Принципиальная схема процесса VDF/VODF

Перспективы промышленного применения оборудования и технологии ковшового вакуумного рафинирования увеличенной производительности


 

В данной статье рассмотрен процесс ковшового вакуумного рафинирования VDF/VODF, который основан на принципе локализации объема дегазируемого металла путем установки реакционной камеры с разделением пространства вакуумной камеры на две зоны с различной степенью разрежения. Это позволяет исключить перелив металла через борт ковша и увеличить массу выкуумированной плавки.

  • Дополнительная информация


    • Авторы:
    • Авторы:

Разработан проект создания агрегата VDF/VODF путем модернизации вакууматора, эксплуатируемого в конвертерном цехе ЧерМК ОАО «Северсталь».

В настоящее время вакуумная обработка является важной и неотъемлемой операцией сталеплавильного производства. Широкое использование вакуумной обработки вызвано непрерывным повышением требований к качеству и свойствам металла, а также расширением марочного сортамента. Все это способствует быстрому распространению промышленных вакууматоров и постоянному совершенствованию их технических характеристик.

В период с 1990 по 2000 г. в мире были введены в эксплуатацию около 120 агрегатов вакуумирования стали, из которых около 65 % являются ковшовыми [1]. Среди вновь строящихся агрегатов эта тенденция сохраняется: начиная с 2000 г. введено или намечается ввести в эксплуатацию в ближайшие годы более 90 агрегатов для обработки плавок массой от 30 до 330 т по классической технологии VD/VOD. В соответствии с этой технологией ковш с обрабатываемым металлом непосредственно накрывают вакуум-плотной крышкой или (чаще всего) размещают в специальной вакуумной камере, накрываемой крышкой. Такие агрегаты в современной специальной литературе встречаются под названием «камерные». Однако ход протекания технологического процесса, достигаемые металлургические результаты, основные достоинства и возникающие проблемы не зависят от способа герметизации рабочего пространства и типа ковшового вакууматора. Оба варианта доказали свою эффективность и применимость на практике, при этом наибольшее распространение получили вакууматоры камерного типа. Применение вакуум-плотных крышек, устанавливаемых на фланец борта ковша, требует чистых от настылей шлака и металла посадочных поверхностей сопрягаемых фланцев, что трудно осуществить в производственных условиях.

Широкое распространение ковшовых вакууматоров объясняется их относительной простотой, хорошей встраиваемостью в существующие производственные линии, значительным спектром технологических возможностей, включающих дегазацию, удаление неметаллических включений, эффективное многокомпонентное легирование с высокой точностью достижения заданного химического состава и высокой степенью усвоения легирующих, глубокое обезуглероживание и десульфурацию стали [1-3]. Сущность процесса рафинирования заключается в вакуумировании и обработке синтетическим высокоосновным шлаком поверхностных слоев металла, непрерывно обновляемых при газодинамическом перемешивании ванны путем вдувания инертного газа (преимущественно, аргона) через донные фурмы. Создание вакуума над поверхностью расплава и одновременная продувка аргоном вызывают бурное вспенивание и подъем металла и шлака, интенсивность которого определяется скоростью набора вакуума, его глубиной, расходом аргона и степенью окисленности металла. Для недопущения чрезмерного подъема газошлакометаллической смеси и перелива ее через борт сталеразливочного ковша вынужденно снижают скорость набора вакуума и интенсивность продувки аргоном, а над расплавом предусматривают увеличенный запас свободного борта ковша. В результате многолетнего опыта эксплуатации ковшовых вакууматоров выработаны усредненные рекомендации по выбору запаса свободного борта для различных вариантов технологического процесса независимо от массы обрабатываемой плавки [1-5]. Так, для ковшового вакуумирования методом VD запас свободного борта составляет 0,8-1 м, для окислительного вакуумирования по методу VOD – 1-1,3 м.

