Конверт фирмы

Опубликовано автор Admin — Нет комментариев ↓

Развитие конвертерного производства стали в мире


Конверт фирмы
Алексей Смирнов, д.т.н., проф. (ДонНТУ)
 
Развитие конвертерного производства стали в мире
Производство стали в конвертерах с применением кислорода представляет собой наиболее эффективную систему технологий, не просто обеспечивающую выплавку стали с высокой производительностью плавильного агрегата, но и позволяющую гармонизировать работу всей технологической цепочки от производства чугуна до разливки стали включительно. Между тем система технологий производства стали в конвертерах с применением кислорода непрерывно совершенствуется, что в ряде случаев и определяет дальнейший научно-технический прогресс в черной металлургии в целом.
История развития и современный уровень конверторного производства стали в мире
Классической схемой кислородно-кон­вертерного процесса принято считать оп­ределенную совокупность технологических операций по переделу жидкого чугуна и не­которого количества металлолома путем вдувания в расплав технически чистого кис­лорода, что обеспечивает проведение окислительных и экстракционных процессов, а также позволяет повысить температуру расплава. При этом для проведения конвер­терной плавки дополнительный (внешний) источник тепла не требуется. Конвертер представляет собой открытый сверху сосуд грушеобразной формы, внутренняя поверх­ность которого имеет огнеупорную футеров­ку. Для выполнения технологических опера­ций конвертер имеет возможность вра­щаться относительно некоторой горизон­тальной оси, проходящей через его тело. Ос­новными технологическими операциями, которые выполняют при выплавке стали в кислородном конвертере, являются за­грузка металлолома, шлакообразующих, за­ливка чугуна, продувка кислородом через вводимую сверху водоохлаждаемую фурму, отбор проб для химического анализа метал­ла, слив стали, слив шлака, подготовка кон­вертера к следующей плавке. Как правило, при кислородно-конвертерной плавке, для­щейся примерно 35-45 минут, содержание углерода уменьшают с уровня 4% до при­мерно 0,08% и ниже, повышая при этом температуру расплава до 1635-1650оС.
Первая крупная пилотная установка с конвертером емкостью 15 т была пущена в 1949 г. на металлургическом заводе в г.Линц (Австрия). На ней были достигнуты весьма высокие технологические показа­тели, что и определило дальнейшую судьбу кислородно-конвертерного процесса. Пер­вые в мире промышленные сталеплавиль­ные цеха, оснащенные конвертерами с кис­лородным дутьем через погружаемую свер­ху фурму были введены в эксплуатацию в 1952г. в г. Линц (Австрия) и в 1953г. в г. Донавиц (Австрия). Собственно успешное функционирование этих цехов и дало окон­чательное 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 СССР в 1956г. на верхнее кислородное дутье был переве­ден бессемеровский цех на Днепропетров­ском металлургическом заводе им. Петров­ского, а в 1957г. был пущен в эксплуатацию кислородно-конвертерный цех на металлур­гическом комбинате «Криворожсталь».
В настоящее время в мире эксплуатирует­ся свыше 260 конвертерных цехов, имею­щих в своем составе около 660 конверте­ров, производящих 65,4% всего мирового объема стали (примерно 736 млн. т в 2005г.). При этом только 19 цехов в мире имеют в своем составе конвертеры емкос­тью 290-300 тонн и более, в том числе четы­ре из них находятся в России (Череповец­кий, Магнитогорский, Новолипецкий и За­падно-Сибирский металлургические комби­наты), четыре – в Японии (Kawasaki Steel Corp., Mizushima Works; Nippon Steel Corp., Yawata Works; Nippon Steel Corp., Kimitsu Works; NKK Corp., Keihin Works), один в Ук­раине (металлургический комбинат «Азовсталь»), один в Казахстане (ISPAT KARMET), один в США(Weirton Steel Corp), один в Юж­ной Корее (Pohang Iron & Steel Corp), один в Польше (Huta Katowice), один в Великобритании (Scunthorpe Works), два в Герма­нии (TKS Thyssen Krupp Stahl и Stahlwerke Bremen), один во Франции (Arcelor, Fos-sur-Mer), один в Индии (Bokaro, S.A.I.L.) и один в Нидерландах (Hoogovens Ijmuiden BV).
Следует обратить внимание, что, как по­казывает практика, конвертерный цех в со­ставе трех 400-тонных конвертеров может обеспечить годовой объем производства на уровне 10 млн. тонн.
Основными производителями стали в кислородных конвертерах являются КНР, Япония, США, Россия, Южная Корея, Бра­зилия, Украина и Индия. Обращает на себя внимание тот факт, что 5 ведущих производителей конвертерной стали обеспечивают более чем две трети, а 10 ведущих произво­дителей – свыше четырех пятых ее мирово­го производства. Это свидетельствует о том, что для конвертерного способа производ­ства характерна его высокая концентрация в небольшом количестве промышленно развитых стран. При этом доля конвертер­ной стали в общем объеме производства в этих странах колеблется весьма существенно: от 45% в США и 49,9% в Украине, до 87,1% в КНР и 74,4% в Японии.
Между тем наблюдаемый в последнее де­сятилетие прирост объемов производства конвертерной стали достигнут, главным об­разом, за счет прироста в объемов произ­водства в КНР. Так, объемы производства конвертерной стали в мире за вычетом КНР увеличились с 1994г. по 2005г. на 13%, что практически полностью покрывается объ­емами прироста конвертерной стали в Рос­сии, Японии, Индии и Украине. В тоже вре­мя годовые объемы производства конвер­терной стали уменьшились в США (более чем на 10 млн. т) и странах ЕЭС-16 (на 5,5млн.т). Принимая во внимание тот факт, что Япония, Россия и Украина являются ве­дущими экспортерами металлопродукции на мировой рынок, ситуация на котором весьма сложная, можно предположить, что серьезного прироста объемов конвертер­ной стали в этих странах происходить не бу­дет. Возможно, что в России и Украине опре­деленный прирост конвертерной стали мо­жет наблюдаться в случае реструктуриза­ции цехов с мартеновскими печами. Соб­ственно, единственными крупными страна­ми, где следует ожидать заметного прирос­та производства конвертерной стали, являются КНР и Индия, имеющие постоянно воз­растающее внутреннее потребление металлопродукции.
Основными векторами, стимулирующими в последнее время развитие системы про­изводства стали в конвертерах с примене­нием кислорода, видимо, следует считать металлургические комплексы стран Евро­пейского Экономического Союза (ЕС-25) и Китайской Народной Республики. При этом в странах ЕС-25 наблюдается тенден­ция повышения эффективности функциони­рования всей технологической системы в совокупности с расширением меропри­ятий по защите окружающей среды без су­щественного наращивания объемов производства, а в КНР в течение нескольких лет наблюдается скачкообразное наращива­ние объемов производства конвертерной стали за счет введения в эксплуатацию но­вых цехов и заводов, базирующихся на последних достижениях европейских и япон­ских технологов и машиностроителей.
Объем производства стали в странах ЕС-25 в 2005г. составил 186 млн. т (61,4% кон­вертерное производство). В сравнении с ЕЭС-15 производство стали на душу насе­ления уменьшилось с 432 кг до 409 кг. В на­стоящее время в странах ЕЭС-25 функцио­нируют 91 конвертер, большинство из ко­торых имеет массу плавки значительно бо­лее 100 т.
 
