АВТОР: Алексей Смирнов, Донецкий национальный технический университет

Производство стали в рамках современного конвертерного цеха: варианты основных технических решений

Классической схемой кислородно-конвертерного процесса принято считать совокупность технологических операций по переработке жидкого чугуна и некоторого количества добавленного металлолома путем вдувания в расплав технически чистого кислорода, что позволяет удалить углерод и повысить температуру расплава. Как правило, при кислородно-конвертерной плавке, длящейся примерно 35-45 минут, содержание углерода уменьшают с уровня ~4% до ~0,1% и ниже. Температуру расплава повышают до 1635-1650 оС. Примечательно, что для проведения конвертерной плавки дополнительный (внешний) источник тепла не требуется.

При этом в практике металлургического производства успешно применяются три схемы вдувания кислорода в жидкую ванну конвертера.

Основные разновидности кислородно-конвертерного процесса

1. Схема, при которой кислород с расходом 2-3,5 нм3/мин. подается через погружаемую сверху водоохлаждаемую фурму, стала пионерской технологией для конвертерного производства стали. Ее суть заключается в следующем.

В наконечнике водоохлаждаемой фурмы имеются три или пять специальных отверстий, через которые кислород вдувается в расплав на сверхзвуковых скоростях. Такое истечение кислорода создает благоприятные условия для интенсивного перемешивания металла с вводимыми флюсами и максимально ускоряет протекание химических реакций окисления и рафинирования вследствие эмульгирования металла со шлаком. 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).

2. Следующий способ вдувание кислорода в жидкую ванну – через расположенные в днище конвертера продувочные блоки – освоили на промышленном уровне в конце 1960-х годов в Германии (ОВМ-процесс) и Канаде (Q-BOP-процесс); реализован этот процесс был после решения технической задачи по предотвращению быстрого износа днища и продувочных фурм. Примерно в это же время в практике металлургического производства начали применять конвертеры с донным кислородно-аргонным дутьем (AOD-процесс).

При “донном способе” 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. В конструкционном плане безусловным преимуществом конвертеров с донной продувкой оказалось радикальное уменьшение высоты цеха и возможность переработки крупногабаритного металлолома. К тому же при донной продувке снижается содержание железа в шлаке, улучшается удельный расход извести и кислорода на тонну стали, повышается стойкость футеровки конвертера и т.д.

3. Способ комбинированной (верхней и донной) продувки расплава кислородом начали внедрять в середине 1970-х годов, когда ведущие металлургические компании занялись модификациями конвертерных процессов с учетом специфики своих производств стали. Сегодня различают следующие варианты комбинированной продувки:

Выбор того или иного варианта комбинированного процесса определяется, прежде всего, сортаментом выплавляемой стали, наличием достаточного количества чугуна и требованиями экономического и конъюнктурного характера. При всем том наибольшее распространение в мире получила комбинированная продувка кислородом сверху и нейтральным газом снизу. По такой технологии в мире сегодня работают около 80% всех конвертеров.

В целом же комбинированная продувка обеспечивает снижение окисленности конечного шлака на 10-20% и повышение выхода годного на 0,2-0,3%. Кроме того, данная схема обеспечивает высокую гомогенизацию металла в конвертере по составу и температуре и повышение точности попадания в анализ на выпуске (это позволяет сократить среднюю продолжительность продувки на 0,5-1,5 мин.). К иным преимуществам комбинированного конвертерного процесса относят также снижение содержания углерода в конце продувки, уменьшение расхода раскислителей и проч.

Современные системы отсечки шлака: преимущества и недостатки

Одной из важных технологических операций, обеспечивающих повышение качества производимой металлопродукции, является обнаружение и отсечка шлака в ходе технологического перелива металла из конвертера в ковш. По оценкам различных исследователей, количество попадающего в ковш шлака во время выпуска стали из конвертера распределяется следующим образом: 15-20% – в начале выпуска, 65-70% – в конце выпуска и 15-20% – во время возврата конвертера в рабочее положение.

На практике для фиксирования шлака в струе вытекающего металла наиболее широко применяется электромагнитный метод, имеющий высокую точность и быстродействие измерений; независимость измерений от акустических и визуальных помех и т.п. Однако этот метод не лишен определенных недостатков, существо которых сводится к сравнительно низкой чувствительности индуктора, что предполагает отдачу контрольного сигнала на ранней стадии появления шлака. Это обусловливает дополнительные потери металла при сливе.

