АКОС (Агрегат комплексной обработки стали)

Оборудование внепечной обработки металла АКОС (варианты: АКП, вакууматор и т.д.) предназначено для совместной работы с дуговой сталеплавильной или индукционной печью соответствующей мощности. Идея совместной работы заключена в том, что на первом агрегате производится расплавление металла и последующая передача его в ковше под АКОС, а в АКОС производится окончательная доводка расплава.

Решаются две задачи: ДСП почти всегда работает на полной мощности (в то время, как при полном цикле производства стали в печи на полной мощности она работает не более половины времени), вдвое — втрое сокращается время нахождения металла в печи, и при этом все операции очистки металла и доводки химического состава переносятся в агрегат меньшей мощности, но оснащенный множеством специализированных узлов для получения качественного металла- продувки, легирования, перемешивания и проч.

Совместной работой двух агрегатов, при меньших затратах, достигается удвоение производительности производства.

Как правило, в установках внепечной обработки, к которой относится и АКОС, в качестве нагревателя используется трехфазная дуговая установка, по конструкции близкая к конструкции ДСП, но меньшей, приблизительно, в 2-3 раза, мощностью, чем ДСП такого же тоннажа. Техническое решение — проверенное и широко распространенное.

Если предположить, что количество дуг в устройстве будет не три, а одна, и дуга будет гореть на оси, то количество электрододержателей уменьшится втрое, и расстояние от дуги до футеровки возрастет, что положительно скажется на ресурсе оборудования. Однако, при этом потребуется подвод тока к подовой части ковша, размещение в подине подового электрода, что усложняет конструкцию, делает ее менее надежной, снижает удобство в эксплуатации и ресурс подины.

Выходом из положения может быть плазмотрон вместо электрода, расположенный таким же образом, как один электрод, сверху по оси. Однако, без подового электрода это мог быть только струйный плазмотрон. Для АКОС плазмотрон струйного типа малопригоден из-за низкого КПД, высоких скоростей газа, относительно малого ресурса работы в указанных условиях в ковше и ряда других ограничений.

 

Проблему решает плазмотрон конструкции ООО «ЭПОС-Инжиниринг».

Плазмотрон, упрощенно, представляет собой графитовый электрод внутри графитового электрода, с протоком газа и горящей между ними дугой (имеется 6 патентов). Как правило, в условиях горения на расплав дуга горит каскадом: внутренний электрод — расплав-внешний электрод. При наведенном шлаке энерговыделение происходит в шлаке и двух дугах. Расположение дуги на оси снижает воздействие дуги на стенки, особенная конфигурация дуг способствует движению шлака и металла под ними и перемешиванию, питание производится постоянным током. Управление полярностью резко активизирует электрохимические процессы, и способствует усвоению легирующих элементов и очистке от примесей. Особая система управления плазмотроном позволяет в широких пределах управлять формой разряда и зоной энерговыделения, распределять мощность по значительно большей площади, чем под дугой переменного тока обычного АКОС (снижение плотности мощности в пятне дуги), что снижает перегрев и потерю легирующих, обеспечивает управляемость и равномерность нагрева.

Примеры формы плазменной дуги и схема плазмотрона приведена на рисунках 1, 2

Рисунок 1, 2 Схемы плазменного источника. Управление зоной энерговыделения.

Плазменные нагреватели, в зависимости от потребностей технологии, могут работать на больших и малых напряжениях дуг, рисунок 3.

Рис. 3 Вольт-амперные характеристики плазменной дуги работающего плазмотрона. Работа коаксиального плазмотрона в режиме «над и под шихтой»

При этом нет необходимости устанавливать подовый электрод.

Любая установка внепечной обработки может быть модернизирована до качественной плазменной АКОС доработкой электрододержателей (два электрододержателя следует убрать) и заменой источника питания.

Могут быть предложены агрегаты для вакуумирования, АКП и АКОС с плазменным нагревом. Кроме конструктивных и технологических преимуществ, использование указанного плазменного узла снимет неравномерность нагрузки по фазам и пульсации.

В сравнении с существующими технологиями и агрегатами — пониженные тепловые потери, новые технологии обработки, возможность снижения технологической себестоимости на 20-50%.

Пример  изготовленного агрегата комплексной обработки стали АКОС-5И1 емкостью 5,0 тонн приведен на рис 4, 5

Рис. 4, 5 Агрегат комплексной обработки стали емкости 5 тонн. Ковш с шибером и устройством донной продувки газом.

