Исследование технологических возможностей увеличения производительности кислородных конвертеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научно-исследовательская работа

Исследование технологических возможностей увеличения производительности кислородных конвертеров



Введение

конвертер кислородный плавка сталь

Мировое производство стали уже с 2010 г. превышает уровень предкризисного 2007 г. 1) В 2013 г. оно достигло 1607,2 млн. т, что на 3,55% превышает уровень 2012 г., при этом производство стали в Китае составило 779 тыс. т, что на 7,5% больше, чем в 2012 г. (724,7). Доля Китая в мировом производстве достигла 48,5% (в 2012 г. - 46,7%). В 2013 г. по сравнению с 2012 г. увеличилось производство стали: в Японии - на 3,1% (с 107,2 до 110,6 млн. т), в Индии - на 5,1% (с 77,3 до 81,2 млн. т), в Африке на 4,6% (с 15,3 до 16,0 млн. т), на ближнем Востоке - на 6,8% (с 24,7 до 26,3 млн. т). В остальных странах Европы, Северной и южной Америки производство снизилось на 0,8 - 2,0%.

В мире использование мощностей по выплавке стали в 2013 г. в течение года колебалось от 81,1 в феврале до 74,2% в декабре.

Российская металлургия развивается в общемировой системе хозяйственных связей и ее состояние в значительной степени зависит от тенденций развития металлургии в целом, что позволяет рассматривать Россию как одного из глобальных игроков на мировом рынке металлопродукции. 5

Одним из важнейших интегральных экономических показателей эффективности производства является рентабельность производимой продукции. В черной металлургии России за последние 20 лет она менялась в очень широких пределах - от 54% после перехода к рыночным отношениям в 1992 г. до 3% перед дефолтом в 1998 г.

С 1999 г. по 2008 г. рентабельность продукции отрасли находилась на достаточно высоком уровне, а в ІІІ квартале 2008 г. (перед началом финансового кризиса) она достигла 32%. Однако в 2009-2013 гг. рентабельность продукции значительно снизилась. 5

Важнейшая внутренняя проблема развития отрасли - быстрый рост себестоимости всех видов продукции. Средняя себестоимость единицы товарной продукции отрасли увеличилась за период 2000-2013 гг. примерно в 5,5 раза.

Необходимо подчеркнуть, что значительное повышение себестоимости товарной продукции отрасли произошло, несмотря на улучшение среднеотраслевых показателей использования всех видов потребляемых и используемых на предприятиях ресурсов в натуральном выражении. Так, за период 2000-2013 гг. произошло снижение удельного расхода кокса в доменном производстве с 462 до 419 кг/т, снизился также расходный коэффициент стали на прокат с 1148 до 1095 кг/т, средний удельный расход электроэнергии на производство электростали и готового проката - примерно на 25 и 17% соответственно, средний удельный расход топлива на производство готового проката ~ на 37%, средняя производительность труда выросла в 1,6 раза, а средний коэффициент использования производственных мощностей в сталеплавильном и прокатном производствах вырос с 72 - 77 до 84 - 85%.

Отметим, однако, что указанные выше положительные изменения произошли, прежде всего, за счет совершенствования структуры производства. Так, например, в сталеплавильном и прокатном производствах это связано главным образом с широким применением непрерывной разливки стали. В то же время показатели традиционных и в том числе сталеплавильных процессов изменились мало или вообще не изменились. Так, средний удельный расход металлошихты сталеплавильного производства за период 1990-2013 гг. даже несколько увеличился, а изменение ее структуры способствовало повышению себестоимости стали. 5



1. Основная технологическая схема производства стали в мире

Первые в мире сталеплавильные цеха, оснащенные конвертерами с кислородным дутьем через погружаемую сверху фурму, были введены в эксплуатацию в австрийских городах Линце (1952 год) и Донавице (1953 год). Собственно, функционирование этих цехов и подтвердило окончательно тот факт, что использование кислорода для переработки чугуна обеспечивает высокую эффективность и производительность сталеплавильного процесса и исключает применение дорогостоящих энергоносителей для нагрева металла.

В Украине в 1956 году на верхнее кислородное дутье был переведен бессемеровский цех на Днепропетровском металлургическом комбинате им. Петровского, а в 1957 г. был пущен в эксплуатацию кислородно-конвертерный цех на «Криворожстали». В настоящее время в Украине шесть конвертерных цехов (металлургические комбинаты «АрселорМиттал Кривой Рог», «Азовсталь», им. Ильича и Днепровский, а также Днепропетровский и Енакиевский металлургические заводы), имеющих в своем составе 16 кислородных конвертеров и один конвертер для газокислородного рафинирования (завод «Днепроспецсталь»). Примечательно то, что в большинстве из них разливка стали осуществляется на МНЛЗ (исключение - «АрселорМиттал Кривой Рог» и Днепропетровский металлургический завод). 6

Одна из отличительных особенностей конвертерного процесса заключается в его высокой интенсивности: периодичность плавки обычно составляет менее 40…45 мин. при массе продукции 100…350 т. Наряду с высокой удельной производительностью широкому и быстрому распространению кислородно-конвертерного процесса способствовала его высокая степень совместимости со способом непрерывной разливки стали. Первый кислородно-конвертерный цех с разливкой всей выплавляемой стали на МНЛЗ был сдан в эксплуатацию наНоволипецком металлургическом комбинате в 1966 году. Видимо, эти конкурентные преимущества и обеспечили весьма быстрое распространение кислородно-конвертерного процесса во всем мире, позволив ему занять доминирующее положение в мировой системе выплавки стали.

