Оптимизация смыва шлака в конвертерах ККП для повышения качества стали

Смыв шлака в конвертере основного кислородного процесса

Стальплавление в конвертере ККП — партияный процесс, где сталь получается из жидкого железа. Концентрация элементов: углерод (C), марганец (Mn), фосфор (P) влияет на качество стали. Для литья сталь должна иметь заданную температуру. Для достижения заданных температуры и состава кислород (O₂) дуют в огнеупорно облицованный конвертер с жидким железом. O₂ окисляет элементы в ванне, повышая температуру и снижая концентрацию нежелательных элементов. Образующиеся жидкие оксиды поднимаются наверх, формируя шлаковый слой. Для эффективности процесса ККП нужен значительный объем шлака в сосуде, однако объем шлака ограничен размерами конвертера.

Высокие скорости реакций в конвертере обусловлены огромной площадью поверхности для реакций. При инжекции O₂ в металлическую ванну выделяется огромное количество газа, образующего эмульсию с жидким шлаком и металлическими каплями, соскребаемыми с поверхности ванны ударом O₂-струи. Образующиеся газообразные оксиды CO и CO₂ поднимаются через шлаковый слой, делая его пенистым.

Образование шлаковой пены происходит ближе к середине периода дувки O₂ и совпадает со снижением поглощения оксида железа (FeO) шлаком. Это почти совпадает с периодом максимальной скорости декарбуризации. Максимальная высота пены достигается незадолго до первой половины дувки (около 35 %) из-за большого объема газа от декарбуризации и высокой пенообразовательной способности шлака в этот момент.

Многофазная пена и смыв

Отличительная черта процесса ККП — формирование многофазной пены: жидкий шлак, металлические капли, твердые частицы «второй фазы» (нерастворенные флюсы) и процессные газы. Это происходит потому, что: (1) высокоскоростная O₂-струя ударяет в расплав, выбивая значительную часть расплава в виде металлических капель в верхнюю часть конвертера; (2) кусковые флюсы заряжают партиями, что дает медленное растворение и медленное формирование жидкого шлака; (3) жидкий шлак, нерастворенные флюсы и металлические капли образуют более или менее вязкую эмульсию, перехватывающую процессные газы по пути к горловине сосуда; (4) большая часть процессных газов образуется внутри эмульсии реакцией углерода (C) в металлических каплях с FeO в жидком шлаке. Для эффективности ККП нужен большой объем пены (газ-металл-шлак эмульсии) в конвертере. Эта эмульсия (рис. 1) ограничена размерами конвертера. Если объем эмульсии превышает вместимость сосуда, часть шлака выталкивается через горловину.

Пенирование шлака полезно: увеличивает площадь поверхности для реакций очистки, защищает расплав от контакта с атмосферой, защищает огнеупор от экстремального горения, образует среду для послегорения и теплопередачи. С другой стороны, пенирование становится невыгодным и опасным при огромных объемах и переливе через горловину — смыве ванны.

Выброс шлака из конвертера называется смывом (slopping) — визуально идентифицируется как случай, когда из пылающего конвертера куски расплава и шлака выбрасываются через горловину в процессе дувки. Смыв — нерегулярное явление. Сильный смыв может сопровождаться крупным выбросом пыли. Последствия: потери выхода металла, прерывания непрерывного производства, экологическое загрязнение, затраты на здоровье и безопасность, повреждение дымосборников и горловины конвертера. При смыве производство останавливают для очистки выброшенного шлака под конвертером и на горловине. Это увеличивает время нагрева и снижает производительность конвертера. Смыв также нарушает тепловой баланс конвертера, влияя на конечную температуру жидкой стали. Если пенирование предотвратить или ограничить малыми объемами, пылеобразование и тепловые потери через излучение растут.

Традиционно оператор визуально контролирует конвертер и принимает корректирующие меры для предотвращения опасных случаев смыва. Поскольку важно вести процесс без прерываний для выхода металла с требуемым качеством и количеством, необходимость подавления выброса пены из конвертера значительна.

Требования роста производительности и снижения смыва кажутся противоречивыми. Рост производительности достигается увеличением скорости дувки O₂, но то же увеличение повышает скорость газообразования в конвертере. При стационарных условиях рост скорости газообразования увеличивает высоту пены и вероятность смыва.