Агрегат комплексной обработки стали АКОС-5И1 (в дальнейшем агрегат) предназначен для получения низколегированных модифицированных сталей периодическим процессом, методом обработки в ковше стали, предварительно полученной в дуговой сталеплавильной электропечи. Расшифровка условного обозначения электропечи АКОС-5И1: А – агрегат; К- комплексной; О- обработки; С — стали; 5 – емкость ковша номинальная, тонн; И1-исполнение первое (модификация).

Агрегат предназначен для эксплуатации в районах с умеренно-холодным климатом. Вид климатического исполнения УХЛ4 по ГОСТ 15150-69 при этом:
— температура окружающей среды от +5 до + 40 0С;
— влажность окружающей среды при температуре + 40 0С не более 80 %;
— атмосферное давление, кПа (мм. рт. ст.) от 84 (630) до 106,7 (800).

Окружающая среда – не взрывоопасная, не содержащая агрессивных паров, газов и пыли в концентрациях, превышающих указанных  в ГОСТ 12.1.005-88.

Основные технические характеристики установки плазменного АКОС приведены в таблице 1.

Таблица 1-  Основные технические характеристики агрегата АКОС-5И1

Наименование параметра
1 Емкость ковша установки, т  номинальная 5
2 Диаметр кожуха ковша в верхней части, мм 1550
3 Номинальная мощность установки, кВА 750-1000
4 Количество плазмотронов 1
5 Номинальная мощность плазмотрона, кВт 500- 800
6 Номинальное первичное напряжение, В ~3ф, 380В, 50 Гц
7 Диапазон напряжений  плазмотрона, В 50…600
8 Диапазон изменения тока плазмотрона, А 300…2500
9 Диаметр внешнего электрода плазмотрона, мм 300
10 Диаметр внутреннего электрода, мм 100-150
11 Скорость нагрева металла, 0С/мин 4
12 Расход охлаждающей воды на охлаждение установки, м3/час 51,5
13 Давление воды на охлаждение, МПа 0,4
14 Расход аргона на продувку металла, м3/час 3
15 Расход аргона на плазмотрон, м3/час 0,6
16 Расход аргона через экономайзер, м3/час 0,3
17 Давление углекислого газа, МПа 0,3
18 Диаметр  газохода  (внутренний), мм 314
19 Ход перемещения свода (max), мм 200
20 Ход перемещения плазмотрона, мм 2400
21 Внутренний диаметр воронки загрузочной, мм 40-80
22 Привод подъема свода Электромеханич.
23 Привод подъема плазмотрона Электромеханич.
24 Привод дверки рабочего окна ручной
25 Температура охлаждающей воды,    оС:

—          на входе не ниже…………………

—          на выходе не выше………………

 

25

50

26  Габаритные размеры участка, занимаемого агрегатом, мм:

— высота

— длина

— ширина

-заглубление, максимальное

 

5390

9600

9600

2600

27 Масса металлоконструкций агрегата, кг 7950
28 Полный установленный срок службы,  лет 12
29

Агрегат снабжен донной продувочной пробкой, шиберным затвором, низкочастотным устройством электромагнитного перемешивания расплава, набором бункеров-дозаторов, трайб — аппаратами подачи проволоки, системами газоудаления, системами подачи продувочных газов и порошков, плазменным узлом, системой подачи защитных газов и т.д.

Состав изделия (агрегата АКОС-5И1) приведен в таблице 1.3.

Наименование
1. Сводик водоохлаждаемый ЭПОС.061.002.000
2. Узел экономайзера ЭПОС.061.008.000
3. Узел плазменный ЭПОС.061.010.000
4. Шахта
5. Свод в сборе
6. Стойка подъема свода
7.   Патрубок направляющий
8.   Воронка
9. Коллектор в сборе
10. Стенд газовый
11.   Кабель водоохлаждаемый
12.   Кабель водоохлаждаемый
13. Плазмотрон
14. Установка конечных выключателей
15. Монтаж датчиков температуры
16. Сеть короткая
17. Механизм подъема свода
18.   Монтаж заземления
19.   Установка датчика давления
20. Ковш 5 тонн для АКОС-5И1
21.   Механизм подачи проволоки ЭПОС.071.000.000
22. Комплекты
23. Автоматизированное рабочее место ЭПОС.074.081.000-01
24. Автоматизированное рабочее место
25. Дозатор бункерный непрерывного действия ДБН-2,5-1,0-0,2-2-С (кварцит);
26. Дозатор бункерный непрерывного действия ДБН-2,5-1,0-0,2-2-С (ферромарганец);
27. Дозатор бункерный непрерывного действия ДБН-2,5-1,0-0,2-2-С (Ферросилиций);
28.   Источник питания МГД-генератора  ИПНЧ
29.   Комплектный щит управления дозированием  ЩКУ-Д
30.   МГД-генератор
31.   Тележка
32.   Шкаф автоматики ША1
33.   Шкаф управления электропечью ШУ1
34. Шкаф источника питания
35. Жезл-термопреобразователь ТПР-91
36. Ложка для отбора проб

