Технология и установки непрерывного способа производства стали.

В.И.Баптизманский, И.В.Лысенко, Ю.С.Паниотов, Ю.Н.Яковлев, В.Ф.Мазов.
Технiка, 1978 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.

 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.