Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 17
1.1. Современное состояние кислородно-конвертерного процесса 17
1.2. Шихтовые материалы для выплавки стали в кислородных конвертерах 19
1.3. Стальной лом — основной материал - охладитель конвертерной плавки , 24
1.3.1. Виды стального лома и источники его образования 24
1.3.2. Исследование состояния металлофонда для сталеплавильного производства 26
1.3.3. Исследование причин ухудшения качества лома и сокращения объемов его поступления 29
1.3.4. Современные способы подготовки металлолома к плавке 32
1.3.5. Баланс железа при выплавке стали в конвертере 34
1.4. Общие сведения о композиционном материале Синтином 36
1.4.1. Состав и применяемые варианты синтикома 38
1.4.2. Технология изготовления композиционного материала 39
1.4.3. Технологические характеристики синтикома. Особенности и преимущества композиционного материала по сравнению с традиционными видами шихты 41
1.4.4. Экологические свойства композиционного материала 44
1.4.5. Опыт применения сшітикома в конвертерной плавке... 45
1.5. Выводы 50
Глава 2. Методика проведения исследований 55
2.1. Методика проведения лабораторных исследований - физическое моделирование 56
2.1.1. Физическое моделирование режимов формирования металл озавалки 56
2.1.2. Планирование эксперимента 59
2.1.3. Методика проведения исследований физико-химических свойств синтикома 64
2.2. Методика и условия проведения опытно-промышленных исследований 66
Глава 3. Физическое моделирование процесса формирования металлозавалки 69
3.1. Оценка возможности проведения физического моделирования изучаемого процесса 70
3.2. Расчет основных параметров построения физической модели... 72
3.3. Исследование физических моделей процесса формирования металл озавалки 78
3.3.1 Оценка погрешностей измерений 83
3.4. Статистическая обработка результатов эксперимента. Доказательство адекватности физической модели 86
3.5. Теоретическое исследование результатов эксперимента 101
3.6. Исследование физико - химических процессов, протекающих при нагреве и плавлении синтикома 107
3.7. Исследование механизма «зажигания» конвертерной плавки и особенностей поведения железа в начальный момент плавления твердых материалов-охладителей при различных вариантах шихтообразования 118
3.8. Разработка алгоритма расчета основных параметров традиционного технологического режима шихтообразования 127
3.9. Выводы 130
Глава 4. Опытно-промышленные исследования режимов формирования металл озавалки с применением композиционного материала Синтиком 134
4.1. Этапы опытно-промышленных исследований режимов формирования металл озавалки и их технический анализ 135
4.2. Обработка результатов промышленных исследований 146
4.3. Исследование оптимального технологического режима формирования комплексной металл озавалки 155
4.4. Баланс железа при различных вариантах шихтообразования 159
4.5. Основные технологические рекомендации 165
4.6. Выводы 169
Заключение по работе 176
Библиографический список 178
- Исследование причин ухудшения качества лома и сокращения объемов его поступления
- Физическое моделирование режимов формирования металл озавалки
- Статистическая обработка результатов эксперимента. Доказательство адекватности физической модели
- Исследование оптимального технологического режима формирования комплексной металл озавалки
Введение к работе
Кислородно-конвертерный процесс в настоящее время является основным сталеплавильным процессом в мировом производстве качественных сталей. Его приоритетное развитие объясняется, прежде всего, его существенными технико-экономическими преимуществами в сравнении с другими сталеплавильными процессами.
Традиционно основную часть металлической шихты при выплавке стали в кислородном конвертере составляет жидкий чугун, являющийся источником физического и химического тепла в рабочем объеме конвертера. В качестве основного материала-охладителя конвертерной плавки преимущественно используется стальной лом. Применяют и дополнительные охлаждающие добавки (твердые окислители) - железную руду, агломерат, железорудные окатыши. Однако их использование в качестве основного охладителя плавки вызывает ряд трудностей организационного и технологического характера.
Роль металлического лома как основного материала-охладителя предопределена не только его технологическими характеристиками как шихтового материала, но и тем, что лом представляет собой отходы, образующиеся на предприятиях и в организациях всех отраслей промышленности в процессе производства и обработки металла, а также вследствие замены оборудования по мере морального и физического износа.
За историю существования кислородно-конвертерного процесса проведено огромное количество научных исследований и накоплен богатый практический опыт. Его развитию способствовали научные разработки таких исследователей, как: В.И. Явойский, В.И. Баптизманский, Н.П. Лякишев, СВ. Колпаков, П.И. Югов, Е.Х. Шахпазов, С.Г. Афанасьев, Л.А. Смирнов, A.M. Бигеев, Р.В. Старое, Р.С. Айзатулов, В.В. Смоктий, а также ряд других российских и зарубежных исследователей, большинство из которых продолжают научно-исследовательские работы в области конвертерного производства. Однако во многом эти работы посвящены процессам, происходящим в конвертерной ванне, а именно процессу продувки, как главного рабочего механизма при производстве стали, и гидродинамике сталеплавильной ванны.
