Тундель в сталеплавлении: важная роль в непрерывном литье и качестве стали

Определение и Основная концепция

Тундиш — это важный промежуточный сосуд, используемый в сталеплавильном производстве, выполняющий роль резервуара, временно удерживающего расплавленный металл, перенесённый из первичной очаговой печи, такой как конвертер или электропечи. Его основная задача — способствовать непрерывному разливу, выступая в качестве регулирующего устройства управляемого потока, обеспечивая стабильную и равномерную подачу жидкой стали на формовочные машины. Расположенный между сталеплавильной печью и формой, тундиш играет важную роль в поддержании стабильности процесса, контроле температуры и управлении взаимодействиями шлака и металла during перехода от рафинирования к затвердеванию.

В общей цепочке производства стали тундиш расположен после основных этапов плавления и рафинирования и до процесса непрерывного литья. Он действует как буфер, сглаживая колебания в потоке стали, температуре и составе, что повышает качество продукции и эффективность процесса. Его работа влияет на конечные свойства стали, качество поверхности и внутреннюю микроструктуру, делая его незаменимым компонентом современных операций непрерывного литья.

Технический дизайн и эксплуатация

Основная технология

Инженерные принципы, лежащие в основе тундиша, основаны на гидродинамике, термодинамике и refractory-технологии. Его конструкция направлена на оптимизацию контроля потока, удержание температуры и разделение шлака и металла, при этом минимизируя турбулентность и включения.

Ключевые технологические компоненты включают корпус тундиша, рефрактерное покрытие, устройства управления потоком (например, слайды или стопорные стержни) и вспомогательные системы, такие как обкладки ковша или крышки тундиша. Корпус обеспечивает структурную поддержку и теплоизоляцию, а рефрактерное покрытие защищает сосуд от высокотемпературной коррозии и термического удара. Устройства управления потоком регулируют вход и выход расплавленной стали, обеспечивая равномерный поток и предотвращая турбулентность, которая могла бы захватывать шлак или включения.

Основные рабочие механизмы включают управляемую заливку из печи, регулируемый поток через слайд или стопорный стержень и стабильный сброс в форму. Расплавленная сталь поступает в тундиш, где временно хранится и гомогенизируется, прежде чем быть выпущенной в форму через управляемый выход. Внутренний поток внутри тундиша спроектирован так, чтобы способствовать разделению шлака, снижать турбулентность и предотвращать попадание включений в форму.

Параметры процесса

Ключевые переменные процесса включают температуру, скорость потока, толщину шлака и состав стали. Типовые эксплуатационные температуры варьируются от 1 600°C до 1 650°C в зависимости от марки стали и требований процесса. Скорость потока обычно поддерживается в диапазоне 0,5–2,0 метров в минуту, обеспечивая стабильную подачу без возникновения турбулентности.

Контроль температуры достигается с помощью рефрактерной изоляции, аргонового или электромагнитного перемешивания, что помогает поддерживать равномерную температуру и снижать тепловые градиенты. Толщина шлака контролируется для оптимизации разделения шлак/металл и обычно составляет несколько сантиметров для облегчения удаления включений.

Системы управления используют датчики и автоматизацию для мониторинга таких параметров, как температура, скорость потока и уровень шлака. Современные тундиши используют компьютерные системы управления, которые в реальном времени регулируют устройства управления потоком, обеспечивая стабильную работу и качество продукции.

Конфигурация оборудования

Типичные конфигурации тундиша включают прямоугольные, квадратные или круглые сосуды, размеры которых подбираются в соответствии с производственной мощностью и скоростью литья. Например, стандартный тундиш может иметь вместимость от 3 до 10 тонн, с соотношением длины к ширине, оптимизированным для потока и разделения шлака.

Вариации конструкции эволюционировали от простых сосудов с рефрактерным покрытием до сложных систем с многотоннелачными или многокамерными системами, улучшающими контроль потока и удаление включений. Некоторые установки включают электромагнитные или механические устройства перемешивания для повышения однородности.

Вспомогательные системы включают кожухи для защиты от окисления стали при передаче, крышки тундиша для минимизации теплопотерь и загрязнений, а также системы инжекции аргона для перемешивания и флотации включений. Реактрированные слои подбираются в соответствии с химией стали и рабочими температурами, зачастую из аллюминатных или магнезитных материалов.

Химия процесса и металлургия

Химические реакции

Во время работы тундиша основные химические реакции минимальны, но включают процессы окисления и восстановления на поверхности стали и в интерфейсе шлак-металл. Воздействие атмосферного кислорода может привести к окислению легирующих элементов, таких как марганец, кремний или алюминий, что можно снизить с помощью инертного газа.

Термодинамически стабильность компонентов шлака и восстановление оксидов зависят от температуры, кислородного потенциала и состава шлака. Кинетически скорость окисления или образования включений зависит от турбулентности потока и времени пребывания внутри тундиша.

Значимыми побочными продуктами реакции являются оксиды, сульфиды и включения, которые могут быть захвачены в стали, если ими неправильно управлять. Правильный состав шлака и контроль потока минимизируют нежелательные реакции и захват включений.

