Исследование кислородно-конвертерных процессов

Методы исследований в сталеплавильном производстве

Исследования в области автоматизации доменного процесса

Современная доменная печь выдает более 10 тыс.тонн чугуна в сутки. Для выплавки такого большого количества металла к печи необходимо подвезти и загрузить в нее соответствующее количество сырых материалов – кокса, агломерата, окатышей и других компонентов доменной шихты. Осуществить такую огромную работу можно только при полной механизации всех разгрузочно- перегрузочных работ, а также загрузки шихты в доменные печи. Однако сложность состоит в том, что уже при загрузке должны соблюдаться определенные правила, обеспечивающие рациональную структуру столба шихтовых материалов в доменной печи, его хорошую газопроницаемость во всем объёме.

Такая работа успешно может быть выполнена лишь с помощью автоматических систем. При этом очень важно располагать надежными средствами контроля, которые позволят точно и заблаговременно обнаружить отклонения от нормального хода и нарушения ритмичной работы печи. Только при наличии точных данных контроля можно разработать алгоритм для закладки в ЭВМ и осуществить эффективное автоматическое управление ходом плавки. Помимо этого для создания совершенной и безотказной АСУ ТП требуется решить многие вопросы, рассмотренные ранее.

В настоящее время наиболее актуальны работы по созданию следующих систем: автоматического контроля качества сырых материалов доменной плавки и важнейших параметров, характеризующих её ход, в том числе состава чугуна, шлака и газа; воздействия на основные регулирующие параметры процесса плавки для быстрого исправления нарушений и достижения экономичного форсирования хода доменной печи.

Разработка и внедрение АСУ ТП доменной плавки комплексно решает вопросы высокопроизводительной и экономичной работы доменных печей при самом низком расходе кокса и высоком качестве чугуна.

Кислородное конвертирование является главным и наиболее экономичным массовым способом производства стали. В мире около 70% стали выплавляется в кислородных конвертерах. Продувка ванн кислородом широко применяется также в мартеновских, двухванных, электродуговых печах. Указанные способы развиваются по пути сближения с кислородно-конвертерным процессом, обладающим еще большими резервами совершенствования и повышения технико-экономических показателей. Основные практические цели исследований кислородно-конвертерного процесса направлены на использование этих резервов и решение главных задач – повышения эффективности производства и улучшения качества стали. Они могут быть разделены на следующие группы.

1. Разработка и совершенствование новых эффективных методов продувки металла кислородом. Позволяет обеспечить комплексное улучшение основных технико-экономических показателей. К таким радикальным методам относятся продувка донная, комбинированная донно-верхняя; способы конвертирования, обеспечивающие повышение доли лома в металлошихте до 40-50% без заметного снижения производительности агрегатов. Наряду с решением комплексных задач зачастую проводятся исследования, направленные на решение важных частных вопросов.

2. Повышение производительности конвертеров. Эта проблема по-прежнему является актуальной. Средняя длительность цикла плавки составляет 43-44 мин., в то время, как в отдельных цехах она снижена до 25-30 мин. Основными направлениями решения задачи являются: совершенствование дутьевого режима путем повышения интенсивности продувки как в течение всего периода (сопряжено с необходимостью реконструкции газоотводящего тракта или создания резервов его пропускной способности при проектировании), так и в начальном и конечном периодах, когда газовыделение из конвертера понижено (ступенчатая продувка); улучшение конструкции фурм (увеличение числа сопел, угла расхождения струй); ускорение завалки лома (ввод его одной порцией большими коробами), заливки чугуна и сокращение длительности вспомогательных операций (отбор проб, ожидание результатов анализа, слив стали и др.)

3. Снижение расхода чугуна и увеличение доли лома в металлошихте. Важность этих задач объясняется ростом дефицитности и стоимости кокса и чугуна. Достигаются путем повышения температуры чугуна, разогрева лома вне конвертера перед завалкой (в специальных утепленных коробах) или чаще в конвертере с помощью мощных фурм-горелок, частичного дожигания CO в CO2 в полости конвертера (путем применения двухъярусной или специальных боковых фурм), ввода нейтрального газа (Ar, N2) через днище для осаживания ванны и твердого теплоносителя (уголь, карбиды Si, Ca) в ванну. Наиболее радикальное решение – применение донно-верхней продувки кислородом и совмещение разных способов увеличения доли лома в шихте (разогрев лома, дожигание CO, ввод твердого теплоносителя). В этом случае возможно повышение доли лома до 50%.

