Проект реконструкции кислородно-конвертерного цеха №1 ОАО "Евраз ЗСМК"

Средняя температура заливаемого чугуна соответственно в 160-т конвертеры составляет 1324 и 1409єС.

Углерод, содержащегося в конвертерной шихте, позволяет улучшить тепловую работу агрегатов. Эту роль надо усиливать, поскольку повышение количества перерабатываемого в конвертерах углерода не вызывает таких нежелательных побочных эффектов, как увеличение содержания кремния и фосфора. При этом, главным образом, происходит снижение расхода чугуна и удлинение продувки в случае невозможности ее интенсификации. Эта роль еще более усилится при организации в полости конвертера частичного (полное нецелесообразно) дожигания СО до СО2 с эффективной передачей полученного тепла металлической ванне.

Снижение температуры чугуна уменьшает растворимость в нем углерода, который выделяется в виде спели и теряется для конвертерного производства, т.е. резко падает приход физического и химического тепла чугуна. Следует также в конвертерную ванну вводить дополнительно углеродсодержащие материалы, использовать дутьевые устройства, предназначенные для дожигания СО в объеме конвертера.

Использование в конвертерной плавке углеродсодержащих материалов и организация дожигания СО в полости конвертеров имеют ряд технологических особенностей, являющихся самостоятельными технологическими вариантами конвертерного производства стали.

Вторым направлением использования тепловых резервов обычного кислородно-конвертерного процесса является повышение качества материалов, используемых при плавке, для уменьшения затрат энергии на их усвоение ванной и исключения отклонений от оптимальной технологии. В этом случае должны быть выделены повышение плотности и чистоты металлолома, максимальное его использование для погашения избыточного тепла процесса, передел чугунов с 0,6-0,8 % Si, поставка для конвертеров мягкообожженной высокореакционной извести, применение кислорода высокой чистоты (> 99,5 %), отбраковка дутьевых устройств даже при небольшой течи воды.

Однако кардинально решить задачу повышения расхода металлолома в конвертерах доступным для металлургов изменением состава и температуры чугуна, повышением качества используемых в плавке материалов и сокращением теплопотерь очень трудно.

Также задача не решается, как было уже показано, и путем повышения расхода металлолома за счет сжигания железа (увеличение потерь железа в 2 и более раз в виде бурого дыма и в 1,5 раза со шлаком в виде оксидов и сокращение периода службы конвертерной футеровки).

В результате необходимо искать пути ее решения в коренном изменении технологии производства стали. Этими путями являются подвод тепла или энергоносителей от внешних источников.

Для улучшения теплового баланса кислородно-конвертерного процесса, и в связи с этим, увеличения доли лома в шихте можно выделить ряд способов:

- предварительный подогрев лома, посредством сжигания твердого или газообразного углеродосодержащего топлива;

- ввод твердого углеродосодержащего материала в завалку или по ходу плавки;

- повышение использование энергии углерода путем увеличения доли его окисления до СО2 в полости конвертера.

4.4 Возможности увеличения расхода лома в шихте кислородных конвертеров

4.4.1 Методы увеличения доли лома в шихте кислородных конвертеров

Развитие кислородно-конвертерного производства стали при одновременном уменьшении доли мартеновского производства металла, расширяющимся строительстве двухванных печей и недостатке чугуна на ряде металлургических заводов создает острую необходимость решения проблемы увеличения расхода лома в конвертерах.

Расход лома в конвертерах, определяемый составом чугуна, сортаментом выплавляемого металла, емкостью конвертеров и длительностью плавки, по расчетам материальных и тепловых балансов (соответствующих многолетней практике конвертерных цехов) составляет максимально 30-31 % от массы чугуна. С учетом реальной загрязненности лома расход его в отечественных конвертерных цехах уже соответствует этому максимуму и колеблется в пределах 29,9-34,8% (260-299 кг/т стали).

В будущем некоторого увеличения расхода лома можно ожидать в результате увеличения средней емкости конвертеров и уменьшения длительности продувки и плавки. Зависимость расхода лома от емкости конвертеров, объясняемая уменьшением теплопотерь при увеличении емкости, в первом приближении линейна - при переходе от 10-т к 300-т конвертерам расход лома увеличивается от 280 до 325 кг/т стали. Увеличение расхода лома с уменьшением длительности продувки и плавки обратно пропорционально уменьшению теплопотерь конвертеров и может дать прирост расхода лома не более 10-20 кг/т стали при сокращении длительности плавки в пределах 5-10 мин.

Таким образом, ни повышение емкости конвертеров, ни уменьшение длительности плавки не решают проблемы увеличения расхода лома, решение которой следует искать в разработке специальных мероприятий.

Увеличение расхода лома в конвертерах возможно в результате:

1) изменения химического состава чугуна;

2) присадки в конвертерную ванну химических теплоносителей или топлива перед продувкой или во время нее;

3) дожигания окиси углерода отходящих газов в полости конвертера;

4) предварительного подогрева лома в конвертере или вне его;

5) повышения температуры жидкого чугуна.

Следствием применения любого из методов повышения расхода лома в конвертерах является изменение показателей процесса и прежде всего расхода металлошихты. Для ряда методов даже при некотором общем снижении расхода металлошихты характерно повышение необратимых потерь железа со шлаком и отходящими газами, поэтому эффект применения того или иного метода следует оценивать и по величине потерь железа, поскольку расход металлошихты и выход годного уже не являются в таких случаях достаточно объективными показателями из-за различного угара примесей чугуна и лома.

4.4.2 Изменение химического состава чугуна

Изменение химического состава чугуна возможно практически лишь в направлении увеличения содержания в нем кремния. Теоретическими расчетами, и экспериментально установлено, что увеличение на каждые 0,1% концентрации кремния сверх оптимальных для конвертерного процесса пределов (0,5 - 0,7%Si) при переработке чугуна обычного состава сопровождается повышением расхода лома на 10 кг/т стали при одновременном увеличении расхода извести на 7 кг/т стали, выхода шлака на 13 - 15 кг/т стали и потерь железа, как минимум, на 0,15% от массы металлошихты. Неизбежно также увеличение расхода огнеупоров вследствие снижения стойкости футеровки конвертеров на 20-25 плавок. Конъюнктурные соображения, основанные на различиях цен на чугун и лом, иногда заставляют металлургические заводы США идти на повышение концентрации кремния в чугуне. Однако этот опыт не может служить примером для отечественных цехов; в связи с изложенным этот метод, повышения расхода лома не может быть рекомендован для практического использования.