Принцип действия

1. По принципу действия агрегат относится к установкам внепечной обработки с плазменным источником нагрева (плазмотроном коаксиального типа).
2. Агрегат предназначен для выполнения технологических операций по доведению стали до заданного химического состава и температуры после выпуска жидкого полупродукта из дуговой сталеплавильной электропечи, с целью получения стали заданного сортамента и высокого качества. При выполнении финишных технологических операций по получению стали с особыми служебными свойствами, используются нанопорошки.
3. Агрегат  обеспечивает выполнение следующих технологических операций:

  • нагрев металла со скоростью до 4 0С/мин и стабилизацию температуры металла в ковше перед разливкой;
  • доводка химического состава стали;
  • раскисление металла;
  • глубокая десульфурация;
  • гомогенизация расплава;
  • модификация расплава;
  • удаление неметаллических включений;
  • введение шлакообразующих материалов;
  • введение легирующих добавок для корректировки химического состава металла (титаном, кальцием, цирконием, бором и др.).

 

Агрегаты снабжены функциями:

  • плазменного нагрева металла для эффективной обработки металла и шлака;
  • электромагнитным перемешиванием расплава с помощью магнитогидродинамического генератора (МГД-генератора);
  • продувкой металла аргоном через донную пористую фурму (пробку) ковша с помощью системы газопроводов и управления газовым режимом, перемешивание расплавов продувкой инертным газом, в т. ч. – с порошковыми смесями;
  • подачи (через специальный водоохлаждаемый фланец в крышке) в металл кусковых шлакообразующих, легирующих материалов и раскислителей, с использованием системы весодозирования (три автоматизированных бункера), и ввода этих материалов в ковш-печь;
  • подачи через рабочее окно металла порошкообразных и кусковых материалов вручную;
  • дозированной подачи ввода в расплавленный металл порошковой проволоки с помощью механизма подачи проволоки (трайб-аппараты), порошков и кусковых материалов;
  • особыми способами и технологией легирования и ввода наномодификаторов и технологии обработки нанопорошками;
  • вакуумирование, обработка активными газами;
  • замера величины температуры металла термопарой кратковременного погружения;
  • отбора проб металла и шлака ложкой с последующим экспресс анализом химсостава.

4. Агрегат рассчитан на номинальную массу выпуска 5 тонн.

5. Агрегат изготавливается, как установка с одной рабочей позицией, на которой размещается основные, необходимые для обработки (доводки стали) механизмы и устройства.

6. Агрегат по документации ЭПОС.061.000.000 представляет собой специальным образом разработанную несущую металлоконструкцию, расположенную над железнодорожным путем, по которому подается ковш на позицию обработки.

7. Ковш емкостью 5 тонн, устанавливаемый на передаточную тележку, транспортируется под водоохлаждаемый свод на позицию обработки.

8.Металлоконструкции элементов агрегата монтируются на подготовленных фундаментах цеха, в приямках и на его площадках (перекрытиях).

9. Основой для установки металлоконструкций агрегата является шахта ЭПОС.061.016.000.

10. В роликовых опорах шахты устанавливаются стойка подъема свода ЭПОС.061.030.000 и стойка узла плазменного ЭПОС.061.010.000.

11. Свод печи, установленный на стойке подъема свода, перемещается с помощью специального механизма подъема и опускания свода (вверх-вниз на 200 мм) и фиксируется остановкой привода в заданных крайних положениях (опущен/поднят).

12. Свод в сборе ЭПОС.061.028.000 выполняется в виде специальной конструкции, состоящей из водоохлаждаемого свода ЭПОС.061.001.000  (свод футеруется на месте монтажа) и сводика водоохлаждаемого ЭПОС.061.002.000, на внутренней поверхности сводика водоохлаждаемого со временем формируется гарниссаж, а в первоначальный момент, когда гарнисаж отсутствует, на внутреннюю поверхность сводика наносится огнеупорный бетон, который в дальнейшем, при работе, естественным способом замещается гарнисажем.

13. Свод в нижнем положении  прилегает к верхнему опорному фланцу ковша с технологическим .

