Производство стали в агрегатах непрерывного действия

Существующие в настоящее время сталеплавильные агрегаты (конвертеры, мартеновские, дуговые, индукционные печи и т. д.) являются агрегатами периодического действия. Из опыта многих производств следует, что замена периодического процесса непрерывным способствует увеличению производительности, снижению эксплуатационных затрат, повышению качества и однородности (стандартности) продукции, уменьшению технологических отходов, более эффективному использованию добавочных материалов. Современная технология позволяет осуществлять непрерывную разливку многих десятков плавок, тысяч тонн стали. Успешными оказались попытки создания непрерывной линии: непрерывная разливка стали — прокатный стан. Производства, смежные со сталеплавильным (доменное, прокатное), по существу, непрерывные. Процессы подготовки железорудного сырья (агломерация и получение окатышей) также являются непрерывными, поэтому вся схема современного металлургического производства, включающая подготовку сырья, выплавку чугуна, стали и получение проката, близка к переводу на непрерывный процесс.

Проблемы, связанные с организацией непрерывного сталеплавильного процесса, выбором удобной для практического использования конструкции сталеплавильного агрегата непрерывного действия (САНД) и отработкой технологии выплавки стали в этом агрегате, пока еще не решены. В частности, основные трудности, возникающие при разработке конструкции САНД, можно подразделить на две группы:

1. Технологические, заключающиеся в необходимости организации одновременного удаления из чугуна разнородных по своим термохимическим свойствам элементов: для удаления углерода требуются окислительная атмосфера, железистые шлаки, достаточный уровень перегрева металла; для удаления фосфора желательно иметь железистоизвестковые шлаки и умеренные температуры; для удаления серы важно интенсивное перемешивание основного шлака с металлом при достаточно высоком уровне нагрева ванны, а содержание оксидов железа в шлаке и кислорода в металле при этом должно быть минимальным; для удаления кремния требуется иметь окислительную атмосферу и железистый шлак; заданная степень раскисления металла достигается при минимальной окисленности шлака и т. д.
2. Конструктивные, заключающиеся в необходимости создания агрегата, который бы обеспечивал возможность проведения технологических операций в требуемой последовательности. При этом одновременно должна быть обеспечена высокая стойкость агрегата и отдельных его элементов в условиях высоких температур и непрерывной работы при отсутствии даже кратковременных остановок для профилактического ремонта конструкций и т.д.

Конструкции САНД

К настоящему времени предложено множе­ство различных вариантов конструкций САНД и технологий выплавки в них стали. Можно дать следующую условную классифи­кацию непрерывных сталеплавильных про­цессов.

По организации процесса:

1. мно­гостадийные (с разделением операции на стадии), при этом в каждой емкости или час­ти агрегата проводится одна или несколько технологических операций: дефосфорация, десульфурация, раскисление и т. п.;
2. одностадийные, когда все операции удаления примесей и превращения чугуна в сталь про­текают одновременно или почти одновре­менно.

По конструкции агрегата:

1. опе­рация проводится на поду; при этом газо­образные и твердые реагенты (кислород, флюсы, руды и т. п.) поступают в так назы­ваемые подовые, желобные реакторы,
2. операция проводится таким образом, что металл, шлак, добавочные материалы нахо­дятся во взвешенном распыленном капле­образном состоянии (так называемые струйные реакторы).

По организации технологии:

1. дви­жение шлака и металла происходит в одном направлении;
2. встречное движение шлака и металла (принцип противотока) (рисунок 1).

Примером одностадийного непрерывно­го сталеплавильного процесса может служить схема, разработанная ВISRA (Британским научно-исследовательским институтом чер­ной металлургии). В процессе ВISRА падаю­щую струю чугуна окружает кольцевая струя кислорода, которая разбивает металл на ка­пельки диаметром 1—2 мм. Поверхность контакта между каплями металла и кислоро­дом оказывается настолько большой, что вы­горание примесей происходит мгновенно. Процесс обработки металла в струе называют струйным рафинированием.