Изначально считали, что смыв вызван двумя факторами: (1) эволюция шлака с низкой основностью, высокой вязкостью, низким поверхностным натяжением; (2) декарбуризация, поощряемая высокой температурой ванны и высоким содержанием железа в шлаке. Однако явление смыва сложнее, динамичнее и зависит от множества переменных. Переменные, вызывающие смыв: (1) бурный ход плавки, (2) вязкость шлака, (3) поверхностное натяжение шлака, (4) плотность шлака, (5) размер газовых пузырьков при декарбуризации, (6) слабое или нестабильное циркуляция плавки, (7) высота, объем и форма рабочей облицовки конвертера, (8) высота ланцы над ванной, (9) расход O₂ через ланцу, (10) износ насадки ланцы, (11) химия чугуна (HM) и шпата, (12) скорость декарбуризации. Существуют и менее распространенные переменные. Большое число влияющих переменных объясняет убеждение в хаотичной и непредсказуемой природе смыва. Упорство проблемы смыва породило поиск способов поддержания подходящего объема пены при предотвращении смыва. К сожалению, это оказалось сложной задачей.

Пенирование шлака (повторное описание)

Пенирование шлака полезно... [текст повторяет раздел из предыдущей статьи, см. статью 1010021384]

Газообразование

Согласно выражению пенообразовательного индекса, скорость газообразования играет важную роль в формировании и росте пены. Газ — продукт декарбуризации. Проходит: (1) прямое окисление на поверхности металла в горячей точке: [C] + ½O₂(g) = CO(g); (2) в пене, косвенно, FeO с металлическими каплями: [C] + (FeO) = CO(g) + {Fe}, где (FeO) — продукт окисления Fe чистым O₂: {Fe} + ½O₂(g) = (FeO); (3) в расплаве, реакцией растворенных O₂ и C: [C] + [O] = CO(g).

Декарбуризация по (1) и окисление Fe по (2) начинаются сразу и продолжаются через всю дувку, хотя в (1) с убывающим темпом из-за снижения C на поверхности. Скорость окисления Fe более постоянна, но FeO в шлаке со временем снижается из-за потребления по (1) в (2). В конце дувки FeO в шлаке снова растет, так как участие FeO в декарбуризации снижается из-за низкого C. В самом конце контролирующей реакцией становится (3) в расплаве. Скорость декарбуризации в конце зависит от массопереноса C снизу вверх и растворенного O₂ вверх-вниз. Принципиальные реакции декарбуризации в ККП на рис. 3.

Как показано справа на рис. 3, максимальная скорость декарбуризации и газообразования достигается на 25–30 % дувки и в значительной степени протекает в пене по реакции (2). Скорость довольно постоянна, уровень зависит от доступности FeO и поставки металлических капель из зоны удара O₂. При ~80 % дувки скорость газообразования резко падает из-за низкого C в расплаве.

Режимы дувки

На практике достичь идеального баланса O₂, подаваемого в ванну и шлак, непросто. Два термина описывают отклонение от сбалансированного состояния O₂: (1) жесткая дувка (hard blowing), (2) мягкая дувка (soft blowing). «Жесткая дувка» (более жесткий удар O₂-струи по металлу) — ланца ближе к ванне, поощряет декарбуризацию в горячей точке по (1) и позже в ванне по (3), результатом недокисленный шлак. «Мягкая дувка» (более мягкий удар) — ланца дальше от ванны, увеличивает подачу O₂ в шлак по (2), снижает скорость декарбуризации и дает перекисленный шлак. В идеальном процессе с ланцей в оптимальной позиции над поверхностью металла свежий O₂, подаваемый в шлак, балансирует потребление FeO для декарбуризации выброшенных капель. Скорость декарбуризации высока, но контролируемая, создавая стабильную пену, заполняющую большую часть объема конвертера над ванной, минимизируя износ облицовки и черепкование. Выход металла и результат дувки при такой скорости декарбуризации хороши.

Если ланца слишком глубоко, подача O₂ в шлак недостаточна для баланса потребления FeO декарбуризацией капель — шлак лишается O₂. Декарбуризация все равно высокая из-за более интенсивного контакта O₂-струи с ванной. При низком FeO шлак не пенится вообще. Эмульсия становится вязкой и сжимается. Сниженная высота эмульсии не только дает легкий проход газам канализированием, но и усиливает плюевание, отправляя капли высоко и за пределы конвертера. Больше плюевания — ниже выход металла и черепкование ланцы, конуса и горловины. Еще один эффект жесткой дувки — повышенный износ дна.

Если ланца слишком высоко, уровень O₂ в шлаке повышается не только из-за мягкого контакта O₂ с ванной, но и из-за замедленного потребления FeO в шлаке, так как меньше капель выбивается из ванны. Скорость декарбуризации ниже, снижая высоту пены и способствуя износу облицовки. Меньше глубокий удар O₂-струи снижает перемешивание ванны, создавая мертвые зоны и донное накопление.

Явление смыва

Сочетание низкой скорости декарбуризации и перекисленного шлака сравнимо с замедленным взрывом. Термин — «гиперреактивные условия»: избыток O₂ и C не реагируют из-за плохого перемешивания. В этом состоянии любое незначительное изменение условий вызывает резкий скачок газообразования и роста пены, ведущий к бурному смыву.

