предложить иные составы наполнителя.

Плотность заполнения и другие параметры согласовываются с заказчиком и могут быть изменены по его желанию.

Возможные размеры бунтов проволоки:

• внутренний диаметр, мм – 600–800
• наружный диаметр, мм – 950–1400
• высота (ширина), мм – 600–800
• длина проволоки в бухте, м – до 6000

Масса бунта в зависимости от диаметра проволоки и компонентов наполнителя находится в пределах (500–2500) кг. По согласованию с потребителем допускается изготовление бунтов проволоки с другими параметрами.

Порошковая проволока вводится в жидкий расплав через систему с помощью специальных устройств – трайб-аппаратов. Компания ООО «Интех ГмбХ» предлагает два типа трайб-аппаратов – одно- и двухручевой