Увеличить концентрацию кремния в металле можно также путем присадки ферросилиция в ванну конвертера. Однако и этому способу присущи все недостатки, указанные выше, и он также не может быть рекомендован для практического применения.

4.4.3 Использование химических теплоносителей

За рубежом исследовано применение карбида кремния (SiC) и карбида кальция (СаС2) для увеличения расхода лома, причем применение SiC считается одним из самых экономичных методов повышения расхода лома [2, 3]. Ниже приведены расчетные и практические показатели конвертерного процесса при присадке карбида кремния:

Показатели по расчету фактически.

Количество присаженного SiC, кг/т чугуна 10 10.

Увеличение расхода извести, кг/т чугуна 64,8 32,68.

Увеличение количества шлака, кг/ч чугуна 79,9 Н.св.

Увеличение потерь железа, кг/т чугуна 11,8. Тоже.

Повышение прихода тепла, ккал/т чугуна 39798,0».

Увеличение расхода лома:

кг/т чугуна 117,3 78,9.

кг/т металлошихты 63,0 48,0.

Уменьшение выхода жидкого металла, % 0,3 Н.св.

Повышение расхода кислорода, м3 8,3 4,9.

Отличие расчетных данных от фактических объясняется различием состава SiC (расчет проведен на чистый SiC) и неполным его усвоением. Теоретически на 1 т SiC следует присаживать дополнительно 12 т лома [4].

Опробование этого метода было проведено при переделе жидкого полупродукта, полученного из ванадиевого чугуна в условиях Нижнетагильского металлургического комбината [4], с использованием карбида кремния, содержащего 45-54% Si и 22,3-27% С (при чистом SiC эти содержания составляют 75 и 25% соответственно). Повышение расхода лома составило 6 т/т, при этом расход кислорода увеличился на 700 м3/т SiC, расход плавикового шпата возрос на 200-300 кг на плавку, а выход годного снизился на 0,9%.

Приведенные данные однозначно свидетельствуют о бесперспективности применения SiC в связи с ухудшением всех показателей процесса, особенно если учесть, что для народнохозяйственных расчетов стоимость лома следует приравнивать к стоимости чугуна.

Применение в качестве химического топлива СаС2 с термодинамической точки зрения является более перспективным, поскольку ввод этого соединения должен обеспечить экономию извести и не должен сопровождаться увеличением выхода шлака и снижением выхода жидкой стали. Однако опыты американской фирмы «Pittsburgh Steel» («Питтсбург стил»), проведенные в 180-т конвертерах, свидетельствуют о том, что показатели процесса применение СаС2 не лучше, чем при применении SiC:

Расход СаС2, т. 5,0 9,0.

Количество переплавляемого лома, % от массы металлошихты 40,0* 51,0*.

Ориентировочный расход СаС2, кг/т дополнительно переплавляемого лома 270 236.

Теоретический расход СаС2, кг/т переплавляемого лома 130 130.

Увеличение длительности плавки, мин (обычная длительность плавки 45 мин) 10,0 15,0.

Увеличение расхода кислорода, м3/т стали 9,5 15,0.

Снижение выхода жидкого металла, % 1,0 1,5.

Увеличение расхода CaF2, кг/т. 3 4.

Увеличение содержания железа в конечном шлаке, % 5,0 5,0.

Снижение расхода извести, т/плавку 2,3 4,0.

Следует отметить существенное снижение выхода годного, что объясняется высокой окисленностью шлака и увеличением потерь металла с плавильной пылью. Высокую окисленность шлака, по-видимому, можно объяснить кинетикой усвоения СаС2 - карбид кальция не растворяется в металле, он усваивается шлаком, для которого коэффициенты диффузии и массопереноса значительно ниже, чем в металле, поэтому для усвоения кальция шлаком необходимо значительное его переокисление по сравнению с обычным процессом.

Приведенные данные показывают, что в целом применение СаС2 нельзя рассматривать в качестве достаточно эффективного метода увеличения расхода лома в конвертерах.

4.4.4 Дожигание монооксида углерода в конвертере

Интересным методом подогрева жидкой ванны с конструктивной и технологической точек зрения является дожигание окиси углерода отходящих газов в полости конвертера с помощью двухъярусных фурм. В этом случае не требуется подача в конвертер дополнительного топлива, дожигание СО до СО2 происходит без увеличения объема газов, что не ограничивает интенсивности подачи кислорода при заданной производительности дымососов, конструктивные изменения фурм относительно несложны.

Однако этот метод отличается двумя весьма серьезными недостатками. Во-первых, температура горения СО в кислороде достигает 3000° С. Во-вторых, резкое увеличение содержания СО2 в образующихся газах сопровождается увеличением окисленности шлака в течение всей плавки.

Воздействие высокотемпературного кислородно-топливного факела и повышенной окисленности шлака должно привести к резкому снижению стойкости футеровки конвертеров.

Практика подтверждает, что в таком процессе при увеличении расхода лома на 7-15% от массы чугуна стойкость футеровки снижается на 20-25%. Следует учитывать также возможность уменьшения выхода жидкого (годного) металла как вследствие повышения окисленности шлака, так и в результате выбросов, обусловленных ею.

В связи с изложенным такой метод работы конвертеров в настоящее время не может быть рекомендован для промышленного применения.

Перспективным способом улучшения теплового баланса кислородно-конвертерного процесса является повышение степени использования тепла, выделяющегося при дожигании отходящих газов в полости конвертера за счет применения кислородных фурм специальной конструкции. Такой способ не требует использования дополнительных энергоносителей и является экономичным, с минимальными энергозатратами. К специальным дутьевым устройствам обычно относят такие фурмы, которые применяют как для подачи кислорода на продувку и окисление примесей конвертерной ванны, так и для решения других специальных технологических задач, например, дожигания оксида углерода в полости конвертера.

