Основные материалы для производства стали в конвертере основного отдува

Материалы, необходимые для производства стали в конвертере основного отдува (КОТ)

Для производства жидкой стали в процессе конвертера основного отдува (КОТ) требуются следующие группы материалов (рис. 1):

• Основные сырьевые материалы: чугун, лом, известь и др.
• Вторичные сырьевые материалы: деоксидизаторы и карбурайзеры.
• Коммунальные газы: кислород, азот, аргон и др.
• Огнеупоры и огнеупорные материалы: выкладка, напускные и заделочные материалы.
• Расходные зонды: термометрические и пробоотборные.
• Охлаждающая вода для лавинального угла и отработавших газов.

Рис. 1 Материалы для производства стали в конвертере основного отдува

Основные сырьевые материалы

В конвертер КОТ загружают: (i) чугун из доменной печи, (ii) стальной лом и/или другие источники металлического железа, (iii) железную руду, (iv) флюсы. Лом из ломовой коробки заряжается первым. Затем чугун заливается из чугуноловушки, после чего начинают отдув кислородом. Флюсы (обычно в кусках) заряжают через бункерную систему после начала отдува. Также флюсы можно впрыскивать в порошке через нижние дуйные форсунки. Состав и количество материалов варьируются от цеха к цеху в зависимости от доступности и экономики.

Чугун

Первичный источник железа и энергии. Поступает из доменных печей в открытых или торпедообразных ловушках. При открытых ловушках чугун сливают в миксер для поддержания температуры перед зарядкой в конвертер. Типичный состав: 3,8–4,5% C, 0,5–1,5% Si, 0,25–1,5% Mn, 0,05–0,15% P, 0,03–0,08% S.

Сера можно снизить до 0,001% в установке десульфуризации. Состав зависит от режима и заряда доменной печи. При холодном режиме печи кремний падает, сера растет. Фосфор в чугуне растет при высоком фосфоре в заграде печи.

Углерод и кремний — главные источники энергии. Кремний чугуна влияет на количество заряжаемого лома: высокий Si дает больше тепла при окислении — можно зарядить больше лома. Si также влияет на объем шлака, расход извести и выход железа.

Чугун обычно насыщен углеродом; его концентрация зависит от температуры и других растворенных элементов (Si, Mn). Углерод растет с температурой и Mn, падает с ростом Si.

Важно знать температуру и углерод чугуна при заливке в конвертер для процессного управления. Температуру меряют в чугуноловушке перед зарядкой. Типичный диапазон: 1300–1350 °C.

Десульфуризация благоприятствует при высоких температурах и низких кислородных потенциалах. Наличие C и Si повышает активность серы, усиливая десульфуризацию. Низкий кислородный потенциал и высокий C, Si делают условия благоприятными для удаления серы из чугуна, а не из стали в конвертере. Не весь чугун десульфуризируют. Для марок с жесткими требованиями к сере чугун обрабатывают до 0,001%, типично 0,004–0,005%. Важно эффективно удалять шлак после десульфуризации — он содержит много серы, и занес в конвертер (где условия неблагоприятны) вызывает подхват серы сталью.

Взвешивание чугуна — на весах перед заливкой в конвертер. Точность веса критична: ошибка вызывает проблемы с химией, температурой и массой расплава. Вес — важный вход для статической зарядочной модели.

Лом

Второй по величине источник железа после чугуна. Лом — переработанное железо/сталь: собственный (обрезки на СЛМ, прокатный лом, восстановленный из отходов, ремонтный) или закупной.

Важно правильно загружать виды лома в коробку для соблюдения рецепта. Коробку взвешивают для точного веса лома. Рецепт и вес — ключевые параметры; иначе расплав в конвертере ухудшается.

Обычно легкий лом загружают спереди, тяжелый — сзади. При опрокидывании легкий лом попадает в конвертер первым, на огнеупорную выкладку, минимизируя удар и повреждение. Тяжелый лом сложнее плавится — лучше, чтобы он лежал сверху, ближе к зоне удара кислородной струи, для быстрого плавления. Крупные куски режут ножницами, плазменной резкой или кислородным терком. Тонкие мелкие обрезки прессуют в брикеты гидравлическими прессами. Крупный тяжелый лом труднее плавится. Неплавленный лом вызывает проблемы управления: перегрев или промахи по химии в конце отдува.

