5. Способы увеличения производительности кислородного конвертера
Развитие конвертерного производства сопровождается неуклонным повышением вместимости конвертеров, так как при практически одинаковой длительности цикла плавки в конвертерах различной вместимости их производительность прямо пропорциональна массе плавки. При этом снижаются капитальные затраты и улучшаются технико-экономические показатели производства. Годовая производительность 300-тонного конвертера составила 2260 тыс. т стали, что в 8-10 раз больше производительности 600-тонной мартеновской печи.
За рубежом кислород в конвертерном производстве впервые начали применять в Австрии (фирма «Фест») в 1949 г. В 1952 г. этой же фирмой был введен в строй первый кислородно-конвертерный цех.
В кислородно-конвертерном производстве стали используют несколько способов подачи кислорода. Наибольшее применение получил способ подачи кислорода сверху через фурму, вводимую по центру конвертера. Управление процессом производят путем изменения положения фурм по высоте и давления кислорода. Металлошихтой служат жидкий чугун в количестве 70-74% общей массы плавки и металлолом - 26-30%. По условиям ведения технологического процесса удельное содержание металлолома является предельным, что следует отнести к недостатку кислородно-конвертерного передела с верхней продувкой.
Увеличение количества металлолома в шихте может быть достигнуто только его предварительным нагревом или плавлением в специальных печах, что, однако, увеличивает себестоимость выплавляемой стали и требует дополнительных капитальных вложений.
В конвертерах с донной продувкой кислород подается снизу через фурмы (сопла) в днищах. При таком способе подвода кислорода создается возможность вдувания в ванну металла порошкообразной извести и, кроме того, использование донных фурм как горелок для предварительного нагрева металлолома внутри конвертера. Такой нагрев позволяет увеличить удельное содержание металлолома в шихте, но при некотором повышении длительности цикла плавки.
В последнее время все чаще применяется комбинированный кислородно-конвертерный процесс с верхней и донной продувками ванны металла, который позволяет увеличивать потребление металлолома и уменьшать расход чугуна. Как и в предыдущем способе, загружаемый металлолом должен нагреваться донными фурмами - горелками. Двухсторонняя продувка позволяет дожигать отходящие газы внутри конвертера и тем самым использовать дополнительную теплоту для нагрева металла.
С целью уменьшения вредных выбросов и улучшения экологии при плавке конвертеры оборудованы системой отвода и очистки отходящих (газов без дожигания. Газоочистка состоит из двух последовательных ступеней регулируемых труб Вентури. Охладитель газов представляет собой одноходовой восходящий экранированный газоход радиационного типа с нижней откатной частью для доступа к конвертеру при его ремонте.
Увеличение производства кислородно-конвертерной стали - одна из основных задач развития металлургической промышленности в нашей стране. Это осуществляется, прежде всего, в конвертерах вместимостью 300-400 т.
5.1 Комбинированная продувка
Выбор вариантов комбинированного процесса зависит от многих факторов и определяется, прежде всего, сортаментом выплавляемой стали, наличием достаточного количества чугуна и требованиями экономического и конъюнктурного характера. Так, например, весомо влияют на долю жидкого чугуна и лома в шихте соотношение цен на эти материалы и, в конечном счете, экономика процесса
Вместе с тем, наибольшее распространение в мире получила комбинированная продувка кислородом сверху и ней тральным газом снизу. По такой технологии в мире работает около 80% от общего числа конвертеров. Через донные фурмы могут вдуваться не только аргон или азот, но и CO2 с интенсивностью до 0,1 м3/(т•мин) и даже СО. Все шире в мировой практике применяют вдувание снизу нейтрального газа после завершения кислородной продувки сверху. В целом же комбинированная продувка обеспечивает: снижение окисленности конечного шлака на 10…20% и повышение выхода годного на 0,2…0,3%; высокую гомогенизацию металла в конвертере по составу и температуре; повышение точности попадания в анализ на выпуске (сокращается средняя продолжительность продувки на 0,5…1,5 мин.); уменьшение содержания углерода в конце продувки; сокращение расхода раскислителей и пр.