При использовании автоматических систем раннего обнаружения шлака при сливе металла из конвертера отсечка может происходить простым поворотом конвертера в исходное (вертикальное) положение или с помощью специальных устройств – “заглушек”. Примером такого устройства может служить “газодинамическая” система отсечки шлака. При обнаружении шлака в струе металла в выпускное отверстие снизу под большим давлением подается газ, который очищает выпускной канал и размазывает шлак по внутренней поверхности отверстия конвертера. Недостатком системы является уязвимость сопла, через которое подается газ. Оно забивается шлаком и подлежит частой очистке.

Другим примером устройства для отсечки шлака является система типа “шиберный затвор”, которая перекрывает сливное отверстие конвертера в соответствии с командой оператора. В целом такая система представляется достаточно громоздкой и дорогостоящей, а ее успешное применение во многом определяется условиями работы шибера. Следует иметь в виду, что для большинства работающих конвертеров расстояние между выходным торцом летки и зеркалом металла в ковше является достаточно небольшим (менее 1 м). Соответственно, на шиберный механизм воздействует мощный тепловой поток, который может привести к преждевременному его разрушению.

Альтернативой дорогостоящим автоматическим способам определения проникновения шлака в струю металла являются т.н. “пассивные” методы отсечки шлака. Их действие основано на проявлении определенных физических эффектов в критических условиях. К таким методам относят:

Для отсечки первичного шлака используют различного рода заглушки одноразового и многоразового пользования. Одноразовая заглушка устанавливается перед завалкой лома. Благодаря высоким температурам в процессе плавки материал заглушки подплавляется и спекается с огнеупорным материалом выпускного отверстия, образуя прочную герметичную “пробку”, которая может противостоять давлению газа, вибрациям и толчкам в процессе плавки. При этом образовавшаяся “пробка” оказывается настолько прочной, что выдерживает ферростатическое давление в первые 20-30 секунд после опрокидывания конвертера и предотвращает истечение первичного шлака в ковш. Данный способ также обеспечивает повышение стойкости леточных огнеупоров в среднем на 15-20%. (Применение многоразовых заглушек, устанавливаемых в стенке конвертера и изготовленных из жаропрочных материалов, имеет серьезные недостатки в сфере управления процессом из-за большого веса заглушки и требует повышенного расхода воды на охлаждение.)

Для отсечки шлака, попадающего в ковш вместе с последними порциями металла, целесообразно использовать систему заглушки поплавкового типа (наиболее эффективная разновидность – “конус”), которая устанавливается в зоне слива металла. В данном случае для отсечки шлака используется керамический поплавок, снабженный цилиндрической направляющей. Максимальная эффективность по степени отсечки шлака достигается за счет выбора рациональной плотности керамического материала, что обеспечивает расположение конуса на границе шлак-металл.

По данным British Steel, на металлургическом заводе этой компании (Scunthorpe, Великобритания) система отсечки типа “конус” в 1999-2000гг. успешно выполнила свои функции в 99,4% случаев (всего около 15 тыс. плавок). При этом в ковш попадало не более 300-500 кг шлака. Экономический эффект от ее использования составил $1,0-1,4 на тонне стали (здесь учтено в т.ч. уменьшение показателей угара алюминия и ферросплавов, а также снижение удельного расхода огнеупоров).

Футеровка конвертера: сбалансированная схема и повышение стойкости

Современные требования к футеровке конвертеров сочетают в себе необходимость достижения ее высокой стойкости при минимизации удельных затрат на огнеупоры. В последнее десятилетие приемлемую стойкость футеровки обеспечивают, как правило, за счет применения комбинированной схемы, которая учитывает особенности износа отдельных зон (в т.ч. подверженных повышенной эрозии). Сбалансированный износ футеровки в целом обеспечивается использованием в различных зонах футеровки разных по качеству и толщине огнеупорных изделий.

При этом актуальной остается общая задача, связанная с повышением стойкости футеровки. Ее решению в некоторой мере способствует сокращение времени прямого контакта огнеупорных изделий со струей кислорода. Для этого в начале процесса продувки принудительно ускоряется шлакообразование посредством добавки доломитизированной извести для вспенивания шлака. Повышению стойкости футеровки способствует и автоматизация конвертерного процесса, позволяющая уменьшить количество повалок конвертера и предотвратить перегрев стали в конце плавки.

В целях повышения стойкости футеровки американские фирмы Practer и Grate Lakes Division разработали особую технологию раздува шлака в кислородном конвертере. Ее суть – во вдувании 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 корочку, препятствующую износу огнеупоров. Указанная технология предусматривает качание конвертера для нанесения покрытия на участки футеровки, подвергаемые повышенному износу при завалке металлолома и сливе металла. Дополнительный положительный эффект от шлакового гарнисажа достигается еще и тем, что при заливке в конвертер чугуна шлак частично оплавляется, а это приводит к образованию некоторого слоя жидкого шлака еще до начала продувки.

