Управление качеством в сталеплавильном производстве

Чернышева Н.А.

СГИУ — Новокузнецк, 2008 г.

Металлошихта

Более чем на 80 % себестоимость стали определяется стоимостью используемого сырья, прежде всего, расходом и стоимостью металлошихты.

В качестве металлошихты в сталеплавильном производстве используют: чугун (твердый или жидкий), металлолом, металлодобавки.

Обычно расход металлошихты составляет 1100-1150 кг/т и определяется:

• составом шихты (долей чугуна и металлолома);
• химическим составом шихты;
• технологией плавки (применение кислорода, малошлаковая технология и др.)

Чугун дня большинства сталеплавильных процессов является основной составляющей шихты. Применяется он, в основном, в жидком состоянии и реже - в твердом.

В сталеплавильных агрегатах (в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах) в принципе можно перерабатывать чугун самого различного химического состава, который изменяется в широких пределах: 4,0-4,8 % С; 0,1-2,6 % Мn; 0,3-2,0 % Si; 0,02-0,07 % S; менее 0,3 % Р. Однако опыт показал, что для обеспечения высоких технико-экономических показателей процесса содержание составляющих чугуна целесообразно ограничивать в определенных узких пределах.

Кремний оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на ход процесса. При излишне высоком содержании кремния возрастает расход извести для ошлакования образующейся SiО₂ и увеличивается количество шлака в конвертере, что ведет к росту потерь железа и теплопотерь со сливаемым шлаком; понижается также стойкость футеровки конвертера. Вместе с тем при очень низком (менее 0,3 %) содержании кремния замедляется шлакообразование в связи с медленным растворением извести из-за слишком низкого содержания Si0₂ в первичных шлаках. Положительной стороной повышенного содержания кремния является то, что возрастает количество тепла от его окисления и это позволяет увеличить расход лома. Большинство отечественных заводов работают на чугунах с содержанием кремния 0,6-0,8 %, что, очевидно, близко к оптимальной величине.

Марганец положительно влияет на процесс десульфурации и шлакообразование, приводит к повышению стойкости футеровки и сокращению выбросов из ванны.

Кроме того, чем выше содержание марганца в чугуне, тем больше остаточное содержание его в конце окислительного рафинирования и, как следствие, меньше расход ферромарганца при раскислении.

Однако с повышением содержания марганца в чугуне, как и любой другой окисляющейся примеси, уменьшается выход жидкого, так как большая часть марганца при конвертерной плавке окисляется и безвозвратно теряется со шлаком в виде MnO. С учетом этого, а также того, что выплавка чугуна с повышенным (0,5-0,7 % и более) содержанием марганца требует добавки и шихту доменных печей дефицитной марганцевой руды, в последние годы выплавляют маломарганцовистые чугуны (0,1-0,5 % Мn). При их переработке в кислородных конвертерах применяют ряд мер по ускорению шлакообразования.

Сера в чугуне как весьма вредная и трудноудаляемая в сталеплавильных процессах примесь должна иметь возможно меньшую концентрацию, по крайней мере не более 0,030-0,050 % (для выплавки качественных сталей не должно превышать 0,035 %, а рядовых сталей - 0,050 %). Такое ограничение объясняется тем, что при высоком содержании оксидов железа в шлаке в кислородно-конвертерном процессе удаление серы происходит слабо (степень десульфурации не превышает 30 %).

При трудности получения требуемого содержания серы в чугуне во время доменной плавки экономически целесообразным является внедоменное ковшевое обессеривание чугуна, которое в последнее время получает все большее развитие.

Существует несколько способов ковшевой десульфурации чугуна, различающихся применяемыми реагентами. В качестве таковых используют известь, соду, карбид кальция, металлический магний различного вида, а также смеси этих материалов. На зарубежных и отечественных металлургических предприятиях в разной степени получили распространение все эти способы, каждый из которых имеет по отдельным параметрам преимущества перед другими.

Фосфор в чугуне также является вредной примесью. Его содержание в чугуне определяется содержанием в рудном сырье доменной плавки, так как в других шихтовых материалах его ничтожно мало, а в доменном процессе фосфор практически полностью восстанавливается.

Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,2-0,3 %, поскольку при большом его содержании осложняется технология за счет многократного обновления шлака и наведения нового, что снижает производительность конвертера.

Температура жидкого чугуна имеет особо важное значение для кислородно-конвертерных процессов, так как, во-первых, в тепловом балансе плавки физическое тепло чугуна обычно составляет 45 - 55 %, во-вторых, при низкой температуре чугуна начало плавки протекает ненормально: задерживается шлакообразование и окисление углерода, ухудшается усвоение кислорода.

Температура чугуна, заливаемого в сталеплавильный агрегат, обычно колеблется в пределах 1250-1350 °С, доходя в отдельных случаях до 1420°С (при транспортировке в ковшах миксерного типа). Она зависит от температуры чугуна во время выпуска из доменной печи (1400-1500°С) и величины снижения температуры на пути от доменной печи до сталеплавильного агрегата (50-150°С).

На металлургических предприятиях стабильность химического состава чугуна, как основной составляющий шихты, определяется оптимальным содержанием элементов.

Например, для одного из предприятий металлургической промышленности стабильность химического состава чугуна за 2009 г. в сравнении с 2008 г. представлена в таблице 5 и на рисунках 18-20.

Следует отметить, что на качество чугуна влияют следующие основные факторы:

• колебания химического состава агломерата;
• нестабильность качественных показателей кокса;
• повышение содержания серы в коксе;
• непостоянство шлакового режима доменного процесса;
• погрешность в определении теплового состояния горна доменных печей.

Металлолом (скрап). Стальной лом наряду с чугуном является важнейшей составляющей шихтовых материалов сталеплавильного производства.

Стальной лом - это отходы черных металлов, специальным образом приготовленные для переплава в сталеплавильных агрегатах (конвертерах, электродуговых и мартеновских печах).

К лому, используемому в конвертерном процессе, как и при прочих сталеплавильных процессах, предъявляется требование о недопустимости высокого содержания фосфора, серы, примесей цветных металлов и ржавчины. Количество меди и никеля, которые не окисляются в условиях конвертерной плавки, не должно превышать их допустимого содержания в выплавляемой стали (обычно менее 0,2 %). Ограничивают максимальный размер кусков лома, поскольку слишком большие куски могут не успевать раствориться в металле за время продувки, а во время загрузки могут повредить футеровку конвертера. Отсутствие засоренности другими веществами (маслом, землей, мусором), влажность, взрыво- и пожароопасность - также являются обязательными требованиями.

По источникам поступления стальной лом классифицируется на следующие виды:

• оборотный лом - это скрап и обрезь сталеплавильных и прокатных цехов. Это самый ценный вид лома, поскольку он имеет высокую плотность, не содержит загрязнений (земли, ржавчины и др.), химический состав его известен;
• новый лом - это отходы машиностроительных и автомобильных предприятий;
• старый (амортизационный) лом - это машины ( в том числе и автомобили), оборудование, инструменты и другие орудия труда, потерявшие потребительскую стоимость вследствие физического износа или морального устаревания;

- собираемый ломоизготовителями обезличенный лом - это металлические отходы неизвестного происхождения (бытовой лом, лом из шлаковых отвалов, городских свалок). Это самый низкосортный лом. Он имеет низкую плотность, часто загрязнен' ржавчиной, землей, смешан с цветными металлами (Си, Ni, Pb, Zn и др.).

За последние 10-15 лет заметно изменилось соотношение между этими основными источниками поступления металлолома за счет, например, полной замены обычных методов разливки стали непрерывной (уменьшились обрезь и другие потери металла).

Это привело к резкому снижению доли оборотного металлолома. К тому же заметно уменьшилась масса отходов металлообработки - стружки, обрези, брака и т.д.

Соответственно выросла и продолжает расти доля амортизационного лома - самого «неприятного» дня металлургов источника лома.

Привозной или покупной амортизационный лом, являющийся частями изношенных машин и оборудования, как правило, имеет нерациональную физическую форму и неопределенный химический состав. Из-за этой неопределенности химического состава привозной лом не рекомендуется применять при выплавке ответственных марок стали, так как в готовый металл могут попасть нежелательные не- окисляющиеся примеси - олово, медь и г. д. В этом случае необходимо пользоваться собственным оборотным ломом.

