Материально-тепловой баланс кислородно-конвертерной плавки

 

 

Рис. 4.Новая конструкция печного желоба

 

 

В настоящее  время, несмотря на неоднократные попытки, желоба со скиммерными устройствами на мартеновских печах не применяют.

Альтернативным  решением отсечки шлака при выпуске  стали из мартеновских печей является использование качающегося желоба на агрегатах, выпускающих сталь в два ковша. Качающиеся раздвоенные желоба успешно применяют на ряде металлургических предприятий в мартеновских цехах. Использование такого желоба, помимо распределения металла по ковшам, позволяет полностью отсекать шлак на одном из ковшей. С этой целью, при наполнении обоих ковшей металлом примерно на 3/4, желоб поворачивают. Это позволяет один из ковшей заполнить только металлом. После налива в этот ковш необходимого количества стали желоб поворачивают в другую сторону и оставшийся металл и весь печной шлак пропускают через второй ковш.

На электродуговых печах для отсечки печного  шлака используют эр-керный выпуск стали. При этом в ковш при правильной организации выпуска попадает 300-500 кг шлака. Часть шлака засасывается в воронку металла в конце выпуска, а часть попадает при наклоне печи в обратную сторону, т.е. количество шлака в ковше определяется скоростью качания печи.

На электродуговых печах с центральным выпуском наиболее высокие показатели отсечки шлака достигаются за счет установки на них скользящих затворов, обеспечивающих управляемый донный выпуск стали безповорота корпуса печи. В технической литературе отмечаются преимущества такой технологии - сокращение длительности плавки на 5-7 мин, уменьшение расхода электроэнергии на 6-10 %, электродов на 10-13 % и др. ДонНТУ и НПО "Доникс" разработали усовершенствованную конструкцию затвора, имеющего принципиальные отличия от зарубежных аналогов, который обеспечивает надежную работу без использования дорогостоящих керамических плит и специального инструмента.

В настоящее  время наиболее широкое применение имеет конвертерный способ получения жидкой стали, при котором используются различные способы отсечки шлака на выпуске металла.

По данным  количество попадающего в ковш шлака  во время выпуска стали из конвертера распределяется следующим образом: 15—20 % - в начале выпуска, 65-70 % - в конце  выпуска, 15-20 % во время возврата конвертера в рабочее положение. В процессе выпуска некоторое количество шлака также выносится в ковш вследствие образования в жидкой ванне воронки, которая, вращаясь, затягивает в струю вытекающей стали шлак. В условиях постоянно возрастающих требований к качеству металла проблеме отсечки шлака при выпуске металла из конвертера предметно стали уделять внимание с начала 70-х годов XX века. Тем не менее, в СНГ до настоящего времени используется визуальный способ: оператор, управляющий сливом из конвертера, по изменению цвета струи металла, а также по изменению шума, создаваемого падающей струёй, судит о проникновении шлака и поворачивает конвертер в исходное положение.

  При этом результат сильно зависит от квалификации (и отношения) оператора, а зачастую условия процесса не позволяют относительно точно определить момент проникновения шлака даже опытному оператору. В результате в ковш попадает непредсказуемое количество высокоокисленного шлака со всеми вытекающими из этого последствиями.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.Сливное отверстие с установленным "тампоном" до его фиксации (а) и после (б)

 

 

Вместе с тем, в конвертерном производстве развитых стран достаточно широко применяются различные способы предотвращения выноса шлака в ковш в начале и конце выпуска металла.

К методам  отсечки шлака в начале выпуска  можно отнести использование различных пробок - огнеупорные, металлические, деревянные, из волокна, из старой ткани и хлопчатобумажных отходов, которые устанавливаются в выпускное отверстие для предотвращения выплеска шлака при наклоне конвертера. Последнее достижение по этому методу - использование расширяющейся заглушки или одноразового "тампона". Схема представлена на рис. 5.

"Тампон" 1 выполнен из пластического огнеупорного  материала, который завернут в полиэтиленовую пленку 7 с целью предотвращения самозатвердевания до его использования. Торцевая пластина 2 соединена внут-ренней полостью 5 с торцевой пластиной 4. Через внутреннюю полость 5 проходит механический захват 6, имеющий выдвигающиеся цанговые выступы. Захват 6 фиксирует "тампон" 8 в требуемом положении, которое соосно с отверстием конвертера 10. "Тампон" устанавливается вблизи задней стенки отверстия 9. С помощью системы рычагов механический захват притягивает торцевые пластины 2 и 4 и материал выдавливается до упора в стенки отверстия 10.