Смыв — общий термин, когда из-за чрезмерного роста пены она не удерживается в конвертере и течет по внешней стенке с темпом, зависящим от окислительного состояния шлака. Темп медленный при плотном недокисленном шлаке и быстрый при жидком перекисленном шлаке. Предотвращение смыва требует жесткого контроля состава шлака, а значит — окислительного состояния пены. Если шлак недокислен, видимая вязкость становится слишком высокой, если FeO в начале основного декарбуризационного периода слишком низок. Результат — «сухая», очень вязкая пена в середине дувки. Если шлак перекислен, скорость газообразования и газовая скорость в пене становятся слишком высокими.

Причины смыва делятся на две группы по типу: (1) статические — преддувки условия: конструкция конвертера, объем и характеристики шлака, качество зарядных материалов (HM и шпот), дувные схемы (позиция ланцы, время добавок, расход O₂); (2) динамические — типы дувки: отклонения дувных схем, степень возмущения дна конвертера. Смыв может произойти из-за чрезмерного роста газо-шлак-металл эмульсии. Пена может вытекать в зависимости от степени окисления шлака: медленно при плотном недокисленном шлаке, быстро при высокоокисленном.

Низкое содержание Si в HM может увеличить смыв в начале дувки из-за формирования шлакового слоя, достаточно толстого для защиты ванны от O₂-струи. В этой ситуации смыв происходит из-за очень быстрого горения Si, что опережает начало декарбуризационной фазы, и смыв может быть бурным, генерируя даже черепкование на ланце. Для предотвращения обычно снижают скорость декарбуризации подъемом ланцы или снижением расхода O₂ или обоим, и добавляют флюсы для ускорения формирования шлака. Низкое Si также влияет на удаление P и S (серы) из-за уменьшенного объема шлака.

Смыв возможен и при высоком Si в HM — растет объем шлака и Fe в шлаке. Решение: адекватное добавление извести во время дувки, избегание низких основностей, регулирование скорости декарбуризации снижением расхода O₂ на первой стадии и выбор дувной схемы, предотвращающей большое количество FeO в шлаке на этом этапе, чтобы избежать чрезмерной декарбуризации.

Предотвращение смыва

Все методы контроля смыва делятся на онлайн (в реальном времени) и офлайн (до дувки). В онлайн-контроле корректировки вносятся во время дувки в ответ на «реальное время» сигнал, указывающий на приближение смыва. В офлайн-контроле корректирующие действия предпринимаются до дувки на основе прошлого опыта влияния условий на смыв в предыдущих отливах.

Офлайн-методы стремятся снизить число отливов со смывом путем устранения или минимизации факторов, вызывающих смыв. Сообщенные факторы-причины: (1) Si в HM выше 1,2 %, (2) Mn в HM вне диапазона 0,5–0,9 %, (3) зарядка сверх расчетной вместимости конвертера, (4) использование флюорита для ускорения растворения извести, (5) использование оксида железа (руда, синтер) как хладагента, (6) использование только что переобоймленной печи (низкий внутренний объем), (7) конструкция O₂-ланцы, (8) дувка с ланцей выше нормальной над стальной ванной. Поскольку условия варьируются от ККП к ККП, некоторые факторы проблематичнее в одних цехах, чем в других.

Различные действия могут составлять офлайн-контроль смыва: ограничение целевого Mn в HM для ККП, регулярная проверка (калибровка) зазора ланца-ванна. Практики офлайн-контроля варьируются от цеха к цеху. Их часто можно внедрить ограниченно, так как они конфликтуют с другими аспектами работы сталелитейного завода.

Смыв в конвертере при кислородном сталеплавлении считается затратным, опасным и непредсказуемым. Хотя смыв ожидается при экстремальном пенировании шлака, точный момент смыва практически невозможно предсказать в процессе. Традиционный метод — наблюдать конвертер, при видимых признаках смыва предпринять корректирующие действия вручную. Этот подход оказался менее эффективен: когда признаки видимы, смыв уже начался, ущерб конвертеру и оборудованию нанесен одновременно с потерей выхода. Если оператор менее внимателен или неопытен, ущерб и потери обширны. Внимание и опыт оператора — критические факторы даже при компьютеризированной системе управления.

Следующая стадия определения начала смыва — анализ акустики и световой интенсивности конвертера; разные модели разработаны на основе акустических и световых сигналов для предсказания смыва. Смыв можно предсказать обработкой изображений внутренней среды печи через образосъемный волоконно-оптический зонд. Звуковые сигналы конвертера изучают для динамического пенирования, предлагая корректировку высоты ланцы. Звук с микрофона в отходящем газоводе использовали для оценки уровня шлака. Помимо звука и изображения, интеллектуальные вычислительные техники: нечеткая логика, генетические алгоритмы, нейронные сети, анализ вибраций ланцы, микроволновый метод — также применяют для контроля смыва.