В настоящее время в мире эксплуатируется около 280 кислородно-конвертерных цехов, имеющих в своем составе до 700 конвертеров, производящих 65,5% от суммарного мирового объема металла (811 млн. т в 2006 году). При этом, только 18 цехов в мире имеют в своем составе сверхкрупные конвертеры емкостью 290…300 т и более. Четыре из них находятся в России (Череповецкий, Магнитогорский, Новолипецкий и Западносибирский меткомбинаты), четыре - в Японии (JFE Steel, заводы Mizushima и Keihin; NipponSteel, заводы Yawata и Kimitsu), два - в Германии (TKS ThyssenKruppStahl и ArcelorMittal, заводStahlwerkeBremen), по одному - в Украине («Азовсталь»), США (WeirtonSteel), Южной Корее (Posco), Польше (ArcelorMittal, завод HutaKatowice), Великобритании (Corus/TataSteel, завод Scunthorpe), Франции (Arcelor, FossurMer), Индии (компания SAIL, завод Bokaro) и Нидерландах (Corus/TataSteel, завод HoogovensIjmuiden BV). При этом, как показывает практика, конвертерный цех в составе трех 400 тонных конвертеров может обеспечить годовой объем производства на уровне 10 млн. т.

В числе основных производителей стали в кислородных конвертерах следует назвать КНР, Японию, США, Россию, Южную Корею, Бразилию, Украину, Индию и пр. (таблица 1). Обращает на себя внимание тот факт, что 5 ведущих производителей «конвертерщиков» обеспечивают две трети, а 10 ведущих производителей - четыре пятых ее мирового производства. При этом в 2006 году КНР произвела 45% всей конвертерной стали в мире. Это свидетельствует о том, что для конвертерного способа производства характерна высокая концентрация в небольшом количестве промышленно развитых стран. Причем, доля полученной по такой технологии стали в общем объеме производства в этих странах колеблется весьма существенно: от 43,1% (США) и 56,4% (Украина) до 87% (КНР) и 74% (Япония).

Между тем, наблюдаемый в последнее десятилетие рост объемов производства конвертерной стали в мире достигнут, главным образом, за счет КНР, в меньшей степени - России, Украины, Японии и Индии. В то же время, годовые объемы ее производства снизились в США (более чем на 10 млн. т) и странах ЕС 15 (на 5,5 млн. т). 6

конвертер кислородный плавка сталь

Таблица 1. Основные показатели производства конвертерной стали в мире

Страна	Объем производства в 1996 г., млн. т.	Объем производства в 2006 г., млн. т.	Прирост (+) или спад (-) производства за 10 лет, %
КНР	52,2	368	605
Япония	65,9	86	30,5
Россия	25,4	43,6	71,2
США	54,8	42,5	-22,4
Германия	29,4	32,5	10,5
Южная Корея	23,5	26,3	11,9
Украина	10,1	23,1	128,7
Бразилия	20,1	22,8	13,4
Индия	12,6	20,8	65,1
Франция	10,9	12,3	12,8
Всего в Мире	431,8	811,5	87,9

Исходя из того факта, что Япония, Россия и Украина известны как ведущие экспортеры металлопродукции на мировом рынке, ситуация на котором весьма сложная, можно предположить, что серьезного прироста объемов такой продукции в США и Европе не будет. Возможно, что в РФ и Украине определенный приток конвертерной стали реален в случае реструктуризации цехов с мартеновскими печами.

Так, в последние два года наиболее значимым инновационным проектом в Украине является реконструкция сталеплавильного производства Алчевскогометкомбината. При этом соответствующей программой предполагалось строительство нового кислородно-конвертерного цеха с массой плавки 300 т (генподрядчик - Siemens VAI). Длительность плавки от выпуска до выпуска - 40 минут. Среднесуточная производительность (с учетом общего количества плавок в год и полного рабочеговремени): один конвертер (первая очередь) - 29 плавок; два конвертера (полное развитие) - два конвертера (полное развитие) - 58 плавок. Максимально возможная годовая проектная производительность конвертерного цеха составляет 5,5 млн. т. Кроме того, в состав конвертерного цеха входят двухпозиционный агрегат печь-ковш, вакууматор камерного типа и две двухручьевыеслябовые МНЛЗ номинальной мощностью 2,5 млн. т в год каждая, запущенные в 2005 и 2006 годах соответственно. В проекте конвертерного цеха предусмотрен участок десульфурации чугуна. Пуск первого конвертера планируется осуществить до конца 2007 года. Следовательно, основной прогресс в кислородно-конвертерном процессе будет достигаться в части его технологического совершенствования и автоматизации, которые будут обеспечивать дополнительный энерго- и ресурсосберегающий эффект, большую экологическую безопасность при повышении удельной производительности, а также обеспечивать оптимальные экономические показатели. 6



2. Общие сведения о кислородно-конвертерном процессе

Классической схемой кислородно-конвертерного процесса принято считать определенную совокупность технологических операций по переработке жидкого чугуна и некоторого количества добавленного металлолома благодаря вдуванию в расплав технически-чистого кислорода, что обеспечивает удаление углерода и повышение температуры расплава. При этом, для проведения конвертерной плавки не требуется дополнительного (внешнего) источника тепла. Конвертер представляет собой открытый сверху сосуд грушеобразной формы, внутренняя поверхность которого имеет огнеупорную футеровку. Для выполнения технологических операций конвертер способен вращаться относительно некоторой горизонтальной оси, проходящей через него. Основные технологические операции в процессе выплавки стали в кислородном конвертере такие: загрузка металлолома; заливка чугуна; продувка кислородом через погружаемую сверху водоохлаждаемую фурму; отбор проб для химического анализа металла; слив стали и шлака; подготовка конвертера к следующей плавке (таблица 2). Как правило, при кислородно-конвертерной плавке, длящейся 35…45 мин., содержание углерода уменьшают от уровня, примерно, в 4% почти до 0,1% и ниже, повышая при этом температуру расплава до 1635…1650°С. В практике металлургического производства успешно применяются три схемы вдувания кислорода в жидкую ванну - сверху через погружаемую фурму, через расположенные в днище продувочные блоки и комбинированную, у каждой из них свои преимуществаи недостатки. Наибольшее распространение в металлургии получила схема, при которой кислород с расходом 2…3,5 м³ в минуту подается через погружаемую сверху водоохлаждаемую фурму. В наконечнике такой фурмы предусмотрены три или пять специальных отверстий, через которые кислород вдувается в расплав со сверхзвуковой скоростью, создавая тем самым благоприятные условия для интенсивного перемешивания металла с вводимыми флюсами и максимально ускоряя протекание химических реакций окисления и рафинирования вследствие эмульгирования металла со шлаком. В результате окисления образуются оксиды CO, CO2, SiO2, MnO и оксиды железа. 7