Количество конверторов различной массы в странах ЕЭС-25
Масса плавки в конвертере, т
<75
76-150
151-250
251-350
>350
Количество конвертеров, шт.
7
15
34
33
2
 
Количество конвертеров и средняя масса плавки в Китая
Год
1970
1980
1995
2004
Число конвертеров, шт.
64
123
297
292
Средняя масса плавки в конвертере, т
14,8
21,93
24,15
55,41
 
При развитии системы производства ста­ли в конвертерах с применением кислоро­да приоритет отдается технологическим ре­шениям и построениям, которые направле­ны на уменьшение потерь энергии, потерь железа, огнеупоров и других расходуемых материалов при снижении вредного влия­ния на окружающую среду за счет уменьше­ния выбросов СО2 и пыли, эффективной пе­реработки металлолома и технологических отходов, утилизации технической воды, раз­вития транспортной системы и т.п. Так в странах ЕС-25 в период с 1960г. по 2005г. удельный расход энергии на тонну стали уменьшился с 30 ГДж/т до 17,2 ГДж/т. При этом во всех технологических процес­сах в максимальной степени сокращается использование природного газа. Выбросы СО2 в Германии за последние 15 лет умень­шились на 22%, а выбросы пыли с 1960г. сократились более чем в 15 раз (до 0,6 кг/т стали).
Наиболее важным элементом развития металлургической индустрии Европы явля­ются инновационные процессы, направлен­ные на максимальное использование природных, человеческих и финансовых ресур­сов при условии повышения требований к защите окружающей среды. Следует осо­бо подчеркнуть, что крайне важным направлением инновационного развития в метал­лургии является создание новых марок ста­лей, имеющих максимально высокие техно­логические и эксплуатационные свойства применительно к конкретным изделиям. Следует ожидать, что в ближайшее время будут интенсивно развиваться направле­ния производства высокопрочных сталей, а также сталей высокой чистоты по вред­ным примесям.
Первый конвертный цех в КНР (3 конвер­тера по 30 т каждый) был пущен в эксплуа­тацию в 1964г., а в 2005г. объем производ­ства конвертерной стали в КНР превысил 300 млн. т. За эти годы металлургия Китая прошла в развитии три основных этапа:
• этап создания металлургического ком­плекса (1962-1979гг), в конце которого было достигнуто годовое производство на уровне 37 млн. т стали;
• этап ускорения (1980-2000гг), в конце которого   в   Китае было   выплавлено 128 млн. т стали, что обеспечило ему пер­вое место среди мировых производите­лей. В это время в Китае были пущены конвертеры с массой   плавки 300 т и 250 т (комбинат «Baosteel»), 250 т кон­вертеры на комбинате «Wuhan Steel» и пр. Объем разливаемой на МНЛЗ стали воз­рос с 14,7% в 1988г до 81,9% в 2000г;
• этап взлета (2001-2006гг), что обеспе­чило Китаю феноменальный результат в 2005г – 349 млн.т жидкой стали. В том числе в 2004г и 2005г было выплавлено соответственно 230 и 300 млн. т конвер­терной стали. Фактически в КНР сегодня выплавляется более 40% всей конвер­терной стали в мире. И это является едва ли не определяющим фактором в части определения дальнейших приоритетов развития системы технологий производ­ства стали в конвертерах с применением кислорода.
Характерной особенностью развития кон­вертерного производства в Китае являет­ся быстрое увеличение количества конвер­теров при их сравнительно небольшой еди­ничной емкости. Тем не менее, в Китае в последние десятилетия построено ряд конвер­терных цехов с агрегатами 200-300 т.
Основные тенденциями развития конвер­терного производства в Китае являются:
• повышение эффективности работы кон­вертеров за счет применения комбини­рованной продувки (реконструкция дей­ствующих конвертерных цехов);
• широкое внедрение автоматических сис­тем контроля производства;
• снижение удельных расходов энергии, ог­неупоров (за счет технологии набрызгивания шлака на стены конвертера);
• радикальное повышение чистоты стали (суммарное содержание вредных приме­сей S, P, O, N, H ниже 100 ppm);
• расширение объемов природоохранных мероприятий и рециклинга промышлен­ных отходов и т.п.
Планируется, что в будущем в Китае бу­дут строиться конвертеры только с массой плавкой более 120 т.
 
