Для обеспечения возможности производства особонизкоуглеродистой стали (< 0,006 % С) на установке циркуляционного вакуумирования стационарно установили в колпаке вакуум-камеры фурму конструкции фирмы "Эталон" для подачи кислорода (расход — от 200 до 2000 м /ч). Это позволило обрабатывать сталь с повышенным содержанием углерода и вести нагрев вакуум-камеры в межплавочный период, отказавшись от электронагрева. Кроме этого, увеличили число аргонных фурм во всасывающем патрубке вакууматора с 6 до 12 и применили щелевые сопла шириной 3 мм, что позволило превысить расход аргона, улучшить циркуляцию и обеспечить стабильную работу в течение всей кампании вакууматора. Процесс вакуумирования контролируется по составу отходящих газов с помощью газоанализатора. Вакуумная обработка стали 08Ю позволила довести выход холоднокатаного листа группы вытяжки ОСВ до 98 %.
Предусмотрена продувка металла в ковше аргоном через специальные донные дутьевые устройства.
Заключительным этапом реконструкции сталеплавильного производства явилось строительство электросталеплавильного комплекса, замещающего мартеновский цех с тремя 280-т печами, двумя двухванными агрегатами и четырьмя площадками для разливки стали в изложницы, годовой производительностью около 2,5 млн т стали.
В 2004 г. вначале была исключена из технологической цепочки производства стали разливка в изложницы, замененная двумя современными сортовыми МНЛЗ, изготовленными фирмой "ФАИ". Для подготовки стали к разливке построен агрегат ковш-печь. В 2006 г. были введены в эксплуатацию две крупнейшие в России электропечи суммарной годовой производительностью 4 млн т стали, второй агрегат ковш-печь и новая слябовая МНЛЗ с вертикальным участком. Обновление агрегатов доводки для обеспечения подготовки стали к разливке, отвечающих современным требованиям, закончено в 2008 г., когда в ЭСПЦ ввели в эксплуатацию третий АКП.
Технология производства литой заготовки в ЭСПЦ включает передовые технологии выплавки стали, внепечной обработки и непрерывной разливки. Основные элементы технологии выплавки в ДСП:
- работа с загрузкой шихты на жидкий остаток от предыдущей плавки (5—15 %);
- возможность подачи в печь сыпучих материалов (извести, кокса, плавикового шпата) через отверстие в своде печи без отключения электроэнергии;
- работа электрических дуг со вспененным шлаком, который наводят путем вдувания порошковых углеродсодержащих материалов (как известно, вспененный шлак закрывает дуги, защищая стеновые панели от теплового излучения и улучшая усвоение энергии дуг ванной);
- выпуск металла из печи без шлака с помощью эркерного устройства;
- нагрев лома в период плавления комбинированными топливно-кислородными горелками;
- донная продувка ванны через продувочные пористые блоки;
- возможность работы печи как без жидкого чугуна (100% лома), так и с жидким чугуном (до 40 %).
Значительные потери тепла с охлаждающей водой, пропорциональные длительности плавки, диктуют необходимость вести плавку в сверхмощных ДСП с минимальной выдержкой в печи после расплавливания. Соответственно технология плавки предусматривает вынесение операции рафинирования, раскисления и доведение металла по химическому составу до заданного из печи в АКП.
В настоящее время ОАО ММК имеет мощности по производству 14 млн т стали, получаемой в конвертерах и ДСП с последующей обработкой в АКП и разливкой на МНЛЗ.
Учитывая требования времени по освоению и производству уникальных высококачественных видов продукции, ОАО ММК заключило контракт на строительство современной новой МНЛЗ фирмы SМS для отливки слябов толщиной 190, 250 и 300 мм и шириной 1400—2700 мм. Эта МНЛЗ будет оснащена современными системами автоматики и механизмами, позволяющими получить непрерывнолитой сляб трубной стали Х80-Х120 для толстолистового стана 5000. В дальнейшем в конвертерном цехе планируют строительство четвертого конвертера, что позволит увеличить к 2013 г. объем производства стали до 16 млн т — 4 млн т в электросталеплавильном и 12 в конвертерном цехах.