Газообразные оксиды всплывают в жидкой ванне, способствуя ее вспениванию, а затем поднимаются к горловине конвертера. Остальные оксиды перемешиваются с флюсом, состоящим, в основном, из обожженной извести, способствуя образованию жидкого шлака, который обеспечивает рафинирование расплава (удаление серы и фосфора). Успешная промышленная эксплуатация конвертеров с донным дутьем началась в конце 60-х годов в Германии (ОВМ-процесс) и Канаде (Q-BOP-процесс). Собственно, реализация этого процесса связывается с успешным решением технической задачи предотвращения быстрого износа днища и продувочных фурм. Каждая из таких фурм состоит из двух концентрически установленных труб. Кислород подается через центральную трубу, а охлаждающий ее углеводород (природный газ) - в пространство между трубами. Характерно, что при донной продувке весь кислород вдувается через фурмы, расположенные в днище конвертера, что обеспечивает его всплытие через жидкую ванну металла и шлака, создавая максимально интенсивное перемешивание и эмульгирование шлака и металла. Порошкообразные флюсы вводятся в жидкую ванну через специальные фурмы, расположенные в днище конвертера. Примерно, в это же время в практике металлургического производства начали применять конвертеры с донным кислородно-аргонным дутьем (AOD-процесс). В конструкционном плане безусловным преимуществом конвертеров с донной продувкой оказалось радикальное уменьшение высоты цеха и возможность переработки крупногабаритного металлолома. При этом, судя по промышленным данным, при донной продувке снижается содержание железа в шлаке, улучшается удельный расход извести и кислорода на тонну стали, повышается стойкость футеровки конвертера и т.д. В дальнейшем, с середины 70-х годов, многие ведущие металлургические компании приступили к разработке своих модификаций кислородно-конвертерного процесса, сводя все, по сути, к организации комбинированной (верхней и донной) продувки с учетом специфики каждого конкретного сталеплавильного производства.

Таблица 2. Основные операции и их длительность при кислородно-конвертерном процессе (для большегрузных конвертеров)

Наименование операции	Длительность, мин	Примечание
Загрузка металлолома и заливка жидкого чугуна	5…10	Количество металлолома в шихте 15…25%, чугуна 75…85% при температуре 1300…1350°С
Продувка жидкой ванны кислородом	14…23	Протекание реакций окисления кремния, углерода, железа, марганца и фосфора; добавка флюсов для формирования шлака
Отбор проб для определения химического состава стали с его корректировкой при необходимости	4…15	Температура стали около 1650°С
Слив стали из конвертера в разливочный ковш	4…8	Операция слива стали предполагает отсечку шлака
Слив шлака из конвертера в шлаковоз	3…9	Большая часть шлака сливается в шлаковоз, а часть остается в конвертере и используется для покрытия футеровки стен
Подготовка конвертера к следующей плавке	3…5	Торкретирование наиболее поврежденных участков футеровки и раздувание шлака

На практике различают следующие схемы комбинированной продувки с вдуванием:

- кислорода сверху и инертного (Ar) или нейтрального (N₂) газа через пористые элементы, установленные в днище;

- кислорода сверху и смеси «кислород - природный газ» через донные фурмы;

- кислорода сверху и инертного (Ar) или нейтрального (N₂) газа через неохлаждаемые фурмы, установленные в днище.

Выбор вариантов комбинированного процесса зависит от многих факторов и определяется, прежде всего, сортаментом выплавляемой стали, наличием достаточного количества чугуна и требованиями экономического и конъюнктурного характера. Так, например, весомо влияют на долю жидкого чугуна и лома в шихте соотношение цен на эти материалы и, в конечном счете, экономика процесса. Вместе с тем, наибольшее распространение в мире получила комбинированная продувка кислородом сверху и ней тральным газом снизу. По такой технологии в мире работает около 80% от общего числа конвертеров. Через донные фурмы могут вдуваться не только аргон или азот, но и CO₂ с интенсивностью до 0,1 м³/(т•мин) и даже СО. 7

Все шире в мировой практике применяют вдувание снизу нейтрального газа после завершения кислородной продувки сверху. В целом же комбинированная продувка обеспечивает: снижение окисленности конечного шлака на 10…20% и повышение выхода годного на 0,2…0,3%; высокую гомогенизацию металла в конвертере по составу и температуре; повышение точности попадания в анализ на выпуске (сокращается средняя продолжительность продувки на 0,5…1,5 мин.); уменьшение содержания углерода в конце продувки; сокращение расхода раскислителей и пр. Оперативный контроль по ходу кислородно-конвертерной плавки представляется весьма важным элементом, обеспечивающим контроль химического состава металла и его температуры, а также веса плавки, металлолома, железной руды (или окалины), обожженной извести и доломита. Такая стратегия, в конечном счете, минимизирует количество додувок и добавок охладителя. Используемые системы автоматического контроля и управления процессом конвертерной плавки базируются либо на статистических, либо на динамических моделях. В первом случае применяются компьютерные аналоги с накопленным в данных производственных условиях статистическим материалом. Однако такие модели требуют достаточно точной информации о химическом составе, весе и температуре заливаемого металла и заваливаемого скрапа, а также о химическом составе и размерах кусков извести, доломита и прочих флюсов. На практике это не всегда возможно обеспечить, так что точность таких моделей, как правило, не удовлетворяет производственников. Поэтому прямым развитием процесса моделирования стало введение в них вспомогательных параметров, контролируемых по ходу плавки. Например, для корректировки статистической модели может быть использована информация о химическом составе отходящих газов либо температура металла и активность кислорода, определяемая по ходу плавки.

На нескольких заводах в Северной Америке, например, для оценки уровня содержания углерода в низкоуглеродистых сталях применяются световые сенсоры. Эта система определяет интенсивность свечения в горловине конвертера в период продувки. Безусловно, динамические модели автоматического контроля более эффективны, поэтому следует ожидать их дальнейшего усовершенствования, особенно в части создания новых приемов измерения (контроля) используемых в модели корректирующих параметров.