В соответствии с современными представлениями основное количество углерода, содержащегося в конвертерной ванне, окисляется до СО и лишь 10 % углерода металла - до СО2. При этом повышение содержания СО2 в отходящих газах только лишь на 1 % позволяет увеличить приходную часть теплового баланса плавки и снизить расход чугуна примерно на 3,3 кг/т стали.

Для решения такой задачи наиболее целесообразным является применение специальных двухъярусных или двухконтурных фурм (рисунок 12) с раздельным подводом кислорода, предназначенного на рафинирование ванны и на дожигание оксида углерода. Дополнительный поток кислорода на дожигание в этом случае организуют при помощи как отдельной запорной и регулирующей арматуры, так и в виде ответвления от основного потока с меньшим проходным сечением трубопроводов и сопел внутри фурмы.

Опыт применения в промышленных конвертерах двухъярусных фурм показал, что таким методом можно увеличить массовое содержание в шихте лома на 6 - 7 %, одновременно повышая интенсивность продувки и производительность конвертеров при том же газоотводящем тракте. Возможность использования того же газоотводящего тракта обусловлена дожиганием СО до СО2 и уменьшением выхода газов на единицу вводимого кислорода.

Рисунок 12 - Специальные продувочные фурмы, приспособленные для дожигания СО в полости конвертера: а - двухконтурная; б - двухъярусная; 1 - кислородные сопла для продувки металла; 2 - кислородные сопла для дожигания отходящих газов

Производительность конвертеров повышается вследствие сокращения продолжительности продувки на 10 - 27 % [28].

При продувке металла двухъярусной фурмой (рисунок 12, 1-й вариант), имевшую во втором ярусе 6 сопел диаметром 15 мм с углом наклона 45є, удаленных от торца фурмы на расстояние 1650 мм, наблюдался значительный местный износ футеровки конвертера против каждого из сопел верхнего яруса на 400 - 800 мм выше точки пересечения оси сопла и поверхности кладки (в зоне горловины конвертера). Поэтому в дальнейшем для снижения скорости истечения струи кислорода из сопла и уменьшения угла встречи струи с футеровкой количество сопел во втором ярусе увеличили до восьми, их диаметр - с 15 до 18 мм и уменьшили угол наклона оси сопел к вертикали с 45 до 30є (вариант 2). При использовании фурм с такими параметрами и расходе кислорода 2,5 м3/с и более зона локального износа футеровки смещалась к середине цилиндрической части конвертера (к зоне интенсивного износа на обычных плавках). При расходе кислорода менее 2,5 м3/с (~35 % расхода через нижние сопла) зона локального износа футеровки практически исчезает, однако происходит равномерный повышенный износ огнеупоров горловины конвертера.

Наиболее высокие показатели получили при использовании фурм варианта 2 с удалением второго яруса сопел от ее торца на расстояние 1650 мм и подачей кислорода в количестве 30 - 35 % от расхода через рафинировочные сопла. Благодаря значительному поступлению теплоты в ванну от дожигания СО удалось увеличить расход лома на 7 %, сократить продолжительность продувки на 22 %, снизить расход извести, известняка и плавикового шпата, повысить основность конечного шлака, степень десульфурации и дефосфорации металла. Окисленность металла и содержание в нем азота на опытных и сравнительных плавках находились на одном уровне, окисленность шлаков на исследовательских плавках была на 2 - 3 % выше, чем на сравнительных. Данные о величине брака на первом переделе свидетельствовали о том, что качество металла на опытных плавках не ухудшалось по сравнению с обычными плавками. Механические свойства готового проката из опытной стали, по данным сдаточных испытаний, также не ухудшались. Вынос пыли и железа из конвертера на опытных плавках был ниже, чем на сравнительных, на 35 - 40 %).



Рисунок 13 - Специальная многорядная продувочная фурма, приспособленная для дожигания СО в полости конвертера: 1 - трубы подвода основного потока кислорода; 2 - подвода охлаждающей фурму воды; 3 - подвода вторичного кислорода на нижний и верхний ярусы сопел; 4 - отвода воды; 5 - штампованная медная чаша; 6 - цельноточеный медный корпус головки фурмы; 7 - медные сопла для подачи основного потока кислорода; 8 и 9 - сопла для подачи кислорода на дожигание оксида углерода; 10 - цельноточеный медный сопловый насадок; 11 - проточки в медном корпусе головки для воды; 12 и 13 - соответственно проточки для кислорода и воды; 14 - кольцевая полость для подвода вторичного кислорода

Поскольку теплопередача металлической ванне, в данном случае от факела горения СО, осуществляется недостаточно эффективно (термический КПД составляет 30 - 35 %), а стойкость футеровки в верхней части снижается (~ на 30 %), процесс дожигания газов в полости конвертера необходимо еще совершенствовать.

Возможным решением вопроса повышения эффективности дожигания оксида углерода в полости конвертера может быть использование специальных многорядных фурм, сочетающих конструктивные элементы двухконтурных фурм (рисунок 13) [4].

Данная фурма за счет обеспечения одновременного интенсивного протекания процессов шлакообразования и обезуглероживания при оптимальной окисленности шлака в течение всей продувки металла, а также ориентации встречных и сопровождающих потоков кислорода, истекающих из составных сопловых насадок, позволяет более эффективно дожигать СО до СО2, способствуя интенсивному перемешиванию кислорода и окиси углерода во встречных потоках, в пределах образующихся реакционных зон с непосредственной передачей тепла металлическому и шлаковому расплаву.

Расход технического кислорода, подаваемого на продувку, составляет 75 % суммарного кислорода, поступающего в фурму.

Применение двухконтурных, двухъярусных и многорядных продувочных фурм облегчает решение задачи улучшения теплового баланса конвертерного процесса. Однако относительно низкая технологическая стойкость таких фурм, сложность конструкции ограничивает широкое использование последних в конвертерных цехах отрасли.

4.4.5 Использование твердого топлива

Введение в конвертер твердого топлива для подогрева лома перед заливкой чугуна, загрузке металошихты или в процессе самой плавки так же является одним из методов увеличения расхода лома, поскольку использование такого топлива не может существенно повлиять на балансовые показатели процесса.