Существенную роль в повышении стойкости футеровки конвертеров играют также современные приемы контроля ее состояния, позволяющие измерять профиль футеровки и степень ее износа. Примером такого оборудования может служить лазерная система измерения профиля футеровки. (Полное сканирование конвертера занимает 25-30 мин. Обнаруженные участки с малой толщиной футеровки ремонтируют торкретированием и раздувом шлака. Мониторинг футеровки выполняется 7-10 раз в процессе ее эксплуатации.)

Сегодня нормальной стойкостью футеровки конвертера принято считать 2500-3500 плавок. При этом рекордные показатели, базирующиеся на системном мониторинге и дополнительном ремонте футеровки, достигают показателя 10 тыс. плавок и более.

Эффективные методы доводки металла в ковше

Доводка металла в ковше в рамках конвертерного производства стали в последние годы обретает существенную роль, что обусловлено, прежде всего, повышением требований к качеству стали и ее химическому составу. Немаловажным фактором здесь также является стремление производителей обеспечить максимально высокую степень совмещения дискретного процесса выплавки стали (в нескольких конвертерах) с квазинепрерывным процессом ее разливки (на нескольких МНЛЗ). При этом все больше металлургических компаний практикуют доводку чугуна в ковше перед заливкой в конвертер – с целью его десульфурации, дефосфорации и десиликонизации.

В самом деле, выплавка стали с низким и особо низким (£
0,005%) содержанием серы обусловливает потребность конвертерного производства в жидком чугуне с низким (£
0,006%) и сверхнизким (£
0,001-0,002%) содержанием этого химического элемента. Данная задача может быть решена только при использовании процессов внедоменной десульфурации, которые должны быть адаптированы к массовому производству (10-20 тыс.т чугуна в сутки), большим объемам чугуновозных ковшей и малым циклам между обрабатываемыми ковшами.

Собственно десульфурация может быть осуществлена как в транспортных ковшах типа “торпедо”, так и в обычных заливочных ковшах. Наибольшее распространение в качестве десульфураторов получили магнийсодержащие материалы и карбид кальция в смеси с известью. Применяются и комбинированные методы десульфурации, например, вдувание смесей и введение проволоки с десульфурирующим наполнителем. Естественно, десульфурация чугуна дает наибольший эффект при удалении шлака, получаемого после окончания процесса десульфурации.

Внедоменная десиликонизация и дефосфорация чугуна обеспечивают получение сталей с низким содержанием фосфора (<0,01% Р), а также создают условия для реализации малошлаковой технологии ведения конвертерной плавки: низкие содержания кремния и фосфора в чугуне позволяют сократить расход извести и уменьшить количество шлака до 2-4% от массы металла. Малошлаковая технология обеспечивает повышение выхода годного на 1-2% за счет снижения потерь железа со шлаком в виде корольков и оксидов. Недостатком малошлаковой технологии является ухудшение теплового баланса и, как следствие, снижение доли металлолома в шихте конвертерной плавки.

Следующий этап доводки металла в ковше в системе эффективного конвертерного производства предполагает использование агрегатов комплексной внепечной обработки стали типа “ковш-печь”. В мире накоплен большой опыт эксплуатации агрегатов такого типа, что позволило разработчикам оптимизировать основные их конструктивные и технологические параметры (подробнее см. “Металл” №12 (72) за 2005г., стр. 60-64 – прим. ред.). Вместе с тем следует отметить, что применение агрегатов “ковш-печь” в конвертерном цехе имеет свою специфику, существо которой сводится к более интенсивному ритму работы оборудования вследствие меньшего цикла выдачи плавки (в сравнении с электродуговыми печами). Фактически эта технологическая особенность обусловливает уменьшение длительности цикла обработки стали непосредственно на установке “ковш-печь”.

В последние два десятилетия наблюдается устойчивый рост объемов конвертерной стали, которая подвергается вакуумной обработке (еще этап/вариант внепечной доводки металла). Это связано с широким распространением новых групп низкоуглеродистых сталей с верхним пределом содержания углерода менее 30 ppm, которое может быть достигнуто только при проведении вакуумной обработки.

В практике вакуумирования стали используются различные вакуумные установки, которые условно можно разделить на две группы: циркуляционные (RH, RH-OB и их модификации) и камерные (VD, VOD и их модификации). В обоих случаях процесс вакуумирования осуществляется совместно с вдуванием аргона в сталь. Как показывает практика, циркуляционные вакууматоры используются преимущественно в крупных конвертерных цехах при обработке большого количества плавок. Между тем область использования камерных вакууматоров, на сооружение которых требуется меньше финансовых ресурсов, несколько ограничивается большей длительностью цикла обработки, связанной со спецификой конструкционных решений для такого типа агрегатов (установка ковша, установка крышки и др.).