3. Устройство кислородных конвертеров

Кислородный конвертер представляет собой поворачивающийся на цапфах сосуд грушевидной формы (рисунок 1), футерованный изнутри и снабженный леткой для выпуска стали и отверстием сверху для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна, загрузки лома и шлакообразующих и слива шлака. Вместимость существующих конвертеров составляет 50-400 т. В нашей стране установлен типовой ряд емкостей конвертеров (по массе жидкой стали): 50, 100, 130, 160, 200, 250, 300, 350 и 400 т.

1 - опорный подшипник; 2 - цапфа; 3 - защитный кожух; 4 - ведомое зубчатое колесо; 5 - вал шестерня; 6 - навесной электродвигатель с редуктором; 7 - навесной электродвигатель с редуктором; 8,9 - демпфер; 10 - опорная станина; 11 - опорное кольцо

Рисунок 1. Кислородный конвертер

3.1 Устройство конвертера с верхней продувкой

Форма конвертера. Профиль рабочего объема, образованный футеровкой, у отечественных конвертеров обычно имеет суживающуюся к верху горловину, примыкающую к цилиндрической части. Цилиндрическая часть заканчивается сферическим днищем. Сужение нижней части, и сферическая форма днища предотвращают образование застойных зон при циркуляции металла в конвертерах с верхней продувкой. У малых (<130т) конвертеров днище для упрощения кладки иногда делают плоским; плоское днище имеют конвертеры донной продувки. По конфигурации корпуса (кожуха) конвертеры различаются. Корпус может быть такой же формы, как рабочий объем, т.е. - с сужением внизу; быть без сужения внизу, когда к цилиндрической части примыкает сферическое

Корпус конвертера выполняют сварным из листовой стали толщиной от 20 до 110 мм и делают его либо цельносварным, либо с отъемным днищем, которое крепится болтами или клиновыми соединениями. Расположение горловины в конвертерах симметричное, что позволяет вводить кислородную фурму строго по оси конвертера. При этом обеспечивается равное удаление кислородных струй от стенок конвертера и тем самым - равномерный износ футеровки.

Конвертер цапфами опирается на роликовые опорные подшипники, закрепленные в опорных станинах. Подшипники обеспечивают возможность вращения конвертера вокруг оси цапф; при этом один подшипник фиксированный, а другой «плавающий», что дает возможность перемещения вдоль оси цапф на 15-30 мм.

В первых кислородных конвертерах цапфы крепились непосредственно к кожуху конвертера. При этом, как показала практика, вследствие нагрева кожуха и его деформации происходил перекос цапф (их отклонение от первоначального положения), что вызывало при вращении цапф удары по опорным подшипникам и шестерням механизма поворота конвертера и их повышенный износ.

Современные кислородные конвертеры снабжают отдельным опорным кольцом, к которому крепятся цапфы и в котором с зазором в 150-200 мм закреплен кожух. Механизм поворота обеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360° со скоростью от 0,1 до 1 об/мин. Поворот конвертера необходим для выполнения технологических операций: заливки чугуна, завалки лома, слива стали и шлака и др.

Механизм поворота может быть односторонним и двусторонним.

Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях, подвергаясь воздействию высоких температур; термических напряжений, возникающих при колебаниях температуры футеровки; ударов кусков шихты при загрузке и знакопеременных нагрузок, возникающих при вращении конвертера. Она изнашивается также в результате химического взаимодействия со шлаком и размывающего действия потоков металла и шлака.

Футеровку обычно делают из двух слоев: арматурного и рабочего. Примыкающий к корпусу арматурный слой толщиной 110-250 мм уменьшает теплопотери и защищает кожух в случае прогара рабочего слоя. Арматурный слой выполняют из магнезитового или магнезитохромитового кирпича, он не требует замены очень длительное время (годы). Внутренний или рабочий слой изнашивается во время работы и его заменяют при ремонтах футеровки; его толщина в зависимости от емкости конвертера составляет 500-800 мм. Кислород подают в конвертер через вертикально расположенную водоохлаждаемую фурму, которую вводят в полость конвертера через горловину строго по его оси. Давление кислорода перед фурмой составляет 1, 0-1, 6 МПа. Высоту фурмы над ванной можно изменять по ходу плавки; обычно она увеличивается при росте емкости конвертера и находится в пределах 1, 0-4, 8 м от уровня ванны в спокойном состоянии. Поднимают и опускают фурму с помощью механизма, сблокированного с механизмом вращения конвертера.

3.2 Устройство конвертера с комбинированной продувкой

Можно выделить две разновидности конвертеров для комбинированной продувки. Одна из них это конвертеры для продувки кислородом сверху и через дно. Они ничем не отличаются от конвертеров донной продувки, имеют вставное днище с фурмами для подачи кислорода в кольцевой защитной оболочке. Другая разновидность - это конвертеры для продувки кислородом сверху и нейтральными газами через дно; зачастую это переоборудованные конвертеры верхнего дутья. Конвертеры этой разновидности оборудованы вставными днищами с устройствами для вдувания газов и системой подвода газов к днищу через полые цапфы конвертера. Для рабочего слоя футеровки конвертера, как и у конвертеров верхней продувки применяют в основном безобжиговыесмоло- и пекосвязанные огнеупоры на основе СаО и MgO. В футеровке днищ эти огнеупоры показали низкую стойкость, поэтому применяют магнезитохромитовые, магнезитоуглеродистые огнеупоры и разрабатывают новые, более стойкие в условиях службы днища.

Для вдувания нейтральных газов в футеровке днища устанавливают 4-16 фурменных устройств - огнеупорных блоков, в которых имеются газопроводящие каналы. Применяют блоки с одним газопроводящим каналом (рисунок 2, а), с несколькими каналами (рисунок 2, б) и пористые, с направленной пористостью (рисунок 3, в). В поперечном сечении каналы могут быть круглыми или иметь форму плоской либо кольцевой щели. Чаще применяют блоки с каналами круглого сечения; они представляют собой либо круглое отверстие в огнеупоре, как это показано на рис. 1, а, либо вмонтированную в огнеупор стальную трубку. Диаметр канала в одноканальных блоках достигает 8 мм. Пористый блок сечением 100Ч150 мм может иметь до 50 каналов диаметром 1-1,5 мм. Нейтральный газ подводят либо непосредственно к каналу блока (на рисунок 2, а - через вмонтированную в огнеупор цилиндрическую втулку 3), либо через охватывающую огнеупорный блок кассету 4 (рисунок 2, б, в) из стальных листов. Фурменные блоки на разных заводах располагают разнообразными способами - в одной половине днища и по всей его площади, параллельными рядами и по окружности и другими способами, добиваясь за счет этого улучшения перемешивания и основных показателей плавки. Стойкость днищ обычно ниже стойкости футеровки стен, и днище приходится заменять чаще, чем футеровку стен.