1. Основы технологии выплавки стали в электродуговых печах
1.1 Состояние и история развития выплавки стали в дуговых электропечах
Электрометаллургия занимает второе место по объему мирового производства стали. Эта отрасль техники включает в себя совокупность агрегатов и технологий по производству металлов и сплавов, использующих различные способы преобразования электрической энергии в тепловую. При этом окружающая среда (газовая фаза) либо вообще не принимает участие в выделении тепла (как при индукционном нагреве), либо ее свойства практически не влияют на этот процесс (как при дуговом или плазменном нагреве).[1]
При выплавке стали в электрических печах появляются дополнительные возможности для воздействия на физико-химические и тепловые процессы. В рабочем пространстве агрегата можно создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу, подвергать металл воздействию вакуума или высокого давления. Количество тепловой энергии и место ее подачи относительно просто можно менять и использовать в соответствии с возникающими потребностями. В принципе электрическая печь наилучшим образом может быть использована для решения всей совокупности задач при производстве жидкой стали из металлошихты различного состава и свойств.
В настоящее время основная масса электростали выплавляется в дуговых печах. Разрез ЭСПЦ по электродуговой сталеплавильной печи представлен на (рис. 1.1). В этих печах выделение тепла происходит за счет экзотермических электрофизических процессов дугового разряда. В трехфазных дуговых сталеплавильных печах (ДСП), работающих на переменном токе промышленной частоты, электрические дуги горят между тремя вертикально расположенными графитированными электродами и расплавляемой металлошихтой или жидким металлом, выполняющими роль нулевой точки электрического соединения трех дуг в «звезду». В дуговых сталеплавильных печах постоянного тока (ДСППТ) электрическая дуга горит между одним графитированным электродом-катодом и металлом, являющимся анодом. Тепловая мощность дугового разряда может изменяться в широких пределах за счет изменения силы тока, напряжения и длины дуги. Температура дуги превышает 3000 °С.
Первые ДСП малой вместимости (0,5... 1,5 т), появившиеся в начале XX в., имели цилиндрический кожух с футеровкой, загружались через рабочее окно вручную или мульдами загрузочным краном, работали по двухшлаковой технологии с применением в качестве окислителя железной руды. Такие ДСП первого поколения характеризовались большой длительностью плавки, малой производительностью и удельной мощностью источника питания 0,2...0,25 МВ·А/т.
В 20 - 40-е годы XX в. было построено большое число печей на машиностроительных и металлургических заводах. Вместимость печей постепенно увеличилась до 30...50 т. В этих печах было сосредоточено основное производство быстрорежущих, инструментальных, нержавеющих, трансформаторных, жаропрочных, подшипниковых и других высоколегированных и высококачественных сталей. В это время сформировались основные принципы ведения плавки в ДСП, позволяющие в самой печи получать сталь необходимого качества. В печах сравнительно небольшого объема можно было проводить восстановительный период, когда металл выдерживают под раскисленным шлаком и созданной восстановительной или нейтральной газовой фазой в рабочем пространстве печи. Однако расход электроэнергии и продолжительность плавки в этих печах оставался высоким:
Вместимость печи, Расход энергии, Продолжительность плавки,
Т кВт·ч/т стали ч
10 725 5,5
30 600 6,3
Механизированная загрузка металлошихты через верх печи, применение газообразного кислорода в окислительный период, совершенствование технологии рафинирования металла позволили на ДСП второго поколения повысить мощность электропечных трансформаторов до уровня 0,32...0,45 МВ·А/т. Увеличение тепловой мощности этих печей потребовало изменения профиля рабочего пространства. Кожух печей стал конически-цилиндрическим с соответствующим сложным профилем огнеупорной футеровки.
Широкое развитие в металлургии стали внепечной обработки металла позволило перейти на одношлаковую технологию электроплавки. Одновременно увеличивается вместимость ДСП и повышается мощность трансформаторов до 0,5...0,75 МВ·А/т. Это позволяет резко сократить продолжительность плавки и уменьшить расход электроэнергии. Проблема низкой стойкости футеровки сделала необходимым оборудовать электропечь водоохлаждаемыми элементами стен и свода. Классический наклон печи при выпуске металла через желоб (40...45°) создает опасность контакта металла с водоохлаждаемыми элементами и создает трудности отделения окислительного шлака от металла.
В ДСП четвертого поколения вместимостью более 150 т с удельной мощностью трансформатора более 0,8 МВ·А/т применяют водоохлаждаемый цилиндрический кожух и плоский металлический водоохлаждаемый свод (за исключением центральной кирпичной секции для установки графитированных или водоохлаждаемых электродов), а также донный слив металла. При этом выпускное отверстие выносят за периметр корпуса в футеровку выступа ванны (эркерный выпуск металла). Современная ДСП предназначена только для расплавления шихты и выплавки полупродукта с заданной температурой, а доводка металла по составу, легирование и т. д. осуществляются вне печи методами внепечной обработки. При этом длительность плавки составляет менее 1 ч, а производительность - 1 млн. т в год и более.