4. Повышение выхода годного металла. Обеспечивается в результате снижения расхода чугуна в металлошихте и минимизации механических потерь металла при продувке с выбросами и выносом, а также с дымом и в виде корольков со сливаемым шлаком. Минимальные потери с выбросами и выносами достигаются при хорошем шлакообразовании, оптимальном уровне вспененного шлака, который следует контролировать с помощью динамических методов (акустический, вибрационный). Дымовыделение резко снижается при донной или донно-верхней прдувке.

5. Повышение стойкости футеровки конвертеров. Достигается в результате улучшения качества огнеупоров; пременения высокореакционной доломитизированной извести (что требует освоения и разработки специальных режимов обжига известняка); использования рациональной конструкции фурм, продувки с переменным положением фурмы; применения новых эффективных флюсов (ферриты кальция, отходы силуминового производства); внедрения динамических систем управления плавкой, ввода инертного газа через дно конвертора (улучшает перемешивание и шлакообразование), других мероприятий. Наиболее радикальные результаты по повышению стойкости футеровки обеспечиваются при факельном её торкретировании.

6. Автоматизация контроля хода плавки и её управления. Для решения этой задачи необходимо создавать надёжные статические и динамические системы управления. Последние дают возможность непрерывно (или дискретно) контролировать состав металла (в первую очередь по углероду), температуру и уровень ванны с помощью специалных датчиков, находящихся сейчас в стадии разработки и освоения. Хорошие результаты получены с помощью специальных зондов для периодического отбора проб метала и замера его температуры.

7. Передел в сталь специальных видов чугуна. Включает переработку высокофосфористого, ванадиевого, высокомарганцовистого, низкомарганцовистого чугунов. Каждый из этих процессов отличается своей спецификой и технологией.

8. Повышение качества стали. Достигается прежде всего в результате снижения содержания в ней вредных примесей: серы, фосфора, азота, кислорода, водорода, некоторых цветных металлов (Sn, Pb, Cu и др.), неметаллических включений, особенно остроуголных. Качество стали в значительной степени зависит от технологии продувки, особенно от хода шлакообразования, влияющего на содержание P, S, чистоты кислорода (содержание N2), количества и состава лома (главный источник примесей цветных металлов), а также режима раскисления и модифицирования (количество и форма включений) стали. Неправильная технология плавки может быть причиной ухудшения свойств стали, а также появления ряда дефектов слитка (заготовки). Главное современное направление улучшения качества конвертерной стали заключается в широком применении внепечной обработки чугуна (обессеривание) и стали в ковше (обработка специальными жидкими шлаками и твердыми смесями, вакуумом, аргоном, модификаторами и др.). Внепечная обработка стали позволяет комплексно решать задачи улучшения качества металла и повышения производительности агрегатов.

9. Расширение сортамента сталей, выплавляемых в конвертерах. Достигается путем увеличения доли производства высококачественных, легированных и высоколегированных (нержавеющих) сталей. При этом используются специальные приемы технологии и конструкции конвертеров (с донным, боковым дутьем).

При изучении конвертерных процессов и разработке их моделей используются все основные виды исследований: теоретические, лабораторные, промышленные, полупромышленные.

В теоретических исследованиях процессов окисления и удаления примесей (Si, Mn, P, S, V, Cr и др.) при продувке металла широко используют термодинамический анализ (определение констант равновесия, коэффициентов активности).

При этом учитывается, что отдельные реакции, особенно на границе шлак-металл и в зонах взаимодействия, очень близки к равновесию, а фактические содержания примесей в металле на протяжении значительной части плавки приближаются к равновесным концентрациям. В расчетах следует использовать известные положения химической термодинамики и кинетики, теории растворов, аэрогидродинамики и др.

Более сложны расчеты кинетики процессов окисления компонентов жидкой стали. Они проводятся с целью выявления путей снижения примесей в металле, общих закономерностей динамики рафинирования. Указанные расчеты осложняются многозвеньевым характером процессов, включающих кинетические и диффузионные акты, и недостаточной еще изученностью механизма отдельных реакций, характера температурных и скоростных полей (гидродинамики) в реакционной зоне и в ванне в целом. Поэтому рассматриваемые расчеты часто заканчиваются качественным анализом. Обычно они выполняются с позиций лимитирования процессов окисления диффузионными звеньями (массопереносом в шлаке).

В последнее время внимание исследователей сосредоточилось на разработке математических моделей тепло- и массообменных процессов как в ванне в целом, так и в отдельных ее участках (реакционная зона, капля, пузырь) с целью уточнения температурных и концентрационных полей, неоднородности ванны.

В лабораторных исследованиях процесса продувки применяется как "холодное" так и "горячее" моделирование. Длительное время для изучения характера взаимодействия газовой струи с жидкостью при разных методах подвода дутья к ванне (снизу, сбоку, сверху), размеров зоны взаимодействия, гидродинамики ванны (скоростных полей), влияние конструкции фурм на процессы в ванне исследователи применяли в основном холодное моделирование.