1 - газоподводяшая трубка; 2 - каналы; 3 - закладная втулка; 4 - кассета из стальных листов

Рисунок 2. Разновидности огнеупорных блоков (фурм) с одним гаэоподводящим каналом (а), с несколькими (б), с направленной пористостью (в) для подачи нейтральных газов через дно



4. Технологические операции конвертерной плавки

Шихтовка плавки и организация загрузки. Шихтовку, т.е. определение расхода на плавку чугуна и лома, шлакообразующих, ферросплавов и других материалов, в современных цехах проводят с помощью ЭВМ (АСУТП) на основании вводимых в нее данных о составе чугуна и других шихтовых материалов, температуре чугуна, параметрах выплавляемой стали и некоторых других. При этом расход лома, являющегося охладителем плавки, определяют на основании расчета теплового баланса плавки, увеличивая или уменьшая расход так, чтобы обеспечивалась заданная температура металла в конце продувки, а расход извести - так, чтобы обеспечивалась требуемая основность шлака (2.7-3,6). Лом загружают в конвертер совками объемом 20-110 м³; их заполняют ломом в шихтовом отделении цеха и доставляют к конвертерам рельсовыми тележками. Загрузку ведут (рисунок 3, а) через отверстие горловины конвертера, опрокидывая совок 3 с помощью полупортальной машины 2, либо мостового крана, либо напольной (перемещающейся по рабочей площадке цеха) машины. Конвертер при загрузке наклонен примерно на 45° с тем, чтобы загружаемые куски лома скользили по футеровке, а не падали бы сверху, разрушая ее. Жидкий чугун заливают (рисунок 1, б) в наклоненный конвертер через отверстие горловины с помощью мостового крана 4 из заливочного ковша 5, который обычно вмещает всю порцию заливаемого чугуна (до 300 т и более). Заливочные ковши с чугуном доставляют к конвертерам из миксерного или переливного отделений. Для загрузки сыпучих шлакообразующих материалов конвертер оборудован индивидуальной автоматизированной системой. Из расположенных над конвертером расходных бункеров, где хранится запас материалов, их с помощью электро-вибрационных питателей и весовых дозаторов выдают в промежуточный бункер б, а из него материалы по наклонной течке (трубе) 7 ссыпаются в конвертер через горловину.

При этом система обеспечивает загрузку сыпучих без остановки продувки по программе, которая разработана заранее или задается оператором из пульта управления конвертером.

1 - газоотвод; 2 - полупортальная загрузочная машина; 3 - совок; 4 - мостовой кран; 5 - заливочный ковш; б - бункер; 7 - течка; 8 - термопара; 9 - бункер для ферросплавов; 10 - сталеразливочный ковш; 11 - шлаковая чаша (ковш)

Рисунок 3. Технологические операции конвертерной плавки: загрузка лома (а), заливка чугуна (б), начало продувки (в), замер температуры (г), слив металла (д), слив шлака (г)



5. Способы увеличения производительности кислородного конвертера

Развитие конвертерного производства сопровождается неуклонным повышением вместимости конвертеров, так как при практически одинаковой длительности цикла плавки в конвертерах различной вместимости их производительность прямо пропорциональна массе плавки. При этом снижаются капитальные затраты и улучшаются технико-экономические показатели производства. Годовая производительность 300-тонного конвертера составила 2260 тыс. т стали, что в 8-10 раз больше производительности 600-тонной мартеновской печи.

За рубежом кислород в конвертерном производстве впервые начали применять в Австрии (фирма «Фест») в 1949 г. В 1952 г. этой же фирмой был введен в строй первый кислородно-конвертерный цех.

В кислородно-конвертерном производстве стали используют несколько способов подачи кислорода. Наибольшее применение получил способ подачи кислорода сверху через фурму, вводимую по центру конвертера. Управление процессом производят путем изменения положения фурм по высоте и давления кислорода. Металлошихтой служат жидкий чугун в количестве 70-74% общей массы плавки и металлолом - 26-30%. По условиям ведения технологического процесса удельное содержание металлолома является предельным, что следует отнести к недостатку кислородно-конвертерного передела с верхней продувкой.

Увеличение количества металлолома в шихте может быть достигнуто только его предварительным нагревом или плавлением в специальных печах, что, однако, увеличивает себестоимость выплавляемой стали и требует дополнительных капитальных вложений.

В конвертерах с донной продувкой кислород подается снизу через фурмы (сопла) в днищах. При таком способе подвода кислорода создается возможность вдувания в ванну металла порошкообразной извести и, кроме того, использование донных фурм как горелок для предварительного нагрева металлолома внутри конвертера. Такой нагрев позволяет увеличить удельное содержание металлолома в шихте, но при некотором повышении длительности цикла плавки.

В последнее время все чаще применяется комбинированный кислородно-конвертерный процесс с верхней и донной продувками ванны металла, который позволяет увеличивать потребление металлолома и уменьшать расход чугуна. Как и в предыдущем способе, загружаемый металлолом должен нагреваться донными фурмами - горелками. Двухсторонняя продувка позволяет дожигать отходящие газы внутри конвертера и тем самым использовать дополнительную теплоту для нагрева металла.

С целью уменьшения вредных выбросов и улучшения экологии при плавке конвертеры оборудованы системой отвода и очистки отходящих (газов без дожигания. Газоочистка состоит из двух последовательных ступеней регулируемых труб Вентури. Охладитель газов представляет собой одноходовой восходящий экранированный газоход радиационного типа с нижней откатной частью для доступа к конвертеру при его ремонте.