По некоторым рекомендациям запас свободного борта в процессе VOD для камерных вакууматоров должен быть 1,5 м, а для вакууматоров с герметичной крышкой, опирающейся на ковш, – еще на 20 % выше [2]. Последнее объясняется, видимо, более тяжелыми последствиями возможного перелива металла через борт ковша по сравнению с вакууматорами камерного типа.

Увеличение высоты свободного борта может быть достигнуто за счет повышения общей высоты ковша или уменьшения массы металла в ковше. В первом случае нерационально увеличивается масса ковша и грузоподъемность литейного крана. Кроме того, верхняя кромка ковша, поднятого над разливочным стендом машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), как правило, определяет общую высоту здания, поэтому при строительстве новых цехов требуются существенные дополнительные капитальные затраты. При внедрении ковшового вакуумирования в существующих сталеплавильных цехах такая возможность практически отсутствует. В ряде случаев увеличение массы футеровки ковшей, которое является следствием внедрения внепечной обработки и применения более плотных высококачественных огнеупоров, полностью ликвидирует имеющиеся запасы грузоподъемности кранов.

Увеличить высоту свободного борта при сохранении общей высоты ковша и расстояния между цапфами можно с помощью ковшей овальной или ступенчатой цилиндрической формы [6]. Однако такие ковши сложно изготовить. Кроме того, для действующих производств замена существующего парка ковшей является весьма дорогостоящим мероприятием. В связи с этим единственным реальным путем обеспечения запаса свободного борта для ковшовых вакууматоров в существующих производствах остается вынужденное уменьшение массы металла в ковше, которое приводит к потере производительности вакууматора и всего сталеплавильного цеха, отрицательно сказывается на себестоимости и конкурентоспособности продукции.

Наиболее заметное снижение относительной производительности наблюдается при небольших массах обрабатываемых плавок. Так, если для ковшей емкостью 375 т при требуемой высоте свободного борта 1,2-1,3 м [4] уменьшение массы плавки составляет 12-15 %, то для ковшей емкостью около 80 т уменьшение массы плавки при соблюдении аналогичных требований к свободному борту увеличивается до 16-22 %. Между тем ковшовое вакуумирование наиболее широко применяется в производствах, имеющих сталеразливочные ковши емкостью до 150 т [1, 3].

Следует отметить, что любое увеличение высоты свободного борта не гарантирует исключения выбросов металла и шлака при увеличении скорости набора вакуума и при превышении номинальных значений расхода аргона. Соответственно, общее время вакуумирования, необходимое для достижения требуемых результатов, и продолжительность цикла обработки с учетом подготовительных операций при ковшовом вакуумировании превышают аналогичные показатели наиболее производительных циркуляционных вакууматоров. Так, сопоставление двух типов агрегатов, работающих в идентичных условиях электросталеплавильного цеха Белорусского металлургического завода, показало, что процесс полной обработки плавки в циркуляционном вакууматоре (включая необходимые манипуляции с ковшом) длится 30-40 мин, а обработки на установке VD– 50-70 мин [7]. По другим данным, среднее превышение времени вакуумной обработки действующих установок VD/ VOD по сравнению с RH/RH-OB составляет 5-8 мин [1]. Таким образом, с учетом тенденции роста числа МНЛЗ на отечественных металлургических предприятиях, объединения выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки в единые технологические процессы при увеличении количества серийно разливаемых плавок существует необходимость в повышении эффективности ковшового вакуумирования и прежде всего в устранении вынужденного недолива металла в ковш.

Еще одним недостатком ковшового вакуумирования является развитие рафинировочных процессов только в поверхностной активной зоне ковша, так как мощности естественного перемешивания недостаточно для подъема находящегося ниже металла. При вакуумном рафинировании очень важно обеспечить хорошее перемешивание ванны, поскольку оно улучшает кинетику процесса дегазации и улучшает взаимодействие металла со шлаком.