Несмотря на все многообразие исследований, остаются слабо изученными отдельные вопросы кислородно-конвертерной технологии. В частности до настоящего времени не уделялось должного внимания вопросам формирования металлозавалки, загрузке шихтовых материалов и характеру их распределения в рабочем объеме конвертера. Однако известно, что эти этапы в значительной степени предопределяют ход сталеплавильного процесса, технико-экономические показатели и качество выплавляемой стали. Во многом это связано с отсутствием до 90-х годов 20 века дефицита стального лома любого типа и технология с его использованием в качестве основного материала-охладителя конвертерной ванны являлась наиболее оптимальной.
На сегодняшний день вопросы обеспечения потребностей сталеплавильного производства металлошихтой имеют особое значение и волнуют не только российских, но и металлургов промышленно развитых стран (США, Германия, Япония и др.). Прежде всего, они связаны с сокращением доли «чистого» стального лома, его количественным дефицитом и прогрессирующим ухудшением качественных характеристик. Огромное количество публикаций и работ посвящено проблемам состояния металлофонда для сталеплавильного производства и в частности для технологий обеспечивающих производство высококачественных сталей.
Практика сегодняшнего дня показывает, что лом, поставляемый на металлургические предприятия, не соответствует предъявляемым к нему требованиям по содержанию таких элементов как, Cr, Ni, Си, As, Sb, Sn, а также физическим свойствам. Наблюдается резкое сокращение доли оборотного лома, в котором вследствие многократного переплава и новых методов обработки металла, например, микролегирование, повышается содержание различных примесей, способствующих снижению эксплуатационных свойств стали. Их удаление при выплавке и дальнейшей обработке чрезвычайно затруднено или практически невозможно. Неудовлетворительные показатели по физическим свойствам связаны с организацией сбора и качества подготовки металлолома в целом. Одним из факторов влияющим на снижение доли качествешюго оборотного лома является возрастание доли непрерывной разливки стали на металлургических предприятиях.
Особую роль играет стальной лом при формировании металлозавалки в рабочем объеме кислородного конвертера. Сегодня в реальных производственных условиях используется в основном негабаритный стальной лом с малой насыпной плотностью (600-НООО кг/м ). Поэтому, не смотря на меньшую массового долю металлического лома в шихте (20-^25%), объем занимаемый им в кислородном конвертере существенно больше объема, занимаемого жидким чугуном. Образование высокого, хаотичного слоя из твердых материалов-охладителей над твердожидкой ванной приводит в начальный момент плавки к интенсификации процесса окисления железа из состава металлошихты и, как следствие, к его испарению из реакционной зоны и угару, прежде всего «в пыль», снижая тем самым выход жидкого металла и ухудшая экологическую обстановку. Нередко слой лома над твердожидкой ванной вызывает конструктивные повреждения кислородной фурмы, вследствие ее удара о твердую шихту, что снижает производительность сталеплавильного агрегата.
В металлургической практике существует ряд технологий по подготовке лома, которые во многом способны решать проблемы о которых сказано выше. Прежде всего, это первичное измельчение крупных негабаритных кусков лома, окускование мелочи, брикетирование и металлургический способ подготовки лома. Однако большинство предприятий не способно использовать данные технологии. Их внедрение отразиться на себестоимости готовой продукции, т.к. ценовая политика на сегодняшний день очень «чувствительна» по отношению к нововведениям.
В свою очередь все перечисленные выше факторы зачастую приводят к технологической нестабильности конвертерного процесса: увеличению массы шлака и значительным потерям железа с ним в виде оксидов и корольков, повышенному газо- и дымообразованию, выбросам и т.п. Снижаются основные технико-экономические параметры плавки, показатели по чистоте выплавляемого металла, повышается нагрузка на экосистему. Следовательно, ограничивается производство высококачественной стальной продукции, прежде всего таких видов, как холоднокатаный низкоуглеродистый листовой прокат для автомобильной промышленности высоких категорий вытяжки и качества поверхности, ряда других марок. Существующая на мировом рынке стали жесткая конкуренция требует повышения конкурентоспособности отечественного металла. Выплавка в условиях кислородно-конвертерного процесса «рядовых» марок сталей делает данную технологию не рентабельной с позиций высоких затрат на шихтовые материалы («первородное» сырье).
Таким образом, проблемы дефицита стального лома, повышения качества и увеличение объемов выплавляемой конвертерной стали на сегодняшний день являются актуальными.
В сложившихся условиях их решение возможно при совершенствовании традиционного состава и технологического режима формирования металлошихты - этапов предопределяющих ход и результаты конвертерного процесса, с использованием альтернативных материалов-охладителей на основе первородного сырья, с высокими физическими характеристиками взамен металлического лома.
