Разработка методики расчета производительности и подбора оборудования ЭСПЦ с ДСП-10 для дуплекс-процесса выплавки стали

В современной металлургии, в условиях постоянно растущих требований к качеству стали и эффективности производства, выбор оптимальной технологии и оборудования становится ключевым фактором конкурентоспособности. Дуплекс-процесс, то есть двухстадийная выплавка металла, является одним из наиболее перспективных направлений, позволяющим значительно повысить производительность электросталеплавильных печей и улучшить металлургические показатели. Например, применение дуплекс-процесса «конвертер-ДСП» может сократить удельный расход электроэнергии в ДСП на 30-50% (до 150-250 кВт·ч/т) по сравнению с монопроцессом (400-500 кВт·ч/т). Эта статистика убедительно демонстрирует экономический потенциал данной технологии.

Настоящая курсовая работа посвящена разработке всеобъемлющей методики расчета производительности и подбора технологического оборудования для электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ), в центре которого находится дуговая сталеплавильная печь (ДСП) ДСП-10. Особое внимание будет уделено нюансам, возникающим при реализации дуплекс-процесса выплавки стали. Целью работы является не только представление теоретических основ, но и демонстрация практического применения инженерных расчетов, что делает ее незаменимым руководством для студентов технических вузов, изучающих металлургию, машиностроение и технологические машины. В работе будет последовательно рассмотрена технологическая схема, методики расчета основных параметров плавки и производительности, а также принципы выбора оборудования для каждого пролета цеха, включая отделения внепечной обработки и непрерывной разливки стали, завершаясь обзором требований к компоновке и безопасности.

Теоретические основы и технологические особенности дуплекс-процесса выплавки стали

Заглядывая в историю металлургии, можно увидеть, как стремление к повышению эффективности всегда вело к поиску новых, более совершенных технологий. Дуплекс-процесс, на первый взгляд усложняющий производство за счет добавления стадии, на самом деле является ярким примером инженерного решения, направленного на оптимизацию каждого этапа, позволяющего добиться существенных экономических и технологических преимуществ.

Определение и цели дуплекс-процесса

Дуплекс-процесс (от лат. «duplex» — двойной) представляет собой двухстадийный технологический процесс производства стали или чугуна, который осуществляется последовательно в двух различных металлургических агрегатах. Его сущность заключается в разделении функций: каждый агрегат выполняет ту часть процесса, для которой он наиболее эффективен. Например, предварительное расплавление шихты или грубое рафинирование могут быть выполнены в первом агрегате, а окончательная доводка состава и температуры — во втором.

Основная цель дуплекс-процесса — повышение эффективности использования возможностей различных агрегатов. Это достигается за счет вынесения энергоемких или длительных операций, таких как расплавление шихты или интенсивное рафинирование металла, из более дорогостоящих или менее производительных установок (например, электропечей) в агрегаты, оптимизированные для этих задач. Типичные комбинации включают:

• Конвертер – дуговая печь: Конвертер осуществляет быструю плавку и окисление примесей, а ДСП доводит сталь до требуемого химического состава и температуры. Этот метод особенно эффективен для массового производства качественных сталей.
• Мартеновская печь – дуговая печь: Исторически распространенная схема, где мартеновская печь выполняла роль первичного плавильного агрегата, передавая полупродукт в ДСП.
• Вагранка – электропечь: Используется преимущественно для выплавки чугуна, где вагранка служит для расплавления шихты, а электропечь — для перегрева и доводки чугуна.

Разделение процесса позволяет значительно улучшить такие показатели, как качество металла (за счет более глубокой десульфурации и дефосфорации), экономия энергии и повышение общей производительности.

Технологические этапы выплавки стали дуплекс-процессом в ДСП-10

В контексте дуплекс-процесса, дуговая сталеплавильная печь (ДСП-10) играет роль агрегата для окончательного рафинирования, раскисления и доводки стали до заданных параметров. Основные этапы плавки в ДСП-10 остаются классическими, но их содержание и интенсивность значительно меняются:

1. Заправка печи: Этот подготовительный этап, длящийся обычно 10-15 минут, включает исправление изношенных участков футеровки пода и стен печи огнеупорным магнезитовым порошком. В дуплекс-процессе, где нагрузка на печь по рафинированию снижена, износ футеровки может быть менее интенсивным, но регулярный контроль и заправка критически важны для долговечности агрегата.
2. Загрузка шихты: В случае дуплекс-процесса шихта в ДСП-10 может представлять собой как предварительно расплавленный металл из первого агрегата (например, жидкий полупродукт из конвертера), так и небольшие добавки для корректировки состава. Загрузка происходит через верх печи с использованием мостового крана и завалочной бадьи.
3. Плавление: Если в ДСП поступает уже жидкий металл, период плавления сокращается или вовсе отсутствует. Если же требуется подплавка каких-либо добавок, то этот период также будет значительно короче, чем при монопроцессе.
4. Окислительный период: Этот этап направлен на окисление примесей, таких как фосфор (P), кремний (Si) и углерод (C). В условиях дуплекс-процесса, значительная часть этих примесей уже может быть удалена в первом агрегате. Однако в ДСП-10 осуществляется окончательная доводка.
   • Дефосфорация: Для эффективной дефосфорации необходимы следующие условия:
     • Высокий окислительный потенциал: достигается введением оксидов железа (10-20 кг/т) и интенсивной продувкой кислородом через фурмы со скоростью 10-20 нормальных кубических метров в минуту на тонну металла (Нм³/(т·мин)). Кислород снижает содержание углерода с 0,2-0,4% до 0,05-0,1% и фосфора до 0,02%.
     • Основной шлак: формируется за счет присадки извести (CaO) в количестве 20-40 кг/т стали, что обеспечивает основность шлака (отношение CaO/SiO₂) не ниже 2,5-3,0. Фосфор переходит в шлак в виде фосфатов кальция. Максимально раннее формирование жидкоподвижного шлака и его удаление в начальный период плавки способствуют эффективной дефосфорации.
5. Восстановительный период: Основная цель этого периода — удаление серы (десульфурация), раскисление стали и окончательная корректировка ее химического состава по легирующим элементам.
   • Десульфурация: Достигается применением раскислителей (алюминий, кремний) и формированием жидкоподвижного шлака с высокой основностью (более 3,0-3,5) с использованием извести и плавикового шпата. Целевое содержание серы может быть снижено до 0,005-0,010%.
   • Раскисление и легирование: После удаления основного количества кислорода и серы, в металл вводятся необходимые ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций, феррохром) для достижения заданного химического состава стали.
6. Выпуск стали: Подготовленная сталь выпускается из печи в сталеразливочный ковш. Этот этап обычно занимает 5-10 минут.