В целом же оба типа вакууматоров позволяют достигнуть практически адекватных конечных результатов, а выбор схемы вакуумирования для конкретного конвертерного цеха осуществляется из соображений капитальных и эксплуатационных затрат.

Таким образом, современный кислородно-конвертерный процесс следует рассматривать как систему совмещенных высокоэффективных технологий, включающих подготовку чугуна после выпуска из доменной печи, процесс выплавки в конвертере и ковшевой доводки стали, которая затем разливается на МНЛЗ. Учитывая достигнутые технико-экономические показатели, можно с уверенностью утверждать, что кислородно-конвертерный процесс и в последующем оставит за собой главенствующее положение в системе сталеплавильных технологий. При этом наиболее интенсивное развитие этот способ производства стали получит в случае с разработкой экологически безопасных энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Основные операции и их длительность при кислородно-конвертерном процессе (для большегрузного конвертера)

Основные зоны износа огнеупоров и рекомендуемые материалы

ЗАГОЛОВОК: Конвертер: история и статистика

Первые сталеплавильные цехи, оснащенные конвертерами с кислородным дутьем через погружаемую сверху фурму, были введены в эксплуатацию в Австрии в 1952г. (г. Линц) и 1953г. (г. Донавиц). Функционирование этих цехов, собственно, и дало практическое подтверждение тому факту, что использование кислорода для переработки чугуна обеспечивает высокую эффективность и производительность сталеплавильного процесса и исключает применение дорогостоящих энергоносителей для нагрева металла.

В Украине данный способ выплавки стали освоили на промышленном уровне в 1956г., когда на верхнее кислородное дутье был переведен бессемеровский цех Днепропетровского металлургического завода им. Петровского. А уже в 1957г. был пущен в эксплуатацию новый кислородно-конвертерный цех на металлургическом комбинате “Криворожсталь”. (В настоящее время в Украине функционирует 6 конвертерных цехов, имеющих в своем составе 16 кислородных конвертеров и один конвертер для газокислородного рафинирования. В ближайшее время предполагается строительство нового 300-тонного конвертера на Алчевском металлургическом комбинате.)

Отличительной особенностью кислородно-конвертерного процесса является его высокая удельная производительность: периодичность плавки здесь обычно составляет менее 40-45 мин. при массе плавки 100-350 т. Это обстоятельство (как и приемлемая степень совместимости со способом непрерывной разливки стали) послужило одной из главных причин для быстрого и широкого распространения конвертеров в черной металлургии мира. И сегодня эти агрегаты занимают доминирующее положение в мировой системе производства стали.

Так, в настоящее время в мире эксплуатируется порядка 260 кислородно-конвертерных цехов, имеющих в своем составе около 660 конвертеров, производящих 63% всего мирового объема стали (примерно 665 млн.т в 2004г.). Из них только 18 цехов имеют в своем составе конвертеры емкостью 290-300 т и более; подобными агрегатами располагают следующие производители стали:

В данной связи необходимо отметить, что конвертерный цех в составе трех 400-тонных конвертеров на практике может обеспечить годовой объем производства на уровне 10 млн.т.

Сегодня основными производителями стали в кислородных конвертерах являются КНР, Япония, США, Россия, Южная Корея, Бразилия, Украина, Индия и т.д. Обращает на себя внимание тот факт, что 5 ведущих производителей конвертерной стали обеспечивают почти две трети, а 10 ведущих производителей – четыре пятых ее мирового производства. При этом доля конвертерной стали в общем объеме производства в этих странах колеблется весьма существенно: от 46,4% у США и 49,8% у Украины, до 81,6% у КНР и 73,6% у Японии.

Между тем наблюдаемое в последнее десятилетие увеличение объемов производства конвертерной стали достигнуто, главным образом, за счет прироста в КНР (178 млн.т), а также в России (19,3 млн.т), Японии (15,5 млн.т), Индии (9,2 млн.т) и Украине (8,5 млн.т). В то же время годовые объемы производства конвертерной стали уменьшились в США (на 10 млн.т) и странах ЕС-16 (на 5,5 млн.т). Принимая во внимание тот факт, что Япония, Россия и Украина являются ведущими экспортерами металлопродукции на мировой рынок, на котором сложилась весьма непростая ситуация, можно предположить, что серьезного прироста объемов конвертерной стали в этих государствах наблюдаться не будет. (Разве что, в двух последних странах определенный прирост конвертерной стали может быть в случае реструктуризации цехов с мартеновскими печами.) Единственными странами, где следует ожидать масштабного прироста в производстве конвертерной стали, являются КНР и Индия, демонстрирующие постоянно растущие объемы внутреннего потребления металлопродукции.