К классу этих материалов относятся твердый чугун, железо прямого восстановления, горячепрессовашюе железо и др. Однако, как показал опыт, объемы использования данных материалов весьма ограничены в связи с достаточно высокой стоимостью, специальными требованиями к их хранению и транспортировке, а также технологическими особенностями использования в плавке.
Следовательно, работы по созданию и применению новых альтернативных наиболее технологичных видов металлошихты также являются актуальными при решении проблем производства высококачественных сталей.
К числу таких материалов относится новый синтетический композиционный материал Синтиком . Это новая разработка в области металлической шихты, выполненная инжиниринговой фирмой ООО «НПМП «Интермет-Сервис» совместно с ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина, ГТУ МИСиС, ИМЕТ им. А.Л. Байкова РАН, при участии ОАО «Северсталь», ОАО «Тулачермет», ОАО «НЛМК» и др. Работа удостоена премии Правительства РФ в области науки и техники, дважды Дипломом с отличием и Золотыми медалями Всемирной выставки изобретений «Эврика-Брюссель». Синтиком новый универсальный композиционный материал, включающий в себя первичные компоненты с известным составом, происхождением и наследственностью, обладает всеми свойствами и преимуществами первородной шихты. Характеризуется, прежде всего, постоянством геометрических размеров, сложной индивидуальной двойственной металлургической природой, минимально возможной степенью загрязнения примесями, гарантированным, стабильным и заранее заданным химическим составом, а также механизмом воздействия на ход восстановительно-окислительных процессов в сталеплавильных агрегатах. Производство синтикома требует минимальных дополнительных капиталовложений и в кратчайшие сроки может быть организовано на базе имеющихся в доменных цехах разливочных машинах.
Создание данного материала способствует решению проблемы обеспечения сталеплавильного производства чистыми первородными шихтовыми материалами с заранее известными стабильными физическими характеристиками. Однако полностью исключать стальной лом из состава шихты не целесообразно, т.к. необходимо перерабатывать отходы собственного металлургического производства и других отраслей промышленности. Переход на 100% замену лома альтернативными видами металлошнхты неминуемо потребует внесения корректировок в традиционную технологию ведения конвертерной плавки. Тем не менее, имеющийся промышленный опыт использования синтикома в составе металлошнхты показал, что даже относительно небольшое его процентное содержание в составе твердой части шихты (-~20-К25%) способно внести качественные изменения в технологические параметры выплавки стали.
Таким образом, отсутствие необходимого количества «качественного» стального лома и появление класса альтернативных материалов-охладителей с новым комплексом металлургических свойств привело к необходимости проведения исследований процесса формирования металлозаводки в объеме конвертера, определения оптимального состава и технологического режима загрузки комплексной металлошнхты, а также расположения композиционного материала в ее слое. Известно, что именно качественные характеристики материалов-охладителей, их физико-химические свойства, способ загрузки и характер распределения в рабочем объеме сталеплавильного агрегата в значительной степени предопределяют ход конвертерной плавки, технико-экономические параметры процесса, качество готового металла и степень воздействия на экосистему. Изучение этих вопросов также важно, как и исследование режимов продувки конвертерной ванны.
Цель работы — исследовать зависимость процесса шихтообразования в рабочем объеме кислородного конвертера от состава металлошнхты, физических характеристик и последовательности загрузки материалов-охладителей. Установить влияние физико-химических свойств композиционного материала, режима формирования комплексной металлозавалки на основные процессы и технико-экономические показатели выплавки конвертерной стали.
Объектом исследования является процесс формирования металлозавалки в рабочем объеме кислородного конвертера.
Предмет исследования - влияние состава, «качественных» характеристик и способа загрузки металлошихты на процесс шихтообразования и технико-экономические показатели выплавки конвертерной стали.
Кислородный конвертер представляет собой «закрытый» сталеплавильный агрегат, который не позволяет визуально исследовать процессы, происходящие в его рабочем объеме. Поэтому для достижения поставленной цели была разработана методика проведення исследований на базе на теории физического моделирования.
В ходе настоящей работы решались следующие задачи: - построение и анализ физической модели процесса формирования металлозавалки в кислородном конвертере по традиционной технологии; - расчет нового оптимального состава металлошихты с использованием композиционного материала Синтиком; - исследование режимов загрузки и формирования комплексной металлозавалки с различными физическими характеристиками; - исследование физико-химических процессов, протекающих в слитке композиционного материала при его нагреве и плавлении; - исследование механизма «зажигания» конвертерной плавки и особенностей плавления металлошихты для разных режимов шихтообразования; разработка методики предварительной оценки процесса шихтообразовашія в рабочем объеме кислородного конвертера; - разработка технологических решений для совершенствования традиционной конвертерной технологии на основе комплексного анализа результатов физического моделирования и исследований металлургических свойств композиционного материала; - проведение промышленной апробации и внедрение разработанных технологических режимов формирования комплексной металлозавалкн.