После выпуска из ДСП, сталь часто направляется на внепечную обработку, например, на установки типа «ковш-печь», где возможен дальнейший подогрев металла (до 4-6 °С в минуту, что позволяет повысить температуру на 30-50 °С) и окончательная доводка по легирующим элементам, что еще больше оптимизирует работу ДСП.

Преимущества и экономическая эффективность дуплекс-процесса

Применение дуплекс-процесса в электросталеплавильном производстве обеспечивает ряд значительных технологических и экономических преимуществ:

• Сокращение удельного расхода электроэнергии: За счет того, что основная часть расплавления шихты и грубого рафинирования осуществляется в первом агрегате (например, конвертере), нагрузка на ДСП по энергопотреблению существенно снижается. В ДСП удельный расход электроэнергии может быть сокращен на 30-50%, достигая 150-250 кВт·ч/т по сравнению с 400-500 кВт·ч/т при монопроцессе.
• Повышение производительности ДСП: Сокращение общего времени плавки в ДСП за счет уменьшения периодов расплавления и интенсивного рафинирования приводит к увеличению числа плавок в единицу времени. Производительность электропечи может вырасти на 20-40%. Это особенно актуально для выплавки коррозионно-стойких сталей, где дуплекс-процесс позволяет увеличить производительность на 15-30% и снизить содержание оксидов хрома в шлаке с 10-15% до 2-5%.
• Улучшение качества стали: Разделение процессов позволяет более эффективно удалять вредные примеси. Дуплекс-процесс обеспечивает удаление до 70-80% фосфора и до 90% серы на стадии конвертерной или мартеновской обработки, снижая нагрузку на ДСП. В ДСП достигается окончательное рафинирование до требуемых значений по углероду (менее 0,03%), фосфору (до 0,015%) и сере (до 0,005%).
• Гибкость производства: Возможность использования различных комбинаций агрегатов позволяет адаптировать процесс под широкий сортамент сталей и различные виды исходного сырья.
• Снижение потерь легирующих элементов: Благодаря предварительному рафинированию, в ДСП можно более точно контролировать ввод дорогостоящих ферросплавов, минимизируя их окисление и потери.

Таким образом, дуплекс-процесс является мощным инструментом для повышения эффективности и конкурентоспособности современного электросталеплавильного производства, позволяя получать высококачественную сталь с меньшими затратами ресурсов.

Методика расчета производственной программы и производительности электросталеплавильного цеха с ДСП-10

Расчет производственной программы и производительности — это краеугольный камень любого металлургического проекта. Для электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ), оснащенного ДСП-10 и работающего по дуплекс-процессу, эта задача требует не только знания базовых формул, но и глубокого понимания специфики технологии, которая позволяет сократить длительность плавки и повысить отдачу от оборудования.

Определение основных параметров производственной программы

Производственная программа электросталеплавильного цеха — это не просто перечень цифр, а стратегический план, определяющий, сколько и какой стали будет произведено за определенный период. Она формируется на основе нескольких ключевых факторов:

1. Сортамент выплавляемых сталей: Для ЭСПЦ с ДСП-10, работающего по дуплекс-процессу, это могут быть как низкоуглеродистые, так и легированные, высококачественные марки стали, требующие глубокого рафинирования. Каждый тип стали имеет свои технологические особенности, влияющие на длительность плавки и расход материалов.
2. Заданный объем продукции: Определяет общую годовую или месячную тоннажность, которую необходимо выпустить. Этот параметр является отправной точкой для всех дальнейших расчетов.
3. Выбранная технология производства: В данном случае — дуплекс-процесс, который значительно влияет на длительность каждого этапа плавки в ДСП и, следовательно, на общую производительность.

В высокоуровневых технологиях электроплавки, где внепечная обработка становится неотъемлемой частью процесса, вместо традиционного понятия «длительность плавки» часто используется термин «длительность цикла плавки». Этот термин более точно отражает весь комплекс операций, начиная от заправки печи и заканчивая выпуском готового металла, учитывая все технологические простои и интенсификационные мероприятия.

Расчет длительности цикла плавки для ДСП-10 в условиях дуплекс-процесса

Длительность цикла плавки (τ_цикл) в ДСП-10 является ключевым параметром, определяющим производительность. В условиях дуплекс-процесса, она рассчитывается как сумма длительности всех операционных периодов и простоев:

τцикл = τзап + τзав + τок + τвос + τвып + τпр

Где:

• τ_зап — длительность заправки печи, мин.
• τ_зав — длительность завалки шихты, мин.
• τ_ок — длительность окислительного периода, мин.
• τ_вос — длительность восстановительного периода, мин.
• τ_вып — длительность выпуска стали, мин.
• τ_пр — длительность технологических простоев (например, на ремонт футеровки, корректировку режима), мин.

Давайте рассмотрим детализированные значения для каждого периода, учитывая специфику дуплекс-процесса и возможности интенсификации:

Период плавки	Типичная длительность (монопроцесс, мин)	Длительность при дуплекс-процессе (мин)	Обоснование для дуплекс-процесса
τзап (заправка)	5-10	5-10	Зависит от состояния футеровки и интенсивности использования печи. В дуплексе может быть менее интенсивным, но все равно необходимым.
τзав (завалка)	15-25 (1-3 бадьи)	5-15	Сокращается за счет использования жидкого металла от первого агрегата или меньшего объема твердой шихты для доводки. При «жидком старте» может быть еще меньше.
τок (окислительный)	30-50	15-30	Значительно сокращается, так как основное окисление примесей (C, P, Si) происходит в первом агрегате. В ДСП — только доводка с интенсивной продувкой кислородом (10-20 Нм3/(т·мин)).
τвос (восстановительный)	20-40	15-30	Сокращается за счет частичного рафинирования в первом агрегате и эффективной внепечной обработки. В ДСП — окончательная десульфурация и легирование.
τвып (выпуск)	5-10	5-10	Стандартная длительность.
τпр (простои)	10-20	10-20	Включает непредвиденные остановки, технологические перерывы. Могут быть снижены за счет высокой степени автоматизации и отлаженной логистики.
Общая длительность плавки (монопроцесс)	90-150	60-115 (ориентировочно)	Значительное сокращение благодаря дуплекс-процессу.