Модификации кислородно-конвертерного процесса
В практике металлургического производ­ства успешно применяются три схемы вду­вания кислорода в конвертерную ванну, каждая из которых имеет свои преимущес­тва и недостатки: сверху (через водоохлаждаемую фурму), через расположенные в дни­ще продувочные блоки и комбинированную.
Наибольшее распространение в метал­лургии получила схема, при которой кисло­род с расходом 2-3,5 нм3/мин. подается че­рез погружаемую сверху водоохлаждаемую фурму. В наконечнике такой фурмы выпол­няются три или пять специальных отвер­стий, через которые кислород вдувается в расплав на сверхзвуковых скоростях. Та­кое истечение кислорода создает благопри­ятные условия для интенсивного переме­шивания расплава, способствует формиро­ванию активного жидкоподвижного шлака, а также развитию химических процессов окисления и рафинирования металла. В ре­зультате протекания реакций окисления уг­лерода газообразные оксиды всплывают в жидкой ванне, способствуя ее перемеши­ванию, а затем поднимаются к горловине конвертера. Остальные продукты окисления расплава поглощаются основным шла­ком, который формируется путем ввода в конвертер обожженной извести.
Успешная промышленная эксплуатация конвертеров с донным дутьем началась в конце 1960-х гг. 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, придонной продувке снижает­ся содержание железа в шлаке, улучшается удельный расход извести и кислорода на тонну стали, повышается стойкость футеров­ки конвертера и т.д.
В дальнейшем, начиная с середины 1970-х гг., многие ведущие металлургические ком­пании приступили к разработке своих мо­дификаций кислородно-конвертерного про­цесса, существо которых сводилось к организации комбинированной (верхней и дон­ной) продувки с учетом специфики каждого конкретного сталеплавильного производ­ства. На практике различают следующие схемы комбинированной продувки:
• вдувание кислорода сверху и инертного (Ar) или нейтрального (N2) через пористые элементы, установленные в днище;
• вдувание кислорода сверху и смеси кисло­род – природный газ через донные фурмы;
• вдувание кислорода сверху и инертного (Ar) или нейтрального (N2) 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, большое влияние на долю жидкого чугуна и лома в шихте имеют соот­ношение цен на эти материалы и, в конеч­ном счете, экономика процесса.
Различные модификации кислородно-конвертерного процесса
Наименование процесса
Описание процесса
Фирма, которая предложила процесс
LD
(Linz-Donawitz)
Первый кислородно-конвертерный процесс с вдуванием кислорода через погружаемую сверху водоохлаждаему фурму и использованием кусковой извести
Voest Alpine, Австрия
BOF
Аналогичен процессу LD
Широко используемый в мире
ВОР
Аналогичен процессам LD и BOF
USX (США) другие фирмы
LD-AC
Подобный процессу LD с вдуванием порошкообразной извести (для металла с высоким содержанием фосфора)
ARBED/CRM (Люксембург и Франция)
LD-CL
Процесс LD с вращением фурмы
NKK, Япония
LD-PJ
Процесс LD с пульсирующей подачей кислорода
Italsider
LD-GTL
Процесс LD с подачей аргона или азота через верхнюю фурму и использованием кусковой извести
Linde/National Steel (США)
АО В
Аналогичен процессу LD-GTL
Inland, Union Carbide
LBE
Процесс LD с пористыми продувочными узлами в днище и использованием кусковой извести
ARBED (Люксембург); IRSID (Франция)
LD-KGS
Процесс LD с большим числом маленьких фурм, расположенных в днище, для вдувания Ar, N2, CO и использованием кусковой извести
Kawasaki Steel (Япония)
NK-CB
Процесс LD с простыми донными фукмами или пористыми элементами для вдувания Ar/N2/CO2 и использованием кусковой извести
NKK, Япония
ОВМ
Процесс со 100% донной продувкой через фурмы с защитой природным газом и вдуванием порошковой извести
Maxhutte (Германия)
OBM-S
Процесс аналогичный OMB, но с дополнительным вдуванием кислорода через верхнюю погружаемую фурму
Maxhutte (Германия); Klockner (Германия)
Q-BOP
Аналогичен процессу OMB
USX (США)
К-ВОР
Вдувание кислорода через верхнюю фурму и через донные продувочные узлы, охлаждаемые природным газом, и вдуванием порошковой извести
Kawasaki Steel (Япония)
LD-OB
Процесс OMB, дополненный продувкой кислородом сверху с использованием кусковой извести
Nippon Steel (Япония)
STB
Преимущественно продувка через верхнюю фурму и специальными фурмами в днище (внутренняя труба О2/, внешняя – СО2/N2/Ar) и использованием кусковой извести
Sumitomo (Япония)
STB-Р
Аналогичен процессу STB, исключая вдувание порошковой извести через верхнюю фурму для коррекции содержания фосфора
Sumitomo (Япония)
KMS
Аналогичен процессу OBM. Позволяет вдувать порошкообразный уголь через донные фурмы для ускорения расплавления металлолома
Klockner (Германия)
 