При обработке стали с интенсивным обезуглероживанием (процесс VOD) вследствие достижения высоких температур возникает перегрев края ковша и его последующая деформация, что приводит к преждевременному выходу ковша из строя. Даже без вдувания кислорода, температура металлоконструкций может увеличиться до 500 °С в зависимости от высоты верхнего края ковша и уровня металла в нем. Особенно актуальна эта проблема при производстве специальных и коррозионностойких сталей с длительным циклом вакуумной обработки. Решение этой задачи с помощью принудительного охлаждения края ковша является технически сложным.

Разработанный принципиально новый процесс VDF/VODF (VacuumDegassingFull/Vacuum-OxygenDecarburizationFull) [8] позволяет минимизировать указанные недостатки и существенно повысить эффективность ковшового вакуумного рафинирования.

Процесс VDF/VODF основан на принципе локализации объема дегазируемого металла, реализуемом установкой реакционной камеры с разделением пространства вакуумной камеры на две зоны с различной степенью разрежения. Это позволяет проводить дегазацию металла исключительно в объеме реакционной камеры (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема процесса VDF/VODF (а – ковшовый вакууматор

камерного типа; б – вакууматор с ковшом, накрываемым крышкой)

Данный процесс может быть применен как в вакууматорах камерного типа (рис. 1, а), так и в вакууматорах с ковшами, непосредственно накрываемыми крышками (рис. 1, б).

Опытно-промышленные испытания процесса и оборудования прошли в условиях конвертерного производства металлургического комбината ОАО «Северсталь» (рис. 2), где удалось увеличить массу вакуумируемой плавки с обычных 320-325 т до номинальных 375 т. Вакуумная обработка серии плавок увеличенной массы, в том числе с целью обезуглероживания и десульфурации, обеспечила получение требуемых металлургических результатов при сокращении времени обработки [9].

Рис. 2. Установка реакционной камеры на вакууматор во время промышленных испытаний

В процессе вакуумирования в результате подъема уровня газошлакометаллической эмульсии происходит образование гидравлического затвора, разделяющего полости вакуумной камеры на две зоны с различной степенью вакуума (зоны I и II). В результате поднимающаяся шлакометаллическая эмульсия, которая при обычной технологии ковшового вакуумирования VD/ VOD в случае обработки полного ковша неизбежно переливается через его борт, локализуется в дополнительном объеме камеры. При этом по периметру камеры идет интенсивная циркуляция металла по направлениям 1-2-3-4 (см. рис. 1), и рафинирование производится по всему объему, время обработки снижается.

При установке на вакууматор реакционной камеры подъем газошлакометаллической эмульсии происходит внутри нее. Перелив металла через борт исключается за счет эффекта гидравлического затвора, который гарантирует стабильное превышение уровня вакуума в зоне II по сравнению с зоной I в процессе дегазации. Из графика разности давлений в зонах I и II, полученного при проведении промышленных испытаний реакционной камеры, видно, что гидродинамические процессы, происходящие при вакуумировании, носят колебательный характер, что способствует интенсификации технологического процесса (рис. 3).

Рис. 3. Разность давлений в зонах I и II вакуумной камеры в процессе вакуумирования

Установка реакционной камеры меняет характер массопереноса жидкого металла в ковше, поэтому гидродинамика движения жидкого металла в объеме ковша требует анализа.

Общая картина массопереноса с применением реакционной камеры может быть рассмотрена на примере всплывающего пузырька газа. Известно, что на всплывающий в жидком металле пузырек газа действует выталкивающая сила, которая обусловлена различием плотностей жидкого металла и газа. Величину этой силы можно определить по формуле

F = Vρжg, (1)

где ρж – плотность жидкого металла, кг/м3; V– объем всплывающего пузыря, м3.

В процессе дегазации перепад температур в различных зонах верхних слоев может быть существенным. Понижение температуры металла приводит к росту поверхностного натяжения на поверхности пузыря, обращенной в сторону более холодного металла. Вследствие перепада температуры и роста поверхностного натяжения, возникает сила F1, смещающая пузырек. Используя основное уравнение механического равновесия для подвижных поверхностей раздела сред (уравнение Лапласа) [10], можно вычислить эту силу

(2)

где y– температурный коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м2×К (для жидкой стали 0,6); pR2 – площадь проекции полусферы по экваториальному сечению всплывающего пузыря, м2; ΔT/Δr– перепад температуры различных зон металла в верхних слоях (по радиусу зеркала металла), К/м.

