Инновационное металлургическое оборудование. Сталеплавильное производство

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ИННОВАЦИОННОЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ 
ОБОРУДОВАНИЕ 
СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023

Рекомендовано ученым советом ГОУВПО «Донецкий 
национальный технический университет» в качестве 
учебного пособия для обучающихся образовательных 
учреждений высшего образования  
(протокол № 1 от 1 апреля 2022 г.) 
УДК 669.18 
ББК 34.327 
И66 
 
 
 
Авторы: 
Еронько С. П., Ошовская Е. В., Бедарев С. А.,  
Ткачев М. Ю., Стародубцев Б. И. 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой наземных  
транспортно-технологических комплексов и средств ГОУ ВПО «ДОННАСА» 
Пенчук Валентин Алексеевич; 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой  
электрометаллургии ГОУВПО «ДОННТУ»  
Троянский Александр Анатольевич 
 
И66   
Инновационное металлургическое оборудование. Сталеплавильное производство : учебное пособие / [Еронько С. П. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 276 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1136-3 
 
Изложена современная методология конструирования новых перспективных образцов оборудования для реализации передовых технологий выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали. Приведены методики расчета основных параметров устройств, входящих в 
технологический комплекс оборудования, эксплуатируемого в сталеплавильном производстве, и обозначены пути его дальнейшего совершенствования и развития. 
Для студентов технических специальностей высших учебных заведений, аспирантов и молодых ученых. 
 
УДК 669.18 
ББК 34.327 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1136-3 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ…………………………………………………………………… 
6 
РАЗДЕЛ I 
СОВРЕМЕННАЯ МЕТОДОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ НОВОГО 
МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО  
ПРОИЗВОДСТВА…………………………………………………………………. 8 
ГЛАВА 1. Особенности современных технологических процессов стали  
и пути их развития………………………………………………………………….. 8 
1.1. Краткий анализ современных технологий выплавки стали…………… 8 
1.2. Эффективные способы обработки стали перед ее разливкой………… 10 
1.3. Непрерывная разливка стали…………………………………………… 12 
1.4. Приоритетные направления дальнейшего развития оборудования  
для реализации эффективных технологий сталеплавильного 
производства………………………………………………………………….. 13 
ГЛАВА 2. Физическое моделирование как метод проверки правильности  
принимаемых технических решений при создании нового технологического  
оборудования………………………………………………………………………. 16 
2.1. Краткие сведения из теории подобия………………………………….. 16 
2.2. Критерии подобия……………………………………………………….. 17 
2.3. Метод анализа размерностей…………………………………………… 19 
2.4. Основные этапы физического моделирования………………………… 
21 
ГЛАВА 3. Использование теории математических моделей и методов  
вычислительного эксперимента при разработке новых машин и агрегатов…... 23 
3.1. Основные этапы математического моделирования…………………… 23 
3.2. Математическое моделирование теплового состояния элементов  
машин и механизмов методом конечных разностей………………………. 25 
3.3. Исследование напряженно-дефомированного состояния деталей  
машин и механизмов методом конечных элементов………………………. 32 
3.4. Получение и обработка экспериментальных данных о прочностных  
характеристиках деталей и узлов механических систем…………………... 46 
3.5. Методы оценки погрешности результатов моделирования…………... 59 
ГЛАВА 4. Применение средств компьютерной графики при проектировании 
металлургического оборудования………………………………………………... 63 
4.1. Характеристика современных САПР………………………………….. 64 
4.2. Программное обеспечение компьютерного проектирования………… 68 
4.3. Эффективность новых методов компьютерного проектирования…… 81 
РАЗДЕЛ II  
РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ  
ИННОВАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО 
ПРОИЗВОДСТВА………………………………………………………………... 83 
ГЛАВА 5. Расчет и конструирование механизмов кислородного конвертера  
для переработки некачественной шихты и металлсодержащих отходов……… 83 
3 
 