Пример расчета длительности цикла плавки для ДСП-10 (дуплекс-процесс):
Предположим следующие значения для усредненной плавки:

• τ_зап = 8 мин
• τ_зав = 10 мин (с использованием жидкого полупродукта)
• τ_ок = 20 мин (интенсивная продувка кислородом)
• τ_вос = 25 мин (с внепечной обработкой)
• τ_вып = 7 мин
• τ_пр = 15 мин (технологические простои)

Тогда общая длительность цикла плавки τ_цикл = 8 + 10 + 20 + 25 + 7 + 15 = 85 минут.

Факторы, определяющие производительность ДСП-10, и методы их учета

Производительность дуговой сталеплавильной печи ДСП-10 — это многофакторная величина, которая зависит от инженерных решений, технологических приемов и уровня автоматизации. Для ее максимизации в условиях дуплекс-процесса необходимо учитывать следующее:

1. Удельная мощность трансформатора: Это один из самых значимых факторов. Если в 70-х годах XX века удельная мощность трансформаторов составляла 200-300 кВ·А/т, то современные ДСП, включая аналоги ДСП-10 (емкостью около 100 тонн), оснащаются трансформаторами с удельной мощностью до 800-1200 кВ·А/т. Такая мощность значительно сокращает время расплавления шихты и позволяет поддерживать высокую температуру ванны.
2. Использование газокислородных горелок: Внедрение газокислородных горелок позволяет подавать тепло непосредственно в металлическую ванну, сокращая время плавки на 10-25% и расход электроэнергии на 15-20%. Это особенно эффективно на этапе расплавления твердой шихты или при необходимости быстрого подогрева.
3. Кислород-углеродные манипуляторы для вспенивания шлака: Вспенивание шлака за счет продувки кислорода и введения углерода создает теплоизолирующий слой над ванной, улучшает теплообмен между дугой и металлом, защищает футеровку и способствует более эффективному удалению фосфора.
4. Предварительный подогрев шихтового скрапа: Если в ДСП загружается твердая шихта (даже в меньших количествах), ее предварительный подогрев отходящими газами до 500-700 °С может сократить расход электроэнергии на 30-60 кВт·ч/т и длительность плавки на 10-20 минут.
5. Внепечная обработка стали (АКОС): Перенос операций раскисления, десульфурации и корректировки химического состава на внепечные агрегаты (например, «ковш-печь») позволяет значительно сократить время пребывания металла в ДСП. Это напрямую повышает производительность ДСП, так как печь освобождается для следующей плавки быстрее.
6. «Жидкий старт»: Оставление 15-25% жидкого металла от предыдущей плавки в печи («жидкий старт») позволяет сократить время плавки на 10-15 минут, улучшает тепловой режим и ускоряет расплавление новой шихты.
7. Двухкорпусные печи: Для особо высокопроизводительных ЭСПЦ могут применяться двухкорпусные печи, где один корпус находится в работе, а второй — на подготовке или ремонте, что минимизирует простои.

Пример расчета производительност�� ДСП-10

Для расчета годовой производительности ДСП-10 необходимо знать длительность цикла плавки, массу одной плавки и коэффициент использования оборудования.

Исходные данные:

• Масса одной плавки (вместимость печи) G = 100 тонн (для ДСП-10).
• Длительность цикла плавки τ_цикл = 85 минут (из предыдущего примера).
• Фонд рабочего времени печи (количество часов работы в год) F_год = 7500 часов (с учетом плановых ремонтов и обслуживания).
• Коэффициент использования оборудования (учитывает неплановые простои и отклонения) η = 0,9.

Расчет:

1. Количество плавок в час (N_час):
   Nчас = 60 мин/час / τцикл = 60 / 85 ≈ 0,706 плавок/час
2. Количество плавок в год (N_год):
   Nгод = Nчас × Fгод × η = 0,706 × 7500 × 0,9 ≈ 4765 плавок/год
3. Годовая производительность печи (P_год):
   Pгод = Nгод × G = 4765 × 100 = 476 500 тонн/год

Таким образом, при работе по дуплекс-процессу и эффективном использовании методов интенсификации, ДСП-10 способна обеспечить значительную годовую производительность. Этот расчет демонстрирует, как комплексный подход к технологическим параметрам и инженерным решениям позволяет достичь высоких показателей в электросталеплавильном производстве.

Расчет и выбор технологического оборудования ЭСПЦ

Электросталеплавильный цех — это сложный производственный организм, каждый «орган» которого выполняет свою функцию, обеспечивая бесперебойность и эффективность всего процесса. Детальный подбор оборудования для каждого пролета — шихтового, печного и разливочного — является критически важным этапом проектирования.

Оборудование шихтового пролета

Шихтовый пролет является отправной точкой для всех металлургических процессов, своего рода «сердцем», откуда начинается формирование будущей стали. Его основное назначение — приемка, разгрузка, хранение и подготовка всех необходимых материалов для плавки, а также их своевременная подача в печной пролет.