Металлургические превращения

Ключевые металлургические изменения включают гомогенизацию температуры и состава, удаление включений и развитие микроструктуры. Тундиш способствует растворению и флотации включений, способствуя получению чистой стали.

Микроструктурно процесс стимулирует формирование однородных зернистых структур за счет контроля охлаждаемых скоростей и потоков. Фазовые превращения, такие как образование феррита или бейнита при последующем затвердевании, зависят от температуры и стабильности состава, поддерживаемой в тундише.

Эти превращения прямо влияют на механические свойства, такие как ударная вязкость и пластичность, а также на качество поверхности. Правильный контроль среды тундиша обеспечивает соответствие финальной стали желаемым металлургическим характеристикам.

Взаимодействия материалов

Взаимодействия между расплавленной сталью, шлаком, рефрактерным слоем и атмосферой критичны для стабильности процесса. Металл может реагировать с refractory материалами при высокой температуре, приводя к их разрушению и возможному загрязнению.

Взаимодействия шлак-металл влияют на формирование и удаление включений. Шлак действует как защитный слой, поглощая примеси и способствуя флотации включений. Однако избыточный шлак может вызвать окисление или утрату легирующих элементов.

Атмосферные газы, преимущественно кислород и азот, могут растворяться в стали, влияя на состав и свойства. Для контроля нежелательных взаимодействий используют инертную газовую пургу (например, аргон), тщательно выбирают refractory материалы, и оптимизируют состав шлака.

Механизмы, такие как флотация включений, декантация шлак-металл и управление атмосферой, применяются для минимизации загрязнений и обеспечения качества стали.

Поток процесса и интеграция

Входные материалы

Основные входные материалы включают расплавленную сталь из печи, refractory материалы и вспомогательные газы, такие как аргон. Спецификации стали определяют состав, температуру и чистоту, необходимые для процесса.

Обработка включает передачу из ковша, обеспечивая минимальные потери температуры и загрязнения. Сталь предварительно подогревают и дегазируют перед заливкой в тундиш для поддержания стабильности процесса.

Качество входных материалов напрямую влияет на производительность процесса; примеси или отклонения температуры могут привести к включениям, сегрегации или неоднородному потоку. Постоянная подготовка входных материалов важна для оптимальной работы.

Последовательность процесса

Операционная последовательность начинается с заливки расплавленной стали из печи в тундиш через ковш или транспортное средство. Поток регулируется через слайд или стопорный стержень, с постоянным контролем температуры и уровня шлака.

Сталь удерживается в тундише за определенное время, в течение которого происходит гомогенизация, удаление включений и стабилизация температуры. Затем начинается поток в форму с корректировками для поддержания стабильной скорости литья.

Циклы зависят от длины литья и параметров процесса, обычно занимают от нескольких минут до более десяти минут на ковш. Процесс синхронизирован с линией непрерывного литья для оптимизации производительности.

Точки интеграции

Тундиш взаимодействует с upstream единицами сталеплавления (BOF, EAF или ковшовая печь) и downstream формами непрерывного литья. Поток материала включает передачу ковшом, регулировку потока и подачу в форму.

Информационный поток включает параметры процесса, температуру и данные о составе, передаваемые системам управления для оперативных корректировок. Буферные системы, такие как промежуточные ковши или бассейны тундиша, компенсируют колебания и обеспечивают непрерывную работу.

Время промежуточного хранения или повторного подогрева может использоваться для управления вариациями процесса, поддерживая стабильный поток и равномерное качество стали на протяжении всего цикла производства.

Эксплуатационные показатели и управление

Параметр производительности	Типичный диапазон	Факторы влияния	Методы контроля
Температура	1600°C – 1650°C	Класс стали, тепловые потери, перемешивание	Термопары, аргоновое перемешивание, контроль изоляции
Скорость потока	0,5 – 2,0 м/мин	Конструкция тундиша, открытие затвора, вязкость	Автоматическое регулирование потока, датчики
Толщина шлака	2 – 5 см	Химия шлака, перемешивание, температура	Датчики уровня шлака, контроль добавления шлака
Содержание включений	< 10 ppm	Чистота шлака, турбулентность потока	Флотация включений, оптимизация химии шлака

Параметры работы тесно связаны с качеством продукции. Например, стабильная температура и поток сокращают захват включений и дефекты поверхности.

Мониторинг в реальном времени осуществляется с помощью термопар, расходомеров и датчиков уровня шлака. Передовые алгоритмы управления регулируют поток и перемешивание для поддержания оптимальных условий.

Стратегии оптимизации включают корректировку химического состава шлака, уточнение моделей потока и использование электромагнитного перемешивания для повышения удаления включений и гомогенизации, что способствует максимизации качества стали и эффективности процесса.

Оборудование и техническое обслуживание

Ключевые компоненты

Основные компоненты включают рефрактерную оболочку сосуда, слайд-закрытие или стопорный стержень, устройства управления потоком и вспомогательные системы, такие как инжекторы аргона и механизмы перемешивания. Рефрактерное покрытие обычно изготавливается из аллюминатных или магнезитных кирпичей, предназначенных выдерживать высокие температуры и химические атаки.