Схема процесса представлена на рисунке 2. Падающая вниз струя чугуна, непре­рывно поступающая в установку, обрабаты­вается тонкоизмельченными флюсами и кис­лородом. Капельки рафинированного метал­ла и шлака падают в приемный ковш; металл собирается внизу под пенящимся шлаком, отстаивается и непрерывно выпускается в ковш для последующей разливки. Последую­щие капельки металла должны проходить че­рез этот шлаковый слой, дополнительно ра­финирующий металл. Отработанный шлак непрерывно стекает в шлаковую чашу. В процессе рафинирования происходит окис­ление капелек металла; это имеет место: 1)в зоне распыления струи чугуна; 2) при сво­бодном падении капель в окислительной ат­мосфере; 3) при прохождении через слой вспененного шлака; 4) в ковше. Опыты пока­зали, что при температуре металла 1500—1600°С и диаметре капли металла 2—3 мм скорость, обезуглероживания превышает 3 %С/с; при образовании капель размером

Достоинством процесса струйного рафинирования является то обстоятельство, что основные реакции здесь протекают в усло­виях отсутствия контакта металла с огне­упорной футеровкой. Однако условия эксп­луатации футеровки приемного ковша (отстойника) сложны, так как происходит взаи­модействие футеровки с высокоактивным окислительным шлаком. Трудной задачей яв­ляется также разработка технологии, при ко­торой спускаемый из агрегата шлак содержит минимальное количество оксидов и, следова­тельно, обеспечивается максимальный выход годного металла. Из-за этих недостатков предложенный процесс в промышленность не внедрен.

В большинстве конструкций САНД пре­дусмотрена возможность организации веде­ния плавки на поду. Широкую известность получила конструкция САНД, разработанная Французским институтом черной металлур­гии IRSID. Агрегат (рисунок 3) состоит из трех частей: реакционной камеры 1, отстойника 3 и камеры доводки 5. Чугун непрерывной струей поступает в камеру по желобу. Одно­временно при помощи водоохлаждаемого устройства (фурмы) 2 в камеру непрерывно подается кислород с молотой известью. Ре­акционная камера содержит небольшое ко­личество жидкого металла и слой металл-шлак-газовой эмульсии. Под действием подъемной силы пузырей газа эта эмульсия поднимается и перетекает в отстойник, где шлак отделяется от металла. Шлак стекает через отверстие 4, а металл сифоном переда­ется в камеру доводки, где подвергается рас­кислению и доводке по составу. В конструк­ции установки предусмотрена возможность устройства желоба, по которому шлак из второй камеры (отстойника) мог бы перетекать в первую камеру для повышения степени ис­пользования шлакообразующих и уменьше­ния потерь железа с уходящим шлаком.

В 1971—1976 гг. проводили испытания САНД конструкции МИСиС. Установка включала четыре ванны, соединенные после­довательно (см. рисунок 1). В первых трех осу­ществлялось рафинирование вдуванием газо­образного кислорода через верхние фурмы, а в последней — регулирование содержания уг­лерода и раскисление. Вместимость каждой ванны составляла 0,86 м³ при глубине рас­плава 600м и массе 6т. Производительность этого опытно-промышленного агрегата дос­тигала 21 т/ч, степень удаления серы — 21 %, фосфора — 93%.

Окончательные выводы о показателях ра­боты агрегатов такого типа в промышленных условиях и соответственно о перспективах внедрения сделать пока трудно.

Переплав металлолома

Если САНД, основанные на переработке в сталь жидкого чугуна, не вышли из стадии полупромышленных испытаний, то САНД с использованием в качестве шихты дешевого металлического лома (скрапа) получают все большее распространение. Работы ве­дутся во многих странах мира. Изыскание рациональных методов непрерывной пере­работки металлолома происходит в основ­ном по двум направлениям. В одном случае в качестве плавильного агрегата ис­пользуют высокомощную дуговую стале­плавильную печь с периодической выда­чей порции металла. В другом в каче­стве плавильного агрегата используют шахтную печь (типа вагранки). В обоих случаях получаемый полупродукт доводит­ся затем во вспомогательных агрегатах. В качестве примера организации непрерыв­ного сталеплавильного процесса может служить процесс, разработанный Японс­ким научно-исследовательским институ­том металлургии МИШ.