Нпучная новизна исследовательской работы, отражающая значимость данной проблематики: ^ - впервые разработана физическая модель процесса формирования металлозавалкн в рабочем объеме кнслородного конвертера по традиционному технологическому режиму и режиму с применением композиционного материала Синтиком; - исследовано влияние «качественного» состава и способов загрузки металлошихты на формирование структуры металлозавалкн; - впервые на основе моделирования установлена математическая зависимость процесса шихтообразовашія от физических свойств твердого материала-охладителя; исследованы особенности протекания окислительно-восстановительных реакций при плавлении синтикома и установлено их влияние на основные процессы и показатели конвертерной плавки; разработан алгоритм расчета параметров традиционного технологического режима шнхтообразованпя; - установлена зависимость технико-экономических параметров выплавки конвертерной стали от состава, «качественных» характеристик и технологического режима формирования металлозавалкн.
Практическая ценность. На основе результатов исследований разработан, промышленно опробован и внедрен новый технологический режим формирования комплексной металлозавалкн с использованием композиционного материала Сиитиком на металлургическом заводе «Хута Катовице» (Польша), способствующий решению вопросов дефицита качественной металл ошихты, повышения технико-экономических показателей производства, качества и объемов выплавки конвертерной стали, в т.ч. категории ВОСВ. Экономическая эффективность его внедрения составляет 4,82 $/тонну стали.
Созданы методика и алгоритм расчета основных параметров процесса шихтообразовапия, которые позволяют прогнозировать физическую картину формирования металлозавалки в конвертере при разных технологических и производственных условиях, контролировать начальное положение кислородной фурмы относительно высшей точки твердой части металлошихты с целью предотвращения ее конструктивных повреждений.
Разработаны технологические рекомендации для внедрения нового режима формирования комплексной металлозавалки на большегрузных кислородных конвертерах.
На зашиту выносятся следующие основные позиции научно-исследовательской работы: - методика и результаты исследований физической модели процесса формирования металлозавалки в кислородном конвертере при использовании шихтовых материалов традиционного состава и с применением композиционного материала Синтиком; новый усовершенствованный технологический режим формирования металлозавалки на основе применения класса композиционных материалов; результаты исследований влияния металлургических характеристик синтикома и нового режима шихтообразования на процессы «зажигания» конвертерной плавки, шлакообразования, кинетику окисления примесей металлошихты и железа, его потери; алгоритм расчета параметров традиционного конвертерного режима формирования металлошихты; - результаты промышленных исследований влияния состава и разработанного режима формирования металлозавалки на ход конвертерного процесса, технологические показатели выплавки стали и экономическую эффективность внедрения в производство; - технологические рекомендации для выбора режима формирования комплексной металлошихты.
Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается с помощью применения апробированных методик измерения и обработки данных. Обоснованность полученных резельтатов, выдвинутых положений, выводов и рекомендаций, сделанных в настоящей работе, подвержена результатами физического моделирования изучаемого процесса и опытно-промышленными исследованиями. Достоверность результатов промышленной апробации новых технологических режимов формирования металлозавалки подтверждена техническим отделом конвертерного цеха завода «Хута-Катовице», сотрудниками «НПМП Интермет-Сервис» (Россия) - разработчики данного материала, которые осуществляли полное техническое сопровождение работы, а также сотрудниками Ченстоховского Политехнического института (Польша), принимавших участие в исследованиях и обработке результатов плавок.
Апробации работы: Основные положения и результаты исследований докладывались на Восьмом международном конгрессе сталеплавильщиков (г. Нижний Тагил, 2004 г.); семинарах лаборатории физической химии металлических расплавов ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН; конференции аспирантов и молодых специалистов ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН (2004 г.).
Доклад по результатам настоящей научно-исследовательской работы удостоен диплома «Лучший доклад на восьмом международном конгрессе сталеплавильщиков» на секции конвертерное производство (г. Нижний Тагил, 2004 г.).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 3 статьи и тезисы 3-х докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 211 страниц, в том числе 31 рисунок и 34 таблицы. Включает в себя введение, четыре главы, заключение, библиографический список из 69 наименований, 14 приложений объемом 27 страниц.
Исследование причин ухудшения качества лома и сокращения объемов его поступления
Если проблема дефицита лома в ближайшее время в принципе пока не носит катастрофического характера для отечественного производства, то вопросы организации сбора и подготовки лома к плавке стоят очень остро.