Ввод топлива в виде антрацитового штыба и скрапоугольных брикетов был опробован в 130-т конвертерах Криворожского металлургического завода [5]. Применяли антрацит марки ДС фракции 6-13 мм с содержанием золы менее 10% и серы менее 1,0%, антрацитовый штыб фракции 0-6 мм с содержанием золы 16-18% и серы менее 1,0%, а также скрапоугольные брикеты. В последнем случае содержание топлива составляло 10-15% от массы брикетов при количестве связки (битум Б-3) 0,5-0,7% от массы брикета. Поскольку при изготовлении брикетов выявились значительные трудности, наиболее приемлемым методом ввода топлива в конвертер является присадка твердого топлива на лом перед заливкой чугуна. При расходе топлива в количестве 12,8 кг/т стали увеличение количества переплавляемого лома составляло 64 кг/т стали, при этом выход годного повышался до 89,3% против 88,6 % на обычных плавках, а коэффициент использования топлива составлял 24,3%. Опробованный метод характеризуется следующими достоинствами:

1) отсутствием необходимости использования какого-либо дополнительного оборудования;

2) отсутствием влияния добавок топлива на характер конечного шлака и стойкость футеровки конвертеров;

3) простотой организации процесса.

Недостатками метода являются:

1) увеличение длительности плавки;

2) пропорциональное увеличение расхода лома (т. е. расхода топлива) и низкий коэффициент использования топлива, не смотря на высокую степень его усвоения ванной.

3) увеличение длительности продувки составляло около 4 мин при расходе топлива 1,6% от массы садки;

4) расход кислорода возрастал на 2000 м3/плавку..

Важно отметить, что усвоение топлива ванной происходило в течение всей продувки. Это дает основание предположить, что механизм процесса заключается в растворении углерода в жидком металле и последующем его окислении. Очень малая величина коэффициента использования топлива объясняется при этом, во-первых, определенными затратами тепла на растворение углерода в металле, и во-вторых, окислением углерода практически только до СО, что резко снижает величину коэффициента использования топлива.

В таблице 12 приведены расчетные показатели процесса при различном количестве лома в шихте, основанные на результатах работы [2].



Таблица 12 - Показатели конвертерного процесса при увеличении доли лома в шихте в результате присадки в конвертер твердого топлива

Показатели	Доля лома в шихте, %
	28	30	32	34	36	38	40
Расход лома, кг/т стали	312	335	357	379	402	424	446
Увеличение расхода лома, кг/т стали	33	56	78	100	123	145	167
Расход топлива, кг/т стали	5,65	9,6	13,4	17,5	20,1	24,8	28,6
Дополнительный расход кислорода, м3/т стали	5,19	8,8	12,9	15,7	19,4	22,9	26,3
Увеличение длительности продувки, мин	1,3	2,2	3,1	3,9	4,85	5,70	6,5

Анализ экспериментальных данных и результатов расчетных позволяет сделать вывод о том, что использование твердого топлива для увеличения расхода лома благодаря сравнительно высоким технологическим показателям и простоте организации процесса может быть рекомендовано для внедрения, несмотря на низкий коэффициент использования топлива.

Необходимо, однако, отметить, что отсутствие влияния топлива на величину потерь железа трудно объяснить.

Так как процесс растворения топлива в металле и окисления углерода протекает во времени, часть топлива неизбежно должна попадать в шлак; это в свою очередь должно вызвать повышение окисленности конечного шлака для окисления углерода шлака (как в случае применения CaС2).

Кроме того, с увеличением длительности продувки увеличиваются потери железа с отходящими газами.

4.4.6 Использование газообразного и жидкого топлива

Нагрев лома с помощью кислородно-топливных горелок с применением газообразного и жидкого топлива возможен непосредственно в конвертерах перед заливкой в них чугуна, в чугуновозных ковшах перед сливом в них чугуна из доменных печей и в специальных совках (коробах) перед завалкой лома в конвертер.

Подогрев лома в конвертерах технологически и теплотехнически достаточно подробно исследован в СССР и за рубежом. Отечественные исследования, проведенные в 10-, 130- и 250-т конвертерах , дали идентичные результаты при практически одинаковой технологии нагрева лома и последующего ведения плавки. Никаких существенных технологических трудностей при этом не отмечено.

Предварительный расчет общего расхода подогретого лома в шихте

Коэффициент использования топлива при нагреве лома в конвертерах зависит от количества нагреваемого лома, продолжительности его нагрева, отношения количеств подаваемых в конвертер топлива и кислорода.

Согласно отечественным и зарубежным экспериментальным данным максимальное использование топлива может быть достигнуто при количестве лома в шихте 30-45%. Длительность нагрева лома зависит от мощности применяемых горелок и колеблется от 6 до 12 мин; наиболее мощные горелки для 300-т конвертеров обеспечивают продолжительность нагрева лома за 10 мин при тепловой нагрузке 252 млн. ккал/ч (расход кислорода 507 м3/мин, расход СН4 376 м3/мин).

Средние расчетные теплотехнические показатели процесса нагрева лома в конвертерах природным газом и мазутом представлены ниже:

Прир. газ Мазут

Низшая теплотворная способность топлива, ккал/м3 (ккал/кг) 8100 9000.

Коэффициент использования топлива 0,5 0,7.

Расход топлива, м3/т (кг/т) дополнительно переплавляемого лома 20,3 18,3.

Расход кислорода, м3 40,6 85,6.

Продолжительность нагрева лома, мин 10,0 10,0.

Достоинством этого метода являются простота организации процесса и возможность нагрева больших количеств лома без его дополнительной подготовки. При этом расход лома целесообразно увеличить до 40-45% от массы металлошихты, поскольку при таких количествах лома обеспечивается максимальный коэффициент использования топлива.

К недостаткам нагрева лома газообразным и жидким топливом в конвертерах перед заливкой чугуна относятся снижение производительности конвертеров на 20-30%, уменьшение стойкости футеровки конвертеров.

Нагрев лома в специальных совках или коро-бах перед подачей в конвертер не обеспечивает существенного увеличения количества лома в шихте, так как в данном случае температура на-грева лома ограничена пределами 500-600°С

4.4.7 Повышение температуры жидкого чугуна

Увеличить расход лома в конвертерах позволяет и повышение температуры жидкого чугуна: на каждые 100°С повышения температуры чугуна можно переплавлять дополнительно 60 кг лома на 1 т чугуна. Перегрев жидкого чугуна можно осуществить, оснастив миксеры индукционными канальными перегревателями.

