Процесс выплавки стали обычно ведется в ограниченном рабочем пространстве, где (последовательно во времени) совершается ряд технологических операций: загрузка шихтовых материалов, перевод их в жидкое состояние, рафинирование, ввод требуемых присадок, выпуск металла из рабочего пространства. В ходе рафинирования металла приходится прибегать к ведению химических процессов различного характера: при удалении избытка углерода, фосфора и некоторых других примесей — окислительных, при удалении растворенного кислорода и серы — восстановительных. Ведение таких противоположных процессов в одной ванне вызывает ряд технологических трудностей, с целью устранения которых в ряде случаев восстановительные реакции переносят из рабочего пространства в ковш. В частности, удаление избытка серы можно осуществлять как до, так и после проведения окислительных процессов. Таким образом, в современные периодические сталеплавильные процессы начинают внедряться элементы разделения отдельных операций в пространстве (элементы перехода к непрерывному сталеплавильному нроцессу). В сталеплавильных агрегатах осуществляются три основных типа процессов: окисление примесей, образование шлака (главным образом из окислов и сульфидов) и выделение газов. Прежде в качестве окислителей использовали кислород воздуха и железной руды. В настоящее время основным окислителем является технический кислород, применение которого позволяет максимально использовать тепло химических реакций и эффективно регулировать кинетику удаления примесей.Шлакообразующиё материалы обычно присаживают в виде кусков различного размера, хотя в ряде процессов (ОЛП, ЛД-АЦ, ОБМ, Кубоп и др,) применяют пылевидные материалы, которые транспортируют с помощью различных газов, в основном кислорода. Такой способ подачи позволяет осуществлять непрерывное дозирование шлакообразующих. Конечной целью работы любого сталеплавильного агрегата является получение металла с заданным химическим составом и температурой. Автоматизация периодических процессов представляет определенные трудности. Это связано, главным образом, с получением информации о быстро протекающих непрерывных изменениях состава металла и его температуры. Периодичность процессов выплавки стали и трудности управления ими приводят к нестабильности состава металла отдельных плавок. Даже последовательно проведенные плавки одной и той же марки стали могут значительно отличаться по составу, температуре и свойствам металла. Колебания механических свойств требуют высоких запасов прочности, из-за чего увеличивается масса машин, металлоконструкций и пр.
Таким образом, в сталеплавильном
производстве сложились следующие основные предпосылки для перехода к непрерывности самого процесса выплавки стали.
1. Крупные масштабы производства стали.
2. Все более расширяющаяся специализация сталеплавильных цехов по узкому сортаменту производимых марок стали.
3.' Перемещение главного реагента сталеплавильных процессов — жидкого металла — по ходу плавки осуществляется в результате действия гравитационных сил. Основным окислителем является газообразный кислород. В качестве рафинирующих реагентов широко применяются жидкие шлаки, пылевидная
известь, транспортировка и дозирование которых также не вызывает осложнений,
4. Современное состояние теории сталеплавильных процессов позволяет достаточно быстро анализировать получаемые результаты и вносить коррективы в новые разработки, в связи с чем освоение непрерывного процесса производства стали в промышленных условиях не потребует длительного времени.
5. Созданы новые виды огнеупоров, обладающих высокой
стойкостью по отношению к шлакам, металлу, запыленной высокотемпературной атмосфере.
6. Достигнуты определенные успехи в разработке методов непрерывного контроля состава и температуры металла, а также средств непрерывного дозирования жидких высокотемпературных расплавов, пылевидных и других материалов.
Анализ имеющихся патентов и опробованных сталеплавильных агрегатов непрерывного действия и технологий НСП позволяет классифицировать их по нескольким признакам.
По принципу рафинирования:
а) струйное рафинирование металла в каплях газообразным кислородом. Образование капель происходит при
дроблении струи капиллярными и гравитационными силами или струей кислорода (другого газа);
б) рафинирование при послойном расположении металла и шлака. Такой процесс осуществляется в агрегатах емкостного и желобного типа. При окислении примесей существенная роль принадлежит массообменным процессам между шлаком и металлом, расположенными послойно;
в) эмульсионное (конвертерное) рафинирование. Процесс осуществляется в емкостных агрегатах с продувкой ванны кислородом, в результате чего в объемах ванны образуются развитые трехфазные зоны газ — шлак — металл, в которых основные массообменные процессы окисления примесей металла протекают на большой контактной поверхности.
По количеству стадий окисления:
а) одностадийные процессы. Рафинирование металла от избытка примесей в одном агрегате;
б) многостадийные процессы. Рафинирование осуществляется последовательно в двух и более агрегатах. При этом каждая стадия конструктивно и технологически предназначается для проведения небольшого количества реакций в наиболее оптимальных условиях протекания. При многостадийном рафинировании на отдельных стадиях могут быть использованы агрегаты с различными принципами рафинирования.
По источнику энергии для процесса'
а) процесс проходит при замкнутом тепловом балансе на базе физического и химического тепла чугуна. Расчет количества металлических и других добавок производится с учетом физического тепла чугуна и тепла химических реакций при нулевом дефиците тепла процесса;
б) с использованием внешних источников тепла. В этом случае имеется дефицит тепла процесса, который покрывается сжиганием топлива, использованием
электроэнергии или вводом в металл элементов и их соединений, окисляющихся с положительным тепловым эффектом.