Основные функции и оборудование:

1. Приемка и разгрузка лома:
   • Железнодорожный транспорт: Лом поступает в цех по железной дороге, либо в завалочных самозагружающихся бадьях, либо навалом в полувагонах.
   • Ямные бункеры: Для разгрузки навального лома используются специальные ямные бункеры, куда лом сгружается с помощью мостового крана.
   • Мостовые краны с магнитной плитой и грейфером: Это ключевое оборудование для погрузочно-разгрузочных работ. Мостовой кран, оснащенный мощной электромагнитной плитой, позволяет быстро перегружать стальной лом, а грейфер — другие сыпучие материалы или негабаритные куски. Количество и грузоподъемность кранов рассчитываются исходя из объемов грузопотоков и требуемой скорости разгрузки. Например, для ДСП-10 с производительностью около 500 тыс. т/год может потребоваться 2-3 таких крана грузоподъемностью 20-50 тонн.
2. Хранение материалов:
   • Открытые и закрытые склады: Лом, ферросплавы, шлакообразующие материалы (известь, плавиковый шпат) хранятся в специально отведенных зонах. Крупногабаритный лом — на открытых площадках, сыпучие материалы — в бункерах.
   • Специальные помещения для дорогих материалов: Гранулированный и порезанный никель, ферромолибден, ферротитан и другие дорогостоящие легирующие элементы хранятся в закрываемых, часто отапливаемых помещениях с контролируемым доступом для предотвращения потерь и обеспечения сохранности.
3. Подготовка и подача материалов:
   • Передаточные тележки со встроенными тензометрическими весами: Для точной дозировки шихты и ферросплавов используются передаточные тележки, оснащенные тензометрическими весами. Они позволяют загружать бадьи с шихтой или ковши с ферросплавами, контролируя массу каждого компонента.
   • Расходные бункеры: Для сыпучих материалов (известь, ферросплавы) используются расходные бункеры, расположенные непосредственно над загрузочными машинами.
   • Электровибрационные питатели, электровесовые тележки, бункерные весы и конвейеры: Эти устройства обеспечивают точную и автоматизированную выдачу материалов из расходных бункеров в загрузочные бадьи или непосредственно в печь. Например, для подачи извести могут использоваться ленточные конвейеры с весовыми дозаторами, обеспечивающими расход 20-40 кг/т стали.

Оборудование печного пролета

Печной пролет — это сердце ЭСПЦ, где происходит непосредственно процесс выплавки стали в ДСП-10. Здесь концентрируются самые энергоемкие и сложные операции.

Основные функции и оборудование:

1. Дуговая сталеплавильная печь ДСП-10: Это главный агрегат пролета. Выбор ее характеристик основан на требуемой производительности и сортаменте стали.
   • Мощность трансформатора: Для ДСП-10, работающей по дуплекс-процессу, необходим трансформатор с высокой удельной мощностью (до 800-1200 кВ·А/т), чтобы максимально сократить время плавления и доводки.
   • Системы загрузки шихты: Загрузка металлолома производится с помощью мостовых кранов и завалочных бадей через верх печи. Сыпучие материалы (шлакообразующие, мелкие ферросплавы) подаются по системам конвейеров, бункеров и дозаторов по труботечкам через свод печи, что позволяет точно контролировать их расход.
   • Электрододержатели и механизмы наращивания электродов: Обеспечивают подачу и смену графитированных электродов, которые являются источником электрической дуги.
   • Системы продувки кислородом и газокислородные горелки: Интегрированные в печь системы для интенсивной продувки кислородом (фурмы со скоростью подачи до 10-20 Нм³/(т·мин)) и газокислородные горелки, как упоминалось, служат для интенсификации процесса и сокращения времени плавки.
   • Механизмы наклона печи: Для выпуска стали и шлака.
2. Вспомогательное оборудование:
   • Заправочные машины: Используются для ремонта и заправки футеровки печи огнеупорными материалами.
   • Системы газоочистки: Обязательны для улавливания пыли и газов, образующихся в процессе плавки, обеспечивая соответствие экологическим нормам.
   • Стенды для ремонта свода и подины печей: Важные элементы инфраструктуры, позволяющие проводить оперативный и капитальный ремонт футеровки, минимизируя простои.
   • Мостовые краны печного пролета: Помимо загрузки шихты, используются для перемещения ковшей, электродов, ремонтных материалов. Их грузоподъемность должна соответствовать массе заполненного сталеразливочного ковша.

Компоновка: Электропечи размещаются продольно (для 2-4 печей) или поперечно (блочная схема для большего числа печей), чтобы обеспечить удобство обслуживания мостовыми кранами и оптимальные грузопотоки. Пульт управления ДСП размещается на границе шихтового и печного пролетов напротив печи, со смещением относительно ее оси, для обеспечения безопасности и хорошего обзора.

Оборудование разливочного пролета

Разливочный пролет — это заключительная стадия цикла выплавки в ДСП, где жидкая сталь переходит в форму, пригодную для дальнейшей обработки.

Основные функции и оборудование:

1. Выпуск стали в сталеразливочные ковши:
   • Сталеразливочные ковши: Специальные огнеупорные емкости для транспортировки жидкого металла. Их вместимость соответствует массе плавки ДСП-10 (около 100 тонн).
   • Сталевозы (ковшевые тележки): Используются для транспортировки ковшей с жидкой сталью от ДСП к агрегатам внепечной обработки (если они есть) и далее к МНЛЗ или разливочным стендам.
2. Устройства для сушки и разогрева ковшей: Перед каждой плавкой ковши должны быть тщательно высушены и разогреты до определенной температуры, чтобы минимизировать тепловые потери и предотвратить образование дефектов в стали.
3. Ремонт и футеровка ковшей: Важная часть разливочного пролета, обеспечивающая своевременный ремонт и замену огнеупорной футеровки ковшей, что критически важно для их долговечности и безопасности.
4. Разливочные стенды:
   • Приемные части поворотных стендов машин непрерывной разливки стали (МНЛЗ): В современных ЭСПЦ большая часть стали разливается непрерывно. Разливочный пролет может включать поворотные стенды, на которые устанавливаются сталеразливочные ковши для подачи металла в промежуточный ковш МНЛЗ.
   • Традиционная разливка в изложницы: Хотя и менее распространена, но может использоваться для специализированных марок стали или крупногабаритных слитков. Изложницы устанавливаются на разливочных тележках, которые затем перемещаются к месту охлаждения.

Таким образом, каждый пролет ЭСПЦ играет свою уникальную роль, а его оборудование тщательно подбирается и рассчитывается, чтобы обеспечить непрерывный, эффективный и безопасный цикл производства стали.

Оборудование внепечной обработки стали (АКОС) и его роль в дуплекс-процессе

Внепечная обработка стали — это современное инженерное решение, которое стало неотъемлемой частью высокоэффективного сталеплавильного производства. В контексте дуплекс-процесса, агрегаты комплексной обработки стали (АКОС) выполняют критически важную функцию, позволяя разгрузить основную плавильную печь (ДСП-10) и сосредоточиться на окончательной доводке металла до самых строгих требований.