Комбинированный отдув существенно улучшает перемешивание и плавление крупного лома. Некоторые элементы в ломе (Cu, Mo, Sn, Ni) не окисляются и не удаляются при отдуве, равномерно растворяются в ванне. Другие (Al, Si, Zr) полностью окисляются и переходят в шлак. Промежуточные по реакционной способности (P, Mn, Cr) распределяются между металлом и шлаком. Zn и Pb в основном удаляются как пары. Типичная доля лома в металлическом заряде — 10–35%, зависит от местных условий и экономики. Технически отношение лом/чугун зависит от Si, C, температуры чугуна, применения пост-комбустионного лавиналя.

Пряморедуцированное железо (ПРЖ/DRI)

В некоторых цехах используют как холодильник и источник железа. Типичный состав: 89–94% всего железа (88–96% металлизации), 0,1–4% C, 2,8–6% Al₂O₃+SiO₂, 3–8% FeO, мало CaO, MgO. P: 0,005–0,09%, S: 0,001–0,03%, N: обычно <20 ppm.

ПРЖ заряжают в конвертер в кусках или брикетах ~25–30 мм. Брикеты пассивируют для исключения самовозгорания. Заряжают через бункерную систему.

Чугун литейный

Иногда используют как источник железа. Нужен тепло на плавление, после плавления ведет себя как чугун. Заряжают через ломовую коробку вместе с ломом.

Железная руда

Заряжают в кусках как холодильник и заменитель лома. Руды полезны как заменители лома — меньше вредных примесей (Cu, Zn, Ni, Mo). Охлаждающий эффект руды в ~3 раза выше лома. Редукция оксида железа эндотермична — нужно больше чугуна и меньше лома при охлаждении рудой. Руду заряжают рано в отдуве при высоком углероде в ванне для эффективной редукции. Редукция дает много газа — повышенная пенообразование и риск переливов. Поздняя зарядка руды ухудшает выход железа и химию конечного шлака. Если руду заряжают только как холодильник перед разливом, шлак становится высокоокисленным и жидким — усиливается занес шлака в ловушку. Задержка реакции охлаждения нередуцированной рудой вызывает резкое падение температуры или бурную реакцию в ловушке — перекисление стали.

Милл-скейл (वालزовый шил) можно использовать как холодильник в подходящих количествах. Эффективно повышает отношение чугун/лом. Но вызывает сильные переливы. Милл-скейл и другие оксиды железа восстанавливаются при основном отдуве, выделяя Fe и O₂. Дополнительный кислород ускоряет общее удаление углерода. Переливы вероятно из-за большего объема шлака (больше чугуна — больше SiO₂ и CO) и ускоренной реакции.

Известковый известь (CaO)

Расход извести зависит от: Si в чугуне, отношения чугун/лом, начальном и конечном S и P. Известь получают обжигом известняка. Качество извести для конвертерного сталеплавления описано в отдельной статье (ссылка).

Так как большой объем извести заряжают за короткое время, выбор качества критичен для растворения в шлаке. Мелкие пористые куски — выше реакционная способность, быстрое шлакообразование. Типичные проблемы: недожженные ядра, гидратация, избыток мелкой фракции, низкая реакционность.

Обжиженная доломит

Заряжают с известию для насыщения шлака MgO и снижения растворения MgO из огнеупоров в шлак. Типично: 36–40% MgO, 54–58% CaO. Дозировка должна держать MgO в шлаке выше насыщения. Насыщенный MgO делает шлак менее коррозионным, снижает/исключает химическую атаку шлака на огнеупоры.

В некоторых цехах сырую доломит заряжают прямо в конвертер — работает как холодильник и источник MgO, но с задержкой (обжиг в конвертере). При нагреве эндотермическая реакция обжига снижает температуру в конвертере.

Обжиженную доломит также добавляют для кондиционирования шлака перед шлак-всплеском. Важно контролировать химию и фракцию.

Известняк/сырая доломит как холодильники

Часто используют как холодильники, а не флюсы. Известняк охлаждает ванну, если температура конца отдува выше целевой. При нагреве эндотермическая реакция (CaCO₃ → CaO + CO₂) снижает температуру. Величина падения зависит от массы расплава и состояния шлака. Пример: для 150 т зарядка 1 т известняка снижает температуру на ~12 °C.

Фторит (CaF₂)

Слакорастворитель, снижает вязкость шлака. При добавке в конвертер способствует быстрому растворению извести, растворяя слой дикальциевого силиката (2CaO·SiO₂) вокруг частиц извести, задерживающий растворение. Сейчас фторит используют очень ограниченно из-за сильной коррозионной атаки на все типы огнеупоров (конвертер и разливная ловушка). Фториды образуют сильные кислоты в системе улавливания газов — корродируют конструкции, нежелательны в выбросах.