К сожалению, металлургические предприятия России, а также организации занимающиеся сбором лома и поставкой на заводы, практически не имеют современных средств его подготовки. Ломоперерабатывающая подотрасль в последние годы переживает кризис. С 1990 года объем заготовки лома в России снизился более чем в три раза. В связи с приватизацией и дроблением предприятий в нашей стране его сбором и поставкой занимаются мелкие маломощные предприятия, не имеющие современного высокопроизводительного оборудования, а построить современные участки (цехи) подготовки лома к плавке под силу только крупным металлургическим предприятиям. В системе поставок лома произошли существенные изменения: увеличилась доля металлолома от коммерческих структур; изменился качественный состав отгружаемого лома; возросла доля транзитного лома [21].
Во всех странах в настоящее время наблюдается уменьшение образования оборотного (наиболее чистого) лома, который приходится заменять покупным.
Таким образом, в связи с тем, что не отлажен механизм сбора н заготовки металлолома, металлургическим предприятиям не хватает качественного стального лома. Снижение качества подготовки лома в отечественной металлургии связано с несоответствием рыночным условиям прежней системы его сбора, заготовки и переработки. Технологические процессы, используемые на предприятиях переработки металлолома, не соответствуют современным условиям из-за нехватки соответствующего оборудования.
С изменением методов хозяйствования, переходом к рыночной экономике прежняя схема заготовки лома в России на основе плановых поставок от ломосдатчиков оказалась не эффективной. На уменьшение объема его заготовки и использования также существенно влияет современная ценовая политика, при которой цены на стальной лом и чугун в ряде случаев практически одинаковы. Завышая цену на металлолом для увеличения прибыли, предприятия переработки теряют рынок сбыта [21]. К тому же за последние 15 лет большие объемы металлолома ушли на экспорт.
Следовательно, чтобы улучшить характеристику лома и показатели его использования в металлургических процессах необходимо совершенствовать способы предварительной его подготовки, которые включают сортировку, разделку, прессование и т.д., подойти по-новому с учетом современной обстановки на рынке сбыта к проблеме ценообразования на стальной лом.
Однако сегодня внести коордннальные изменения в вопросы сбора и подготовки стального лома невозможно. К сожалению предприятия России, занимающиеся его сбором и переработкой, оснащены в большинстве своем устаревшим оборудованием, мало пригодным для работы с низкокачественным сырьем. Любое улучшение условий для решения данных вопросов вызовет стремительный рост цен на стальной лом.
Указанные выше проблемы характерны для условий России в более острой форме, чем для других промышленно развитых странах, а их решение осуществляется заметно медленнее.
Образование мсталлоотходов вызвано в основном технологическими причинами: используемым оборудованием, уровнем внедрения современных (прогрессивных) технологических схем ведения процессов. В сталеплавильном производстве (при разливке в слитки или формы) в виде недоливов, литников, скрапа, брака, выброшенной из печи смеси металла со шлаком и т.д., на 1000 кг выплавляемой стали приходится 40 50 кг мсталлоотходов. Доля отходов снижается при внедрении передовых технологических и технических решений при выплавке, разливке, обработке давлением. Например, в ФРГ с 1966 г. по 1990 г. доля нспрерывнолитого металла увеличилась до 85- -90%, при этом количество оборотного лома уменьшилось с 240 кг до 100 кг на 1000 кг стали. Такая тенденция характерна для всех стран. В ближайшей перспективе количество этого вида вторичных металлов, наиболее ценного для сталеплавильного производства, в мире составит менее 100 млн. т/год, или менее 20- 25% от общего объема лома [4].
Одним из факторов влияющим на снижение доли качественного оборотного лома является, в первую очередь, возрастание доли непрерывной разливки стали, С 1990 по 1997 гг. объем стали, разливаемой на машинах непрерывной разливки, увеличился с 23,1 до 46,5%, что привело к снижению отходов на стадии проката (оборотного лома) почти на 28% [4].
Конструкция современного оборудования предусматриваем его минимальные значения по массе и по габаритным размерам. Срок его службы на современном этапе технологического развития вырос в несколько раз. Многие предприятия, закупив необходимое оборудование, продолжают его эксплуатировать, и после окончания срока его службы. В целом все выше перечисленные факторы приводят к дефициту амортизационного лома.
В настоящее время наиболее радикальным решением является разбавление шихты первородными материалами (чугуном, железом прямого восстановления, горячепрессованным железом). Однако объем использования этих материалов ограничен в связи с достаточно высокой стоимостью, специальными требованиями к их хранению и транспортировке, а также особенностями загрузки в сталеплавильный агрегат.
Физическое моделирование режимов формирования металл озавалки
Однако на сегодняшний день в сталеплавильном производстве используется качественно не подготовленный лом, тем самым не отвечая предъявляемым к нему требованиям как шихтовому материалу. Таким образом, в современных условиях невозможно обеспечить выплавку многих марок чистого стального сортамента с использованием в шихте в качестве твердой составляющей 100% стального лома. Поэтому при выплавке качественных сталей существует острая необходимость в использовании материалов-охладителей на первородной основе в составе металлошихты.