Увеличение производства кислородно-конвертерной стали - одна из основных задач развития металлургической промышленности в нашей стране. Это осуществляется, прежде всего, в конвертерах вместимостью 300-400 т.

5.1 Комбинированная продувка

Выбор вариантов комбинированного процесса зависит от многих факторов и определяется, прежде всего, сортаментом выплавляемой стали, наличием достаточного количества чугуна и требованиями экономического и конъюнктурного характера. Так, например, весомо влияют на долю жидкого чугуна и лома в шихте соотношение цен на эти материалы и, в конечном счете, экономика процесса

Вместе с тем, наибольшее распространение в мире получила комбинированная продувка кислородом сверху и ней тральным газом снизу. По такой технологии в мире работает около 80% от общего числа конвертеров. Через донные фурмы могут вдуваться не только аргон или азот, но и CO₂ с интенсивностью до 0,1 м³/(т•мин) и даже СО. Все шире в мировой практике применяют вдувание снизу нейтрального газа после завершения кислородной продувки сверху. В целом же комбинированная продувка обеспечивает: снижение окисленности конечного шлака на 10…20% и повышение выхода годного на 0,2…0,3%; высокую гомогенизацию металла в конвертере по составу и температуре; повышение точности попадания в анализ на выпуске (сокращается средняя продолжительность продувки на 0,5…1,5 мин.); уменьшение содержания углерода в конце продувки; сокращение расхода раскислителей и пр.

Оперативный контроль по ходу кислородно-конвертерной плавки представляется весьма важным элементом, обеспечивающим контроль химического состава металла и его температуры, а также веса плавки, металлолома, железной руды (или окалины), обожженной извести и доломита. Такая стратегия, в конечном счете, минимизирует количество додувок и добавок охладителя. Используемые системы автоматического контроля и управления процессом конвертерной плавки базируются либо на статистических, либо на динамических моделях. В первом случае применяются компьютерные аналоги с накопленным в данных производственных условиях статистическим материалом. Однако такие модели требуют достаточно точной информации о химическом составе, весе и температуре заливаемого металла и заваливаемого скрапа, а также о химическом составе и размерах кусков извести, доломита и прочих флюсов. На практике это не всегда возможно обеспечить, так что точность таких моделей, как правило, не удовлетворяет производственников. Поэтому прямым развитием процесса моделирования стало введение в них вспомогательных параметров, контролируемых по ходу плавки. Например, для корректировки статистической модели может быть использована информация о химическом составе отходящих газов либо температура металла и активность кислорода, определяемая по ходу плавки. На нескольких заводах в Северной Америке, например, для оценки уровня содержания углерода в низкоуглеродистых сталях применяются световые сенсоры. Эта система определяет интенсивность свечения в горловине конвертера в период продувки. Безусловно, динамические модели автоматического контроля более эффективны, поэтому следует ожидать их дальнейшего усовершенствования, особенно в части создания новых приемов измерения (контроля) используемых в модели корректирующих параметров. 1

Комбинированная продувка, кроме технологических, обеспечивает также ряд организационных и экономических преимуществ. Например, для процессов типа LBE характерны следующие преимущества:

- выход годной стали увеличивается на 0,5 - 1,5% в результате снижения содержания железа в шлаке, устранения выбросов, уменьшения количества плавильной пыли;

- благодаря снижению опасности выбросов и периодического резкого вспенивания ванны появляется возможность уменьшить высоту конвертера (или увеличить массу металла). При увеличении массы плавки удельный объем конвертера понижают до 0,6 м³/т, уменьшают массу футеровки на 1 т вместимости конвертера, при этом снижаются потери тепла и возрастает производительность конвертера;

- благоприятные условия перемешивания и обезуглероживания при подаче газа через днище позволяют увеличить расстояние между верхней фурмой и зеркалом металла примерно на 0,5 м. Это обеспечивает повышение стойкости фурм, уменьшение локального перегрева металла в первичной реакционной зоне, интенсивности его испарения и образования пыли;

- уменьшается расход флюсов, которые вводятся для ускорения шлакообразования (вплоть до полного отказа от использования таких добавок, как плавиковый шпат).

5.2 Увеличение стойкости футеровки

Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях, подвергаясь:

- воздействию высоких температур;

- термических напряжений, возникающих при колебаниях температуры футеровки;

- ударов кусков шихты при загрузке и знакопеременных нагрузок, возникающих при вращении конвертера.

Она изнашивается также в результате химического взаимодействия со шлаком и размывающего действия потоков металла и шлака. Футеровку обычно делают из двух слоев: арматурного и рабочего. Примыкающий к корпусу арматурный слой толщиной 110-250 мм уменьшает теплопотери и защищает кожух в случае прогара рабочего слоя. Арматурный слой выполняют из магнезитового или магнезитохромитового кирпича, он не требует замены очень длительное время (годы). Внутренний или рабочий слой изнашивается во время работы и его заменяют при ремонтах футеровки; его толщина в зависимости от емкости конвертера составляет 500-800 мм. 1

Для кладки рабочего слоя на отечественных заводах в основном применяют безобжиговыесмоло- или пекосвязанные (на связке из каменноугольной смолы или пека) огнеупоры, поскольку их стойкость в условиях конвертерной плавки оказалась значительно (в два-три раза) более высокой, чем стойкость обычных обожженных огнеупоров (магнезитохромиговых и магнезитовых кирпичей). Из этих огнеупоров широко используют смолодоломит (35 - 50% MgO, 45 - 60% СаО), получаемый из недорогого природного сырья - доломита; смолодоломитомагнезит (50 - 85% MgO, 10 - 45% СаО), производимый из доломита с добавкой более дорогого магнезита, и реже смоломагнезит (более 85% MgO), получаемый из дорогостоящего магнезита. Иногда с целью повышения стойкости эти безобжиговые огнеупоры перед использованием в конвертере подвергают термической обработке выдерживая при 100-500°С в нейтральной или восстановительной атмосфере. В отдельных случаях на наших заводах и зачастую за рубежом применяют дорогостоящие, но обладающие большей стойкостью магнезитоуглеродистые (содержащие наряду с MgO еще 10-20% углерода) огнеупоры и обожженные магнезитовые, магнезитодоломитовые и доломитовые огнеупоры, пропитанные смолой.