Вместе с тем наибольшее распростране­ние в мире получила комбинированная продувка кислородом сверху и нейтральным га­зом снизу. По такой технологии в мире работают около 80% всех 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 по окончании кислородной продувки сверху. В целом же ком­бинированная продувка обеспечивает сни­жение окисленности конечного шлака на 10-20% (отн.) и повышение выхода годного на 0,2-0,3%; 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.); снижение содержания угле­рода в конце продувки; снижение расхода раскислителей и пр.
Анализируя последние достижения в ча­сти развития системы технологий производ­ства стали в конвертерах с применением кислорода можно предположить, что основ­ной прогресс будет достигаться в части совершенствования процесса выплавки ста­ли с целью повышения производительнос­ти плавильного агрегата при условии ком­плексной автоматизации всех элементов технологической цепочки, что обеспечит дополнительный энерго- и ресурсосберегаю­щий эффект, большую экологическую без­опасность, а также оптимальные экономические показатели.
Повышение производительности конвертеров
Вопрос повышения производительности конвертеров представляется наиболее ак­туальным в ракурсе увеличения объемов производства стали в действующих цехах, большинство из которых было построено два и более десятилетия назад.
Для повышения эффективности ведения конвертерной плавки на современных про­изводствах все большее распространение получают методы контроля положения и кон­струкции верхней фурмы, скорости вдувания кислорода, повышения эффективности про­цесса шлакообразования, оптимизации па­раметров вдувания аргона через донные фурмы и пр., а также оперативного прогнози­рования содержания углерода по ходу продувки. При этом увеличение производитель­ности конвертеров рассматривается в боль­шинстве случаев как системное меропри­ятие, предполагающее повышение доли ис­пользуемого металлолома, расширение вне-доменной обработки чугуна, радикальное по­вышение стойкости футеровки, интенсифи­кации процесса плавки за счет комбиниро­ванной продувки, обеспечение надежной си­стемы отсечки шлака при выпуске из кон­вертера, повышение эффективности обра­ботки стали в ковше и пр. Так, в конвертер­ном цехе металлургического завода «Voestalpine Stahl GmbH» (Линц, Австрия), имеющем в своем составе три 160-тонных конвертера, достигнута годовая производи­тельность 4,8 млн. т стали, что соответствует 30700 плавкам в год (87 плавок в день). При этом расход металлолома возрос до 355 кг/т непрерывнолитой заготовки (рас­ход жидкого чугуна уменьшился при этом до 782 кг/т). Конструкция конвертера (рабочий объем 104 м3) предполагает комбинирован­ную продувку с установкой в днище 12 про­дувочных узлов для инжектирования аргона.
Отсечка шлака на выпуске осуществляется газодинамическим устройством. Доводка стали в ковше выполняется на двух установ­ках ковш-печь и двух вакууматорах RH.
На металлургическом заводе «Port Talbot Works» (Великобритания) удалось повысить производительность конвертерного цеха (2 конвертера с массой плавки 326 т каж­дый, 2 вакууматора RH-OB, 2 установки для обработки стали в ковше типа CAS-OB/DeS и 3 МНЛЗ) с 3,8 млн. т до 4,8 млн. т жидкой стали в год. Это соответствует в среднем 43 плавкам в сутки при рабочем цикле вы­пуска плавок из конвертера менее 35 минут. Для обеспечения такого цикла работы практически весь жидкий чугун подверга­ется десульфурации перед заливкой в кон­вертер, причем значительная часть чугуна (при выплавке качественных сталей) – глубокой десульфурации. Время выпуска стали из конвертера было уменьшено с 7 до 5,5 минут за счет увеличения диаметра сливного отверстия, масса плавки возрос­ла до 240 т, а период продувки металла был уменьшен на 1,5 минут за счет увеличения расхода кислорода с 950 до 1000 м3/мин.. Для повышения годовой производитель­ности с 2,3 до 3 млн. т стали на заводе «Raahe Steel Works» (Финляндия) были реализо­ваны следующие мероприятия:
• увеличение массы плавки со 100 до 125 т;
• увеличение удельной доли металлолома (250-270 кг/т стал и);
• применение автоматической системы ди­намического контроля за процессом ве­дения плавки;
• увеличение стойкости футеровки конвер­тера с 1500-1600 плавок до 3000 за счет использования технологии набрызгивания шлака и контроля степени износа фу­теровки лазерным измерителем;
• реконструкция МНЛЗ с целью повыше­ния производительности.
 