ИсслсдоваЕше теоретического материала по проблемам подготовки сталыюго лома для сталеплавильного производства показало, что именно качественные характеристики лома в значительной степени влияют на технологические показатели выплавки стали, и, прежде всего, на выход жидкой стали. Наличие не качественного лома требует проведения предварительной их подготовки, что, несомненно, приводит к повышению себестоимости шихтовых материалов.
Анализ литературных данных показал, что выход жидкой стали непосредственно зависит от потерь железа, в т.ч. от его испарения и угара «в пыль». Другие статьи потерь железа зависят в основном от производственных условий и возможностей конвертерного цеха. Статья угара железа является самой не удовлетворительной с позиций выхода жидкой стали и влияния на экосистему. Исходя из всех перечисленных недостатков традиционного режима шихтообразования необходимо решать вопрос совершенствования состава металлошихты на основе использования новых альтернативных видов материалов-охладителей.
Синтетический композиционный материал Спитаком - новый универсальный материал, включающий в себя первичные компоненты-с известным составом, происхождением и наследственностью, который обладает всеми свойствами и преимуществами первородной шихты, в том числе минимально возможной степенью загрязнения примесями, а так же механизмом воздействия на ход окислительно-восстановительных процессов в сталеплавильных агрегатах. 6. Производство синтикома требует минимальных дополнительных капиталовложений и в кратчайшие сроки может быть организовано на базе имеющихся в доменных цехах разливочных машинах. 7. Опыт применения композиционного материала в сталеплавильном производстве, в частности в кислородно-конвертерной плавке показал, что Синтиком является в большей степени технологически приемлемым материалом для выплавки стали по сравнению с твердым чугуном, а также железом прямого восстановления, оксидно-угольными брикетами и др. Его использование не вызывает технологических трудностей в процессе завалки и плавления в сталеплавильном агрегате. Данный материал содержит меньшее количество пустой породы, обладает более высокой конструкционной прочностью, постоянством геометрических размеров, что сокращает продолжительность и количество завалок, пожаро- и взрывобезопасен, а также является «экологически» чистым. Процесс плавления синтикома не сопровождается образованием труднопроплавляемых монолитных конгломератов в рабочем пространстве печи. Композиционный материал не требует специальных хранилищ, устройств для транспортировки и перегрузки. Синтикомк является альтернативой чистому тяжеловесному стальному лому и может использоваться самостоятельно или в комбинации с известными видами металлошихты. 8. Создание композиционного материала привело к необходимости пересмотреть вопросы подготовки металлошихты, т.е. совершенствование традиционного состава и технологического режима формирования металлозавалки, и их влияние на процессы получения стали с позиций современных требований к качеству продукции на рынке металла, экологической обстановки вокруг металлургических предприятии и др. Его появление решает проблемы обеспечения сталеплавильного производства чистыми первородными шихтовыми материалами. Применение синтикома в составе твердой металлозавалки кислородных конвертеров требует тщательного рассмотрения вопроса формирования структуры металлозавалки и последовательности подачи шихтовых материалов в рабочее пространство сталеплавильного агрегата. Изучение этих вопросов также важно, как и исследование режимов продувки конвертерной ванны.
Таким образом, исследования традиционного технологического режима формирования металлозавалки и режима с применением композиционного материала позволит установить основные зависимости влияния состава и качественных характеристик твердой металлошихты на основные технико-экономические показатели выплавки стали. Исследование физико-химических свойств синтикома и поиск оптимального способа его загрузки в сталеплавильный агрегат позволят раскрыть и использовать его металлургический потенциал для решения проблем повышения качества и объемов выплавки конвертерной стали. Найти новые технологические решения, которые позволят более рационально использовать железосодержащее сырье любого качества практически без предварительной его подготовки с максимальной степенью эффективности. Организовать производство высококачественной стали без изменения технологических этапов подготовки, ведения кислородно-конвертерной плавки и повышения себестоимости готовой продукции на многих российских металлургических предприятиях.
Таким образом, цель настоящей научно-исследовательской работы -исследовать зависимость процесса шихтообразования в рабочем объеме кислородного конвертера от состава металлошихты, физических характеристик и последовательности загрузки материалов-охладителей. Установить влияние физико-химических особенностей композиционного материала, режима формирования комплексной металлозавалки на основные процессы конвертерной плавки и технико-экономические показатели выплавки стали.
Статистическая обработка результатов эксперимента. Доказательство адекватности физической модели
Как показывает график, представленный на рис. 17, при использовании стального лома при использовании с физическими свойствами характернымидля существующих производственных условий, т.е. с насыпной плотностью 600-И 000 кг/м формируется высокая, неравномерная и хаотичная структура твердой металлозавалки, в т.ч. над уровнем твердожидкой ванны. Ее высота составляет до 40+45% от высоты твердой металлошихты в зависимости от насыпного веса лома. При использовании лома с плотностью близкой к 1600 кг/м и выше он полностью погружается в твердожидкую ванну, структура металлозавалки становится более равномерной и прогнозируемой.