Вторичные сырьевые материалы

Деоксидизаторы и карбурайзеры. Обычно добавляют в разливную ловушку при разливе из конвертера.

Деоксидизация

Финальная стадия сталеплавки. В момент разлива сталь содержит 400–800 ppm активности кислорода. Деоксидизация при разливе за счет добавки в ловушку ферросплавов или специальных деоксидизаторов.

Деоксидизаторы — объемные ферросплавы: ферросилиций, силикомарганец, ферромарганец. Используют для деоксидизации и внесения легирующих элементов. Наиболее экономичный способ внесения легирующих элементов. Ферросплавы придают стали особые качества.

Также добавляют для контроля зерна и улучшения механических свойств. Потребность в ферросплавах сильно варьируется в зависимости от процесса и марки стали. Внесение ферросплавов повышает коррозионную и окислительную стойкость, закалимость, высокую температурную прочность, износостойкость (с углеродом), ползучесть и др. Ферросплавы — жизненно важные сырьевые материалы для всех марок стали, сырье для легированных и нержавеющих сталей.

Карбуризация

Если в конце отдува углерод ниже спецификации, сталь рекарбуризуют контролируемой добавкой карбурайзеров в ловушку. Обычные карбурайзеры: коксовый бриз, нефтяной кокс. Большие добавки в ловушку негативно влияют на температуру жидкой стали.

Коммунальные газы

В конвертере КОТ водоохлаждаемый лавинальный угол впрыскивает кислород сверхзвуковыми скоростями в жидкую ванну. При растущих требованиях к качеству стали (ниже примеси) нужен кислород очень высокой чистоты: минимум 99,5%, идеально 99,7–99,8%. Остаток: 0,005–0,01% N₂, остальное — Ar.

В конвертере кислород струится сверхзвуковыми скоростями (M>1) через лавинальные сопла (конвергентно-дивергентные) на конце водоохлаждаемого лавиналя. Сила струи проникает сквозь шлак и ударяет в поверхность ванны, очищая сталь. Сейчас большинство конвертеров работают с лавинальными насадками 4–5 соплами и расходом кислорода 640–900 нм³/мин.

Азот

В конвертере для комбинированного отдува и шлак-всплеска. Азот для улучшения перемешивания ванны подают через нижние дуйные форсунки или проницаемые элементы. Перемешивание азотом в высокоуглеродистой зоне расплава. Нижний расход обычно <0,2 нм³/т·мин. Типично: азот через дно в первые 60–80% отдува. Интенсивное выделение CO в начале предотвращает подхват азота сталью.

Азот также для всплеска кондиционированного шлака на стенки конвертера после разлива для создания защитного шлакового покрытия огнеупоров.

Аргон

Для комбинированного отдува. Аргон для перемешивания в низкоуглеродистой зоне через нижние форсунки/проницаемые элементы. Расход <0,2 нм³/т·мин. Типично: аргон в последние 20–40% отдува.

Огнеупоры и огнеупорные материалы

Три типа для конвертера КОТ: основные кирпичи (обычно магнезит-углеродистые), магнезитовые напускные смеси для восстановления поврежденных участков, заделочный материал (обычно б/у кирпичи) для заделывания изношенного дна. Описано в статье (ссылка).

Расходные зонды

Одноразовые зонды для пробоотбора стали после отдува и замеров температуры чугуна в ловушке и жидкой стали в конвертере после отдува.

Охлаждающая вода

Для охлаждения кислородного лавиналя и сопла, а также отработавших газов.

Вода в лавинале предотвращает сгорание. Медное сопло и стальной лавинальный трубопровод охлаждаются рециркулирующей водой под ~6 кгс/см². Ключевые элементы — каналы охлаждения: вода течет через центр сопла и выходит наружным трубопроводом. Расчет на максимальную скорость воды в зоне сопла (наивысшие температуры). Вода критична для ресурса лавиналя. Расходы должны соответствовать проектным. Температура воды на выходе не выше 60–65 °C.

CO-обогащенный газ из конвертера сначала охлаждают в конусной камере косвенно — водой или испарительной системой (ECS) — с 1600–1700 °C до ~900 °C. При ECS нужна деминерализованная вода (тепло возвращается как пар).

В некоторых цехах верхний конус конвертера водоохлаждается. Два элемента конуса, выигрывающие от водоохлаждения: коническая оболочка и кольцо угла у верха конуса.

Качество воды важно. При загрязнении оксидами или грязью образуются отложения внутри труб — ухудшается теплообмен.