Сила, смещающая всплывающие пузыри в верхних горизонтах (2), играет значительную роль в формировании траектории подъема пузырей.

Эффект смещения приводит к вытеснению всплывающих пузырей к периферии ковша. Это явление особенно заметно в верхних горизонтах ковша, так как радиус пузырей в верхних слоях ванны растет, а сила смещения пропорциональна квадрату радиуса пузыря. Поэтому можно предположить, что потоки всплывающих пузырей вне зависимости от количества и расположения пробок для подачи аргона, будут образовывать своего рода воронку, края которой оттесняются к бортам ковша. Распределение потоков всплывающих пузырей для случая продувки аргоном через две донные пробки показано на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема массообмена при локализации рабочего объема

Процесс перемещения газошлакометаллической эмульсии от борта ковша в реакционную камеру можно рассматривать по аналогии с гидравлическим «прыжком» в гидротехнических сооружениях.

Столб газошлакометаллической пены в зазоре между бортом ковша и наружной поверхностью удерживается перепадом давления между периферийной зоной и зоной локализации. Перепад давления, в свою очередь, вызывает истечение потока вспененного металла из-под среза реакционной камеры в область пониженного давления (из периферийной зоны в зону локализации).

Поступившая в зону локализации газошлакометаллическая фракция выходит из-под нижнего среза реакционной камеры с высокой скоростью, образуя валец. В вальце происходит вращательное движение и, поскольку жидкость насыщена газовыми пузырьками, в зоне раздела сред идет активное разрушение пузырей. Протекание этого процесса сопровождается растягиванием пленок металла и непрерывным обновлением поверхности раздела сред за счет перемещаемой с периферии газошлакометаллической пены.

При разрушении пузырей газ удаляется из объема реакционной камеры вакуумным насосом, а охлажденный дегазированный поток металла погружается в нижние горизонты ванны.

Таким образом, очевидно, что реакционная камера в ковше формирует потоки дегазированного и газонасыщенного металлов, упорядочивая их движение.

При рассмотрении процесса дегазации металла на поверхности раздела сред по модели Маклина-Крауса [11] скорость переноса примесей из расплава в газовую фазу описывается уравнением

(3)

где C и Cп – концентрации примеси в объеме металла и на поверхности раздела фаз; D – коэффициент диффузии примеси в металле, м2/с; r – радиус зеркала металла, м; ϑ – скорость движения металла на поверхности раздела сред, м/с; S – поверхность газ-металл, м2; V — объем металла, м3.

Согласно уравнению Маклина-Крауса, при прочих равных условиях скорость удаления примеси из расплава пропорциональна скорости переноса жидкости через зазор в степени 1/2. Используя уравнения движения вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса) и уравнение неразрывности, можно получить зависимость скорости движения жидкости через зазор между цилиндрами, где жидкость-металл, а цилиндры – стенки ковша и реакционной камеры (рис. 5):

(4)

где a – радиус наружного цилиндра (ковша), м; b – радиус внутреннего цилиндра (реакционной камеры), м; μ – динамическая вязкость жидкости (газометаллической пены при 1700°С), Па×с; l – высота подъема металла в зоне вне локализации, м; Δp — перепад давлений между зонами I и II, Па.

Рис. 5. Модернизированная часть установки ковшового вакуумирования камерного типа, установленной в конвертерном цехе ОАО «Северсталь» (ковш емкостью 375 т)

Все вышеизложенное позволяет заключить, что процесс дегазации с использованием локализации объема существенно отличается от процесса VD и становится подобным циркуляционному процессу вакуумирования RH, где роль восходящей трубы выполняет поток аргона, подаваемого через пробки в дне ковша (при этом пузыри аргона оттесняются к периферии ковша силой F1), а роль нисходящей трубы выполняет поток опускающегося металла в середине локализованного объема, сформированный вращающимся вальцом тороидальной формы.