Назначение и принцип работы установок «ковш-печь»

Установки «ковш-печь» (КП) являются одним из наиболее распространенных типов АКОС и представляют собой, по сути, мини-электропечи для сталеразливочного ковша. Их основное назначение — перенос заключительных операций по доводке жидкой стали из ДСП в отдельный агрегат.

Основные функции ковш-печей:

1. Доводка химического состава:
   • Подшихтовка ферросплавами: На ковш-печи можно точно корректировать содержание легирующих элементов путем подшихтовки различных ферросплавов. Это позволяет добиться строго заданного химического состава с минимальными потерями дорогостоящих элементов, поскольку в ковш-печи отсутствует окислительная атмосфера, характерная для ДСП.
   • Гомогенизация: Продувка металла инертным газом (аргоном или азотом) через пористые пробки в подине ковша или через погружные фурмы обеспечивает интенсивное перемешивание металлической ванны. Это способствует равномерному распределению легирующих элементов и выравниванию химического состава по всему объему ковша. Скорость продувки обычно составляет 0,1-0,5 Нм³/мин на тонну металла.
2. Доводка температуры:
   • Электрический подогрев: Ковш-печь оснащена электродами, которые позволяют подогревать металл, поддерживать его температуру или компенсировать тепловые потери. Это особенно важно для обеспечения оптимальной температуры разливки на МНЛЗ.
   • Интенсивность подогрева: На ковш-печи возможен подогрев металла до 4-6 °С в минуту. Это позволяет повысить температуру стали на 30-50 °С, что компенсирует тепловые потери при транспортировке и подготовке к разливке, а также обеспечивает требуемый перегрев для успешной непрерывной разливки.
3. Раскисление и дегазация:
   • В условиях вакуума (вакууматоры) или при интенсивной продувке инертным газом, в ковш-печи происходит эффективное удаление растворенного кислорода и водорода, что значительно улучшает механические свойства стали и снижает риск образования дефектов.

Принцип работы: Жидкая сталь из ДСП выпускается в сталеразливочный ковш, который затем транспортируется на позицию ковш-печи. Там через свод ковша опускаются графитированные электроды, создающие электрическую дугу для нагрева металла. Одновременно может осуществляться продувка инертным газом и подача ферросплавов и шлакообразующих материалов.

Технологии внепечной обработки для достижения заданных параметров стали

Внепечная обработка — это не просто подогрев, это целый комплекс технологических приемов, направленных на достижение максимально чистой и точно легированной стали.

1. Десульфурация: Достижение стабильно низкого содержания серы является одной из ключевых задач внепечной обработки. Для этого используются:
   • Высокоосновные шлакообразующие смеси: Вводятся в ковш в количестве 5-15 кг/т стали. Типичные смеси содержат известь (CaO, 50-70%), плавиковый шпат (CaF₂, 10-20%) для обеспечения жидкоподвижности шлака и глинозем (Al₂O₃, 10-20%). Известь является основным десульфуратором.
   • Интенсивное перемешивание: Продувка инертным газом обеспечивает активный контакт металла со шлаком, способствуя эффективному переходу серы из металла в шлак.
   • Раскисление: Добавление мощных раскислителей (алюминия, кремния) перед десульфурацией создает восстановительную атмосферу, что благоприятствует удалению серы. В результате можно достичь содержания серы до 0,005%.
2. Дефосфорация: Хотя основная дефосфорация обычно происходит в ДСП, внепечная обработка может также способствовать снижению остаточного фосфора, особенно при наличии окислительного шлака. Однако более эффективная дефосфорация требует наличия окислительной атмосферы, что противоречит условиям десульфурации. Поэтому для глубокой дефосфорации часто применяют двухшлаковые процессы или предварительную обработку. Тем не менее, в условиях дуплекс-процесса с предварительным рафинированием в ДСП, на АКОС поддерживается содержание фосфора до 0,015%.
3. Удаление неметаллических включений:
   • Флотация: Инертный газ, проходя через металл, увлекает за собой неметаллические включения (оксиды, сульфиды) к поверхности раздела металл-шлак, где они поглощаются шлаком.
   • Коалесценция: Перемешивание способствует укрупнению мелких включений, облегчая их всплытие.
   • Раскисление алюминием: Образующиеся при раскислении алюминием частицы глинозема имеют низкую плотность и хорошо всплывают в шлак.

Преимущества АКОС в дуплекс-процессе:

• Повышение производительности ДСП: Отсутствие задержек в ДСП, так как доводка происходит на независимых агрегатах, обслуживаемых отдельными сталевозами.
• Улучшение качества стали: Достижение стабильно низкого содержания серы, фосфора и неметаллических включений, что критически важно для производства высококачественных сталей.
• Точность легирования: Возможность более точного ввода ферросплавов с минимальными потерями.
• Гибкость производства: Возможность адаптации технологии под различные марки стали без перенастройки основной плавильной печи.

Внедрение АКОС в технологическую цепочку ЭСПЦ с ДСП-10, работающего по дуплекс-процессу, не только повышает эффективность производства, но и открывает новые горизонты для создания высококачественных и специализированных сталей, удовлетворяющих самым строгим требованиям современного машиностроения.

Принципы расчета и подбора оборудования отделения непрерывной разливки стали (ОНЛС)

Отделение непрерывной разливки стали (ОНЛС) — это технологический прорыв в металлургии, сравнимый по значимости с изобретением конвертера. Оно преобразило процесс получения стальных заготовок, сделав его более экономичным, эффективным и качественным. Для ЭСПЦ с ДСП-10, особенно при работе по дуплекс-процессу, наличие современного ОНЛС является не просто желательным, а необходимым условием для реализации полного потенциала производства.

Классификация и преимущества МНЛЗ

Машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) — это сложные металлургические агрегаты, предназначенные для получения слитков-заготовок (слябов, блюмов, сортовых заготовок) непосредственно из жидкой стали.