Устройства управления потоком изготавливаются из жаропрочных сплавов или керамики, с точным механическим управлением для регулировки потока стали. Системы инжекции аргона включают сопла и диффузоры, способствующие перемешиванию и флотации включений.

Критические детали изнашивания включают рефрактерное покрытие, уплотнения затворов и элементы перемешивания, срок службы которых может составлять от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от условий эксплуатации.

Требования к техническому обслуживанию

Регулярное обслуживание включает инспекцию рефрактерной целостности, замену изношенных компонентов и калибровку систем управления. Плановая рефрактерная облицовка или ремонт необходимы для предотвращения утечек или загрязнений.

Предиктивное обслуживание использует датчики для мониторинга температуры и износа рефрактерных материалов, позволяя своевременно осуществлять вмешательства. Мониторинг состояния включает термографию, акустическую эмиссию и анализ вибраций.

Крупные ремонты могут включать полную замену refractory слоя или капитальный ремонт компонентов, часто выполняемый во время плановых остановок для минимизации срыва производства.

Проблемы эксплуатации

Распространённые проблемы включает деградацию refractory, перенос шлака, захват включений и засоры потока. Причины варьируются от неправильного выбора refractory материала до турбулентности потока или неправильного выравнивания оборудования.

Решение проблем включает систематическую инспекцию, анализ данных процесса и моделирование. Диагностические инструменты включают термографию, визуализацию потока и химический анализ.

Аварийные процедуры при критических отказах, таких как обвал refractory или засорение потока, включают остановку переноса стали, активацию систем безопасности и выполнение contingency-планов для предотвращения аварий и повреждений оборудования.

Качество продукции и дефекты

Качество и характеристики

Ключевые параметры качества включают чистоту стали, качество поверхности, однородность микроструктуры и химический состав. Методы испытаний включают спектрометрию, ультразвуковое инспектирование и металлографию.

Системы классификации качества, такие как стандарты Американского института сталеплавильной промышленности (AISI) или европейские стандарты, делят марки стали по уровню примесей, содержанию включений и механическим свойствам.

Распространённые дефекты

Типичные дефекты, связанные с работой тундиша, включают поверхностные включения, захват шлака, пористость и сегрегацию. Эти дефекты часто возникают из-за турбулентного потока, недостаточной удаленности шлака или загрязнения refractory.

Механизмы образования дефектов включают захват включений при потоке, повторное окисление на поверхности стали или неправильный контроль температуры. Профилактика включает оптимизацию моделей потока, состава шлака и стабильности температуры.

Исправление включает корректировку параметров процесса, применение методов флотации включений и проведение термообработки после литья для улучшения качества стали.

Непрерывное улучшение

Оптимизация процесса включает статистический контроль процессов (SPC) для мониторинга ключевых параметров и выявления отклонений. Анализ корневых причин и методологии Six Sigma способствуют повышению качества.

Кейсы показывают, что внедрение современных датчиков, автоматизации и моделирования процесса может значительно снизить уровень дефектов и повысить чистоту стали.

Регулярное обучение, аудит процессов и обратная связь играют важную роль в поддержании инициатив по непрерывному улучшению.

Энергетика и ресурсы

Энергопотребление

Работа тундиша потребляет энергию в основном за счет нагрева refractory, перемешивания и вспомогательных систем. Типичное потребление энергии составляет от 0,5 до 2,0 ГДж на тонну стали, в зависимости от размера и качества изоляции.

Меры повышения энергоэффективности включают улучшение изоляции refractory, системы рекуперации тепла и оптимизацию методов перемешивания. Новые технологии, такие как электромагнитное перемешивание, могут снизить энергопотребление и повысить контроль процесса.

Ресурсное потребление

Исходные материалы включают металлический лом или расплавленную сталь, refractory кирпичи и инертные газы, такие как аргон. Вода используется для охлаждения и вспомогательных систем, а стратегии рециркуляции и повторного использования снижают общее потребление.

Стратегии повышения ресурсной эффективности включают переработку шлака, восстановление тепла с помощью систем утилизации отходов тепла и оптимизацию использования refractory для увеличения срока службы.

Техники минимизации отходов включают обработку шлака для повторного использования, сбор пыли и правильную утилизацию refractory отходов, что в совокупности снижает экологический след.

Экологическое влияние

Выбросы от работы тундиша минимальны, но включают пыль, refractory отходы и редкие выбросы газов. Контроль выбросов осуществляется через системы фильтрации, пылесборники и правильное управление отходами.

Сбросы líquidos обычно ограничены, но требуют мониторинга на наличие refractory частиц или химических остатков. Твердые отходы, такие как изношенные refractory кирпичи, перерабатываются или утилизируются в соответствии с нормативами.

Соответствие экологическим нормативам включает соблюдение местных стандартов, отчетность о выбросах и внедрение лучших практик в предотвращении загрязнений.