Установлено, что для обеспечения подобия процессов в модели и образце (конвертере) необходимо соблюдать геометрическое подобие, идентичность состояния струи на выходе из сопла (равенство чисел Маха) и режимов взаимодействия дутья с жидкостью.

Для возможности наблюдения явлений модели изготовляют полностью или частично из прозрачных материалов. При изучении общего характера аэрогидродинамических процессов, формы и размеров зоны взаимодействия применяют объемные модели конвертера. В некоторых случаях для выяснения внутренней структуры реакционной зоны и ее "рассечения" используют плоские модели или приближают фурму (струю) к прозрачной стенке. Исследования показали, что это не влияет существенно на размеры зоны и характер процессов в ней.

Для продувки в моделях применяют как неассимилируемые (воздух в воду), так и хорошо ассимилируемые жидкостью газы. В последнем случае в газ желательно вводить вещества, вызывающие в жидкости вторичные реакции с газовыделением, моделирующие процесс окисления углерода в ванне (кипение).

На холодных моделях можно изучать не только характер взаимодействия фаз, гидродинамику ванны, механизм и закономерности выноса и выбросов, но и массоперенос компонентов (коэффициенты массопередачи, эффективные коэффициенты турбулентности диффузии).

Характер циркуляции изучают с помощью индикаторов, окрашивающих жидкость или плавающих частиц (трассеров). С помощью трассеров изучают скоростные поля при конвективном движении жидкости.

Для фиксации размеров реакционной зоны, циркуляционных потоков, всплесков кроме визуальных наблюдений следует применять киносъемку или фотографирование. Результаты описанных выше исследований могут быть использованы при определении рациональной конструкции фурм, мер борьбы с выносом, выбросами и решении других практических вопросов.

Холодное моделирование дает лишь приближенное подобие явлений, так как в натуре протекают процессы горения, химического взрыва капель и другие, которые не могут быть полностью реализованы в указанных исследованиях.

Горячее моделирование проводится в малых конвертерах вместимостью от нескольких до сотен килограммов путем продувки жидкого Fe-C расплава кислородом. Установлено, что достаточная идентичность процесса продувки в малых агрегатах и в промышленных конвертерах обеспечивается при соблюдении геометрического подобия и одинаковых значениях основных параметров дутьевого (интенсивность продувки, конструкция фурмы) и шихтового (тип присадок, время ввода) режимов плавки. Некоторое различие в величинах тепловых потерь в агрегатах разной вместимости может быть нейтрализовано путем индукционного нагрева металла в модели или перегрева чугуна перед продувкой. Для изучения структуры ванны, реакционной зоны, отдельных физико-химических явлений в ванне используют специальные модели.

Наиболее полные данные о реакционной зоне и происходящих в ней процессах дает метод ее визуализации путем продувки металла в тигле с прозрачной кварцевой стенкой через фурму, установленную вблизи этой стенки. Для фиксации процессов применяются киносъемка и фотографирование. На основе этого метода получены новые данные о структуре реакционной зоны, установлены наличие в ней первичной высокотемпературной и вторичной частей, характер циркуляционных потоков. Метод пригоден для изучения процессов взаимодействия реакционных зон (многоструйная продувка), характера газовыделения в ванне, механизма возникновения всплесков и других явлений.

Промышленные исследования включают проведение сначала отдельных плавок, а затем серий (кампаний) по опытной технологии или специальных плавок для изучения различных явлений, протекающих в конвертере, с помощью обычной или особой аппаратуры. Содержание опытной технологии определяется основной поставленной целью исследования. Конкретными задачами промышленных исследований могут быть поиск принципиально новых вариантов процесса, конструкций конвертеров, типов устройств для ввода окислителя (фурм, днищ), дутьевых и шлаковых режимов, методов ввода основных шихтовых материалов и флюсов; испытания новых приборов для контроля хода продувки, материалов, огнеупоров; получение новых данных для углубления знаний о закономерностях конвертерных процессов.

В промышленных исследованиях конвертирования применяют различные методы.

Х р о н о м е т р а ж п л а в о к. При использовании этого метода фиксируется время отдельных операций плавки: загрузки шихты, продувки и др.

Б а л а н с о в ы е п л а в к и проводятся с точным взвешиванием, измерением объема, отбором проб и анализом всех исходных материалов, продуктов и потерь (стали, шлака, газов, пыли, выбросов и др.). В конветерных газах в ряде случаев выделяется пылевидная составляющая, подвергающаяся фракционному и микроскопическому анализу. В шлаке определяют содержание "корольков" (капель металла). С помощью специальных приспособлений улавливают вынос и выбросы.