Установка реакционной камеры не требует изменения энергетических характеристик вакуумных насосов, поскольку при упорядоченном движении жидкого металла посредством гидравлического «прыжка», вся кинетическая энергия перемещаемого металла за счет разницы давлений в зонах идет на увеличение интенсивности дегазации, а следовательно, на увеличение эффективности процесса рафинирования и уменьшение времени вакуумной обработки.

Таким образом, применение технологии, основанной на принципе локализации объема дегазируемого металла, позволяет проводить вакуумную обработку полных плавок за меньшее время. В сочетании с гарантированной возможностью обработки полных плавок производительность агрегата VDF/VODF увеличивается в среднем на 15-20 % по сравнению с традиционным агрегатом VD/VOD и приближается к производительности агрегатов RH/ RH-OB при более широких (проведение десульфурации) технологических возможностях и существенно меньших капитальных и эксплуатационных затратах. Дополнительная циркуляция расплава между зонами подтверждается практически полным отсутствием настылей на патрубке реакционной камеры [8]. Перегрев верхнего пояса ковша в случае продувки кислородом при обезуглероживании в процессе VODF существенно уменьшается за счет экранирования высокотемпературной зоны стенками реакционной камеры и циркулирующим расплавом.

Расчеты, представленные в работе [13], показывают, что относительные экономические потери в результате недолива жидкой стали в ковш для последующей вакуумной обработки по традиционной технологии VD/VOD составляют около 10-12 % объема заказа на вакуумированную сталь. При производстве более дорогих марок сталей, например коррозионностойких, относительные финансовые потери будут еще выше.

На основе результатов проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработан проект создания промышленного агрегата VDF/VODF путем модернизации вакууматора, эксплуатируемого в конвертерном цехе ОАО «Северсталь» (см. рис. 5).

Модернизация существующих установок ковшового вакуумирования независимо от типа с переводом их на технологию VDF/VODF достаточно проста, не требует существенных материальных и временных затрат и позволяет значительно повысить экономическую эффективность производства. Выполнение монтажных и пусконаладочных работ по модернизации возможно во время плановых ремонтов без длительных остановок действующих агрегатов. Срок окупаемости затрат на модернизацию не превышает одного года.

Анализ экономической эффективности от внедрения технологии и оборудования VDF/VODF, в частности при модернизации уже действующих установок VD/VOD, показывает [12, 13], что экономия складывается за счет снижения удельных эксплуатационных затрат на вакуумирование стали и увеличения ее производства при том же числе плавок. Для агрегата годовой производительностью около 1 млн. т (ковш емкостью 90-130 т) снижение затрат на вакуумирование составит примерно 32 млн.руб., а возможная прибыль от увеличения производства вакуумированного металла превысит 2 млрд.руб.

В зависимости от потребностей рынка дополнительные мощности сталеплавильного агрегата, высвободившиеся за счет сокращения числа плавок, необходимых для выполнения годовой программы по выплавке вакуумированной стали, могут быть использованы для производства невакуумированного металла. В этом случае экономический эффект будет несколько ниже в зависимости от стоимости невакуумированной стали и общего объема вакуумированного и невакуумированного металла.

Кризисные явления в мировой экономике, бурный рост металлургической промышленности Китая и проблемы, испытываемые основными мировыми металлургическими концернами, не позволяют рассчитывать на увеличение объема продаж металла стандартного качества.

Таким образом, предпосылки для заметного расширения металлургического производства в мире, особенно для ввода новых производственных мощностей, отсутствуют. Вместе с тем возможные проблемы со сбытом продукции потребуют освоения новых сложных и ответственных марок стали, существенного улучшения качества продукции и снижения производственных затрат, чему может способствовать реализация описанной в данной статье технологии вакуумирования.