Построенный по предложенной схеме комплекс (рисунок 4) включает металлур­гическую вагранку, работающую на подо­гретом до 500°С дутье, производительно­стью 20 т/ч. В качестве шихты используют металлолом и пакеты. Полученный в ваг­ранке углеродистый полупродукт (2,7—3,5 %С) попадает в ковш, где обрабатыва­ется десульфурирующими смесями, после чего переливается в канальную (с индук­тором для подогрева) индукционную печь — копильник. Из копильника металл попадает в рафинировочную печь, обору­дованную сводовыми кислородными фур­мами и устройствами для присадки охла­дителей и флюсов. После рафинировоч­ной печи металл попадает в оборудован­ный пористой пробкой для вдувания инертного газа ковш, где производится его раскисление.

На рисунке 5 показан общий вид агрегата непрерывного сталеплавильного процесса Соnsteel на базе ДСП. Шихту (металлолом или металлизованные окатыши), подогре­ваемую за счет дожигания СО, выделяюще­гося из ванны дуговой печи при ее продув­ке кислородом, подают непрерывно в печь. Температура металлолома перед поступле­нием в печь составляет 500—700 °С. Печь с эркерным выпуском обеспечивает периоди­ческую выдачу порций стали, поступающих далее на установки внепечной обработки. Процесс Соnsteel был создан в начале 80-х годов XX в. в США. Различные варианты процесса с непрерывной подачей подогре­ваемой отходящими газами металлошихты в печь получают все большее распростране­ние во многих странах.

В начале 80-х годов в Германии разра­ботан процесс (Еnergy Optimizing Furnace) (с оптимальным расходом энергии), на­званный процессом ЕОF. Первый про­мышленный агрегат (рисунок 6) был введен на одном из заводов Бразилии. Емкость этого агрегата 30т, производительность ~ 200 тыс. т стали в год, стойкость футеров­ки > 500 плавок, расход жидкого топлива 8—9 кг, кокса 1,0 кг на 1т стали, расход кислорода 60—78 м³/т, расход огнеупоров 6 кг/т стали.

Опыт показал, что утилизация тепла отхо­дящих газов позволяет нагреть подаваемую твердую металлошихту до 850 °С. Состав ших­ты (соотношение расхода чугуна и металлоло­ма), как и в мартеновских печах, может меняться в широких пределах. К 1993 г. в мире работало ~ 10 установок ЕОF (в Бразилии, Индии, Италии, США, Венгрии) производи­тельностью 200—600 тыс. т/год каждая.

Перспективы развития непрерывных процессов

Пока еще не найдены окончательные реше­ния организации непрерывного процесса сталеварения и не разработаны оптималь­ные конструкции САНД, которые могли бы успешно конкурировать с современными процессами массового производства стали в конвертерах и дуговых сталеплавильных печах периодического действия. Однако усилия, затрачиваемые на разработку раци­ональных схем САНД, можно считать впол­не оправданными по следующим причи­нам.

В современных сталеплавильных агрега­тах периодического действия развитие техно­логии достигло очень высокого уровня. Вре­мя, затрачиваемое на выполнение собствен­но металлургических операций, во многих случаях сопоставимо с продолжительностью простоя агрегатов, связанного с проведением вспомогательных операций (загрузки печи, анализа металла по ходу плавки, выпуска го­тового металла и т. д.).

Например, для крупных конвертеров продолжительность проведения вспомога­тельных операций составляет около полови­ны длительности всей плавки. Резервы даль­нейшего повышения производительности, очевидно, следует искать в направлении со­кращения времени, затрачиваемого именно на вспомогательные операции. В этом отно­шении использование сталеплавильных агре­гатов непрерывного действия представляется одним из наиболее вероятных решений про­блемы.