Техники подавления шлаковой пены использовались для контроля чрезмерного пенирования при O₂-дувке. Один распространенный метод — посыпка пенистого шлака углеродистыми материалами (кокс). Рентгеновская флюороскопия показала: частицы кокса способствуют коалесценции пенообразных пузырьков, дестабилизируя пену. Размер частиц должен быть больше пузырьков пены, так как пена стабилизируется, когда частицы меньше пузырьков. Другие методы: инжекция алюминиевого порошка, изменение высоты ланцы, манипулирование газовыми расходами.

Хотя предотвращение, предсказание и смягчение смыва — давняя проблема сталеплавления, это необходимо для затратоэффективного производства высококачественной стали, оптимальной конструкции конвертера и минимального экологического воздействия. Упомянутые техники, основанные на онлайн-физических измерениях работающего конвертера, являются косвенными, низкой точности и надежности, особенно при высоких температурах.

Усилия по разработке системы предупреждения и смягчения смыва сосредоточены на трех направлениях: (1) моделирование смыва и его потенциала, (2) измерительные приборы для детектирования начала смыва, (3) меры смягчения в реальном времени для предотвращения полноценных случаев смыва.

Пример первой группы — исследование, где оптимальный профиль дувки рассчитан на основе начального состава расплава. Похожая система на основе расчета потенциала смыва для каждого отлива разработана в другом исследовании.

Примеры второй группы: микроволновой измеритель уровня шлака относительно горловины конвертера, система детектирования с измерением вибраций O₂-ланцы, применение радиоволн для измерения глубины шлака.

Перспективное направление — комбинирование онлайн-приборов для раннего обнаружения смыва и их использования для инициации технологических вмешательств к смягчению смыва. Проведены обширные исследования формирования шлака. Для понимания предлагали разные эмпирические уравнения изменения высоты пены. Модель с физической основой получена из результатов холодных и горячих модельных экспериментов. Область динамического моделирования пенирования шлака продвинута результатами этих экспериментов. На основе физической модели разработана система управления динамическим пенированием. Водная модель конвертера использована для валидации. Подход дальнейший уточнен.

В одном исследовании смыв детектируется комбинацией сонического измерителя и газового анализа. Другая система, комбинирующая несколько измерений, представлена в другом исследовании: адаптивная фильтрация и алгоритмы детектирования изменений для построения онлайн-системы тревоги с предупреждениями оператору.

Камера для детектирования смыва

Для оценки предпочтительно объективный способ количественной оценки смыва. В одном исследовании человек с секундомером фиксировал моменты наблюдения смыва во время дувки. Использовали видеокамеры (VCR), попытка применить ИК-камеры (IR) не увенчалась успехом из-за программных проблем.

Для описанных экспериментов на объекте внедрена камерная система для мониторинга процесса. При смыве расплавленный металл падает с верха конвертера на пол под ним. Позиция камеры позволяет захватывать изображения падающего шлака. Каждый кадр видеопоследовательности сегментируется порогом по уровню серого. Константа яркости или порог определяют для отделения расплавленного металла от темного фона. Соотношение светлых и темных пикселей указывает на тяжесть случая смыва. Это соотношение усредняется за период выборки 2 секунды и сохраняется в реальном времени с другими процессными данными в базе данных.

Сонический измеритель для детектирования смыва

С начала 1970-х в многих конвертерных цехах применяют прибор — сонический измеритель (sonic-meter) для косвенного мониторинга уровня шлаковой пены. Базовая идея: по мере роста уровня пены звуковое излучение конвертера при дувке снижается в определенных полосах частот. Сигнал сонического измерителя обычно оператор использует для мониторинга изменений уровня шлака, но он также применялся как вход контроллера.

Система предупреждения для детектирования смыва

Идея комбинирования ключевых измерений с продвинутой обработкой сигналов развита. Модель идентификации системы обновляется рекурсивной оценкой параметров и используется для ранних предупреждений оператору при наступлении смыва. Модель получает расход отходящих газов и содержание CO в отходящих газах. Сигнал сонического измерителя используется как выходной сигнал модели. Система показала приемлемую работу на ограниченном числе зарядок.

Система предупреждения уточнена: содержание CO заменено на измерение давления из-за трудностей с задержками анализа отходящих газов. Микрофон в отходящем газоводе (тот же, что для сонического измерителя) дает высокорешающие аудиоданные оценщику высоты шлаковой пены на основе интенсивности сигнала на определенных частотах.