"Тампон" устанавливается перед завалкой  лома. Под действием высокой температуры в процессе плавки пластина 2 расплавляется и спекается с огнеупорным материалом, образуя прочную герметичную "крышку", которая может противостоять давлению газов, вибрациям и толчкам в процессе плавки. Эта "крышка" выдерживает ферростатическое давление в первый момент после опрокидывания конвертера и предотвращает истечение первичного шлака.

Одноразовые заглушки изготавливаются из специального огнеупорного материала и многокомпонентных добавок, что обеспечивает эффективное разрушение и выталкивание "тампона" из отверстия в соответствующий момент времени. Процесс разрушения "тампона" происходит при повороте конвертера в горизонтальное положение. Практикой установлено, что эта заглушка разрушается и удаляется из сливного отверстия в течение 20-25 секунд с момента поворота конвертера, что обеспечивает начало выпуска стали без вовлечения в поток шлака.

Наиболее  важная операция, которая касается выноса шлака, это остановка потока шлак-металл в конце выпуска. Эта задача предусматривает использование методов оперативного обнаружения шлака в струе расплава и устройств для прерывания потока шлак-металл.

Существует  несколько способов определения  проникновения шлакав струю металла. Наиболее широко применяются инфракрасный, вибрационный и электромагнитный способы.

Инфракрасный  метод основан на восприятии чувствительной камерой излучения струи в инфракрасном волновом диапазоне. По изменению параметров излучения фиксируется проникновение шлака. Измерения по этому методу требовательны к чистоте воздушного пространства между камерой и струей металла.

Вибрационный  метод основан на измерении уровня вибраций, которые возникают при движении струи металла. Этот метод применяется, как правило, при сливе металла из сталеплавильного ковша в промежуточный. Чувствительный элемент устанавливается на манипуляторе разливочного стакана. Этот способ измерений чувствителен к влиянию различных вибрационных помех, что уменьшает его надежность.

Наиболее  часто на практике применяется электромагнитный метод, имеющий высокую точность и быстродействие измерений, не зависимых  от акустических и визуальных помех. В отличие от инфракрасного этот метод может работать как при  открытой, так и при закрытой струе  металла. Чувствительный элемент при этом состоит из одной или нескольких обмоток. Обмотка возбуждения создает электромагнитное поле и при изменениях в струе металла, связанных с проникновением в нее шлака, происходит изменение параметров поля, которые фиксируются измерительной обмоткой. Известны и применяются две подобные системы магнитного поля: система EMLIс двумя электрическими катушками, встроенная внутри выпускного отверстия, и система Ameraс одной электрической катушкой внутри

огнеупорного материала выпускного отверстия. Пример такой системы  показан на рис. 6

Рис. 6.Электромагнитная система обнаружения шлака

 

 

Основным  недостатком этой системы является необходимость расположения чувствительного элемента в горячей зоне. Эта проблема решается использованием специальных жаропрочных материалов, что существенно увеличивает стоимость оборудования. Замена катушек может осуществляться только при замене огнеупорной футеровки.

Электромагнитный  и инфракрасный методы обнаружения  шлака эффективны при использовании их в сочетании с быстродействующими средствами отсечки шлака. В противном случае целесообразность их применения и поддержания системы в рабочем состоянии становится проблематичной.

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. В первом случае операция прерывания потока металла требует относительно продолжительного времени, в течение которого произойдет значительный вынос шлака. В этом случае преимущества оперативного обнаружения шлака становятся менее заметными.

К специальным  устройствам можно отнести следующие.

На практике достаточно широкое применение получили так называемые пассивные методы отсечки шлака поплавкового типа - шар или конус. Эта система основана на физическом эффекте, обусловленном различным удельным весом жидкого металла и шлака, имеющих, соответственно, более высокую и более низкую плотность по сравнению с закрывающим устройством. Устройство (шар или конус) всплывает в стали, но остается под слоем шлака. Выпускное отверстие закрывается после ввода плавающего стопора в расплав перед выпуском жидкого шлака. Для выставки запирающего устройства в зоне слива металла может применяться специальное оборудование. Эффективной системой отсечки считается поплавковая система "dart", при которой используется керамический поплавок, снабженный цилиндрической направляющей, проникающей в сливное отверстие, что предотвращает смещение поплавка в процессе слива металла, как это может происходить при использовании поплавка в виде шара.