Классификация МНЛЗ:

В зависимости от формы поперечного сечения получаемой продукции, МНЛЗ подразделяются на:

• Слябовые МНЛЗ: Используются для разливки широких и плоских заготовок (слябов), которые затем прокатываются в листовой прокат. Около 2/3 всей производимой стали разливается на слябовых МНЛЗ, что подчеркивает их доминирующую роль.
• Полосовые МНЛЗ: Разновидность слябовых, ориентированные на получение тонких слябов.
• Блюмовые МНЛЗ: Производят квадратные или прямоугольные заготовки (блюмы) большого сечения, предназначенные для последующей прокатки в крупносортный прокат или рельсы.
• Сортовые МНЛЗ: Литье заготовок меньшего сечения (квадрат, круг, шестигранник), используемых для производства арматуры, мелкосортного проката.

Преимущества непрерывной разливки перед традиционной (разливка в изложницы):

1. Сокращение расхода металла: Одно из главных экономических преимуществ. За счет исключения обрезки прибыльной части слитка и сокращения угара, расход металла уменьшается на 10-15%.
2. Повышение качества металла:
   • Однородность: Быстрое и контролируемое затвердевание в кристаллизаторе и ЗВО обеспечивает мелкозернистую структуру и высокую однородность химического состава по длине и сечению заготовки.
   • Снижение дефектов: Минимизируются такие дефекты, как рыхлость, осевая ликвация, газовые пузыри, характерные для литых слитков.
3. Сокращение капитальных и эксплуатационных затрат:
   • Исключение изложниц и блюмингов: Отпадает необходимость в дорогостоящем оборудовании для изготовления, обслуживания изложниц и прокатных станов первичного передела (блюмингов).
   • Механизация и автоматизация: Процесс непрерывной разливки высокомеханизирован и автоматизирован, что снижает потребность в ручном труде и повышает безопасность.
4. Экономия энергии: Отсутствие необходимости в повторном нагреве слитков перед прокаткой значительно сокращает энергозатраты.

Основные параметры выбора МНЛЗ

Выбор конкретной модели и конфигурации МНЛЗ — это комплексная задача, зависящая от множества факторов, тесно связанных с производственной программой ЭСПЦ.

1. Назначение и условия работы: Определяется общая концепция цеха, его место в производственной цепочке металлургического комбината.
2. Марочный состав разливаемых сталей: Различные марки стали (углеродистые, легированные, нержавеющие) имеют разные физико-химические свойства (температура ликвидуса, склонность к трещинообразованию), что влияет на режим разливки и конструкцию МНЛЗ.
3. Размеры и форма поперечного сечения заготовок: Определяет тип МНЛЗ (слябовая, сортовая и т.д.) и ее ключевые габаритные характеристики. Например, для слябов требуются широкие кристаллизаторы, для сортовых заготовок — узкие.
4. Вместимость сталеразливочного ковша: Должна быть согласована с вместимостью ДСП-10 (около 100 тонн). Это определяет объем металла, подаваемого на одну разливку.
5. Цикл подачи ковшей: Важный параметр для обеспечения непрерывности процесса. Он должен быть синхронизирован с длительностью цикла плавки в ДСП и временем внепечной обработки.

Для радиальных и криволинейных МНЛЗ, которые являются наиболее распространенными, одним из основных конструктивных параметров является базовый радиус (R). Он влияет на качество заготовок (например, на степень деформации и напряжения в слитке при выпрямлении) и на капитальные затраты. Рекомендуемые значения базовых радиусов криволинейных МНЛЗ находятся в пределах 25-35-кратной толщины сортовых и диаметра круглых отливаемых заготовок. Например, для сортовой заготовки толщиной 150 мм оптимальный радиус может составлять от 3750 мм (3,75 м) до 5250 мм (5,25 м).

Расчет металлургической длины МНЛЗ

Металлургическая длина МНЛЗ — это критически важный параметр, представляющий собой протяженность жидкой фазы в слитке, то есть расстояние от мениска металла в кристаллизаторе до точки полного затвердевания заготовки. Она определяется для обеспечения полного затвердевания слитка до его выхода из зоны вторичного охлаждения.

Металлургическая длина (L) рассчитывается по эмпирическим формулам, учитывающим скорость разливки, толщину заготовки и коэффициент затвердевания. Одна из распространенных формул имеет вид:

L = V · (H / (2K))2

Где:

• L — металлургическая длина, мм.
• V — скорость разливки, мм/мин.
• H — толщина (или диаметр) заготовки, мм.
• K — коэффициент затвердевания (или коэффициент кристаллизации), мм/мин^0,5. Для стали обычно K = 25-30 мм/мин^0,5.

Пример корректного расчета металлургической длины:

Предположим, мы разливаем сляб со следующими параметрами:

• Толщина сляба H = 200 мм.
• Скорость разливки V = 1,0 м/мин = 1000 мм/мин.
• Коэффициент затвердевания K = 28 мм/мин^0,5.

Подставляем значения в формулу:

L = 1000 мм/мин · (200 мм / (2 · 28 мм/мин0,5))2
L = 1000 мм/мин · (200 мм / 56 мм/мин0,5)2
L = 1000 мм/мин · (3,5714 мин0,5)2
L = 1000 мм/мин · 12,755 мин
L ≈ 12755 мм ≈ 12,76 м

Полученное значение (12,76 м) является реалистичной металлургической длиной для сляба толщиной 200 мм при данных условиях. К этому значению обычно добавляется резерв (около 15%) для обеспечения гарантированного затвердевания и компенсации возможных колебаний в процессе разливки.

Температурные условия разливки:
Для стабильной и качественной разливки необходимо строго соблюдать температурный режим:

• Температура металла в промежуточном ковше должна быть на 20-30 °С выше температуры ликвидуса, чтобы предотвратить преждевременное затвердевание.
• Перепад температур в промежуточном ковше должен находиться в пределах от +15 до -10 °С, что указывает на стабильность теплового режима.
• Перегрев стали в сталеразливочном ковше должен быть на 40-45 °С выше температуры в промежуточном ковше, чтобы компенсировать тепловые потери при переливе и ожидании.

Расчет расхода воды для вторичного охлаждения

Зона вторичного охлаждения (ЗВО) является ключевым элементом МНЛЗ, где происходит окончательное затвердевание слитка. Интенсивность охлаждения определяет скорость разливки и качество заготовки.

Общий расход воды:
Общий расход воды на вторичное охлаждение при разливке спокойной стали составляет 0,4-1,0 м³/т при скорости вытягивания крупных слитков 1,0-1,4 м/мин.