Оперативный контроль по ходу кислородно-конвертерной плавки представляется весьма важным элементом, обеспечивающим контроль химического состава металла и его температуры, а также веса плавки, металлолома, железной руды (или окалины), обожженной извести и доломита. Такая стратегия, в конечном счете, минимизирует количество додувок и добавок охладителя. Используемые системы автоматического контроля и управления процессом конвертерной плавки базируются либо на статистических, либо на динамических моделях. В первом случае применяются компьютерные аналоги с накопленным в данных производственных условиях статистическим материалом. Однако такие модели требуют достаточно точной информации о химическом составе, весе и температуре заливаемого металла и заваливаемого скрапа, а также о химическом составе и размерах кусков извести, доломита и прочих флюсов. На практике это не всегда возможно обеспечить, так что точность таких моделей, как правило, не удовлетворяет производственников. Поэтому прямым развитием процесса моделирования стало введение в них вспомогательных параметров, контролируемых по ходу плавки. Например, для корректировки статистической модели может быть использована информация о химическом составе отходящих газов либо температура металла и активность кислорода, определяемая по ходу плавки. На нескольких заводах в Северной Америке, например, для оценки уровня содержания углерода в низкоуглеродистых сталях применяются световые сенсоры. Эта система определяет интенсивность свечения в горловине конвертера в период продувки. Безусловно, динамические модели автоматического контроля более эффективны, поэтому следует ожидать их дальнейшего усовершенствования, особенно в части создания новых приемов измерения (контроля) используемых в модели корректирующих параметров. 1
Комбинированная продувка, кроме технологических, обеспечивает также ряд организационных и экономических преимуществ. Например, для процессов типа LBE характерны следующие преимущества:
- выход годной стали увеличивается на 0,5 - 1,5% в результате снижения содержания железа в шлаке, устранения выбросов, уменьшения количества плавильной пыли;
- благодаря снижению опасности выбросов и периодического резкого вспенивания ванны появляется возможность уменьшить высоту конвертера (или увеличить массу металла). При увеличении массы плавки удельный объем конвертера понижают до 0,6 м3/т, уменьшают массу футеровки на 1 т вместимости конвертера, при этом снижаются потери тепла и возрастает производительность конвертера;
- благоприятные условия перемешивания и обезуглероживания при подаче газа через днище позволяют увеличить расстояние между верхней фурмой и зеркалом металла примерно на 0,5 м. Это обеспечивает повышение стойкости фурм, уменьшение локального перегрева металла в первичной реакционной зоне, интенсивности его испарения и образования пыли;
- уменьшается расход флюсов, которые вводятся для ускорения шлакообразования (вплоть до полного отказа от использования таких добавок, как плавиковый шпат).
5.2 Увеличение стойкости футеровки
Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях, подвергаясь:
- воздействию высоких температур;
- термических напряжений, возникающих при колебаниях температуры футеровки;
- ударов кусков шихты при загрузке и знакопеременных нагрузок, возникающих при вращении конвертера.
Она изнашивается также в результате химического взаимодействия со шлаком и размывающего действия потоков металла и шлака. Футеровку обычно делают из двух слоев: арматурного и рабочего. Примыкающий к корпусу арматурный слой толщиной 110-250 мм уменьшает теплопотери и защищает кожух в случае прогара рабочего слоя. Арматурный слой выполняют из магнезитового или магнезитохромитового кирпича, он не требует замены очень длительное время (годы). Внутренний или рабочий слой изнашивается во время работы и его заменяют при ремонтах футеровки; его толщина в зависимости от емкости конвертера составляет 500-800 мм. 1
Для кладки рабочего слоя на отечественных заводах в основном применяют безобжиговыесмоло- или пекосвязанные (на связке из каменноугольной смолы или пека) огнеупоры, поскольку их стойкость в условиях конвертерной плавки оказалась значительно (в два-три раза) более высокой, чем стойкость обычных обожженных огнеупоров (магнезитохромиговых и магнезитовых кирпичей). Из этих огнеупоров широко используют смолодоломит (35 - 50% MgO, 45 - 60% СаО), получаемый из недорогого природного сырья - доломита; смолодоломитомагнезит (50 - 85% MgO, 10 - 45% СаО), производимый из доломита с добавкой более дорогого магнезита, и реже смоломагнезит (более 85% MgO), получаемый из дорогостоящего магнезита. Иногда с целью повышения стойкости эти безобжиговые огнеупоры перед использованием в конвертере подвергают термической обработке выдерживая при 100-500°С в нейтральной или восстановительной атмосфере. В отдельных случаях на наших заводах и зачастую за рубежом применяют дорогостоящие, но обладающие большей стойкостью магнезитоуглеродистые (содержащие наряду с MgO еще 10-20% углерода) огнеупоры и обожженные магнезитовые, магнезитодоломитовые и доломитовые огнеупоры, пропитанные смолой.
Наиболее широко применяемые безобжиговыесмолодоломитовый и смолодоломитомагнезитовый кирпичи получают из обожженных доломита и магнезита, содержащих не более 5% SiO2. Измельченные огнеупоры с размером фракций от 0 до 6 мм тщательно смешивают с 5 - 7% смолы или пека. Для хорошего перемешивания температура в смесителе должна быть К() - 140°С. Приготовленную массу загружают в формы и прессуют при давлении 12 - 15 МПа, получая кирпичи необходимых размеров и конфигурации. Из этих необожженных кирпичей выкладывают рабочий слой футеровки, после чего ее обжигают, нагревая по специальному режиму до температуры 1100°С путем сжигания в полости конвертера кокса при подаче кислорода через фурму.
