1 Описание технологического процесса и технологического оборудования

Прежде чем разрабатывать систему автоматического управления или регулирования, необходимо ознакомиться с технологическими особенностями объекта управления.

Объектом регулирования могут быть различные устройства для осуществления производственных процессов, энергетические и силовые установки, летательные аппараты и транспортные механизмы, специальные установки и устройства, в которых осуществляется регулирование определённых величин по заданным законам управления.

В данном курсовом проекте объектом управления является дуговая электросталеплавильная печь .

Электросталеплавильные печи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами. В электропечах можно быстро нагревать, плавить и точно регулировать температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум. В этих печах можно выплавлять сталь и сплавы любого состава, более полно раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений - продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных сталей ответственного назначения, высоколегированных, инструментальных, коррозионностойких (нержавеющих) и других специальных сталей и сплавов. Инструментальная сталь - сталь, идущая на изготовление режущего, измерительного, штампового и другого инструмента. Легированная сталь - сталь, которая помимо обычных примесей (С, Mn, S, P), содержит и другие (легирующие) элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и др.), либо кремний или марганец в повышенном против обычного количестве. При суммарном содержании легирующих элементов до 2% сталь считается низколегированной, от 2,5 - 10% - среднелегированной, более 10% - высоколегированной.

Электросталеплавильному способу принадлежит ведущая роль в производстве качественной и высоколегированной стали. Благодаря ряду принципиальных особенностей этот способ приспособлен для получения разнообразного по составу высококачественного металла с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных и нежелательных примесей и высоким содержанием легирующих элементов, придающих стали особые свойства - хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, вольфрама, ванадия, титана, циркония и других элементов.

Дуговая печь - промышленная печь, в которой теплота электрической дуги используется для плавки металлов и других материалов. По способу нагрева дуговые печи делят на печи прямого действия (дуга горит между электродом и нагреваемым телом), печи косвенного действия (дуга горит между электродами) и печи с закрытой дугой (дуга горит под слоем твёрдой шихты). Наибольшее применение в промышленности (главным образом для выплавки стали) находят дуговые печи первого типа.

В этих печах в качестве источника теплоты используют электрическую дугу, возникающую между электродами и металлической шихтой. Дуговая электросталеплавильная печь (рисунок 1) питается трёхфазным переменным током и имеет 3 цилиндрических электрода 9, изготовленных из графитовой массы. Электрический ток от трансформатора гибкими кабелями 7 и медными шинами подводится к электрододержателям 8, а через них к электродам 9. Между электродами и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передаётся металлу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 180 - 600В, сила тока 1 -10кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически путём вертикального перемещения электродов. Печь имеет стальной сварной кожух 4. Кожух печи изнутри футерован теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом 1, который может быть основным (магнезитовый, магнезитохромовый) или кислым (динасовый). Подина 12 печи набивается огнеупорной массой. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6, изготовляемым также из огнеупорного кирпича и имеющим отверстия для хода электродов. В стенках печи имеется рабочее окно 10, предназначенное для управления ходом плавки и летка для выпуска готовой стали по желобу 2 в ковш.

Рисунок 1 - Схема дуговой электрической плавильной печи.

Печь загружают при снятом своде. Механизмом 11 печь может наклоняться в сторону загрузочного окна и летки. Емкость дуговых электропечей 0,5-400 тонн. В нашем случае ёмкость печи составляет 25 тонн. Дуговые печи могут иметь основную или кислую футеровку. В металлургических цехах обычно используются дуговые электропечи с основной футеровкой, а в литейных цехах - с кислой.

Электрические печи с кислой футеровкой обычно используются в литейных цехах при выплавке стали для фасонного литья. Основным недостатком кислых печей является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и фосфор. Поэтому в нашем случае используется печь с основной футеровкой, так как ПФ ТОО “Кастинг” не выплавляет сталь для фасонного литья, а выплавляет сталь для прокатного стана. Планируется ввести в эксплуатацию прокатный стан для производства строительной арматуры и мелкосортовой продукции. В дальнейшем планируется освоить производство проволоки и труб большого диаметра для нефтегазовой отрасли.

Рассматриваемая нами печь является основной дуговой печью. Плавку в ней проводят на углеродистой шихте (с окислением примесей). Такую технологию чаще всего применяют для производства конструкционных углеродистых сталей. Конструкционная сталь - сталь, предназначенная для изготовления деталей машин и механизмов. Плавку проводят за 2 периода: окислительный и восстановительный. Данная технология также носит название технология плавки на свежей шихте с окислением и применяется на печах малой и средней ёмкости при выплавке качественных легированных сталей. Плавка состоит из следующих периодов (этапов):

1.заправка печи;

2.загрузка печи;

3.плавление;

4.окислительный период;

5.восстановительный период;

6.выпуск стали.