5.1. Перспективы и проблематика использования сталеплавильных  
агрегатов в условиях ухудшения качества шихтовых материалов……….. 83 
5.2. Совершенствование конструкции и расчет энергосиловых  
параметров механизма вращения корпуса кислородного конвертера  
относительно наклоненной продольной оси………………………………. 86 
5.3. Совершенствование конструкции и расчет энергосиловых  
параметров комбинированного механизма качания фурмы конвертера  
для вдувания в его ванну порошкообразной извести в струе кислорода… 93 
5.4. Разработка новой конструкции и расчет параметров системы  
газодинамической отсечки шлака при сливе стали из кислородного  
конвертера через его горловину…………………………………………… 102 
ГЛАВА 6. Разработка систем отсечки конечного шлака при выпуске стали  
из кислородного конвертера через выпускной канал………………………….. 112 
6.1. Необходимость и основные способы отсечки конвертерного  
шлака………………………………………………………………………… 112 
6.2. Расчет конструктивных и силовых параметров затвора  
для удержания шлака в полости кислородного конвертера……………… 
114 
6.3. Разработка конструкции и расчет манипулятора для реализации  
отсечки шлака с использованием элементов поплавкового типа………... 
128 
6.4. Конструкция и расчет параметров системы газодинамичекой  
отсечки конечного конвертерного шлака…………………………………. 148 
ГЛАВА 7. Шиберные затворы сталеразливочных ковшей и оборудование  
для их обслуживания…………………………………………………………….. 157 
7.1. Конструктивные особенности современных шиберных систем  
сталеразливочных ковшей и расчет их параметров……………………… 157 
7.2. расчет энергосиловых параметров системы механизированной  
подачи стартовой смеси в канал ковшового стакана…………………….. 172 
ГЛАВА 8. Расчет и конструирование манипуляторов для замены защитных  
огнеупорных труб, экранирующих струю стали при ее переливе  
из разливочного ковша в промежуточный ковш……………………………….. 
185 
8.1. Необходимость и способы защиты стали от вторичного окисления  
на участке разливочный ковш - промежуточный ковш МНЛЗ…………. 185 
8.2. Разработка усовершенствованной конструкции манипулятора  
для удержания и замены защитных огнеупорных труб………………….. 189 
8.3. Расчет параметров привода усовершенствованного манипулятора… 
191 
8.4. Экспериментальная проверка эффективности функционирования  
усовершенствованной манипуляционной системы………………………. 192 
ГЛАВА 9. Расчет и конструирование систем быстрой смены  
стаканов-дозаторов на промежуточных ковшах сортовых МНЛЗ……………. 197 
9.1. Повышение серийности непрерывной разливки стали  
как перспективный метод увеличения производительности  
современных МНЛЗ………………………………………………………… 197 
4 
 