В копровый цех металлолом поступает в железнодорожных вагонах и саморазгружающихся автомобильных прицепах, где в дальнейшем подвергается следующим видам подготовки:

Сортировка по химическому составу и физическому состоянию в зависимости от планируемой к выплавке марки стали.

Лом и отходы легированных сталей и сплавов поставляют по ГОСТ 2787-75 (на черные вторичные металлы), согласно которому металл подразделяют на категории А (углеродистые нелегированные сплавы) и Б (легированные, выделены 67 групп в зависимости от содержания легирующих элементов). Например, к металлу группы Ы относят лом и отходы конструкционных и инструментальных сталей, легированных хромом и другими элементами, кроме никеля, молибдена и вольфрама. К металлу группы Б34 относят лом и отходы быстрорежущих хромвольфрамванадиевых сталей и др. По содержанию углерода металлическую шихту разделяют на стальной лом и отходы (до 2 % С) и чугунный лом и отходы (более 2 % С).

Лом и отходы высоколегированных сталей и сплавов поставляют предприятию и хранят в копровых цехах и на шихтовых участках раздельно (по маркам).

Придание стальному лому требуемых форм, размеров, плотности. По габаритам лом разделяют на мелкий, средний, крупный и стружку. Мелкие обсечки и обрезки передельных и металлообрабатывающих цехов, бракованные небольшие детали длиной не более 100 мм относит к мелкому лому. Средний лом имеет массу кусков до 50 кг и длину до 500 мм. Крупный лом включает бракованные слитки, недоливки, изношенные детали, прессованные пакеты, н другие вторичные отходы с длиной кусков до 2000 мм. Среди вторичных метал- лоотходов значительная доля приходится на стружку. Углеродистая и легированная стружка должна быть обезжирена и сбрикетирована. Па стадии подготовки лома используют специальное оборудование - гидравлические ножницы, шреддинг-установки, газокислородную резку, пакетир-прессы и др.

Входной контроль металлолома осуществляется контролерами ОТК совместно с приемщиками лома цеха подготовки лома (копрового), дозиметристами лаборатории радиационного контроля на основании договоров на поставку металлолома, соответствующего нормативной документации (НД), классу, категории и виду, указанных в накладной. Во время приемки определяется фактическое качество (класс, категория и вид), засоренность металлолома в соответствии с ГОСТ 2787-75 и радиационная безопасность в соответствии СанПиН 2.6.1.993-00. Поставляемый металлолом может иметь в своем составе неметаллические примеси, такие как:

• камни, песок, земля, глина, гравий, кирпич, бетонные конструкции, доски, пакеты с битумом, мусор;
• снег, лед, (в зимнее время);
• зашлакованый скрап;
• редукторы, баллоны, теплообменники, огнетушители, гидроцилиндры, радиоактивные отходы.

На металлолом, несоответствующий требованиям НД составляется «Акт на металлолом несоответствующего качества».Ниже приведены причины, на основании которых составляются акты:

• металлолом не соответствует аттестации поставщика;
• поставка лома, смешанного с военным;
• поставка баллонов с нарушениями требований ГОСТ 2787-75;
• поставка взрывоопасных редукторов;
• поставка гидроцилиндров;
• поставка металлолома с повышенной засоренностью;
• отсутствие удостоверений о радиационной безопасности и взрывоопасности;
• поставка негабаритного лома, затрудняющего выгрузку.

Для взыскания затрат, связанных с поставкой взрывоопасного лома, переаттестацией партии металлолома его соответственным хранением, поставщикам предъявляются штрафные санкции.

На рисунке 21 приведены результаты входного контроля металлолома, поступившего на металлургический комбинат в течение года, с плановым объемом поставок 1,2 млн. г.

Только по решению комиссии военный лом вывозится с территории металлургических комбинатов или его берут в работу после обезвреживания. Особо следует отметить то, что многие фирмы допускают поставку военного лома: авиационные бомбы и снаряды, гильзы, части военной техники (воздушные баки, люки, инструментальные ящики, бронещиты и комплектующие), отливки под мины, резаные части от ракетных установок и т.д.