Наиболее широко применяемые безобжиговыесмолодоломитовый и смолодоломитомагнезитовый кирпичи получают из обожженных доломита и магнезита, содержащих не более 5% SiO2. Измельченные огнеупоры с размером фракций от 0 до 6 мм тщательно смешивают с 5 - 7% смолы или пека. Для хорошего перемешивания температура в смесителе должна быть К() - 140°С. Приготовленную массу загружают в формы и прессуют при давлении 12 - 15 МПа, получая кирпичи необходимых размеров и конфигурации. Из этих необожженных кирпичей выкладывают рабочий слой футеровки, после чего ее обжигают, нагревая по специальному режиму до температуры 1100°С путем сжигания в полости конвертера кокса при подаче кислорода через фурму.

Нанесение гарнисажного слоя

Важнейшей целью стратегии развития конструкции футеровки конвертеров определяется достижение ее высокой стойкости, обеспечивающей такую эффективность работы конвертера, которая соответствует минимальным удельных затратам на огнеупоры. Последнее десятилетие характеризуется радикальным повышением стойкости футеровки конвертера за счет применения комбинированной сбалансированной схемы с учетом особенностей износа отдельных зон, в том числе подверженных повышенной эрозии. Так, в различных зонах футеровки конвертера используются разные по качеству и толщине изделия, что, в конечном счете, приводит к сбалансированному износу футеровки в целом.

Повышению стойкости футеровки способствует сокращение времени ее прямого контакта со струей кислорода. Для этого в начале процесса продувки принудительно ускоряется шлакообразование посредством добавки доломитизированной извести для вспенивания шлака. Конечно, повышению стойкости футеровки способствует и автоматизация конвертерного процесса, уменьшающая количество повалок конвертера и предотвращающая перегрев стали в конце плавки. Для повышения стойкости футеровки американскими компаниями Practer и GrateLakesDivision была предложена технология раздува шлака в кислородном конвертере, предполагающая вдувание азота высокого давления через верхнюю кислородную или вспомогательную фурму с целью разбрызгивания шлака по футеровке. При этом, шлак покрывает футеровку, охлаждается и затвердевает, создавая прочную защитную корку, препятствующую износу огнеупоров. Технология раздува шлака включает качание конвертера для нанесения покрытия на участки футеровки, подвергаемые повышенному износу при завалке металлолома и сливе металла. Дополнительный положительный эффект от шлакового гарнисажа достигается также за счет того, что при заливке в конвертер чугуна шлак частично оплавляется, что приводит к созданию некоторого слоя жидкого шлака еще до начала продувки.

Существенную роль в повышении стойкости футеровки конвертеров играют современные приемы контроля ее состояния с измерением профиля футеровки и степени ее износа. Примером такого оборудования может служить лазерная система установления профиля футеровки. Полное сканирование конвертера занимает 25…30 мин. Обнаруженные участки с малой толщиной футеровки ремонтируют с торкретированием и раздувом шлака. Мониторинг футеровки выполняется 7…10 раз в процессе ее эксплуатации. В целом уже сегодня нормальной стойкостью футеровки конвертера принято считать 2,5…3,5 тыс. плавок. Рекордные же показатели, базирующиеся на системном мониторинге и дополнительном ремонте футеровки, достигают даже 10…15 тыс. плавок и более. 1

Применение магнезиальных материалов

Тем не менее, даже в случае применения перечисленного комплекса мероприятий все же главными факторами, обеспечивающими рост показателей стойкости футеровки, выступают применение магнезиальных материалов для формирования насыщенного MgO конечного шлака и способ нанесения шлакового гарнисажа на стены конвертера.

Вышеописанный комплексный подход к повышению стойкости футеровки конвертеров внедряется в настоящее время на ведущих металлургических предприятиях России. Однако освоенная в кислородно-конвертерных цехах технология выплавки стали в большегрузных конвертерах под шлаками, содержащими 8 - 14% MgO, с нанесением шлакового гарнисажа, дополнительным факельным торкретированием и подваркой футеровки позволила довести стойкость агрегатов за кампанию до 2500-3500 плавок АО «ЗСМК», до 3700 - 4500 плавок в ОАО «ММК» и до 3800 - 4500 плавок в «ОАО» «Северсталь». Последнее свидетельствует о необходимости совершенствования существующих и разработки новых технологических вариантов повышения стойкости футеровки конвертеров, чтобы достигнутых показатели соответствовали достижениям зарубежной металлургической практики. 4

Сегодня использование магнезиальных шлакообразующих материалов (обоженных доломита и доломитизированной извести) стало обычной практикой для преобладающего большинства зарубежных и отечественных металлургических предприятий, посколько перенасыщенный MgO шлак может значительно увеличить срок службы футеровки конвертера. За рубежом и в бывшем СССР на протяжении 70-80-х годов ХХ столетия до освоения технологии раздувки конечного шлака было разработано достаточно много способов ведения конвертерной плавки с использованием магнезиальных флюсов, направленных на повышение стойкости футеровки конвертеров без снижения качества выплавляемой стали. В ходе обстоятельных исследований были сделаны следующие основополагающие выводы:

- замедление коррозионного износа футеровки конвертеров обусловлено приближением активности MgO шлака к активности MgO футеровки, а отсутствие износа футеровки может быть достигнуто при условии насыщения основного шлака магнезией, повышение вязкости шлака и образовании защитного шлакового гарнисажа;

- существенных результатов по повышению стойкости футеровки можно добиться лишь при пересыщении шлака MgO в конце продувки (до 8-12%). Такие шлаки, как правило содержат большое количество дисперсной твердой фазы, придающей шлаку способность образовывать гарнисажное покрытие;

- на ход шлакообразования и показатели стойкости футеровки конвертеров значительное влияние оказывают физико-химические свойства магнезиальных флюсов. Предпочтительно использование мелокусковых мягкообоженных и ожелезненных магнезиальных шлакообразующих материалов (доломита и доломитизированной извести).