Пример расчета расхода воды:

Предположим, годовая производительность ЭСПЦ составляет 476 500 тонн/год (как в примере выше).
Возьмем среднее значение удельного расхода воды для вторичного охлаждения 0,7 м³/т.

Годовой расход воды = Годовая производительность × Удельный расход воды
Годовой расход воды = 476 500 т/год × 0,7 м3/т = 333 550 м3/год

Этот расчет позволяет оценить потребность цеха в воде для системы охлаждения и спланировать соответствующие инженерные коммуникации и водоочистные сооружения.

Таким образом, подбор оборудования ОНЛС, включая точный расчет металлургической длины и расхода воды, является сложной инженерной задачей, требующей учета множества взаимосвязанных параметров для обеспечения эффективной и качественной работы всего электросталеплавильного комплекса.

Требования к компоновке и устройству ЭСПЦ для эффективной и безопасной эксплуатации

Проектирование электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) — это не только выбор и расчет агрегатов, но и создание оптимальной пространственной организации, которая обеспечит логистику материалов, безопасность персонала и экологическую ответственность. Ошибки в компоновке могут привести к неэффективным грузопотокам, увеличению простоев и угрозе безопасности.

Типы компоновки главного здания ЭСПЦ

Главное здание ЭСПЦ — это сложная инженерная конструкция, объединяющая все основные технологические переделы. Существует два основных подхода к его компоновке:

1. Специализированные пролеты: Классическая схема, при которой главное здание делится на несколько функциональных пролетов:
   • Шихтовый пролет: Для приемки, хранения и подготовки шихтовых материалов.
   • Печной пролет: Основной пролет, где расположены дуговые сталеплавильные печи.
   • Бункерный пролет: Для хранения сыпучих материалов (ферросплавов, флюсов), подаваемых в печи.
   • Ковшевой пролет (разливочный): Для выпуска стали в ковши, их обслуживания и транспортировки.
   • Распределительный пролет: Если есть необходимость в перевалке или промежуточном хранении.
   • Пролет МНЛЗ: Для размещения машин непрерывной разливки стали.
2. Размещение всех технологических агрегатов в основном пролете: Более компактная схема, при которой основные агрегаты (печи, внепечная обработка, начальные участки МНЛЗ) располагаются в едином, как правило, более широком пролете. Эта схема может быть эффективна для цехов меньшей производительности или при ограниченной площади застройки.

Факторы, определяющие количество и размещение пролетов:

• Производительность цеха: Высокопроизводительные цехи (например, с несколькими ДСП-10) чаще используют схему со специализированными пролетами для обеспечения больших грузопотоков.
• Условия размещения на генеральном плане завода: Наличие свободной площади, расположение железнодорожных путей, доступность инженерных коммуникаций сильно влияют на выбор компоновки.
• Сортамент выпускаемой продукции: Для цехов, производящих широкий сортамент, может потребоваться более гибкая компоновка.

Размещение и обслуживание оборудования в цехе

Эффективность работы ЭСПЦ напрямую зависит от грамотного размещения оборудования, которое должно обеспечивать бесперебойное движение материалов и удобство обслуживания.

1. Размещение печей:
   • Продольное размещение: Классическая схема, при которой 2-4 электропечи располагаются вдоль одного пролета и обслуживаются общими мостовыми кранами. Это упрощает логистику кранового хозяйства.
   • Поперечное (блочное) размещение: Для большего числа печей или при необходимости индивидуального обслуживания каждой ДСП. Каждая печь обслуживается своим краном, что повышает надежность и гибкость, но требует большей площади.
2. Грузопотоки и минимизация простоев:
   • Оптимальное перемещение грузопотоков: Компоновка цеха должна быть спроектирована таким образом, чтобы минимизировать пересечение и встречное движение различных грузопотоков:
     • Входящие материалы: Стальной лом, металлизованные окатыши, ферросплавы, флюсы.
     • Жидкий металл: Сталеразливочные ковши с жидкой сталью от ДСП к АКОС и МНЛЗ.
     • Готовая продукция: Литые заготовки (слябы, блюмы, сортовые заготовки) от МНЛЗ на склад или на дальнейшую прокатку.
   • Обеспечение непрерывности: Пути перемещения ковшей, бадей и других транспортных средств должны быть свободны, чтобы избежать задержек и простоев. Например, агрегаты внепечной обработки стали (АКОС) часто располагаются таким образом, чтобы они обслуживались независимыми от печей сталевозами, что исключает задержки в работе ДСП.
3. Пульт управления ДСП: Размещается на границе шихтового и печного пролетов, напротив печи, но со смещением относительно ее оси, это обеспечивает оператору хороший обзор процесса плавки и одновременно защищает его от прямого воздействия тепла и шума.

Обеспечение безопасности и экологических стандартов

Современный металлургический цех не может быть эффективным без высоких стандартов безопасности труда и строгого соблюдения экологических требований.

1. Газоочистка:
   • Мокрая и сухая газоочистка: ЭСПЦ являются источником значительных выбросов пыли и газов (оксиды углерода, азота, серы). Обязательно оснащение печей современными системами газоочистки. Мокрые системы используют воду для улавливания пыли, сухие — различные фильтры. Выбор типа системы зависит от состава газов и требуемой степени очистки.
   • Шумо-пылезащитные укрытия: Размещение печей в специальных укрытиях позволяет локализовать выбросы и снизить уровень шума на рабочих местах.
2. Вспомогательные цехи и объекты: Бесперебойная работа ЭСПЦ требует развитой вспомогательной инфраструктуры:
   • Цех обжига известняка: Для производства основного компонента шлакообразующих смесей.
   • Кислородный цех: Для производства кислорода, необходимого для продувки металла и газокислородных горелок.
   • Склады огнеупоров и ферросплавов: Обеспечивают постоянное наличие необходимых материалов.
   • Ремонтные цехи: Для обслуживания и ремонта оборудования, включая краны, тележки, механизмы печей и МНЛЗ.
   • Административно-бытовой комплекс: Для персонала.
   • Электрораспределительные устройства: Для подачи электроэнергии к ДСП и другому оборудованию.
   • Водоочистные сооружения: Для подготовки и очистки воды, используемой в системах охлаждения (кристаллизаторы, ЗВО) и газоочистки.
   • Компрессорные станции: Для обеспечения сжатым воздухом пневматических систем.