Индукционные перегреватели представляют собой короткозамкнутый трансформатор с железным сердечником, в котором первичная обмотка образована индуктором, а вторичная - жидким металлом, находящимся в канале. Циркуляция металла в канале обеспечивается действием электромагнитных сил. Схемы индукционных перегревателей представлены на рисунке 14.

В США фирмой «Ajax Magnetermic» («Аджакс магнетермик») разработаны мощные индукционные устройства для перегрева жидкого чугуна. По данным фирмы, технология и имеющееся оборудование позволяют перегревать чугун на 280° С. При этом срок службы индукционных устройств -мощностью 2500-3000 кВт составляет до 15 лет. Расход электроэнергии на перегрев жидкого чугуна составляет около 440 кВт-ч/т дополнительно выплавляемой стали. Поскольку в электросталеплавильном производстве расход энергии составляет 600 кВт-ч/т, или на 35% больше, процесс перегрева чугуна в миксере является энергетически выгодным.

Рисунок 14 - Схема индукционного канального перегревателя

По утверждению «Energy Materials Conservation Corp» (США), производительность кислородно-конвертерного цеха при использовании установок для перегрева чугуна увеличивается на 13 - 15 % без роста его потребления. Дополнительная теплота может быть поглощена любым охладителем, более доступным или имеющим меньшую стоимость в условиях данного завода - металлоломом, окатышами, агломератом, прокатной окалиной или холодным чугуном. При условии точного контроля температуры чугуна, применение установки для перегрева может улучшить технологию процесса и условия службы футеровки, в ряде случаев способно свести к минимуму потери производительности сталеплавильных цехов при плановом или внезапном прекращении снабжения их жидким чугуном. В случае необходимости, в установках возможно переплавлять холодный чугун.

По мнению разработчиков, такой способ повышения доли лома в шихте имеет значительные преимущества перед другими, существующими в настоящее время: присадкой ферросилиция, карбида кремния, карбида кальция, алюминия. При их использовании неизбежны побочные нежелательные эффекты: увеличение продолжительности продувки, расхода кислорода и извести, количества шлака, и, следовательно, потерь железа, ухудшение условий службы футеровки.

4.5 Особенности различных вариантов процесса увеличении доли лома

Для переработки значительного количества лома (40 - 50 % от массы металлошихты) необходимо комплексное применение разных методов. Каждый из них обладает отличительными от других способами и режимами сжигания топлива, подогрева лома в процессе кислородной продувки.

Значительные успехи в разработке и освоении кислородно-топливного конвертерного процесса с комбинированным дутьем достигнуты фирмой "Klockner Werke" (ФРГ) и входящей в ее состав фирмой "MaxhLitte". Первоначально разработанный этими фирмами процесс Q - ВОР - S включал только донный подогрев металлического лома при стехиометрической подаче кислорода и углеводородов через донные фурмы. В дальнейшем было реализовано дожигание СО до СО2 в объеме конвертера при помощи верхней и (или) боковых фурм и вдувание пылевидного углеродсодержащего топлива в процессе продувки. Процесс получил наименование KMS-Klockner MaxhLitte Stahlerzeugung-verfaren рисунок 15. Установлено, что дожигание конвертерных газов при комбинированной продувке ванны кислородом эффективнее, чем при верхней продувке. Благодаря только дожиганию СО до СО2 представляется возможным увеличить расход лома на 60 кг/т стали. Повышение температуры в верхней части полости конвертера невелико, не обнаружено существенного увеличения износа футеровки.

В процессе KMS предусмотрено вдувание в жидкую ванну твердых порошков углеродсодержащих материалов - угля или кокса. Применение энергетических углей возможно независимо от содержания в них летучих углеводородов.

Рисунок 15 - Схема КМС - процесса: 1 - шлакообразующие; 2 - кислород; 3 - сжатый воздух; 4 - азот или аргон; 5 - углеводороды; 6 - кокс или уголь

При этом теплотехническая эффективность энергетических углей ниже (термический к.п.д. ниже на 10 %), чем кокса, если не ведется дожигание СО до СО2 над жидкой ванной.

Конвертеры позволяющие перерабатывать металлошихту с любым соотношением лома и чугуна представлен на рисунке 16.

Последние оборудуются полыми цапфами, через одну из которых подается природный и нейтральный газы; через другую - кислород, аргон и сжатый воздух раздельными потоками к донным и боковым фурмам. Число донных фурм обычно составляет от 3 до 16 при садке агрегатов 10+350 т соответственно. Боковые фурмы устанавливаются в вертикальной плоскости, проходящей через ось цапф так, чтобы их оси пересекались под углом 45° с осью конвертера на уровне спокойной ванны.

В качестве верхнего дутьевого устройства используются кислородные фурмы, обеспечивающие одновременно продувку ванны и частичное дожигание выделяющегося из ванны оксида углерода. Конструкции донных и боковых фурм выполняются однотипными из жаропрочной стали в виде концентрично расположенных труб.

Рисунок 16 - Схема кислородно-топливного конвертера для выплавки стали из металлошихты с увеличенной (до 50% и более) долей лома

Кислородно-конвертерный процесс с комбинированной продувкой обладает широкими возможностями улучшения тепловой работы, переработки значительных количеств металлолома путем эффективного его донно-верхнего подогрева и продувки расплава с частичным дожиганием СО в полости конвертера.

При развитии KMS-процесса фирмой "Klockner - Werke" (ФРГ) был создан и запатентован в 1977 г. кислородно-топливный сталеплавильный процесс на твердой металошихте в агрегате конвертерного типа, получивший наименование - процесс KS (Klockner Stahlerzeugyg) .

Сущность KS -процесса состоит в предварительном нагреве шихтовых материалов, осуществляемом путем подачи углеводородного газообразного или жидкого топлива и кислорода через донные фурмы до появления некоторого количества жидкого металла; затем ввода через донные фурмы совместно с кислородом пылевидных углеродсодержащих материалов угля или кокса. Происходит дальнейшее проплавление твердой шихты, частичное ее науглероживание, газификация твердого углерода, а затем и рафинирование металла. Технология конвертерной плавки процессом KS включает следующие операции рисунок 17.