Наиболее быстрое насыщение шлака оксидом магния в определенные периоды продувки конвертерной ванны обеспечивается в случае вдувания через верхнюю фурму в кислородных струях порошкообразного мягкообоженного доломита или каустического магнезита (полуобожженного магнезита), благодаря чему износ футеровки снижается настолько, что отпадает необходимость в торкретировании.

В качестве корректирующих в ходе продувки состав шлака добавок, обычно используют кусковые мягкооббоженные доломит и доломитизированную известь в количестве 15-30 кг/т стали при расходе обычной извести 30-50 кг/т.

В последнее время на металлургических предприятиях России в качестве дополнительных магнезиальных шлакообразующих материалов применяют:

- ожелезненнуюдоломитизированную известь (72,0 - 83,6% СаО; 3,0 - 3,8 SiO₂; 8,9 - 11,8% MgO; 2,7 - 2,9% Al₂O₃);

- ожелезненный доломит (59,5 - 59,9% СаО; 4,1 - 3,8% SiO₂; 31,2 - 31,8% MgO; 3,4 - 3,9% Fe₂O₃);

- ожелезненный известково-магнезиальный флюс ИМФ (49,0 - 51,0% СаО; 1,5 - 4,0 SiO₂; 31,0 - 34,0% MgO; 1,0 - 1,5% Al₂O₃);

- самораспадающиеся магнезиальные гранулы СМГ различного состава (70-85% MgCO₃и Mg(OH)₂, до 10% С, до 11% Fe₂O₃). 4

По мнению авторов данных работ использование этих новых магнезиальных флюсов взамен традиционных мякгообожженных доломита и доломитизированной извести способствует ускоренному формированию шлака, обогащенного оксидом магния в пределах 8-14%. При этом обеспечивается требуемая жидкоподвижность шлака для эффективного нанесения шлакового гарнисажа на футеровку конвертера и нормального хода продувки.

Такая операция обеспечивает формирование шлаковых брызг с необходимыми физико-химическими свойствами непосредственно в зонах воздействия нейтральных либо слабоокислительный газовых струй на первичный шлаковый расплав с направленным движением частиц шлака совместно с огнеупорным порошком и намораживанием гарнисажа на стены конвертера. При этом возможно формирование шлакового гарнисажа с более высоким содержанием дисперсной MgO, чем при существующих технологиях, при значительно меньшем расходе дорогостоящих магнезиальных шлакообразующих материалов.



1 - конвертер; 2 - газопорошковая фурма; 3 - оборудование для вертикального торкретирования; 4 - шлак; 5 - огнеупорная составляющая шлакового гарнисажа

Рисунок 4. Принципиальная схема процесса нанесения шлакового гарнисажа газопорошковыми струями

Выполненный анализ показывает, поскольку технология нанесения шлакового гарнисажа (рисунок 4) представляет собой компромиссный вариант сохранения жидкого шлака в конвертере с образованием высокостойкогогарнисажа на поверхности футеровки при затвердевании шлака, то важным моментом процесса раздувки жидкоподвижного шлака является охлаждение его брызг ниже точки плавления непосредственно при соприкосновении с футеровкой с одновременным приобретением необходимых огнеупорных свойств гарнисажа. 4

5.3 Снижение окисленности шлака

С 1991 по 1994 гг. доля сортамента выплавке стали, отрицательно влияющего на стойкость футеровки, возросла с 22,1 до 45,5%. Доля динамной стали в этот период снизилась с 2,9 до 1,8%, доля стали 22ГЮ - с 6,1 до 1,4%, а доля сталей типа 08Ю (08 пс) возросла с 13,1 до 42,3%. В связи с увеличением доли этих сталей в отдельные периоды стойкость футеровки снижалась до 560-700 плавок.

Данная работа проведена с целью снижения окисленности шлака для увлечения стойкости футеровки до уровня не менее 800 плавок и уменьшения отрицательного воздействия шлака на усвоение ферросплавов и качество стали.

Содержание углерода перед выпуском сталей 3 сп группы не должна превышать 0,03 - 0,04%, что обуславливает высокое содержание в шлаке FeO_общ.

Уменьшать окисленность шлаков начального периода продувки при переделе низкомарганцовистого чугуна (0,15 - 0,2%) нецелесообразно, так как ухудшаются условия шлакообразования, удлиняется период наводки шлака, заметалливается фурма. Поэтому с целью ускорения растворения извести положения фурмы в начале продувки поддерживается на относительно высоком уровне и ступенчато снижается с 5,0 до 2,5 м к 6, - ой минуте продувки. Шлаки середины продувки наименее агрессивны по отношению футеровки и уменьшать их окисленность в условиях передела низкомарганцовистого чугуна нецелесообразно.3

Наиболее разрушающее воздействие на футеровку конвертера оказывают конечные шлаки при выплавке стали с весьма низким содержанием углерода (динамные, 08Ю, 08 пс, SAE1006, St14 и др.).

С целью снижения окисленности конечных конвертерных шлаков и их загущения разработана и опробована усовершенствованная технологическая схема присадки извести в конвертер. Общий расход извести увеличивается на 10-15% (2-3 т). Основная масса извести (75 -80% от общего расхода на плавку) присаживается на лом (под лом) и с 3 по 6 минуту продувки примерно в равном соотношении. Оставшаяся часть извести (20-25% от общего расхода) присаживается на завершающей стадии продувки порциями не более 2 т после израсходования от 80 до 90% требующегося на продувку кислорода. По разработанной схеме проведена выплавка серии опытных и сравнительных плавок.

Присаженная в конвертер известь продолжает растворяться во время повалки, ожидания химического анализа и во время выпуска плавки, что подтверждается визуально по его жидкоподвижности. Для количественной оценки этих изменений были отобраны пробы шлака после окончания выпуска плавки. 3

В период между отборами проб шлака происходит насыщения шлака CaO и MgO, снижение SiO₂ за счет разбавления шлака и увеличения FeO_общ. Увеличение окисленности шлака происходит, по-видимому, за счет неоднородности его по высоте конвертерной ванны. Объемы шлака, прилегающие к границе раздела металл-шлак должны быть более окислены. На опытных плавках это увеличение значительно меньше, чем на сравнительных - 0,22% против 1,11% т.е. на 0,89%.