Контроль и автоматизация процесса кислородно-конвертерной плавки
Оперативный контроль по ходу кислород­но-конвертерной плавки представляется весьма важным элементом, который обеспе­чивает контроль химического состава метал­ла и его температуры, массы плавки, метал­лолома, железной руды (или окалины), а так­же обожженной извести и доломита. Такая стратегия, в конечном счете, минимизирует количество додувок и добавок охладителя.
Используемые системы автоматическо­го контроля и управлением процессом кон­вертерной плавки использую либо статисти­ческие, либо динамические модели. При применении статистических моделей используются компьютерные аналоги, бази­рующиеся на накопленном в данных производственных условиях статистическом мате­риале. Однако такие модели требуют доста­точно точной информации о химическом составе, массе и температуре заливаемого чугуна и заваливаемого скрапа, а также о химическом составе и размерах кусков извести, доломита и других флюсов. На прак­тике это не всегда представляется возмож­ным и точность статистических моделей, как правило, не удовлетворяет производствен­ников. Поэтому прямым развитием статистических моделей является введение в них вспомогательных параметров, контролиру­емых по ходу плавки. Например, для кор­ректировки статистической модели может быть использована информация о химическом составе отходящих газов или темпе­ратура металла и активность кислорода, определяемая по ходу плавки. На нескольких заводах в Северной Америке, например, используются световые сенсоры, позволя­ющие оценивать уровень содержания угле­рода в низкоуглеродистых сталях. Эта систе­ма оценивает интенсивность свечения в горловине конвертера в течение периода продувки. Безусловно, динамические моде­ли автоматического контроля являются до­статочно эффективными и следует ожидать их дальнейшего совершенствования и раз­вития особенно в части создания новых приемов измерения (контроля) используе­мых в модели корректирующих параметров.
 
Процесс отсечки шлака
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 конвер­тора распределяется следующим образом: 15-20% – в начале выпуска, 65-70% – в кон­це выпуска и 15-20% – во время возврата конвертора 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. Вместе с тем 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 и качеством используемых плит. 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 разрушению шибер­ного механизма.
Альтернативой для автоматических мето­дов определения проникновения шлака в струю металла, предполагающих соответ­ствующее оборудование для прекращения процесса истечения, являются так называемые «пассивные» методы отсечки шлака. Их действие основано на проявлении определен­ных физических эффектов в критических усло­виях: система керамического стопора («там­пона») для отсечки первичного шлака, кото­рый устанавливается в сливном отверстии и система типа «поплавок» (шар или конус) для отсечки шлака в конце слива металла.
На практике для отсечки первичного шла­ка используются различного рода заглуш­ки одноразового и многоразового пользо­вания. Применение многоразовых заглушек, устанавливаемых в стенке конвертера и изготовленных из жаропрочных матери­алов, имеет серьезные недостатки связан­ные с управлением процессом из-за боль­шой массы заглушки и высоких затрат воды на охлаждение.
Одноразовый «тампон» устанавливается перед завалкой лома. Благодаря высоким температурам в процессе плавки матери­ал «тампона» 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. Затем проб­ка разрушается и происходит слив металла из конвертера. Применение рассмотренной выше системы отсечки шлака наряду с известными эффектами, связанными с предот­вращением попадания шлака в ковш, также обеспечивает повышение стойкости леточных огнеупоров в среднем на 15-20%.
Для отсечки шлака, попадающего в ковш вместе с последними порциями металла, весьма целесообразно использовать сис­тему заглушки поплавкового типа, которая устанавливается в зоне слива металла. Сле­дует иметь в виду, что слив металла из кон­вертера сопровождается образованием в жидкой ванне воронки, которая, враща­ясь, затягивает в струю вытекающей стали шлак. Наиболее эффективной системой от­сечки представляется поплавковая систе­ма типа «конус». При этом для отсечки шла­ка используется керамический поплавок (рис.3), снабженный цилиндрической на­правляющей, которая при его установке в конвертер проникает в сливное отверстие и тем самым предотвращает возможность смещения поплавка относительно отвер­стия в процессе слива металла, как это может происходить при использовании по­плавки в виде шара. Максимальная эффективность по степени отсечки шлака достига­ется за счет выбора рациональной плотности керамического материала, что обеспе­чивает расположение конуса на границе шлак-металл. Варьирование геометричес­ких размеров конуса позволяет учесть вяз­кость и толщину слоя шлака, а также внут­ренний диаметр отверстия.
По данным компании «British Steel» на ме­таллургическом заводе «B.S. Scunthorpe» (Ве­ликобритания) система отсечки типа «конус» в 1999-2000гг успешно выполнила свои функции в 99,4% случаев (всего около 15000 плавок). При этом в ковш попадало не более 300-500 кг шлака. Экономический эффект от использования такой системы отсечки шлака составил $1-1,4 на тонну стали, в том числе от уменьшения угара алюминия и фер­росплавов соответственно $0,12 и 0,14 на тонну стали, а от снижения удельного расхо­да огнеупоров $0,16 на тонну стали.
 
Футеровка конвертера
Важнейшей целью стратегии развития кон­струкции футеровки конвертеров является достижение ее высокой стойкости, обеспе­чивающей такую эффективность работы кон­вертера, которая соответствует минималь­ным удельных затратам на огнеупоры. Сле­дует иметь в виду, что само по себе меропри­ятие по радикальному повышению стойкости футеровки конвертера обеспечивает доволь­но таки значительное повышение производительности конвертерного цеха в целом. По­следнее десятилетие характеризуется значи­тельным повышением стойкости футеровки конвертера за счет применения комбиниро­ванных сбалансированных схем, в которых учитываются особенности износа отдельных зон, в том числе подверженных повышенной эрозии (рекордные показатели стойкости фу­теровки конвертеров составляют на сегод­няшний день 20-30 тыс. плавок). Так, в раз­личных зонах футеровки конвертера исполь­зуются различные по качеству и толщине из­делия, что, в конечном счете, приводит к сба­лансированному износу футеровки в целом.
 