14. В своде в сборе конструктивно предусмотрены следующие технологические отверстия:

  • одно центральное сквозное отверстие диаметром 600 мм (в верхней плоской части сводика водоохлаждаемого) для прохода плазмотрона;
  • водоохлаждаемый патрубок газохода для отвода образующихся во время работы реакционных газов в систему газоочистки (патрубок расположен в боковой поверхности свода);
  • водоохлаждаемый патрубок Dу=105 мм (расположен в верхней части сводика водоохлаждаемого) для ввода в ковш по труботечке кусковых материалов;
  • водоохлаждаемый патрубок Dу=105 мм (расположен в верхней части сводика водоохлаждаемого) на который устанавливается  воронка ЭПОС.061.035.000 через  которые подается порошковая проволока;
  • водоохлаждаемый патрубок (расположен в верхней части сводика водоохлаждаемого) для установки датчика давления ЭПОС.061.095.000;
  • рабочее окно, закрываемое водоохлаждаемой, футерованной дверцей (расположено в боковой поверхности свода), предназначено для выполнения технологических операций: ввод некоторых шлакообразующих, ввод некоторых легирующих элементов, ввод вспенивателей шлака, взятие проб, замер температуры, визуальный контроль рабочего пространства, открытие/закрытие дверцы осуществляется вручную, путем отвода дверцы в сторону на шарнирном механизме пантографа.

15. Все необходимые для обработки металла технологические материалы  вводятся  в ковш посредством устройств и механизмов:

  • система газопроводов и стенд управления газовым режимом для продувки металла аргоном через донную пористую фурму (пробку) ковша;
  • механизм подачи проволоки для подачи в металл порошковой проволоки;
  • система весодозирования и ввода в ковш шлакообразующих, раскислителей и легирующих материалов (три дозатора бункерных непрерывного действия ДБН-2,5-1,0-0,2-2-С) соединенная наклонной труботечкой с водоохлаждаемым патрубком свода;
  • через рабочее окно вручную с предварительным завесом и учетом навесок, подаваемых в агрегат.

16. Ввод мощности в рабочую зону агрегата комплексной обработки стали осуществляется с помощью плазмотрона коаксиального типа мощностью 500- 800 кВт и МГД-генератора (который, в первую очередь, предназначен для осуществления перемешивания металла в ковше).

17.Источник питания плазмотрона выполнен по принципу преобразования переменного трехфазного тока в выпрямленное постоянное, с последующим преобразованием (понижающий преобразователь постоянного напряжения); источник питания обеспечивает автоматическое поддержание заданного тока на повышенной частоте преобразования (номинальная частота преобразования 8 кГц).

18.Источник питания плазмотрона питается от сети переменного трехфазного напряжения 3ф, 380В, 50 Гц, установленная мощность источника питания 630- 1000 кВА

19. Источник питания МГД-генератора питается от сети переменного трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц, установленная мощность источника питания 120 кВА.

Технология обработки металла на агрегате состоит из следующих последовательных этапов:
— ковш с металлом из-под дуговой электропечи с наведенным свежим шлаком поступает на агрегат, устанавливается непосредственно на опорную площадку устройства транспортирования ковша на позицию обработки;
— подключается газовый тракт для подачи газа на продувку;
— включается продувка аргоном от стенда газового ЭПОС.061.050.000, продувается в соответствии с технологией обработки;
—  ковш подается под свод на позицию обработки, позиционируется;
—  опускается свод  на 200 мм;
—  подается плазмообразующий газ в плазмотрон;
— подается газ на экономайзер;
— включается источник питания МГД-генератора, начинается перемешивание металла;
— включается источник питания плазмотрона, с помощью системы управления (СУ) на задатчике тока устанавливается пониженное значение тока плазмотрона (200 А).
— плазмотрон опускается в печное пространство до погружения в шлак, зажигается дуга, и режим работы плазмотрона выводится на режим работы при малых токах;
— осуществляется вспенивание шлака;
— далее ведется обработка на агрегате под заданную марку стали по технологической инструкции, разработанной предприятием, осуществляющим  эксплуатацию агрегата, ввод легирующих, модификаторов, продувка газом, при этом мощность плазмотрона, корректировка состава шлака, перемешивание задается по определенному графику, определяемому вышеназванной технологической инструкцией.

 

По указанному принципу работы с вышеперечисленными функциями могут быть исполнены агрегаты внепечной обработки на параметры от 100 килограммов жидкого металла – до 30 тонн расплава и более.

Модернизация действующих агрегатов в плазменные может достаточно быстро окупиться за счет снижения эксплуатационных затрат, снижения энергопотребления и повышения качества металла.