По конструкции агрегатов:
а) башенные — агрегаты для процессов струйного рафинирования;
б) емкостные — агрегаты, в которых рафинирование металла может производиться как путем реакций между металлом и шлаком, расположенными послойно, так и в результате продувки ванны кислородом;
в) желобные — агрегаты, представляющие собой желоба, размеры которых, как и в предыдущем случае, определяются соотношением объемов послойного и эмульсионного массообмена;
г) вращающиеся — агрегаты для осуществления без-барботажпых процессов (десульфурация, раскисление) при послойном расположении металла и шлака. Интенсификация
перемешивания металла и шлака достигается действием центробежных сил при вращении агрегата (ротора)
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
НЕПРЕРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ
С ПОСЛОЙНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ МЕТАЛЛА И ШЛАКА
В соответствии с основными задачами любого сталеплавильного процесса быстрота протекания НСП определяется скоростями подвода реагентов и тепла к металлу, т. е. развитием тепло- и массообменных процессов на границах и в объеме фаз. В связи с тем, что непрерывное рафинирование жидкого металла в НСП осуществляется в конечных режимах окисления ванны, т. е. при барботаже ее окисью углерода, определяющими и лимитирующими звеньями тепло- и массообменных процессов являются подвод тепла и реагентов к границе и передача их через границу фаз. В этом случае
производительность САНД зависит от величины площади контакта фаз.
ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ САНД
КОНВЕРТЕРНОГО ТИПА
Анализ основных технико-экономических показателей непрерывных сталеплавильных процессов рассматриваемого типа позволяет сделать некоторые выводы. Непрерывные САНД конвертерного типа имеют значительные преимущества по сравнению с периодическим кислородно-конвертерным процессом. Практически на всех рассмотренных опытных установках достигнуты высокие степени де-фосфорации и десульфурации и показана возможность получения стали с широким диапазоном содержания углерода (от 0,03 до 1,0% и более). Выход годного металла в САНД выше, чем в кислородных конвертерах, на 2—4% вследствие уменьшения потерь железа со шлаком, выбросами, выносом и дымом. Высокий выход годного металла (92— 94%) достигнут на всех двух- и трехстадийных установках в результате предварительного окисления
кремния в первой стадии рафинирования. Это позволило значительно уменьшить расход извести, суммарное количество основного шлака и снизить потери железа. Расход огнеупоров, как показали исследования ИРСИД, в САНД в 2—2,5 раза меньше, чем в кислородных конвертерах [54), и составляет около 2 кг/т выплавляемой стали. Развитие
энергетики (в том числе атомной), технический прогресс в
промышленности и постоянный рост требований к качеству металла открывают большие перспективы электрометаллургического производства.
Электропечь, имея большие-резервы как плавильный агрегат, плохо приспособлена для рафинирования металла. В этом отношении незаменим агрегат конвертерного типа. Учитывая, что с ростом степени металлизации увеличивается содержание углерода в продукте и скорость его
плавления, наиболее целесообразна, с
точки зрения достижения высоких производительности и качества металла, технологическая схема, включающая электропечь как плавильный агрегат и рафинировочную кислородно-конвертерную ванну. Такая технологическая схема впедомепного получения стали, близкая к процессу УОРКРА, по-видимому, наиболее перспективна для металлургии уже в ближайшем будущем.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ НЕПРЕРЫВНОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
СТАБИЛЬНОСТЬ И ВОЗМОЖНОСТЬ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ
Важнейшей проблемой непрерывного рафинирования чугуна является обеспечение стабильности результатов — постоянства химического состава и температуры получаемой стали. Стабильность процесса рафинирования определяется в свою очередь устойчивостью работы САНД в заданных условиях технологического режима.
Эти вопросы наиболее полно изучены для НСП конвертерного типа. Вопрос об устойчивости работы реакторов такого типа, связанный с влиянием возмущающих воздействий и динамическими свойствами объекта, исключительно сложен и в настоящее время теоретически достаточно-полно не решен. Тем не менее, экспериментальные исследования конвертерных САНД и имеющиеся теоретические разработки по закономерностям возмущающих воздействий в реакторах химической технологии и сталеплавильных [37; 45] позволяют наметить пути подхода к решению рассматриваемой проблемы и определить основные принципы построения локальных систем автоматического управления технологическим режимом рафинирования.
Особую важность представляют вопросы о колебаниях химического состава, физических свойств исходных шихтовых материалов и реагентов (жидкого чугуна, металлолома, шлакообразующих и др.) и их расходов.
При рассмотрении влияния изменений химического состава металлошихты на стабильность рафинирования следует учитывать, что доля лома в шихте САНД обычно не превышает 30%, а содержание примесей в нем и в готовой стали близко. В связи с этим при одинаковой точности дозирования лома и жидкого чугуна влияние колебаний химического состава лома на устойчивость работы САНД несущественно. Влияние изменений состава жидкого чугуна на стабильность результатов рафинирования зависит от способа подачи чугуна в реакторы.
Исследования непрерывных процессов производства стали показывают, что наиболее надежный способ, обеспечивающий эффективное, длительное регулирование расхода (дозирование),— подача чугуна в реакторы из дозирующих ковшей поворотного типа. Непрерывность ввода обеспечивается попеременной работой двух ковшей.