Различные модификации кислородно-конвертерного процесса
Зона футеровки
Условия, способствующие износу
Рекомендуемые материалы
Верхний конус
• Окислительная атмосфера;
• механический износ;
• термомеханические напряжения;
• высокие температуры
• Периклазографитовые огнеупоры стандартного качества, содержащие антиоксиданты;
• Периклазовый кирпич на пековой основе или периклазовый кирпич на смоляной связке с низким содержанием углерода и антиоксидантами
Зона цапф
• Окислительная атмосфера;
• химическое взаимодействие со шлаком;
• термомеханические напряжения
• Периклазографитовые огнеупоры высокого качества, содержащие антиоксиданты;
• Периклазографитовые огнеупоры высокого качества, содержащие плавленый магнезит и антиоксиданты;
Зона завалки металлолома
• Механические удары и абразивный износ от контакта с металлоломом и заливаемым металлом
• Периклазовый кирпич с пековой пропиткой;
• Периклазографитовые высокопрочные огнеупоры стандартного качества, содержащие антиоксиданты;
• Высокопрочные низкоуглеродистые периклазовые кирпичи, содержащие антиоксиданты
Зона слива металла
• Механический износ, высокая температура и химическое взаимодействие со шлаком
• Периклазографитовые огнеупоры высокого качества, содержащие антиоксиданты;
• Высокопрочные низкоуглеродистые периклазовые кирпичи, содержащие металлические добавки;
• Периклазографитовые огнеупоры стандартного качества, содержащие антиоксиданты
Зона контакта со шлаком при повороте конвертера
• Взаимодействие со шлаком и высокая температура
• Периклазографитовые огнеупоры высокого качества, содержащие антиоксиданты;
• Периклазографитовые огнеупоры высокого качества, содержащие плавленый магнезит и антиоксиданты;
Днище и нижний конус (при продувке через днище)
• Разрушение вследствие интенсивного перемещения металла, шлака и вдуваемого газа;
• термомеханические удары вследствие внутренних напряжений, возникающих в зоне контакта охлаждаемых фурм с футеровкой
• Высокопрочные низкоуглеродистые периклазовые кирпичи, содержащие антиоксиданты;
• Периклазографитовые огнеупоры без металлических добавок, характеризующиеся низким термическим расширением и высокой теплопроводностью;
• Периклазовый кирпич с пековой пропиткой
Внутренняя полость сталевыпускного отверстия
• Разрушение вследствие интенсивного перемещения металла и термомеханические удары
• Периклазографитовые огнеупоры высокого качества с пековой связкой, содержащие плавленый магнезит и антиоксиданты
 
Повышению стойкости футеровки способ­ствует сокращение времени ее прямого кон­такта со струей кислорода. Для этого в нача­ле процесса продувки принудительно уско­ряется шлакообразование посредством при­садки специальных добавок для вспенива­ния шлака. Конечно, повышению стойкости футеровки способствует автоматизация кон­вертерного процесса, позволяющая умень­шить количество повалок конвертера и пред­отвратить перегрев стали в конце плавки.
Для повышения стойкости футеровки фир­мами «Practer» и «Grate Lakes Division» (США) предложена технология раздува шлака в кис­лородном конвертере, заключающаяся 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. Технология раздува шла­ка 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 также за счет того, что при заливке в конвертер чугуна шлак частично оплавляется, что приводит к образованию некоторого слоя жидкого шла­ка еще до начала продувки.
Существенную роль в повышении стойко­сти футеровки конвертеров играют совре­менные методы контроля за ее состоянием, позволяющие измерять профиль футеровки и степень ее износа. Примером такого оборудования может служить лазерная система измерения профиля футеровки. Полное ска­нирование конвертера занимает 25-30 ми­нут. Обнаруженные участки с малой толщи­ной футеровки ремонтируют торкретирова­нием и раздувом шлака. Мониторинг футе­ровки выполняется 7-10 раз в процессе ее эксплуатации.
В целом уже сегодня нормальной сред­ней стойкостью футеровки конвертера при­нято считать 3500-5000 плавок.