Нанесение гарнисажного слоя
Важнейшей целью стратегии развития конструкции футеровки конвертеров определяется достижение ее высокой стойкости, обеспечивающей такую эффективность работы конвертера, которая соответствует минимальным удельных затратам на огнеупоры. Последнее десятилетие характеризуется радикальным повышением стойкости футеровки конвертера за счет применения комбинированной сбалансированной схемы с учетом особенностей износа отдельных зон, в том числе подверженных повышенной эрозии. Так, в различных зонах футеровки конвертера используются разные по качеству и толщине изделия, что, в конечном счете, приводит к сбалансированному износу футеровки в целом.
Повышению стойкости футеровки способствует сокращение времени ее прямого контакта со струей кислорода. Для этого в начале процесса продувки принудительно ускоряется шлакообразование посредством добавки доломитизированной извести для вспенивания шлака. Конечно, повышению стойкости футеровки способствует и автоматизация конвертерного процесса, уменьшающая количество повалок конвертера и предотвращающая перегрев стали в конце плавки. Для повышения стойкости футеровки американскими компаниями Practer и GrateLakesDivision была предложена технология раздува шлака в кислородном конвертере, предполагающая вдувание азота высокого давления через верхнюю кислородную или вспомогательную фурму с целью разбрызгивания шлака по футеровке. При этом, шлак покрывает футеровку, охлаждается и затвердевает, создавая прочную защитную корку, препятствующую износу огнеупоров. Технология раздува шлака включает качание конвертера для нанесения покрытия на участки футеровки, подвергаемые повышенному износу при завалке металлолома и сливе металла. Дополнительный положительный эффект от шлакового гарнисажа достигается также за счет того, что при заливке в конвертер чугуна шлак частично оплавляется, что приводит к созданию некоторого слоя жидкого шлака еще до начала продувки.
Существенную роль в повышении стойкости футеровки конвертеров играют современные приемы контроля ее состояния с измерением профиля футеровки и степени ее износа. Примером такого оборудования может служить лазерная система установления профиля футеровки. Полное сканирование конвертера занимает 25…30 мин. Обнаруженные участки с малой толщиной футеровки ремонтируют с торкретированием и раздувом шлака. Мониторинг футеровки выполняется 7…10 раз в процессе ее эксплуатации. В целом уже сегодня нормальной стойкостью футеровки конвертера принято считать 2,5…3,5 тыс. плавок. Рекордные же показатели, базирующиеся на системном мониторинге и дополнительном ремонте футеровки, достигают даже 10…15 тыс. плавок и более. 1
Применение магнезиальных материалов
Тем не менее, даже в случае применения перечисленного комплекса мероприятий все же главными факторами, обеспечивающими рост показателей стойкости футеровки, выступают применение магнезиальных материалов для формирования насыщенного MgO конечного шлака и способ нанесения шлакового гарнисажа на стены конвертера.
Вышеописанный комплексный подход к повышению стойкости футеровки конвертеров внедряется в настоящее время на ведущих металлургических предприятиях России. Однако освоенная в кислородно-конвертерных цехах технология выплавки стали в большегрузных конвертерах под шлаками, содержащими 8 - 14% MgO, с нанесением шлакового гарнисажа, дополнительным факельным торкретированием и подваркой футеровки позволила довести стойкость агрегатов за кампанию до 2500-3500 плавок АО «ЗСМК», до 3700 - 4500 плавок в ОАО «ММК» и до 3800 - 4500 плавок в «ОАО» «Северсталь». Последнее свидетельствует о необходимости совершенствования существующих и разработки новых технологических вариантов повышения стойкости футеровки конвертеров, чтобы достигнутых показатели соответствовали достижениям зарубежной металлургической практики. 4
Сегодня использование магнезиальных шлакообразующих материалов (обоженных доломита и доломитизированной извести) стало обычной практикой для преобладающего большинства зарубежных и отечественных металлургических предприятий, посколько перенасыщенный MgO шлак может значительно увеличить срок службы футеровки конвертера. За рубежом и в бывшем СССР на протяжении 70-80-х годов ХХ столетия до освоения технологии раздувки конечного шлака было разработано достаточно много способов ведения конвертерной плавки с использованием магнезиальных флюсов, направленных на повышение стойкости футеровки конвертеров без снижения качества выплавляемой стали. В ходе обстоятельных исследований были сделаны следующие основополагающие выводы: