Материально-тепловой баланс кислородно-конвертерной плавки

Общие вопросы

 

 

Обычная углеродистая сталь  представляет собой сплав железа с углеродом и другими элементами (Si, Mn, P, S); легированная содержит также легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Ti, V, Alи т.д.) в количествах, определяемых основными требованиями к ее качеству.

Для большинства процессов  основным шихтовым материалом является чугун, т.е. материал, значительно более  богатый углеродом, кремнием, марганцем  и фосфором, чем сталь перед ее раскислением в сталеплавильных агрегатах. Таким образом сталеплавильный процесс предназначен для снижения примесей в чугуне методом окисления их до необходимой величине. При проведении ряда окислительных процессов уменьшаются концентрации углерода, кремния, марганца и вредных элементов (серы и фосфора).

Источником кислорода  для этих окислительных процессов  служит газовая фаза (газообразный кислород, печная атмосфера) и, иногда, твердые окислители (руда, агломерат, окатыши, окалина ошлакованные огнеупоры  ванн сталеплавильных агрегатов).

Окислительный характер атмосферы  мартеновских и двухванных печей, а также конвертеров определяются следующими факторами:

1. Некоторый избыток воздуха, предназначенного для горения топлива (α=1.1- 1.3);
2. Некоторый подсос воздуха из атмосферы цеха, возникающие при удалении продуктов горения;
3. Некоторая окислительная способность продуктов сгорания топлива при температурах плавильного пространства;
4. Окисление примесей в реакционном зоне при продувке кислородом.

Окислительные процессы, сопровождающиеся выделением большого количества тепла, способствуют росту температуры металлической ванны. При повышении температуры процессы окисления интенсифицируются и при температурах 1500- 1600 ^оС идут с большой скоростью.

Примером может служить  кислородный конвертер. Чугун пред заливкой в конвертер имеет температуру  около 1250-1350 ^оС. В зависимости от принятой схемы разливки стали и марки выплавляемой стали температура металла на выпуске обычно составляет 1600-1650 ^оС. Таким образом расплав необходимо нагреть до температуры выпуска на 250-400 ^оС. Как раз это тепло черпается от окислительных процессов примесей. Окисление примесей и изменения температуры стали по ходу продувки показаны на рис.1.

Как показывает рисунок, окисление  элементов начинается с момента  подачи кислорода, а также можно  оценить скорость их окисления. В первые минуты весь кремний и часть марганца успевают выгореть. Затем начинает гореть Cи P. Температура стали достигает максимального значения, его можно выпускать. Плавка закончена.

 

ТЕМПЕРАТУРА МЕТАЛЛА НА ВЫПУСКЕ

 

Процесс внепечной обработки стали на агрегате ковш-печь в сочетании с работой МНЛЗ ограничен временным фактором, вследствие чего все операции по доводке стали: нагрев металла до необходимой температуры, доводка плавки по химическому составу с соответствующим уровнем де-сульфурации, микролегирование и модифицирование неметаллических включений ограничены жестким временным регламентом при серийной разливке. На современных высокоскоростных мелкосортных МНЛЗ, разливающих металл со скоростью 3,5-5,0 м/мин, продолжительность разливки составляет порядка 50-60 мин.

В связи  сизложенным, операции на агрегате ковш-печь должны быть проведены в оптимальном  режиме, с учетом подготовки металла  перед обработкой.

На современных  электросталеплавильных печах, работающих с продувкой ванны кислородом, металл обычно выпускают с высокой температурой - 1650-1670 °С. При этом на ковш-печь металл поступает, по данным, например, Молдавского металлургического завода, со средней температурой 1588,2 °С, а температура отдачи металла на МНЛЗ обычно составляет 1590-1615 °С. Таким образом, к концу обработки необходимо обеспечить подъем температуры металла на 2-27 °С.

 

В современных  конвертерных цехах, работающих, как  правило, с пе-редувом (содержание углерода в стали на выпуске составляет 0,04-0,07 %) температура металла на выпуске составляет порядка 1620-1650 °С.

В мартеновских цехах достичь высокой температуры  стали на выпуске значительно труднее. Учитывая низкий КПД мартеновской печи (порядка 0,20-0,25), это требует увеличения продолжительности плавки (снижение производительности агрегата) и расхода топлива. Поэтому температуру металла на выпуске из плавильного агрегата необходимо устанавливать, исходя из конкретных технологических и организационных условий в цехе, причем критерием должно быть снижение затрат на производство стали.

Так, на одном  из металлургических предприятий директивным  образом температура стали на выпуске из мартеновских печей была повышена, в среднем, на 25 °С. Однако фактическое увеличение температуры металла в ковше по прибытию на ковш-печь составило только 10 °С (в среднем), так как за указанный период увеличили расход ТШС, присаживаемой в ковш, на 50 % и изменили футеровку ковша с муллитокорундовой на пе-риклазоуглеродистую. Расчет суммарных потерь тепла за счет увеличения

количества  ТШС, изменения теплопроводности футеровки  и потерь тепла лучеиспусканием  струей на выпуске показали, что  при увеличении температуры металла на выпуске на 20 °С повышение температуры металла по прибытии на ковш-печь может составить 9,4 °С. То есть, получено достаточное совпадение расчетных и фактических данных.

В то же время, увеличение температуры металла на выпуске из мартеновской печи на 20 °С способствует повышению (для конкретного агрегата) расхода условного топлива на 5 кг/ т стали, а также увеличивает продолжительность плавки на 10 мин (скорость нагрева стали в конце доводки порядка 2°/мин). Учитывая расход топлива и снижение производительности печи, увеличение суммарных затрат составляет 0,8 долл. США/т, а стоимость нагрева стали на ковше-печи на 10 °С составляет порядка 0,25 долл. США/т, т.е., значительно меньше. В то же время, учитывая, что при поступлении металла на ковш-печь с более низкой температурой, увеличивается продолжительность обработки, снижается скорость формирования шлака, целесообразно повысить температуру нагрева ковша пред выпуском до более высокой температуры (до 900 вместо 800 °С). При этом дополнительные затраты на природный газ, подаваемый на горелки, увеличатся на 0,08 долл. США/т стали. При использовании нагрева ковша в горизонтальном положении вместо вертикального за счет лучшего использования топлива расход газа может остаться прежним.

Таким образом, повышение температуры стали  при постановке ковша на агрегат ковш-печь, необходимо решать, исходя из конкретных условий данного предприятия, которые определяются уровнем затрат на этапах производства стали.

 

 

ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫПУСКА МЕТАЛЛА В СТАЛЕРАЗЛИВОЧНЫЙ КОВШ

 

 

Известно, что сталеразливочные ковши с  основной футеровкой, для повышения  их стойкости, необходимо нагревать  до температур порядка 1000-1200 °С перед подачей их под следующую плавку. Это организационно просто осуществить в электросталеплавильных и конвертерных цехах, а в мартеновских цехах по условиям безопасной работы ковши должны подаваться под желоб в начале доводки металла. Поэтому для сохранения тепла их рекомендуется накрывать крышкой с теплоизоляцией.

Целесообразно использовать присадку ТШС в процессе выпуска металла независимо от наличия средств отсечки шлака для снижения содержания серы в металле.

В конвертерных и электросталеплавильных цехах продолжительность выпуска обычно составляет 5-8 мин, выпуск плавки из мартеновских печей составляет 10-20 мин (в зависимости от состояния сталевыпускногоотверстия и емкости печи). Поэтому в мартеновских цехах целесообразно во время выпуска продувать металл аргоном через пористые пробки. Это способствует интенсивному перемешиванию металла с образовавшимся из ТШС шлаком на всем протяжении выпуска, и увеличению степени десульфурации стали.

Отсечка печного шлака при эркерном выпуске  из электродуговой печи на Молдавском металлургическом заводе обеспечивает степень десульфурации стали от выпуска до постановки ковша на ковш-печь 60-70 %. Следует отметить, что степень десульфурации стали в значительной мере определяется исходным содержанием серы (рис.1). Так, на Молдавском металлургическом заводе среднее содержание серы перед выпуском из ДСП составляет 0,067 %, а общая степень десульфурации (выпуск и ковш-печь) составляет 85-90 %.

 

 

 

Рис. 1.Зависимость степени десульфурации (от выпуска до разливки) от начального содержания серы

 

 

По данным Таганрогского металлургического  завода при содержании серы в стали на выпуске порядка 0,030-0,035 %, степень десульфурации за время выпуска составляет 30-40 %. Следует отметить, что на этом заводе при использовании качающегося желоба на мартеновской печи с выпуском металла в два ковша печной шлак одного из ковшей отсекается полностью и переливается в чашу через второй ковш.При этом во время выпуска оба ковша продувают через донные пробки аргоном с присадкой ТШС порядка 5-8 кг/т. Степень десульфурации в ковшах без шлака составляет 39,2% (в среднем), а на ковшах, через которые перепускается печной шлак - 29,9 %. Это объясняется более низкой, по сравнению с данными Молдавскогометзавода, температурой металл и относительно слабым перемешиванием металла со шлаком при выпуске.

Таким образом, присадка ТШС способствует предварительной  десульфурации стали, облегчая условия десульфурации на ковше-печи. Кроме того, в ковше (при условии отсечки печного шлака) перед постановкой его на ковш-печь уже имеется слой шлака, что сокращает количество присаживаемых на ковше-печи шлакообразующих, более быстрому их растворению и снижению затрат.

Однако  даже при эркерном выпуске из ДСП  в ковш попадает 300-600 кг печного шлака (затягивается струёй металла в конце  выпуска). При выпуске стали из конвертера, по данным А.А. Казакова, в  сталеразливочный ковш попадает до 30 % конвертерного шлака.

При скачивании шлака из сталеразливочных ковшей гребковыми машинами в ковше остается примерно 300-500 кг шлака (по визуальной оценке). Учитывая, что попавший на агрегат ковш-печь печной шлак, как правило, жидкий, с  высокой основностью, нами выполнены расчеты по определению минимального количества печного шлака (с повышенным содержанием FeO), который можно "облагородить" присадками шлакообразующих на ковше-печи. Расчеты показывают, что минимальное количество печного шлака, не оказывающего влияния на десульфурирующую способность рафинировочного шлака, может составлять примерно 250-300 кг для ковшей емкостью 100-120 т.

Весьма  важно подобрать такой состав и расход ТШС, чтобы сформировавшийся шлак обладал наилучшими ассимилирующими характеристиками. Для определения оптимального состава шлака были проанализированы различные свойства шлаков (активность СаО, сульфидная емкость, поверхностное натяжение, межфазное натяжение) по Атласу шлаков (рис. 2, 3).

Из представленных на рис. 2, 3 данных видно, что при содержании в шлаке (тройная система Ca0-Al₂О₃-Si0₂) СаО 60 % изменение содержания А1₂0₃ и Si0₂в пределах 15-25 % существенно не сказывается на свойствах шлака (активность СаО, сульфидная емкость, поверхностное натяжение, межфазное натяжение), а при содержании в шлаке СаО 50 % изменение содержания А1₂0з и Si0₂в тех же пределах приводит к изменению указанных параметров шлака на 20-60 % отн., что говорит о более стабильных свойствах шлаков с содержанием СаО 60 %.

Для обеспечения  стабильно высоких рафинирующих и ассимилирующих параметров шлака содержание в нем СаО должно составлять 60-65 %, Si0₂- 10-15 %, Al₂О₃- 15-20 %, MgO- 5-8 %, FeOи MnO- менее 1 %. Стабильность свойств шлаков обеспечивается содержанием в них MgOв пределах 5-8 %, что также повышает активность СаО по отношению к растворенной в металле сере, увеличивает подвижность шлака и устойчивость его физико-химических свойств при изменении температуры и состава, стабилизирует показатели конкретного шлака, обеспечивая необходимую вязкость и поверхностное натяжение, способствуя ассимиляции включений.

Рис. 2.Зависимость активности СаО в шлаке и сульфидной емкости шлака от концентрации СаО в шлаке (концентрация Si0₂в шлаке - 15-20 %; А1₂0₃- 15-20%.):

активность  СаО;

сульфидная  емкость шлака

Рис. 3. Зависимость поверхностного и межфазного натяжения шлака от концентрации СаО в шлаке (концентрация Si0₂в шлаке - 15-20 %; А1₂0₃-15-20%.):

поверхностное натяжение;

межфазное натяжение

 

 

Так, на Таганрогском металлургическом заводе при вводе  в состав ТШС 10-15 % обожженного доломита и аналогичном со сравнительными вариантами расходе ТШС, степень  десульфурации оказалась на 8,8-17,4% абс. (27,5-74,3% отн.) выше (состав ТШС - известь, плавиковый шпат и алюмошлак).

Необходимое количество MgOв шлаке обеспечивается вводом в состав ТШС доломита (магнезита).

Магнезитовый  порошок рекомендуется на выпуске  присаживать в ковш для обеспечения  получения в рафинировочном шлаке  содержания MgOна уровне 5-8 % также и с целью повышения стойкости футеровки ковша при выпуске стали из плавильных агрегатов с низким содержанием оксида магния в печном шлаке. Для 100-120-тонных ковшей необходимо примерно 80-150 кг магнезитового порошка. При выпуске стали из мартеновских печей, особенно работающих скрап-процессом, содержание MgOв печном шлаке составляет 10-15 %, поэтому присадка магнезитового порошка не требуется.

 

 

ОТСЕЧКА ШЛАКА ПРИ СЛИВЕ МЕТАЛЛА ИЗ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО АГРЕГАТА

 

 

Попадание окисленного шлака в ковш при  сливе металла из сталеплавильного агрегата снижает эффективность десульфурации при использовании ТШС на выпуске, вызывает повышенный угар вводимых ферросплавов, затрудняет наводку рафинировочного шлака на агрегате ковш-печь. Поэтому одной из важных технологических операций является обнаружение и отсечка шлака при переливе металла из плавильного агрегата в ковш.

При выпуске  металла из мартеновских печей используются желоба с перегородками, задерживающими шлак, который по отводному носку  направляется в шлаковую чашу. Установлено, что приемлемая степень полноты отсечки шлака обеспечивается скиммерным желобом со стационарной перегородкой лишь при незначительных отклонениях (в пределах 5-7 %) диаметра выпускного канала мартеновской печи от своего номинального значения, что маловероятно. Более надежная система (рис. 4) предлагается с применением управляемой заслонки 4, которую с помощью электромеханического привода 7, 8, 9 поворачивают и устанавливают под заданным углом к потоку жидкой стали. При этом добиваются подъема уровня шлака в приемной части желоба 1 до уровня поверхности сливного носка 3, по которому печной шлак отводится в шлаковую чашу. Желоб имеет цапфы 10 для его наклона с целью слива остатков металла в ковш. Заслонка закрепляется на валу 5 в подшипниковых опорах 6. Предусмотрен принудительный поворот заслонки в обоих направлениях и при надлежащей мощности привода исключается возможность ее зависания даже при наличии металлической настыли на внутренней поверхности канала желоба.