Повышение эффективности доводки металла в ковше
Роль и задачи доводки металла в ковше в системе конвертерного производства ста­ли в последние годы существенно возраста­ют и расширяются. Прежде всего, это связа­но с повышением требований к качеству стали и ее химическому составу, а также стремлением обеспечить максимально вы­сокую степень совмещения дискретного процесса выплавки стали (в нескольких конвертерах) с квазинепрерывным процессом ее разливки (на нескольких МНЛЗ.
На практике все большее распростране­ние получает доводка чугуна в ковше перед заливкой в конвертер с целью его десульфурации, дефосфорации и десиликонизации.
Развитие тенденции производства 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 серы. Эта задача может быть реализована 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. Поэтому многие современные конвертерные цехи имеют в своем составе участки по внедо­менной десульфурации чугуна, которые раз­личаются местом десульфурации, типом применяемых десульфураторов, способами удаления образующегося шлака и его по­следующей утилизацией. Как показывает практика, десульфурация осуществима 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 будет наиболее эффек­тивной в том случае, если будет удален шлак, получаемый после окончания процес­са десульфурации.
Внедоменная десиликонизация и дефо-сфорация чугуна обеспечивают получение сталей с низким содержанием фосфора (<0,01%Р), а также создает 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. Однако недостатком малошлаковой технологии являются ухудшение теплового баланса и, как следствие, снижение доли металлолома в шихте кон­вертерной плавки.
В последнее десятилетие все большее распространение в практике конвертерно­го производства получают агрегаты ком­плексной внепечной обработки стали типа «печь-ковш», которые включают в себя про­ведение операций подогрева металла, про­дувки стали аргоном, ее рафинирования, доводки по химическому составу, выдержки по времени в соответствии с режимом раз­ливки на МНЛЗ и т.п. В мире накоплен боль­шой практический опыт эксплуатации агре­гатов такого типа, что позволило разработ­чикам оптимизировать основные их конструктивные и технологические параметры. Вместе с тем следует отметить, что примене­ние агрегатов «ковш-печь» в конвертерном цехе имеет достаточно очевидные особен­ности, существо которых 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». При этом емкость сталеразливочного ковша (масса плавки) в конвертерных цехах, как правило, больше, чем на мини-заводах. Более того, совершенно по-новому представляется за­дача эффективного функционирования ковш-печи при обработке стали в ковшах вместимостью 250 т и более, что объясняет­ся существенным увеличением инерционности процессов нагрева металла, его пере­мешивания и рафинирования.
В последние два десятилетия наблюдает­ся устойчивое наращивание объемов кон­вертерной стали, которая подвергается вакуумной обработке. Прежде всего, это свя­зывается 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 западной терминологии такие стали обозначают аббревиатурами ULC (ultra-low-carbon) и IF (interstitial free).
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 большего количества плавок. Между тем область использования камерных вакууматоров, сооружение которых требует меньших капитальных затрат, несколько ог­раничивается большей длительностью цик­ла обработки, связанной со спецификой конструкционных решений для такого типа агрегатов (установка ковша, установка крышки и пр.). Помимо этого вакуумирование в агрегатах VD/VOD при обработке боль­ших масс металла требует дополнительного времени на перемешивание расплава. 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.
 