Заправка - исправление изношенных и повреждённых участков футеровки пода.

После заправки печи, удаления остатков металла и шлака предыдущей плавки, исправления повреждённых мест футеровки в печь загружают шихту: стальной лом (до 90 %), чушковый передельный чугун (до 10%),электродный бой или кокс для науглероживания металла и 2 - 3% извести. По окончании завалки шихты электроды опускают вниз и включают ток. Шихта под электродами плавится, металл накапливается на подине печи. Во время плавления шихты начинается окислительный период плавки: за счёт кислорода воздуха, окислов шихты и окалины окисляется углерод, железо, кремний, марганец, Вместе с окисью кальция, содержащейся в извести, окислы этих элементов образуют основный железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла.

После нагрева металла и шлака до 1500 - 1540^oC в печь загружают руду и известь. Содержащийся в руде кислород интенсивно окисляет углерод и вызывает кипение ванны жидкого металла за счёт выделяющихся пузырьков окиси углерода. Шлак вспенивается (шлак металлургических расплавов - после затвердевания камневидное или стекловидное вещество, покрывающее при плавке поверхность жидкого металла), уровень его повышается. Для выпуска шлака печь наклоняется в сторону рабочего окна, и он стекает в шлаковую чашу. Кипение металла ускоряет нагрев ванны, удаление из металла газов, неметаллических включений, способствует удалению фосфора. Шлак удаляют, руду и известь добавляют 2 - 3 раза. В результате содержание фосфора в металле снижается до 0,01% и одновременно за счёт образования окиси углерода при кипении уменьшается содержание углерода. Когда содержание углерода становится меньше заданного на 0,1%, кипение прекращают и полностью удаляют из печи шлак. Этим заканчивается окислительный период плавки.

Восстановительный период плавки включает раскисление металла, удаление серы и доведение химического состава до заданного. После удаления окислительного шлака в печь подают ферромарганец в количестве, обеспечивающем заданное содержание марганца в стали, а также производят науглероживание, если выплавляют высокоуглеродистые стали (до 1,5%).

Затем в печь загружают флюс, состоящий из извести, плавикового шпата и шамотного боя. Флюс - материал, вводимый в плавильные печи или ковши для образования жидких шлаков, очищающих металл от нежелательных примесей. После расплавления флюсов и образования шлака в печь вводят раскислительную смесь, состоящую из извести, плавикового шпата, молотого кокса и ферросилиция. Молотый кокс и ферросилиций вводят в порошкообразном виде. Они очень медленно проникают через слой шлака. В шлаке восстанавливается закись железа

(1)

При этом содержание закиси железа в шлаке снижается, и она из металла согласно закону распределения начинает переходить в шлак. Этот процесс называют диффузионным раскислением стали. Раскислительную смесь вводят в печь несколько раз. По мере раскисления и понижения содержания FeO цвет шлака изменяется, и он становится почти белым. Раскисление под белым шлаком длится 30 - 60 минут.

Во время восстановительного периода сера удаляется из металла, что объясняется высоким (до 55 - 60%) содержанием CaO в металле и низким (менее 0,5%) содержанием FeO. Это способствует интенсивному удалению серы из металла.

По ходу восстановительного процесса берутся пробы для определения химического состава металла. При необходимости в печь вводят ферросплавы для достижения заданного химического состава стали. Когда достигнуты заданные состав металла и температура, выполняют конечное раскисление стали алюминием и силикокальцием. После этого следует выпуск металла из печи в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов. Порядок ввода определяется сродством легирующих элементов к кислороду. Никель и молибден обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо, их вводят в период плавления или в окислительный период. Хром легко окисляется, и его вводят в восстановительный период; кремний, ванадий, титан - перед выпуском металла из печи в ковш, так они легко окисляются.

Процесс плавления стали наглядно представлен в следующем рисунке:

Рисунок 2 - Технологическая схема производства стали в дуговой сталеплавильной печи.

Дуговые печи, являющиеся плавильными агрегатами периодического действия, в основном используются для плавки стали, а в ряде случаев чугуна в литейных цехах. На заводе ПФ ТОО “Кастинг” печь ДСП-25Н5 используется для выплавки стали.

На заводе ПФ ТОО “Кастинг” загрузка печи производится двумя корзинами. В первой корзине на дне лежит известняк, во второй - коксик, после чего идёт металл.