9.2. Требования, предъявляемые к разливочным системам  
промежуточных ковшей МНЛЗ, и анализ результатов  
их эксплуатации…………………………………………………………….. 198 
9.3. Разработка усовершенствованной системы быстрой смены  
стаканов-дозаторов…………………………………………………………. 202 
9.4. Расчет основных технологических нагрузок при работе  
разливочной системы………………………………………………………. 203 
ГЛАВА 10. Расчет и конструирование системы аварийного закрытия  
ручья сортовой МНЛЗ при разливке стали с экранированием струи………… 211 
10.1. Необходимость экранирования струи стали от окружающей  
атмосферы на участке промежуточный ковш  кристаллизатор МНЛЗ  
и способы ее реализации…………………………………………………… 211 
10.2. Методика расчета силовых параметров системы аварийного  
закрытия ручья МНЛЗ……………………………………………………… 212 
10.3. Экспериментальная проверка правильности принятого  
технического решения и корректности полученных теоеретических  
зависимостей………………………………………………………………... 215 
ГЛАВА 11. Расчет и конструирование систем быстрой смены погружных  
стаканов на промежуточных ковшах слябовых МНЛЗ………………………... 222 
11.1. Расчет конструктивных и энергосиловых параметров системы  
быстрой смены погружных стаканов……………………………………… 222 
11.2. Конструирование и расчет манипулятора для механизированной  
замены погружных стаканов, размещаемого сбоку промежуточного  
ковша………………………………………………………………………… 231 
11.3. Конструирование и расчет манипулятора для механизированной  
замены погружных стаканов, размещаемого перед промежуточным  
ковшом МНЛЗ………………………………………………………………. 239 
ГЛАВА 12. Разработка оборудования механизированной подачи  
шлакообразующих смесей в кристаллизаторы машин непрерывного  
литья заготовок…………………………………………………………………… 250 
12.1. Системы механизированной подачи шлакообразующей смеси  
в кристаллизаторы сортовой и блюмовой МНЛЗ………………………… 250 
12.2. Разработка систем механизированной подачи ШОС  
в кристаллизаторы слябовых МНЛЗ………………………………………. 264 
12.3. Разработка систем механизированной подачи ШОС нового  
поколения……………………………………………………………………. 270 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………... 274 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
За прошедшие годы с момента выхода в свет учебника «Машины и агрегаты сталеплавильных цехов», изданного коллективом известных ученых 
ВНИИметмаша (1988 г.), и учебника «Механическое оборудование сталеплавильных цехов», подготовленного сотрудниками кафедры МОЗЧМ Донецкого 
политехнического института (1986 г.), в сталеплавильном производстве произошли существенные структурные изменения, обусловленные перераспределением объемов стали, выплавляемой различными способами; появлением 
большого числа мини металлургических заводов; повсеместным внедрением в 
практику прогрессивных методов внепечной обработки металла, а также переходом на непрерывную разливку. 
К настоящему времени завершен переход на новый технологический цикл 
производства металла, в соответствии с которым кислородный конвертер или 
дуговую печь используют в качестве плавильных агрегатов для получения полупродукта, доводимого до кондиции заданной марки стали в ходе последующих технологических операций, выполняемых на установках «ковш-печь» и 
вакуумной обработки. Для успешной реализация такой технологии производства металла потребовалось внесение целого ряда изменений в конструкцию 
плавильных агрегатов, а также оборудование их дополнительными механизмами и устройствами, позволяющими интенсифицировать тепло-массообменные 
процессы, протекающие в жидкой металлической ванне во время проведения 
плавки, и ослабить действие факторов, негативно влияющих на физикохимические свойства получаемой стали. Речь идет о газокислородных горелках 
и эркерных устройствах электродуговых печей и различных системах отсечки 
конечного технологического шлака при выпуске металла из кислородных конвертеров. 
Быстрыми темпами развивалась непрерывная разливка стали, играющая 
ключевую роль в современном сталеплавильном производстве. Повышение 
производительности цехов и улучшение качества выпускаемой продукции обусловили необходимость увеличения скорости литья заготовок, серийности разливки и обеспечения защиты стали от вторичного окисления на участках разливочный ковш  промежуточный ковш - кристаллизатор. Реализация поставленных задач стала возможной благодаря совершенствованию всего комплекса 
оборудования, входящего в состав машин непрерывного литья заготовок. К 
важным достижениям в области непрерывной разливки стали следует отнести 
внедрение эффективных систем, обеспечивающих регулируемый перелив металла из разливочного ковша в промежуточный и далее в кристаллизатор  (кассетные затворы, устройства быстрой замены дозирующих и погружных стаканов); улучшение условий формирования поверхности непрерывно литой заготовки и ее структуры (устройства механизированной подачи шлакообразующих 
и утеплительных смесей на зеркало металла в кристаллизаторе, гидравлические 
механизмы его качания, а также автоматического изменения размеров сечения 
и мягкого обжатия  кристаллизующегося слитка). 
6 
 