В и з у а л ь н ы е н а б л ю д е н и я ведут за ходом всех или отдельных операций плавки, за явлениями, сопровождающими продувку (выбросы, вынос, выбивание газов, факела и др.), за футеровкой конвертера до и после плавки (серии плавок), состоянием ванны, шлака после продувки, отверстия фурмы, истекающей из него струи и др. Установленные особенности фиксируются в специальном журнале.

Ф о т о - и к и н о с ъ е м к а выполняется для более точной фиксации явлений. Жидкие стали, шлаки, факел, а также горячую футеровку необходимо снимать со светофильтрами, обычно синими.

О т б о р п р о б м е т а л л а, ш л а к а осуществляется для определения их химического состава, содержания неметаллических включений в металле, структурно-фазового анализа. Пробы отбирают ложками или специальными пробницами. Для отбора проб на неметаллические включения и газы из конвертера и ковша используют пробницы, закрытые деревянной или керамической пробкой и обеспечивающие быстрое замораживание металла. Пробка прикручивается медной проволокой, которая в жидком металле быстро расплавляется. После этого крышка всплывает, и пробница на требуемой глубине заполняется жидким металлом. Время отделения крышки регулируется путем подбора диаметра медной проволоки.

Для взятия небольших проб металла в ряде случаев применяют трубки из кварца. При этом на одном конце трубки стекло разогревается и выдувается емкость, затем в трубке создается вакуум и другой конец ее запаивается легкоплавким стеклом. После погружения в металл этот конец расплавляется, металл затекает в трубку и затвердевает. Для извлечения пробы трубку разбивают. Наиболее просто отбирать пробы металла и шлака из конвертера перед продувкой или после продувки, т. е. при повалке конвертера. Однако они недостаточно точно характеризуют состав фаз и состояние продуваемой ванны.

В последнее время в промышленных конвертерах для обычного контроля состава и температуры ванны в ходе продувки применяют водоохлаждаемые зонды (подобные фурме), которые периодически вводят в ванну через отверстие в кессоне. Чтобы пробы и данные о температуре были представительными, т. е. характеризовали средние измеряемые параметры ванны, необходимо правильно выбрать положение зонда. По величине температуры кристаллизующегося металла (ликвидуса, солидуса) можно приближенно определить и содержание углерода в нем.

И з м е р е н и е т е м п е р а т у р ы необходимо для определения температурного режима плавки и изучения теплообменных процессов в ванне. Кратковременные замеры температуры жидкого металла (шлака) перед продувкой или при повалках конвертера производят обычными термопарами погружения. Для длительных непрерывных замеров температуры металла в конвертере или в футеровке (для фиксации температурных полей) применяют термопары, заделанные в кладку агрегата. При замерах температуры жидкого металла используют как обычные кварцевые, так и высокостойкие колпачки из диборита циркония. Они выдерживают без замены 10-20 плавок. Наконечник термопары несколько выступает из футеровки, место ее установки подбирают таким, чтобы разница показаний данной термопары и термопары погружения были минимальной. Температурные поля в футеровке рекомендуется изучать с помощью блоков термопар. Для регистрации температур используют переносные самопишущие потенциометры. В последнее время для периодических замеров температур металла в ходе продувки применяют специальные зонды.

Некоторую приближенную информацию о температуре верхних слоев ванны можно получить путем замера ее оптическим пирометром, вводимым в конвертер с помощью водоохлаждаемой трубы-фурмы.

И з м е р е н и е у р о в н я в а н н ы особенно важно при изучении механизма выноса и выбросов. Механические устройства пригодны лишь для дискретных замеров. В целях непрерывного слежения за уровнем ванны в динамических системах автоматизации контроля и управления кислородно-конвертерной плавкой измеряют интенсивность шума в определенном диапазоне частот (около 1000 Гц) и вибрации конвертера. По мере подъема уровня ванны интенсивность сигнала, связанного с процессами горения и взаимодействия струи кислорода с металлом, снижается. При небольшом вспучивании ванны (шлакометаллической эмульсии) наиболее точную информацию об уровне ванны дает акустическая, а при значительном – вибрационная характеристика.

И з у ч е н и е п р о ц е с с о в м а с с о п е р е н о с а проводится путем ввода в ванну хорошо растворимых в железе и неокисляющихся металлов (медь, никель) или изотопов фосфора, серы. Их помещают в определенные участки ванны в специальных капсулах или в кусках лома, а из других участков отбирают пробы жидкого металла, которые затем исследуют.

Чтобы уменьшить вероятность аварийных ситуаций и предотвратить снижение производительности агрегатов в промышленных исследованиях при существенных изменениях технологии и конструкций, в ряде случаев проводят промежуточные полупромышленные испытания в конвертерах вместимостью 10-30 т.