Автореферат: Разработка рационального режима плавки стального полупродукта в сверхмощных дуговых электропечах

Оценку качества вспенивания шлака на серийных и опытных плавках проводили визуально и по уровню шума, а также методом анализа параметров электрического режима плавки. Специально созданный измерительно-вычислительный комплекс позволял снимать сигналы токов и напряжений фаз с низкой стороны трансформатора, представлять полученные данные в виде осциллограмм и вольт-амперных характеристик (ВАХ) токов и напряжений, амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фазных напряжений. Обработка полученных таким образом данных по электрическому режиму плавок при «плохом» и «хорошем» вспенивании позволила разработать новый способ оценки качества вспенивания шлака.

Электрическая схема замещения рабочего пространства ДСП с горящими под шлаком дугами аналогична схеме замещения ферросплавных печей, осуществляющих шлаковый процесс выплавки ферросплавов (рис.4а). Соответственно, динамические ВАХ полезной нагрузки в обоих случаях интерпретируются одинаково (рис.4б):

, ( 1 )

, ( 2 )

где, - сопротивление, шунтирующее дугу, и - сопротивления короткой сети и расплава, на который горит дуга.

Рисунок 4 - Схема замещения рабочего пространства ДСП, работающих с горящими под шлаком дугами, и ферросплавных печей, осуществляющих шлаковый процесс выплавки ферросплавов (а); идеализированная ВАХ полезной нагрузки (б): - сопротивление дуги; - сопротивление, шунтирующее дугу; - полное сопротивление короткой сети и расплава, на который горит дуга ; - сопротивление (активное) короткой сети и расплава; - реактивное сопротивление короткой сети

Расчёт нагрузки по значениям и позволяет определять глубину «посадки» электрода в шихту ферросплавных печей - чем меньше значение , тем глубже «посадка» электрода в шунтирующее дугу сопротивление (шихту). Данная зависимость используется в разработанных ИМет УрО РАН методах оперативного регулирования технологических режимов выплавки ферросплавов. В случае ДСП, работающих со вспениванием шлака, аналогичные вариации отражают степень заглубления электрода в шлак и поэтому являются индикатором степени экранирования дуг, т.е. качества вспенивания шлака.

Установлено, что в режиме «плохого вспенивания» всегда, по крайней мере, для одной из фаз, больше 30 мОм. Для остальных фаз значения могут изменяться от 12 до 30 мОм. На осциллограммах вторичных токов и напряжений фаз, которые имеют значение больше 30 мОм, обнаруживаются пики зажигания и участки негладкости функции тока, соответствующие разрывам производной тока и напоминающие его паузы (рис.5а и 5б).

а

б

в

г

Рисунок 5 - Осциллограммы и динамические ВАХ токов и напряжений низкой стороны трансформатора при «плохом» (а, б) и «хорошем» (в, г) вспенивании шлака

Наличие таких участков свидетельствует о нестабильном тепловом состоянии разрядного промежутка, которое вызывается повышенными потерями энергии дуг на излучение в рабочее пространство печи из-за недостаточного экранирования шлаком. Кроме того, пики зажигания и участки негладкости функции тока свидетельствуют о практически полной ликвидации контакта «электрод-шлак» (шунтирования дуг шлаком). Для фаз с наименьшим погружением электродов в шлак также характерен рост амплитуд высших гармоник фазного напряжения, в т.ч. 7-й и 9-й, рост которых в настоящее время принято связывать с ухудшением теплоизоляции дуги и качества вспенивания шлака (рис.6, табл.2).

Рисунок 6 - Амплитуды Uk гармонических составляющих фазного напряжения:

- «плохое» вспенивание (рис.5а и 5б)

- «хорошее» вспенивание (рис.5в и 5г)

Таблица 2 - Отношение амплитуд высших гармоник фазного напряжения (U1…U9) к действующему фазному напряжению (Uд) для случаев «плохого» и «хорошего» вспенивания (рис. 5 и 6), %

Напротив, при «хорошем» вспенивании шлака, когда уровень шлака в печи выше, по фазам стабильны и близки друг к другу, составляя 13-17 мОм, что свидетельствует о стабильном погружении электродов всех фаз в шлак. Причём уровень такого погружения достаточен для теплоизоляции зоны разряда, поскольку на осциллограммах и ВАХ токов и напряжений не наблюдаются пики зажигания и участки негладкости функции тока (рис.5в и 5г).