Кардинальные изменения, внесенные в технологию производства стали, а 
также существенное обновление парка механического оборудования сталеплавильных цехов потребовали введение в учебный процесс подготовки магистров 
по направлению «Технологические машины и оборудование» новой дисциплины «Инновационное металлургическое оборудование», состоящей из трех частей, содержащих материалы по доменному, сталеплавильному и прокатному 
переделам. 
В настоящем учебном пособии авторы обобщили результаты исследований, посвященных расчету и конструированию нового механического оборудования, нашедшего применение в современных сталеплавильных цехах. При 
этом сделан акцент на собственные разработки, связанные с созданием конструкций технических систем, позволяющих добиться решения технологических задач выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали с 
меньшими временными, материальными и трудовыми затратами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7 
 

РАЗДЕЛ I 
 
 
СОВРЕМЕННАЯ МЕТОДОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ 
НОВОГО МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ  
СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА 
 
 
ГЛАВА 1 
 
ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ И ПУТИ ИХ РАЗВИТИЯ 
 
1.1. Краткий анализ современных технологий выплавки стали 
 
Развитие металлургического производства при современном уровне экономик стран, входящих в первую двадцатку государств и являющихся главными потребителями стальной продукции, сопровождается обострением конкуренции на мировом рынке металла, в условиях которой первостепенное значение приобретает достижение разумного баланса между двумя показателями - 
ценой и качеством продаваемого листового и сортового проката. Обеспечить 
требуемое качество поставляемой металлопродукции при приемлемой для покупателя цене можно только в случае использования передовых ресурсосберегающих технологий выплавки, внепечной обработки и разливки стали, что 
предопределило проведение существенных структурных изменений в сталеплавильном производстве. При этом среднегодовая выплавка стали на один конвертер увеличилась с 435 до 1041 тыс. т, т. е. в 2,4 раза. Среднегодовая выплавка стали на одну электропечь возросла с 42 до 313 тыс. т, т. е. в 7,5 раза. Таких 
показателей удалось достичь благодаря переходу на новый технологический 
цикл получения готового металла, в соответствии с которым кислородный конвертер или дуговую печь используют в качестве плавильных агрегатов для получения полупродукта, доводимого до кондиции заданной марки стали в ходе 
последующих технологических операций, выполняемых на установках «ковшпечь» и вакуумной обработки. 
Анализ показывает, что в наибольшей степени возросла производительность дуговых электропечей, продолжительность плавки в которых находится в 
пределах 45-60 минут. Все шире в состав шихты, используемой в электросталеплавильном производстве, наряду с металлическим ломом применяют жидкий чугун, что вносит свои особенности в реализацию процесса получения стали в дуговой печи. 
Новейшей разработкой в конструкциях высокопроизводительных электродуговых печей является система комбинированных горелок, которая предназначена для вдування кислорода и углерода в ванну плавильного агрегата. Она 
идеально дополняет подвод мощности электрической дуги экзотермической 
8 
 