Современные ЭСПЦ отличаются высоким уровнем автоматизации и механизации производственных процессов, что также способствует повышению безопасности и эффективности. Грамотное проектирование с учетом всех этих требований является залогом успешной и долгосрочной работы электросталеплавильного производства.

Заключение

В рамках данной курсовой работы была разработана исчерпывающая методика расчета производительности и подбора технологического оборудования для электросталеплавильного цеха, оснащенного дуговой сталеплавильной печью ДСП-10 и работающего по дуплекс-процессу. На основе глубокого анализа теоретических основ и практических аспектов металлургического производства, удалось достигнуть поставленных целей.

Мы подробно рассмотрели сущность и преимущества дуплекс-процесса, подчеркнув его значимость для повышения эффективности использования энергетических ресурсов и улучшения качества стали. Детальный расчет длительности цикла плавки для ДСП-10 в условиях дуплекс-процесса, включающий учет современных методов интенсификации (высокая удельная мощность трансформатора, газокислородные горелки, внепечная обработка), позволил определить реальную производственную программу цеха.

Отдельное внимание было уделено комплексному подходу к выбору и расчету оборудования для каждого технологического пролета — шихтового, печного и разливочного. Мы раскрыли принципы функционирования агрегатов комплексной обработки стали (АКОС), таких как «ковш-печь», и их критическую роль в достижении заданных параметров по химическому составу, температуре и чистоте металла. Наконец, были представлены подробные расчеты и критерии выбора машин непрерывной разливки стали (МНЛЗ), включая определение металлургической длины и расхода воды, а также изложены ключевые требования к компоновке цеха, обеспечивающие эффективные грузопотоки и соответствие строгим стандартам безопасности и экологии.

Разработанная структура и представленные инженерные расчеты имеют высокую практическую значимость для студентов технических вузов. Они формируют прочную основу для понимания сложных взаимосвязей между технологией, оборудованием и экономикой в современном металлургическом производстве, подготавливая будущих инженеров-металлургов к решению реальных производственных задач.

Список использованной литературы

1. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. М.: Мир, ООО «Издательство ACT», 2003. 528 с.
2. Якушев А.М. Проектирование сталеплавильных и доменных цехов. М.: Металлургия, 1984. 216 с.
3. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия: учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. 768 с.
4. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Мальков Н.В. Электрометаллургия стали и ферросплавов. М.: Металлургия, 1995. 592 с.
5. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1987. 272 с.
6. Егоров А.В. Расчет мощности и параметров электропечей черной металлургии. М.: Металлургия, 2001. 280 с.
7. Особенности материального и теплового балансов ДСП-180 ОАО «ММК» / У.Б. Ахметов, А.Е. Малофеев, А.В. Пантелеев и др. // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. Вып. 7. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. С. 84-87.
8. Мысик В.Ф., Лозовая Е.Ю. Выбор и расчет оборудования для электросталеплавильных цехов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. 94 с.
9. Анализ особенностей материального и теплового балансов ДСП-180 ОАО «ММК» / А.Е. Малофеев, В.А. Бигеев // Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов. Магнитогорск: ОАО «ММК», 2008. С. 36-37.
10. Никольский Л.Е., Зиннуров И.Ю. Оборудование и проектирование электросталеплавильных цехов. М.: Металлургия, 1993. 274 с.
11. Дуплекс-процесс. Большая Советская Энциклопедия (БСЭ).
12. Что такое Дуплекс-процесс?
13. Технология выплавки дуплекс-процессом — Расчеты материальных и энергетических балансов при выплавке стали в дуговых сталеплавильных печах — Bstudy.
14. Машины и агрегаты непрерывного литья заготовок — НФ НИТУ «МИСИС».
15. Непрерывная разливка стали: принцип работы, необходимое оборудование, достоинства и недостатки метода.
16. Электросталеплавильный цех, Технология ЭСПЦ. Состав ДСП, компоненты шихты электроплавки, механическое оборудование печь — Деятельность комбината «Уральская сталь» — Studbooks.net.
17. 2. Устройство эспц. Технологическая схема эспц.
18. Расчет шихтовыйого пролёта электросталеплавильного участка цеха № 15 ОАО «Юрмаш» — ВУнивере.ру.
19. Способы плавки дуплекс-процессом. — Файловый архив студентов.
20. 3. Технологии выплавки стали в дсп.
21. Устройство электросталеплавильных цехов. Технологическая схема работы эспц.
22. Непрерывная разливка стали.
23. Непрерывная разливка стали — Металлургия стали (Инженерия) — СтудИзба.
24. Технология выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) — Bstudy.
25. Таблицы выбора МНЛЗ: производительность, размеры, критерии разливочных машин.
26. Классификация МНЛЗ — Непрерывная разливка стали.
27. Классификация электросталеплавильных цехов — Черная и цветная металлургия на metallolome.ru.
28. Машина непрерывного литья заготовок — Википедия.
29. Производство стали в ДСП.
30. Традиционная технология плавки стали в дуговой сталеплавильной печи — DiSpace.
31. В помощь студентам. МНЛЗ. Технологический процесс непрерывной разливки стали.
32. 4. Организация основных работ в эспц.
33. RU2285051C2 — Способ выплавки коррозионно-стойкой стали — Google Patents.
34. Оборудование элекросталеплавильного цеха | Металлургический портал MetalSpace.ru.
35. 7. Схема устройства эспц-1.
36. Особенности технологии плавки стали в ДСП для производства крупных слитков.
37. Технологический процесс выплавки стали в электропечах.
38. Описание ЭСПЦ-6 — Технология выплавки углеродистых марок стали на болоте в ДСП-100И7в условиях ЭСПЦ-6 ОАО «ЧМК» — Studbooks.net.
39. Современная технология производства в ЭСПЦ ЗАО «ММЗ “ИСТИЛ (Украина)”.
40. ШИХТОВЫЙ ПРОЛЁТ, Бункерный пролёт, ПЕЧНОЙ ПРОЛЁТ — Проектирование электросталеплавильного цеха — Studbooks.net.
41. Металлургические технологии — Стр 17.