На графиках для ТЄХЕІОЛОГИЧССКИХ режимов формирования комплексної! металлозавалки с использованием синтикома показаны лишь зависимости характеризующие изменения высоты слоя стального лома, т.к. именно он является основным объектом исследования. Графическое отображение физической картины формирования металлозавалки на рис. 18 и 19 позволяет прогнозировать формирование комплексной металлошихты, в зависимости от физических характеристик лома.
Как показали эксперименты, при загрузке композиционного материала, на днище модели конвертера формируется плотный слой неизменного объема и высоты, в виду того, что слитки синтикома обладают постоянством массы, плотности и геометрических размеров. При исследованиях также было отмечено, что слой композиционного материала в процессе загрузки стального лома оставался не проницаемым для его кусков. Таким образом, при математической обработке результатов было принято допущение, что слон синтикома остается постоянным по высоте и не проницаемым, формируемый над ним лом представляет собой отдельный слой металлозавалки. После заливки жидкого чугуна и «кантовки» конвертера наблюдалось незначительное изменение слоя комбинированной металлошихты по высоте. Куски лома лежали на слое синтикома, не касаясь днища конвертера. Заливка чугуна способствовала всплытию некоторого количества слитков композиционного материала от их общего количества сквозь пустоты образованные в слое стального лома, ввиду различия истинных плотностей материалов. Это вызывало некоторое снижение уровня ванны. С ростом насыпной плотности лома количество слитков на поверхности ванны снижалось, а уровень ванны возрастал.
Таким образом, при статистической обработке результатов моделирования принимали в качестве значимых показателей: плотность стального лома, его высоту до заливки чугуна и после заливки, плотность синтикома, высоту слоя образованного из него принимали за const.
Как показывает график на рис. 18, данный технологический режим, при использовании металлолома с аналогичными физическими характеристиками (до 1000 кг/м ), способствует снижению суммарной высоты металлошихты.
Однако и при данном способе шихтообразования над уровнем твердожидкой ванны формируется хаотичная структура твердой комплексной металлошихты, состоящая преимущественно из кусков стального лома и частично слитков композиционного материала.
В зависимости от насыпной плотности лома и структуры слоя твердой металлошихты с днища конвертера сквозь пустоты в ее объеме всплывают слитки синтикома (в количестве до 15-5-20% от их общей массы), ввиду различия истинных плотностей материалов, а именно железоуглеродистого расплава и композиционного материала. Данный факт вызывает колебание уровня твердожидкой ванны. Лишь использование лома с плотностью более 1150 кг/м обеспечивает снижение высоты комплексной металлозавалки. Далее с увеличением плотности стального лома его высота уменьшалась, а характер уровня жидкой ванны практически оставался не низменным.
Серия 3. При технологии с загрузкой синтикома на слой стального лома: уровень жидкой ванны и высота слоя лома также определялись его насыпным весом. При данном режиме значимыми параметрами, определяющими картину формирования металлозавалки, являются: насыпной вес лома, его высота до заливки чугуна и после.
Как показало моделирование, загрузка синтикома способствует уплотнению слоя лома. После загрузки всей твердой шихты отмечено, что слитки частично проваливались в пустоты слоя стального лома, но и при этих условиях наблюдалось формирования плотного слоя из синтикома на поверхности лома. С увеличением насыпного веса металлолома количество пустот в объеме металлозавалки уменьшалось, образуя единую массу из твердых шихтовых материалов. Синтиком полностью покрывал поверхность слоя металлолома. В момент его загрузки наблюдался эффект подпрессовки лома, ввиду того, что слитки композиционного материала при завалке падали как единая масса. Данное обстоятельство объясняется преимуществом данного материала в качественных характеристиках, а именно постоянством геометрических форм и насыпного веса. После заливки чугуна в виду разности плотностей слитки синтикома всплывали, лишь небольшой процент (-3-5%) от их общего количества застревал в слое лома. Поэтому с учетом выше сказанного при статистической обработке результатов исследований слой синтикома на поверхности ванны принимали как не значимый параметр, т.е. принято, что его поведение при данном технологическом режиме шихтообразования предсказуемо (см. рис. 19).