АЧХ фазных напряжений «хорошего» вспенивания обнаруживают достаточно низкий и ровный уровень высших гармоник, в т.ч. 7-й и 9-й, по всем фазам, в сравнении с недостаточно теплоизолированными дугами при «плохом вспенивании» (рис.6, табл.2). Таким образом, при получении хотя бы для одной из фаз значения более 30 мОм следует принимать меры к заглублению электродов в шлак. Значения = 20-30 мОм также являются сигналом о необходимости улучшения экранирования дуг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сверхмощной ДСП-135 ОАО «Северский трубный завод» проведены измерения температур шлака и полупродукта в конце расплавления и по ходу окислительного периода. Подтверждено, что температура шлака превышает температуру полупродукта. Установлено, что температура шлака в зоне, расположенной над точкой традиционного замера температуры полупродукта, превышает температуру полупродукта в среднем на 70°С.

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. Для устранения рефосфорации достаточно повышать основность шлака на 0,25-0,5 ед. к концу плавки. Полезно также шлак охлаждать и раскислять до содержания (FeO) = 20-25 %.

Установлено, что для ДСП с температурой выпуска полупродукта 1670-1690°С формирование шлаков с основностью 2,7-2,8 ед. при снижении содержания (FeO) до 20-25 % обеспечивает поддержание достаточного уровня шлаковой пены до конца плавки. Рассредоточенная присадка извести с получением основности до 3,1 ед. позволяет хорошо вспенивать шлаки в конце плавки с содержанием (FeO) до 35 %.

Подтверждено, что формирование более основных и менее железистых шлаков способствует снижению износа огнеупоров по механизму их растворения в шлаке. Установлено, что приём гетерогенизации шлаков за счёт насыщения известью дополнительно улучшает экранирование футеровки ДСП от излучения дуг вследствие улучшения вспенивания. Таким образом, показано, в т.ч. промышленными испытаниями, что данный приём является перспективным способом совершенствования электроплавки, позволяющим комплексно улучшить вспениваемость и рафинирующие свойства шлаков, снизить их агрессивность к футеровке.

С целью исследования влияния технологии вспенивания шлака на параметры электрического режима ДСП-135 была создана и использована специальная измерительно-вычислительная система. На основе комплексного анализа осциллограмм и ВАХ токов и напряжений низкой стороны трансформатора, а также АЧХ фазных напряжений режимов «плохого» и «хорошего» вспенивания выявлены характерные признаки ухудшения экранирования дуг шлаком. Установлено, что признаками «плохого» вспенивания являются: высокое значение (? 30 мОм) шунтирующего дугу сопротивления, наличие пиков зажигания и участков негладкости функции тока. Подтверждено, что признаком «плохого» вспенивания также является рост амплитуд высших гармоник фазного напряжения.

Разработан новый метод оперативного контроля качества вспенивания шлака для ДСП переменного тока по параметрам электрического режима, а именно, посредством оценки величины шунтирующего дугу сопротивления.

Разработаны и испытаны технологические приёмы реализации рационального режима плавки полупродукта в сверхмощной ДСП-135 ОАО «Северский трубный завод», позволившие улучшить основные технико-экономические показатели работы ДСП-135, что подтверждено Актом испытаний и Расчётом экономического эффекта. Ожидаемый экономический эффект составляет 10,34 млн. руб. в год.

По результатам исследования подготовлена заявка и получен приоритет ФИПС на патент № 2008148432 от 08.12.2008 «Способ получения стали в дуговой электросталеплавильной печи».