энергией химических реакций подаваемых в печь топлива или газа, кислорода и 
углерода. Узел комбинированной горелки в сборе включает в себя выносную 
панель, на которой устанавливается горелка и фурма для вдування углерода. 
Конструкция выносной панели обладает рядом преимуществ в сравнении с 
известными системами: 
 заданное расстояние между струями кислорода/углерода и огнеупорной 
футеровкой сводит к минимуму ее износ; 
 идеальное расположение края фурмы по отношению к ванне жидкой стали обеспечивает образование ламинарной сверхзвуковой струи кислорода длиной до 1,8 м. Схема расположения выносных панелей обеспечивает многоточечное вдувание с интенсивным перемешиванием ванны; 
 геометрические параметры выносной панели обеспечивают угол падения 
струи кислорода и углерода, при котором они заглубляются в шлак и ванну жидкой стали, интенсифицируя химические реакции. 
Отмеченные особенности продувочной системы электродуговой печи дают 
следующие технологические преимущества: 
 обеспечивается быстрое и стабильное вспенивание ванны; 
 сокращается время под током и значительно уменшаются операционные 
затраты; 
 работа с закрытым окном позволяет сократить потери энергии и подсос 
воздуха в рабочее пространство печи; 
 возможность обезуглероживания и повторного науглероживания стали в 
случае необходимости; 
 высокая степень безопасности персонала; 
 быстрая окупаемость капиталовложений. 
В последнее время особое внимание при выплавке стали в дуговых печах 
деляют отсечке конечного щлака. Наиболее высокие показатели эффективности 
отсечки шлака при эксплуатации электродуговых печей достигаются в случае 
установки на них затворов, обеспечивающих управляемый донный выпуск стали без поворота корпуса печи. Такой выпуск металла позволяет сократить длительность плавки на 5-7 минут, уменьшить расходы электроэнергии на 6-10 , 
огнеупоров на 12-16  и шлакообразующих на 14-16 . 
Конвертерное производство стали по-прежнему обладает наибольшим потенциалом в сталеплавильном секторе в связи с наибольшей надежностью и 
экономичностью. Вместе с тем повышение нормативов по охране окружающей 
среды требует увеличения инвестиций в конвертерных цехах в системы газоочистки, которые должны соответствовать не только современным экологическим нормам, но иметь запас на будущее, так как понесенные затраты в данной 
области будут окупаться в долгосрочной перспективе. 
В условиях растущего рынка задача увеличения производительности и 
снижения производственных затрат при выплавке конвертерной стали будет 
решаться за счет оптимизации расходных показателей, что требует обновления 
технологий и роста уровня модернизации плавильного агрегата благодаря при9 
 

менению таких технологических приспособлений, как системы донной продувки  расплава аргоном и отсечки конечного шлака при выпуске стали. 
С целью повышения надежности оборудования и снижения затрат на его 
обслуживание в ближайшее время потребуется достижение максимального 
уровня автоматизации производственного процесса, что позволит оптимизировать взаимодействие между механическими и управляющими системами. 
 
1.2. Эффективные способы обработки стали перед ее разливкой 
 
В настоящее время используется несколько способов внепечной (внеагрегатной) обработки стали, которые относят к так называемой вторичной металлургии. Эти способы запатентованы и имеют свое обозначение в виде комбинации заглавных букв латинского алфавита. 
AOD (Argon Oxygen Decarburization)  процесс обезуглероживания расплава аргоном и кислородом, которые вдуваются в различном соотношении через сопла в ванну расплава. 
ASM (Argon Secondary Metallurgy) - вторичная обработка стали аргоном, 
предполагающая донную продувку металла через коаксиальную фурму кислородом в защитной оболочке из азота или аргона. 
VODC (Vacuum Oxygen Decarburization Converter) - вакуумное фришевание в кислородном конвертере. 
VD (Vacuum Degassing) - вакуумная дегазация стали с размещением ковша 
в специальной герметичной камере. 
VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) - обезуглероживание кислородом 
под вакуумом. 
VAD (Vacuum Arc Degassing) - дуговой нагрев стали в ковше под вакуумом. 
RH (Vacuum Circulation Process) - вакуумный циркуляционный способ. 
AP (Argon Purging) - продувка стали в ковше аргоном. 
IP (Injection Process)  инжекционный процесс с вводом порошкообразных 
реагентов. 
LF (Ladle Furnace)  дуговой нагрев стали в коше (установка «ковш-печь»). 
Данные агрегаты не только получили широкое внедрение на многих металлургических предприятиях ведущих зарубежных фирм и корпораций, но и 
постоянно совершенствуются с целью повышения эффективности их применения за счет улучшения технико-экономических показателей. Глубоким инновационным усовершенствованиям подверглись в последнее время установки 
«ковш-печь» и агрегаты вакуумной дегазации. 
Установка «ковш-печь» (УКП) или агрегат LF, впервые появившаяся в 
Японии, за относительно короткий промежуток нашла применение в сталеплавильных цехах большинства известных производителей качественных сталей. В 
мире в настоящее время число находящихся в эксплуатации установок «ковшпечь» превысило 230. 
В большинстве случаев на УКП осуществляют следующие операции: 
10