Исследование оптимального технологического режима формирования комплексной металл озавалки
Кислородно-конвертерный процесс неизбежно сопровождается потерями железа, что снижает выход жидкой стали и повышает экологическую нагрузку. Самой негативной статьей потерь железа является его угар и испарение. В наибольшей степени это явление наблюдается в начальный период конвертерной плавки [9]. Поэтому, с учетом проведенных исследований особенностей физико-химических свойств композиционного материала, необходимо изучить процесс «зажигания» конвертерной плавки при различных вариантах шихтообразования, что позволит рассматривать Синтикомж не только как материал с первородными свойствами способный повысить качественные характеристики комбинированной металлошихты и, как следствие, качество готового продукта, но и как материал, изменяющий характер проплавлення исходной металлозавалки.
В настоящее время при работе по традиционной технологии стальной лом является основным материалом-охладителем конвертерной плавки. В реальных производственных условиях используется в основном негабаритный металлолом с малой насыпной плотностью 600-4000 кг/м3. Поэтому, несмотря на меньшую его массовую долю в шихте, объем, занимаемый ломом в кислородном конвертере, существенно больше объема, занимаемого жидким чугуном. После завалки металлолома в конвертер и его «кантовки» он неравномерно, хаотично распределяется в рабочем объеме сталеплавильного агрегата в зависимости от своих физических характеристик, прежде всего, от насыпной плотности, геометрических форм кусков лома, его завалки и количества подвалок.
По традиционной конвертерной технологии заливка жидкого чугуна ведется в конвертер, который наклонен относительно своей оси (см. рис. 22).
Негабаритность кусков лома не позволяет точно прогнозировать их поведение и распределение в объеме конвертера. Характер истечения струи расплава из ковша таков, что она в первый момент ударяется о ближнюю стенку агрегата и поверхностный слой металлозавалки, затем стекает в ее нижние горизонты. Поэтому их контакт в верхних слоях ограничен во времени. Омывание и заполнение рабочего объема конвертера идет снизу вверх. Во время заливки железоуглеродистого расплава, в виду разницы температур, на кусках лома происходит его намерзание в виде «настыля» с образованием локальных зон плавления, температура в которых не менее 70СК800 С [9, 62, 63]. В момент соударения струп о стенку агрегата и поверхность металлозавалки происходит ее разбрызгивание по рабочему объему конвертера, что увеличивает количество локальных зон на поверхности твердой шихты. Как отмечают работы многих авторов, часть лома, преимущественно легковесный, оказавшийся в зоне контакта с жидким чугуном, частично растворяется уже в процессе его заливки. Это приводит к перераспределению тепла, снижению температуры жидкого чугуна и одновременному нагреву металлошихты [9, 25, 26 и др.]. После заливки чугуна и «кантовки» конвертера большинство этих зон оказываются погруженными в твердожидкую ванну.
Металлолом имеет относительно малую насыпную плотность и, следовательно, развитую поверхность, являющейся зоной нагрева. Поэтому количество тепла усваемого ломом в процессе заливки жидкого чугуна достаточно велико. К тому же путь прохождения чугуна при его заливке на металлолом с низкими качественными характеристиками от верхней его кромки до днища конвертера достаточно велик. Это является дополнительным фактором, усиливающим перенос тепла от жидкого чугуна к лому, особенно в верхних горизонтах металл озавалки.
После заливки чугуна и возвращения конвертера в рабочее положение, над уровнем ванны образуется слой твердой шихты, в объеме которого хаотично рассредоточены локальные зоны нагрева [9].
После начала продувки характер истечения струй кислорода из сопел фурмы таков, что они не могут охватить всю рабочую поверхность металлозавалки, что снижает количество локальных зон плавления на кусках лома в зоне распространения струй. Процесс взаимодействия струй кислорода со стальным ломом характеризуются тем, что при набегании на куски лома они теряют в момент соударения с поверхностью твердого материала значительную долю импульса (»50%). Дальнейшее их движение через слой лома замедляется. При этом часть кислорода теряет способность к дальнейшему движению через слой металлолома и изменяет свое движение на обратное, В результате только часть кислорода способствует процессу «зажигания» конвертерной плавки, а часть расходуется «в холостую» [64].
Процесс плавления в локальных зонах начинается преимущественно за счет химического тепла окисления железа (его содержание в ломе достигает -98- 99%), так как содержание других примесей в нем относительно мало ( 1+2%). Хотя все примеси и начинают окисляться одновременно, но скорости их окисления различны (в зависимости от степени сродства элемента к кислороду [10]).
Плавление в локальных зонах сопровождается активным протеканием экзотермических реакций. Выделяющаяся при этом тепловая энергия, особенно при окислении железа, передается материалу и постепенно расплавляет его. Кислород дутья, взаимодействуя с поверхностью лома, окисляет железо по реакции 2[Fe] + {О2} = 2(FeO) и 4(FeO) + {О2} = 2(РегОз) [47, 63]. В процессе плавления металлолома количество образующегося {СО} из его состава относительно невелико, т.к. мало содержание углерода в металлической матрице. Таким образом, невелика массовая доля монооксида углерода в атмосфере конвертера, прежде всего, над твердожидкой ванной.