Рисунок 17 - Технологические операции при процессе KS: 1 - загрузка шихты; 2 - предварительный нагрев; 3 - образование первых порций расплава; 4 - расплавление шихты и рафинирование; 5 - выпуск и легирование металла

В период нагрева лома предпочтительней использовать жидкое топливо мазут. Преимущество состоит в том, что донные фурмы при подаче жидкого топлива через кольцевые каналы развивают значительно большую термическую мощность. А в период кислородной продувки подача природного газа через кольцевой зазор обеспечивает защиту донных фурм.

Аналогом процесса KS является "COIN''-процесс, разработанный фирмой "Krupp", основывающийся на вдувании в конвертер через кольцевой канал коаксиальных донных фурм порошкообразного (фракции < 1 мм) угля как в жидкий период плавки, так и для нагрева твердой шихты. Информация об этом процессе слишком ограничена, чтобы можно было судить о его показателях, особенностях. В работе отмечается, что использование COIN-фурм (coal - уголь, oxygen - кислород, injection - вдувание) позволяет вводить в конвертер пылевидный уголь с интенсивностью до 22 кг/(т * мин) при интенсивности продувки кислородом до 4,5 м3 / (т * мин) .

Сущность технологии заключается в интенсивном нагреве твердой металлошихты за счет комплексного использования природного газа и твердого кускового топлива (угля, антрацита) при комбинированной подаче природного газа и кислорода через донные и боковые фурмы - горелки и верхнюю кислородную фурму; плавлением шихты и дальнейшем рафинировании расплава с частичным дожиганием СО в объеме конвертера.

В конвертерном процессе при 100 % металлолома в шихте твердое углеродсодержащее топливо выполняет важные технологические функции, связанные с науглероживанием расплава, организацией кипения и перемешивания ванны. В период кислородной продувки расплавившейся металлошихты углерод твердого топлива, усвоенный ванной, является единственным источником тепла для нагрева металла. Твердое углеродсодержащее топливо имеет, как уже отмечалось, преимущества по сравнению с газообразным и жидким и с теплотехнической стороны.

На рисунке 19 представлены потери тепла, выраженные в долях от теплотворной способности топлива, в результате химического недожога горючих составляющих природного газа и твердого углерода при различных значениях недожога углерода и водорода - б и в. При равных значениях б и в на единицу топлива, подведенного топливом, в случае сжигания природного газа потери тепла больше.

Таким образом, при одинаковом химическом недожоге природного газа и твердого углеродсодержащего топлива и равных температурах отходящих газов (Tог) доля тепла, которая может быть передана нагреваемой шихте от общего количества потенциального тепла топлива, при сжигании твердого углерода выше, чем природного газа.



Рисунок 19 - Потери тепла при диссоциации продуктов сгорания природного газа (1) и твердого углерод (2) при T= 298 К

В связи с этим применение природного газа (или других углеводородов) самостоятельно или в сочетании с твердым углеродсодержащим топливом для нагрева и плавления металлошихты в конвертере будет целесообразно лишь в условиях, обеспечивающих близкие значения их КИТ.

В заключение следует отметить, что процесс на твердой металлоза-валке все же является экстремальным кислородно-топливным вариантом переработки металлолома в конвертере. Требуются его длительные исследования в полупромышленных и промышленных условиях с целью уточнения технологических и теплотехнических показателей, условий службы футеровки, производительности агрегатов. Ориентировочные оценки показывают, что при одинаковом объеме конвертеров, работающих обычным процессом и на твердой металлошихте, масса садки в последнем случае для действующих конвертеров должна быть снижена в 1,2-1,5 раза, что снижает его удельную производительность на соответствующую величину. С учетом увеличения необходимого расхода кислорода удельная производительность конвертерного агрегата снижается на 30-40 %.

коксохимический сталь производство чугун

4.6 Конвертерная плавка с вводом нейтрального газа снизу и кислорода сверху при повышенном расходе лома

Для приведения в действие важного теплового резерва конвертерной плавки, каким является дожигание СО в полости агрегата, необходимо вести продувку с малым количеством или отсутствием шлаковой пены, при интенсивном перемешивании металла и шлака, что следует из наших материалов. В большей степени, чем при верхней продувке этого удается достичь в конвертерах с комбинированной подачей кислорода сверху и даже небольших количеств газа снизу. Сочетание верхнего дутья и донного перемешивания улучшает ряд металлургических характеристик конвертерной плавки и качество стали, поскольку позволяет комплексно использовать преимущества продувки сверху и снизу. Преимущества :

1) рассредоточении дутья (большое количество фурм);

2) большом приближении системы шлак - металл к равновесию;

3) спокойном ходе продувки, высоком выходе годной стали;

4) возможности переработки (при донном дутье) любых количеств лома;

5) меньшем дымовыделении по сравнению с только верхней продувкой;

6) легкой регулируемости окисленности шлака с помощью верхней фурмы;

7) обеспечении быстрого растворения извести, меньшем выносе капель металла;

8) ранней дефосфорации и т.д.

В результате донно-верхняя продувка комплексно решает стоящую перед конвертерным процессом задачу радикального его изменения в направлении большей технологической гибкости по составу переплавляемой шихты, сортаменту выплавляемой стали при значительном улучшении технико-экономических показателей за счет снижения энергоемкости процесса, увеличения выхода жидкого металла, снижения расхода ферросплавов, уменьшения окисленности шлака и угара железа.

Комбинированные способы производства стали в конвертерах развиваются с 1975 г. и получили распространение в начале 80-х годов на заводах нашей страны, Франции, Люксембурга, ФРГ, Японии, США, Канады, Швеции, Австралии и Португалии.

Впервые в нашей стране в промышленных условиях комбинированная продувка освоена на заводе «ЕВРАЗ ЗСМК» тогда еще бывшего «ЗСМК» с участием ИЧМ, ВИО, ВНИПИЧерметэнерго-очистки и ВостФИЧМ. Для этой цели осуществлено переоборудование трех 160-т конвертеров. Проведено более 4500 плавок, в том числе более 900 с использованием двухъярусной фурмы, применение которой позволяет повысить степень дожигания отходящих газов в полости конвертера (содержание СО2 увеличивается с 12 до 24 %) и направить в жидкий металл поток дополнительного тепла. Разработанная технология позволяет сократить расход чугуна на 30-35, извести на 4-5, плавикового шпата на 1,4-1,7 кг/т стали, при такой же длительности продувки, как в конвертере с верхним дутьем. При работе комбинированным методом с обычной верхней фурмой эффективность процесса снижается (содержание СО2 в отходящих газах возрастает только до 17 %), и экономия чугуна составляет 10-22 кг/т.