Повышение эффективности доводки металла в ковше
Первый кислородно-конвертерный цех с разливкой всей выплавляемой стали на МНЛЗ был пущен в эксплуатацию на Ново­липецком металлургическом комбинате в 1966г. Собственно в 1960-70-е гг. и сформировались основные концептуальные форматы построения конвертерных цехов со 100% непрерывной разливкой стали применительно к слябовым, блюмовым и сортовым МНЛЗ. Для конвертерных це­хов этого времени было характерно нали­чие большого числа МНЛЗ (от 4 до 6), что как бы гарантировало некоторую повышен­ную гибкость участка разливки стали. Бо­лее того, в металлургической практике бы­ли созданы такие конвертерные цеха, в ко­торых одновременно функционировали слябовые и блюмовые МНЛЗ, что фактически повышало финансовую устойчивость рабо­ты завода в рыночных условиях. Между тем непрерывная разливка стали на сортовую заготовку в конвертерных цехах получила лишь ограниченное распространение, что следует объяснять, прежде всего, низкой производительностью сортовых МНЛЗ того времени. Начиная с 1990-х гг, основными производителями сортовой заготовки стали высокоэффективные мини-заводы, которые оттеснили на второй план производство сортовой заготовки в конвертерных цехах в силу целого ряда причин технологическо­го и экономического характера. При этом производство стали в конвертерных цехах, как правило, ориентировано на более ка­чественные виды металлопродукции, чем на мини металлургических заводах.
Существенный прогресс в технике и тех­нологии непрерывной разливки стали в по­следние полтора десятилетия позволил кардинальным образом повысить производи­тельность одного ручья МНЛЗ. Уже сегодня одноручьевая слябовая МНЛЗ обеспечива­ет разливку 1,2-1,5 млн. т стали в год, что в 1,5-2 раза выше, чем у промышленных МНЛЗ, сооруженных в 1980-е гг и ранее. При этом конструкционное оформление но­вой МНЛЗ включает в себя вертикальный кристаллизатор с прямолинейным участком под ним, участок многоточечного загиба за­готовки, наличие системы изменения ши­рины и конусности кристаллизатора, зону вторичного водовоздушного охлаждения, систему «мягкого» обжатия заготовки, учас­ток многоточечного разгиба заготовки и пр. Помимо этого в рамках единой системы функционирования МНЛЗ также оптимизи­руются условия течения и дозирования ста­ли на участке сталеразливочный ковш -кристаллизатор и обеспечивается максимальная ее защита от вторичного окисле­ния. Большинство современных МНЛЗ предполагает разливку стали длинными и сверхдлинными сериями, что может быть обеспечено только при использовании вы­сококачественных изостатических изделий типа стопор-моноблок, стакан-дозатор, по­гружной стакан. Применение высокопроиз­водительных слябовых МНЛЗ позволяет уменьшить количество слябовых МНЛЗ в цехе: в современном цехе количество МНЛЗ соответствует количеству конверте­ров. Такое решение существенным образом улучшает развязку грузопотоков в цехе и способствует повышению ритмичности ра­боты технологических агрегатов. По такой схеме, например, сооружается новый конвертерный цех на Алчевском металлурги­ческом комбинате, где предполагается сооружение двух 300-тонных конвертеров, двух установок ковш-печь, вакууматора и двух 2-х ручьевых слябовых МНЛЗ.
В последнее десятилетие на практике все большее распространение получают МНЛЗ для отливки слябов средней (100-150 мм) толщины и тонких слябов (около 50-60 мм и менее). Наиболее серьезным научным про­рывом представляется создание рядом за­падных фирм МНЛЗ для разливки тонких сля­бов, обеспечивающей качество на уровне технологии получения листа из традиционно­го сляба. Отличительной особенностью таких МНЛЗ является принципиально новая кон­фигурация внутренней полости кристаллизатора, имеющая т.н. «чечевицеобразную фор­му». При этом толщина сляба в осевой зоне у мениска составляет, как правило, 150-170 мм при толщине сляба на выходе из кри­сталлизатора 55-70 мм. Иначе говоря, сече­ние в зоне мениска кристаллизатора прибли­жается к характерному для классических слябовых МНЛЗ. Благодаря большим размерам сечения заготовки уменьшаются эрозия сте­нок, захват шлакообразующей смеси в ме­талл сляба, склонность к образованию по­верхностных трещин и т.п. Кристаллизатор, как правило, снабжен системой электрома­гнитного торможения (Electromagnetic brak­ing - EMBR) конвективных потоков и систе­мой изменения толщины заготовки в широ­ких пределах. Меньшая толщина сляба по­зволяет существенно снизить энергетичес­кие затраты на прокатку его в тонкий лист. Та­кая конфигурация кристаллизатора позволя­ет не только обеспечить подвод металла с помощью погружного стакана специальной пло­ской формы («бобровый хвост»), но и улучшить питание жидкой сердцевины заготовки за счет обжатия твердой корочки в нижних гори­зонтах. Среди преимуществ тонкослябовых МНЛЗ можно назвать возможность получе­ния слябов шириной свыше 3000 мм и умень­шение потерь энергии и металла в ходе по­следующего прокатного передела. В целом же в этом случае за основу технологического процесса принимается концепция литейно-прокатных агрегатов, представляющих собой совмещенную систему технологий по разлив­ке и прокатке металла.
Примером такого технологического ре­шения является конвертерный цех завода "Bruckhausen" (г.Дуйсбург) фирмы "Thysnen Krupp Stahl AG, в состав которого входят 2 конвертера вместимостью 400 т каждый, установка внепечной доводки стали LTS-OB, вакууматор типа RH, агрегат типа «ковш-печь», современная слябовая МНЛЗ (тол­щина сляба 215 мм, ширина – 1800-2600 мм, производительность 275 тыс. т в месяц), литейно прокатный агрегат (про­изводительность 160 тыс. т в месяц). Вве­денный в эксплуатацию в 1999г. литейно-прокатный агрегат позволяет получать сляб толщиной 63-43 мм путем обжатия заготов­ки с жидкой сердцевины. Скорость литья мягкой (низкоуглеродистой стали может максимально составлять 5,5 м/мин, а в слу­чае углеродистой стали варьируется в пре­делах 4,0-4,5 м/мин. Промежуточный ковш МНЛЗ рассчитан на массу металла 70 т. Од­ной из отличительных особенностей литейно-прокатного агрегата для производства тонкого листа является семиклетьевая чис­товая группа, где диаметр рабочих валков в клетях оптимизирован соответственно ус­ловиям процесса. Как показал опыт эксплуатации, литейно-прокатный агрегат обеспечивает сравнительно низкие капиталовло­жения в оборудование благодаря объеди­нению производственных этапов литья и прокатки, одновременно выводя из экс­плуатации устаревшие мощности по непре­рывной разливке и прокатке.
Другим характерным примером является технологическое построение металлургиче­ского завода компании «Tangshan Iron and Steel Company» (Китай), имеющего в своем составе конвертер вместимостью 150 т, 2
агрегата «ковш-печь», 2 МНЛЗ для литья тонких слябов. Главная линия прокатного стана напрямую соединена с тонкослябо-выми МНЛЗ для отливки слябов толщиной 85-70 мм, шириной 850-1690 мм и длиной до 37 м. К декабрю 2004 г. была достигну­та производительность 256тыс.т/месяц.
Что же касается разливки сортовой за­готовки, то, благодаря развитию, прежде всего, концепции высокоскоростных сорто­вых МНЛЗ с параболическим кристаллиза­тором, в настоящее время существует достаточно большое количество конвертер­ных цехов с сортовыми МНЛЗ. Фактически уже сегодня достаточно просто совмещает­ся работа конвертера вместимостью 160-180 т с 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ. На­пример, в конвертерном цехе Енакиевского металлургического завода (3 конвертера вместимостью 160 т каждый, 2 агрегата «ковш-печь», 2 шестиручьевых сортовых МНЛЗ) достигнута годовая производитель­ность одного ручья сортовой МНЛЗ на уров­не 200 тыс. т. Можно предположить, что при определенных условиях современные сор­товые могут обеспечить и разливку 250-280 тыс. т стали в год на один ручей. Одна­ко такие сортовые МНЛЗ должны быть непременно оснащены промковшами повышенной вместимости (30-35 т для шестиру­чьевых МНЛЗ) со специальными устрой­ствами для быстрой замены изношенных стаканов-дозаторов, что обеспечивает раз­ливку стали сверхдлинными сериями. При этом внутренняя полость кристаллиза­тора предполагает параболическую конфи­гурацию, адаптированную к высоким ско­ростям литья. Для улучшения условий фор­мирования корочки заготовки целесооб­разно использовать электромагнитное тор­можение струи в жидкой ванне кристалли­затора, а в зоне вторичного охлаждения должно использоваться водовоздушное ох­лаждение и «мягкое» обжатие.

Добавить комментарий