Многие металлургические заводы, имеющие большое число ковшовых вакууматоров, в том числе устаревших, испытывают потребность в модернизации этого оборудования. Возможность быстрого, экономичного и эффективного усовершенствования существующих ковшовых вакууматоров на основе процесса и оборудования VDF/VODF имеет хорошие перспективы.

  • Лукьянов А.В.,
  • Протасов А.В.,
  • Сивак Б.А.,
  • Щеголев Н.А.

В данной статье рассмотрен процесс ковшового вакуумного рафинирования VDF/VODF, который основан на принципе локализации объема дегазируемого металла путем установки реакционной камеры с разделением пространства вакуумной камеры на две зоны с различной степенью разрежения. Это позволяет исключить перелив металла через борт ковша и увеличить массу выкуумированной плавки. Разработан проект создания агрегата VDF/VODF путем модернизации вакууматора, эксплуатируемого в конвертерном цехе ЧерМК ОАО «Северсталь».

  • сталь,
  • ковшовое вакумирование,
  • рафинирование,
  • давление,
  • реакционная камера,
  • газошлакометаллическая эмульсия,
  • аргон.
  1. Джавани Ч. Оборудование и металлургические аспекты процесса вакуумирования стали. Techint Technologies // Melt Shops. – 2003. – № 9. – 66 с.
  2. Мetals handbook, v. 15. Casting. ©1998 ASM International. Fours printing, 1998. – 2002 с.
  3. Соколов Г.А. Внепечное рафинирование стали. – М.: Металлургия, 1976. – 206 с.
  4. Ефимов С.В., Зинченко С.Д., Филатов М.В. и др. Освоение производства стали IF с использованием ковшового вакууматора VD-OB // Сталь. 2004. № 7. – С. 18-20.
  5. Протасов А.В., Майоров А.И., Комолов И.В. Рациональный выбор оборудования для внепечной обработки стали в современном сталеплавильном цехе // Неделя металлов в Москве. 14-18 ноября 2005 г. Сб. тр. конф. – М., 2005. С. 125-133.
  6. Пат. 2213644 РФ. Ковш для внепечной обработки жидкой стали / Протасов А.В.; опубл. 10.10.2003, Бюлл. № 28.
  7. Пивцаев В.В., Эндерс В.В., Гуляев М.П. Сравнительная эффективность дегазации стали при вакуумировании на установках RH и VD // Сталь. 2002. № 10. – С. 24-26.
  8. Пат. 2324744 РФ. Способ вакуумного рафинирования стали в ковше, устройство (варианты) и патрубок для его осуществления / Лукьянов А.В., Щеголев А.П., Сорокин А.М. и др.; опубл. 20.05.08, Бюлл. № 14.
  9. Лукьянов А.В., Щеголев А.П., Сорокин А.М. и др. Усовершенствованный процесс ковшового вакуумирования стали // Сталь. 2008. № 9. – С.15-19.
  10. Арсеньев П.П., Яковлев В.В., Крашенинников М.Г. и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. – М.: Металлургия, 1998. – 509 с.
  11. Шалимов А.Г., Готин В.Н., Тулин Н.А. Интенсификация процессов специальной электрометаллургии. – М.: Металлургия, 1988. – 335 с.
  12. Щеголев Н.А., Лукьянов А.В. Особенности и преимущества ковшового вакуумирования стали по технологии VDF/VODF // Металлург. 2009. № 1. – С. 50-52.
  13. Щеголев Н. А., Лукьянов А.В. Экономические аспекты вакуумной обработки стали по технологии VDF/VODF // Металлург. 2009. №7. – С. 44-46.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

MetalSpace

Опубликовано MetalSpace

Адрес электронной почты: info@metalspace.ru
Предлагаем сотрудничество
  • Опубликуй свои произведения в электронной форме.
  • Размести научную статью или пресс-релизы на страницах нашего портала.

Оставь комментарий