В качестве донных фурм для подачи нейтрального газа опробованы периклазоуглеродистые и обожженные периклазовые огнеупорные блоки. Наибольшая стойкость фурм достигнута к настоящему времени при использовании одноканальных периклазографитовых блоков длиной 800 мм с запрессованной в них металлической трубкой диаметром 5 мм.

Были опробованы различные способы вдувания перемешивающего газа: через керамические пористые блоки, блоки в металлических кассетах, коаксиальные и простые стальные трубки с подачей N, Аr, СО, сжатого воздуха и колошникового (доменного) газа с интенсивностью от 0,01 до 0,30 м3/(мин·т).

Применение трубок вместо пористых огнеупорных блоков имеет свои преимущества и недостатки. Донные фурмы в виде трубок более надежны, просты по конструкции, изготовлению и эксплуатации, однако через них в ходе плавки необходимо непрерывно подавать газ для предотвращения затекания жидкого металла. Кроме того, донное дутье необходимо подавать сразу после завалки металлолома и заливки чугуна и не прекращать при повалке конвертера. В то же время через пористые блоки дутье может подаваться в любой

Характерными чертами комбинированных процессов являются быстрое зажигание плавки и малое количество выбросов вследствие эффективного перемешивания ванны. Это дает возможность увеличить интенсивность подачи кислорода и, в свою очередь, приводит к сокращению длительности продувки (как правило на 2 мин). Положение обычной кислородной фурмы выше, чем при верхней продувке, так как распределение потоков в металлической, шлаковой и газовой фазах различается и позволяет заметно дожигать СО до СО2 без отрицательных побочных эффектов.

4.7 Подогрев металлолома для кислородных конвертеров

В мировой практике подогрев металлолома для кислородных конвертеров получил широкое распространение.

Доля металлолома в шихте в случае его подогрева может быть оценена с помощью уравнения, полученного из теплового и материального баланса плавки:

где - доля лома, %;

- избыточное тепло процесса, кДж/100 кг чугуна, определяется по формуле;

- величина подогрева метал¬лолома, К;

Сл - теплоемкость твердого лома, кДж/(кг-К), для температур обычного нагрева лома может быть принята равной 0,7;

q - охлаждающий эффект металлолома, кДж/кг.

На рисунке 21 представлены количества переплавляемого металлолома при различных температурах его нагревах [4]. Как видно из рисунка подогрев лома до ~800єС позволяет повысить его долю в металлозавалке на ~10 %.

Рисунок 21 - Влияние на долю лома в металлозавалке температуры его подогрева, єС: 1 - 260; 2 - 538; 3 - 815; 4 - 1093

Одним из важнейших вопросов, связанных с нагревом лома, является предотвращение окисления его поверхности. Наиболее интенсивно окисление лома будет происходить вблизи температуры плавления и тем больше, чем дольше лом имеет такую температуру.

Быстрее всего будет прогреваться легковесный лом, поэтому режим должен быть таким, чтобы к концу нагрева температура легковесного лома не превышала 1500 °С.

Различные составляющие твердой металлозавалки нагреваются до разной температуры, и в зависимости от их соотношения будет изменяться и средняя температура. По расчетным данным среднемассовых температур построена тройная диаграмма рисунок 22 показывающая ожидаемую среднюю температуру металлозавалки в зависимости от содержания в ней различных составляющих.

Чрезмерно большое содержание легковеса может привести к образованию колодцев, оседанию и уплотнению лома под действием собственной массы и, как следствие, к ухудшению ее прогрева.

Предварительный нагрев лома возможно производить как в конвертере, так и вне его.

Рисунок 22 - Возможные среднемассовые температуры нагрева металлолома при различном удержании в нем составляющих

4.7.1 Подогрев металлолома перед заливкой чугуна

Предварительный нагрев лома в конвертере перед заливкой чугуна можно выполнить двумя путями:

- подогрев лома топливно-кислородным факелом с использованием в качестве топлива мазута или природного газа;

- подогрев лома сжиганием углеродсодержащих материалов - твердого кускового или порошкообразного угля, кокса, автопокрышек и даже твердых бытовых отходов.

Предварительный подогрев лома в агрегате в первую очередь целесообразно применять в тех конвертерных цехах, где существует возможность повышения производительности агрегатов или имеют место значительные по времени вынужденные простои. Вместе с тем выполнение такой операции значительно упрощает требования, предъявляемые к используемому в конвертерной плавке металлолому. В этом случае предпочтительней использование легковесного лома как материала с высокой удельной поверхностью, пропорционально которой возрастает и тепловосприятие от факела сжигаемого топлива к лому.

Одним из существенных недостатков такой технологии является снижение стойкости футеровки конвертеров, при этом цикл плавки удлиняется обычно на время продолжительности подогрева лома.

Для подогрева лома топливно-кислородным факелом применяются водоохлаждаемые газокислородные и мазутокислородные фурмы-горелки как верхнего, так и донного дутья. Конструкции наконечников фурм-горелок верхнего и донного дутья представлены на рисунках 23 и 24.

Газокислородная фурма-горелка (рисунок 23) [28] выполнена из пяти концентричных труб. Два внешних канала используются для подвода и отвода охлаждающей воды, центральный и третий от него - для природного газа, между каналами для природного газа - канал для кислорода. В периферийный канал природного газа на выходе вмонтированы 23 медных трубок длиной 150 мм, которые вместе с трубой для природного газа в центре горелки способствуют стабилизации факела.

Для предварительного нагрева лома используются и донные многофункциональные фурмы (рисунок 24), работающие как кислородно-топливные горелки для подогрева лома и как продувочные, в которых поток природного газа завихривается [5].

Все большее внимание сталеплавильщиков привлекает применение твердого кускового топлива в качестве теплоносителя для улучшения теплового баланса кислородно-конвертерного процесса.