1 корзина

2 корзина

Основным материалом для электроплавки является стальной лом. Лом не должен быть сильно окисленным, так как наличие большого количества ржавчины вносит в сталь значительное количество водорода. В зависимости от химического состава лом необходимо рассортировать на соответствующие группы. Основное количество лома, предназначенное для плавки в электропечах, должно быть компактным и тяжеловесным. При малой насыпной массе лома вся порция для плавки не помещается в печь. Приходится прерывать процесс плавки и подгружать шихту. После частичного расплавления первой корзины засыпают вторую. Это увеличивает продолжительность плавки, приводит к повышенному расходу электроэнергии, снижает производительность электропечей.

Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную ее часть ближе к электродам загружают крупные куски (40 %), ближе к откосам средний лом (45%), на подину и наверх загрузки мелкий лом (15%). Мелкие куски должны заполнять промежутки между крупными кусками.

Углерод в завалке не должен превышать 0,4%.

Габаритный лом нельзя класть наверх, так как это сопутствует быстрому износу электродов (большая вероятность их поломки). На дне должно быть 2 тонны мягкой стружки. Загрузка печи должна быть минимальной 3 - 5 минут.

После окончания завалки опускают электроды и включают ток. Металл под электродами разогревается, плавится и стекает вниз, собираясь в центральной части подины. Электроды прорезают в шихте колодцы, в которых скрываются электрические дуги. Под электроды забрасывают известь для наведения шлака, который закрывает обнаженный металл, предохраняя его от окисления. Постепенно озеро металла под электродами становится все больше. Оно подплавляет куски шихты, которые падают в жидкий металл и расплавляются в нем. Уровень металла в печи повышается, а электроды под действием автоматического регулятора поднимаются вверх. Продолжительность периода расплавления металла равна 1 - 3 ч в зависимости от размера печи и мощности установленного трансформатора. В период расплавления трансформатор работает с полной нагрузкой и даже с 15 % перегрузкой, допускаемой паспортом, на самой высокой ступени напряжения. В этот период мощные дуги не опасны для футеровки свода и стен, так как они закрыты шихтой. Остывшая во время загрузки футеровка может принять большое количество тепла без опасности ее перегрева. Для ускорения расплавления шихты используют различные методы. Например, применяют топливные мазутные или газовые горелки, которые вводят в печь либо через рабочее окно, либо через специальное устройство в стенах. Применение горелок ускоряет нагрев и расплавление шихты, особенно в холодных зонах печи. Продолжительность плавления сокращается на 15--20 мин. Эффективным методом является применение газообразного кислорода. Кислород подают в печь как через стальные футерованные трубки в окно печи, так и при помощи фурмы, опускаемой в печь сверху через отверстие в своде. Расплавляют металл до температуры 1550^оС. Берут пробу на анализ и скачивают шлак. Берут кислородное конье диаметром 18мм и опускают его в металл на 20см, при давлении 6 - 8 атмосфер подают кислород (1 атмосфера равна 760мм ртутного столба). Использование кислорода уменьшает длительность нагрева печи. Период расплавления сокращается на 20 - 30 мин, а расход электроэнергии на 60 - 70 кВтч на 1 т стали.

Для наведения повторного шлака бросают известь 5 лопат и кокс 2 лопаты. Всё это проделывают 4 раза через каждые 5 минут в 10 - тонную печь. Следовательно, на ДСП-25Н5 - 12,5 лопат извести, 5 лопат кокса за раз.

Наведение пенистого шлака

(2)

Шлак, как и свод, удерживает температуру металла до 10^оС в минуту и даже больше при дутье кислородом. При температуре 1600^оС дутье кислородом понижает углерод. Чем больше температура в печи, тем больше уходит углерода из металла.

Фосфор убираем при реакции

(3)

В основном шлаке кальция в 3 раза больше, чем кремния. Шлака убирают 60 - 70%, остальной шлак закрывает поверхность металла. Отправляют анализ на углерод и продолжают при температуре 1600^оС наводить шлак, который скачивают при температуре 1650^оС. Сливают металл в ковш. Ферросплавы в печь не вводятся, а подаются в печь - ковш.

После выпуска стали из печи через объём металла в ковше продувают аргон, который подают либо через пористые пробки, зафутерованные в днище, либо через швы кладки подины ковша. Продувка стали в ковше аргоном позволяет выровнять температуру и химический состав стали, понизить содержание водорода, удалить неметаллические включения, что в конечном итоге позволяет повысить механические и эксплуатационные свойства стали.