Максимальная  эффективность достигается при  оптимальной плотности керамического материала, обеспечивающей расположение конуса на границе шлак-металл. Вязкость и толщина слоя шлака, а также внутренний диаметр отверстия учитывается изменением геометрических размеров конуса. Для снижения потерь металла при обеспечении минимального выноса шлака в конической поверхности поплавка выполняются специальные каналы для движения металла. Поплавковые системы чаще всего используются для отсечки шлака.

Например, система по отсечке шлака компании "Мопосоп" состоит из манипулятора, конуса (огнеупорныйшейп) и инфракрасной камеры. Манипулятор (рис. 7) характеризуется точным контролем позиции при

оптимизации угла наклона конвертера для размещения конуса в летке, что обеспечивает стабильность повторения позиций при  забросе конуса. Управление манипулятором  полуавтоматическое (PLC) или полностью автоматическое, что исключает человеческий фактор.

 

 

Рис. 7. Поворотный манипулятор для размещения конуса в летке

 

 

Конус обычного типа - стержень, скрепленный с головкой конуса (система "dart"). Принципиальное отличие этой системы в подходе к разработке свойств и формы конуса. Материал головки и стержня разработан из условий его работы при температуре до 1800 °С в течение 3-4 мин. Геометрические размеры соответствуют диаметру летки. Плотность огне-упора соответствует задаваемым конкретным требованиям. Длина и диаметр конуса соответствуют форме летки и глубине ванны с металлом. На конусной головке выполнены пазы с учетом водоворотного эффекта и достижения максимально возможного слива стали. Меньшая высота конуса, по сравнению со стандартной, и увеличенный верхний диаметр исключают прилипание его к летке (рис. 8).

а - обычного типа; б – усовершенствованный

 

Рис. 8.Конус (огнеупорный шейп)

 

 

Инфракрасная  камера для оптимизации контроля и управления при отсечке шлака  специально разработана для стационарной длительной службы в условиях производства, с программным обеспечением для  анализа. Система работает на более чем 20 металлургических предприятиях, в т.ч. Америки, Австрии, Англии и др.

Отмечаются  металлургические преимущества в снижении толщины шлака в ковше до 40-50 мм и ниже, рефосфорация 0,0028 % или ниже, экономия алюминия до 0,25 кг/т стали, повышение усвоения по Siи Мп, увеличение выхода годного металла от 0,1 % и выше.

По имеющейся  информации в настоящее время  система "Мопосоп" внедрена в ККЦ на меткомбинате "Северсталь".

Систему со скользящим затвором применяют, как  было отмечено, в электросталеплавильных печах для закрытия выпускного отверстия  с наружной стороны. Использование системы типа шиберного затвора для перекрытия сливного отверстия конвертера не получили распространения из-за громоздкости, высокой стоимости и сложности технического обслуживания.

Быстродействующим устройством отсечки шлака является газодинамическая система. При обнаружении шлака в струе металла в выпускное отверстие снизу под большим давлением подается газ, который останавливает выпуск расплава. Традиционно в этом направлении работает фирма "VAI", которая впервые в 1976 г. оборудовала такой системой 30-тонный LD-конвертер в Линце, а в настоящее время предлагает новую концепцию стопора "VAI-CON". В новой стопорной системе используется сложная компьютерная программа для уменьшения общего объема выноса шлака. Впервые такая система внедрена в сталеплавильном цехе на заводе фирмы Ilva, Таранто, в августе 2000 г. (рис. 9).

Комплекс включает электромагнитную систему обнаружения шлака, стопорную форсунку "VAI-CON", азотную компрессорную станцию, аккумулятор газа. Система не использовалась во время предварительного слива шлака. Для минимизации образования вихревых потоков шлака и стали (образование воронки) фирма "VAI" рекомендует применять систему "Isojet", разработанную фирмой "VeitschRadex". Операция закрытия отверстия в конце выпуска стали осуществляется в течение одной секунды, включая задержку, необходимую для генерирования давления подачи азота. Вынос шлака на постшлаковой стадии составляет примерно 2 %, что является неизбежным минимумом. В целом, за счет использования этой системы можно устранить более 60 % выноса шлака в ковш за счет запирания отверстия во время определенных фаз качания конвертера.

Обладая рядом достоинств, к которым можно  отнести возможность постоянного  контроля процесса запирания, быстродействие, данная система имеет уязвимое место - сопло, через которое подается газ, забивается шлаком и подлежит частой очистке. Новая стопорная система "VAI-CON"