1 - подача приподного газа; 2 подача кислорода; 3 - вход охлаждающей воды; 4 - выход охлаждающей воды Рисунок 23 - Конструкция наконечника газокислородной горелки	1 - природный газ; 2 - природный газ с заменой на аргон или азот; 3 - кислород Рисунок 24 - Конструкция донной трехканальной фурмы

В качестве твердого топлива при конвертировании металла в основном используются угли различных марок, кокс, отходы установок сухого тушения кокса. Такая технология проста и не требует затрат на переоборудование агрегата. Подача кускового угля (или кокса) обычно организуется в конвертер по тракту сыпучих материалов.

Опробовано несколько вариантов ввода кускового угля в конвертер:

- до заливки чугуна (под металлолом, на металлолом, в завалку вместе с металлоломом, например в составе скрапоугольных пакетов);

- после заливки чугуна (на чугун, в начале продувки или одновременно с «зажиганием» плавки, порциями по ходу продувки);

- комбинированно из нескольких вышеперечисленных приемов.

С позиции обеспечения безопасной работы предпочтение должно быть отдано присадке угля на чугун или с началом зажигания плавки. При вводе угля под лом часть его или весь уголь может быть «заблокирован» загружаемым сверху металлоломом на какое-то время продувки и неожиданно вступить в реакцию после расплавления лома, что сопровождается резким газовыделением, вспениванием шлака и выбросами. При загрузке угля под лом наблюдаются сильные вспышки и интенсивное выбивание пламени из конвертера в процессе заливки чугуна, что значительно удлиняет время выполнения этой операции.

По имеющимся данным, предельное количество угля, вводимого до начала продувки, составляет около 10 кг/т стали, при этом увеличение расхода угля сверх этого значения приводит к нежелательным явлениям по ходу продувки - вспышкам, выбросам и нарушениям нормального хода шлакообразования. В то же время известна практика, когда в конвертер до заливки чугуна вводят значительно большее количество твердого топлива, равное 38,3 кг/т садки (уголь - 50,7 %, кокс - 39 %, электродный бой - 10,3 %) при технологии выплавки стали с расходом лома в металлозавалке 50 % (ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», кислородно-конвертерный цех № 1, садка конвертера - 160 т). Во всех случаях после завалки лома в конвертер присаживается известь в количестве 30 - 50 % от массы извести, присаживаемой на плавку, и известковомагнезиальный флюс.

При расходе лома 28 % завалку его производят одним совком с последующим прогревом (7 - 8 минут) путем рассредоточенной присадки на лом (в течение всего прогрева) твердого топлива порциями (от 100 до 500 кг) в потоке кислорода верхней фурмы. Суммарное количество кислорода на нагрев лома - из расчета 0,4 - 0,5 м3/кг твердого топлива. Положение фурмы в течение прогрева поддерживается на высоте 4,0 - 4,5 метра. В этом случае расход твердого топлива составляет 21 кг/т садки.

На ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» в кислородно конвертерном цеху №1 для подогрева металлического лома применяют твердое углеродосодержащее топливо. Этот способ включает завалку лома, подачу твердого углеродсодержащего топлива, предварительный нагрев лома, заливку чугуна, продувку с изменением положения фурмы и расхода кислорода. По данным, рассмотренных паспортов плавки от 21 мая 2013 года, составлена таблица данных плавки в 160-тонном конвертере на ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» ККЦ - 1 таблица 13 .

Таблица 13 - Данные плавки в 160-т конвертере

№	Садка конвертера, т.	Кол-во чугуна	Кол-во лома, т	Доля лома, %	Доля чугуна, %	Время подогрев лома, мин:с	Расход кислорода, м3	Кол-во израсходованного угля,т
1	158,5	112	46,5	30,2	69,8	7:06	1973	3
2	153,6	109	44,6	29,0	71,0	6:14	1760	3,05
3	152,4	109,1	43,3	28,4	71,6	6:14	1757	3,02
4	160,7	115,1	45,6	28,4	71,6	6:04	1721	2,98
5	153,3	112,3	41	26,7	73,3	6:06	1271	3,08
6	153,3	110,6	42,7	27,9	72,1	7:22	1737	3,09
7	159,5	110,9	48,6	30,5	69,5	6:29	2013	2,99
8	153,1	109	44,1	28,8	71,2	6:20	2054	3,01
9	160,7	115,1	45,6	28,4	71,6	6:28	1972	3,12
среднее значение	111,46	44,89	28,70	71,30	6:20	1806,44	3,04

Представленная таблица содержит данные по выплавке стали в 160-т конвертере с различным соотношением лома и чугуна, продолжительности продувки кислородом, расхода кислорода и теплоносителя.

При расходе лома 30 - 35 % завалку его производят двумя совками с последующими двумя прогревами по 4,5 - 5,0 минут после завалки каждой порции лома. Технологические особенности присадки твердого топлива, удельный расход кислорода верхней фурмы и ее положение - такие же.

При расходе лома 50 % завалку последнего производят тремя совками с последующими прогревами каждой заваленной порции лома (три прогрева с общей средней продолжительностью 25 минут). Технологические особенности присадки твердого топлива, удельный расход кислорода и высота фурмы в период прогрева - такие же.

Во всех приведенных выше случаях после нагрева лома конвертер «раскантовывается» в сторону слива и завалки на 60 - 70є, производится выдержка в течение 30 секунд для проветривания газоотводящего тракта и заливка жидкого чугуна в конвертер. Предварительный нагрев лома твердым топливом производится при температуре футеровки конвертера не ниже 800єС (темно-вишневое свечение).

4.7.2 Прогрев лома перед загрузкой в конвертер

Недостаток метода подогрева металлолома в конвертерах, связанный с увеличением длительности цикла плавки, практически устраняется при осуществлении этой операции вне конвертера.

В практике конвертерного производства существует большое количество различных способов предварительного нагрева лома вне конвертера [2]. Наибольший практический интерес представляют варианты подогрева лома непосредственно в совках, которые используются для его транспортировки и загрузки в конвертер. Подогрев лома в совках осуществляется до среднемассовой температуры ~500 єС. Принципиальная схема такой установки и организация процесса подогрева лома, разработанная для условий кислородно-конвертерного цеха ОАО «Северсталь» (г. Череповец), представлена на рисунках 25 и 26.