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1. Сивцов А.В. О перспективных направлениях развития автоматизированных систем управления технологическими режимами выплавки стали в электродуговых печах /А.В. Сивцов, О.Ю. Шешуков, М.М.Цымбалист, И.В. Некрасов, В.Н. Бондаренко //Сталь, 2009. № 10. С. 30-33.

2. Некрасов И.В. Перспективы дальнейшего повышения технико-экономической эффективности производства стали в сверхмощных электродуговых печах /И.В. Некрасов, В.С. Гуляков, О.Ю. Шешуков //Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: Материалы 9-й Всерос. науч.-практ. конференции студентов, аспирантов и специалистов. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. С. 16-18.

3. Некрасов И.В. Влияние способов интенсификации электроплавки на стойкость футеровки ДСП /И.В. Некрасов, О.Ю. Шешуков, В.С. Гуляков //Проблемы чёрной металлургии и материаловедения, 2008. № 4. С. 82-85.

4. Некрасов И.В. Прогнозирование вязкости гетерогенных шлаков по ходу плавки //Материалы V Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов. 11-13 ноября 2008 г. Под ред. академика РАН Ю.В. Цветкова и др. Перспективные материалы. Специальный выпуск (5), ноябрь 2008 г. С. 217-220.

5. Некрасов И.В. Прогнозирование вязкости гетерогенных шлаков /И.В. Некрасов, В.Н. Невидимов, О.Ю. Шешуков //Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов: Тр. XII Российской конференции. Т1. Моделирование и расчёт структуры и свойств неупорядоченных систем в конденсированном состоянии - Екатеринбург: УрО РАН, 2008. С. 123-126.

6. Сысолин А.В. Влияние химического состава шлака на электрический режим плавки стали в дуговой печи переменного тока /А.В. Сысолин, И.В. Некрасов, О.Ю. Шешуков, В.Т. Луценко, В.С. Гуляков //Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов: Тр. XII Российской конференции. Т3. Экспериментальное изучение шлаковых расплавов; взаимодействие металл - шлак - Екатеринбург: УрО РАН, 2008. С. 98-101.

7. Шешуков О.Ю. Применение автоматизированной системы контроля и управления (АСКиУ) технологией выплавки стали /О.Ю. Шешуков, А.В. Сивцов, С.В. Житов, К.В. Тихонов, В.Т. Луценко, В.Н. Бондаренко, А.В. Сысолин, И.В. Некрасов //Тр. Десятого конгресса сталеплавильщиков - М.: ОАО «Черметинформация», 2009. С. 377-380.

8. Некрасов И.В. Перспективные направления совершенствования плавки и доводки стали в электродуговых печах переменного тока и агрегатах «ковш-печь» /И.В. Некрасов, А.В. Сысолин, О.Ю. Шешуков, В.Т. Луценко, В.Н. Бондаренко, В.С. Гуляков //Тр. Десятого конгресса сталеплавильщиков - М.: ОАО «Черметинформация», 2009. С. 256-260.

9. Сысолин А.В. Управление электрическим и технологическим режимами плавки по анализу постоянной составляющей напряжения дуги (ПСНД) /А.В. Сысолин, О.Ю. Шешуков, И.В. Некрасов, В.Т. Луценко, В.Н. Бондаренко, В.С. Гуляков //Тр. Десятого конгресса сталеплавильщиков - М.: ОАО «Черметинформация», 2009. С. 346-353.

10. Некрасов И.В. Автоматический контроль состава шлака при обработке стали на агрегатах ковш-печь по параметрам электрического режима /И.В. Некрасов, О.Ю. Шешуков, А.В. Сысолин, В.Т. Луценко, В.Н. Бондаренко //Известия вузов. Чёрная металлургия, 2009. № 10. С.18-21.

11. Решение ФИПС о приоритете на патент по заявке № 2008148432 от 08.12.2008. Способ получения стали в дуговой электросталеплавильной печи /О.Ю. Шешуков, И.В. Некрасов, В.С. Гуляков, А.В. Сысолин.