Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние кислородно-конвертерного производства стали 9
1.1 Место кислородно-конвертерного процесса в мировом и отечественном производстве стали 9
1.2 Технология конвертерной плавки с повышенной долей чугуна 13
1.3 Применение магнезиальных флюсов 21
1.4 Цели и задачи исследования 29
Глава 2. Изучение теплофизических свойств магнезиального флюса-охладителя 30
2.1 Методика исследования и результаты 30
2.2 Рекомендации по использованию магнезиального флюса-охладителя 42
2.3 Выводы по разделу 46
Глава 3. Модернизация математической модели выплавки стали в кислородном конвертере и результаты расчетов параметров плавки 47
3.1 Описание математической модели 47
3.2 Адаптация математической модели к реальным условиям 63
3.3 Результаты расчетов параметров технологии выплавки стали в условиях конвертерного цеха ПАО «ММК» 69
3.4 Выводы по разделу 76
Глава 4. Анализ конвертерных плавок с повышенной долей чугуна 78
4.1 Анализ результатов плавок, проведенных с повышенной долей чугуна в металлической шихте конвертеров ПАО «ММК» 78
4.2 Результаты исследований плавок с применением комплексного магнезиального флюса-охладителя в условиях ПАО «Челябинский металлургический комбинат (ЧМК)» 84
4.3 Экономический эффект от внедрения проведенных исследований 87
4.4 Выводы по разделу 89
Заключение 91
Список литературы 93
Приложение 1 107
Приложение 2 108
- Технология конвертерной плавки с повышенной долей чугуна
- Рекомендации по использованию магнезиального флюса-охладителя
- Результаты расчетов параметров технологии выплавки стали в условиях конвертерного цеха ПАО «ММК»
- Анализ результатов плавок, проведенных с повышенной долей чугуна в металлической шихте конвертеров ПАО «ММК»
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности
Ежегодно возрастают требования к качеству стали, которое во многом определяется качеством и соотношением исходных железосодержащих материалов - чугуна и металлического лома, выполняющего роль охладителя при выплавке стали в кислородных конвертерах. К сожалению, состав лома, как правило, неизвестен до начала плавки при высоком фактическом содержании нежелательных примесей (Cu, Ni, S и др.). В РФ цена амортизационного лома, как правило, выше себестоимости доменного чугуна. По этим причинам последние 20 лет доля лома в конвертерной шихте снижается, а чугуна возрастает. Например, в Японии и Китае доля чугуна достигает 90 % и выше, а лома 8 - 10 % (против обычных 22 - 25 %). В ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ПАО «ММК») средняя доля чугуна составляет 79,5 %, а для качественных сталей (трубных для магистральных газопроводов, судостроительных, автокузовных и т.д.) 85 % и выше.
Таким образом, необходимо применение альтернативных лому охладителей. К их числу относятся железорудные материалы (окатыши, агломерат и т.д.) и такие природные материалы, как известняк и сырой доломит, которые, наряду с охлаждением металла, играют роль флюсов (источников CaO и MgO).
Другой важной задачей является повышение стойкости футеровки кислородных конвертеров, например, благодаря обеспечению содержания MgO в шлаке на уровне 8 - 12 %. Для этого применяют различные магнезиальные флюсы.
В данной работе предлагается использовать для решения этих двух задач в качестве универсального флюса-охладителя бакальскую сидеритовую железную руду. Таким образом, тема представленной диссертационной работы является актуальной.
Цели и задачи исследования
Целью работы является создание рациональной технологии выплавки стали в кислородных конвертерах с повышенной долей чугуна в шихте и применением сырой сидеритовой руды (магнезиального флюса-охладителя). Эта цель достигается решением следующих частных задач:
- анализ технологии выплавки металла с повышенной долей чугуна в
металлошихте ККЦ ПАО «ММК»;
- исследование физико-химических свойств комплексного
магнезиального флюса-охладителя;
- модернизация математической модели, традиционно составленной на
базе систем балансовых уравнений, решаемых совместно с помощью метода
итераций, разработанной на кафедре «Технологии металлургии и литейных процессов», проверка модели и разработка на ее основе программы расчета параметров плавки;
- проверка разработанной технологии выплавки стали с последующим
описанием рекомендаций по реализации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- уточнены последовательность и температуры начала декарбонизации
основных минералообразующих компонентов магнезиального флюса-
охладителя: MnCO3 250 - 310 C, FeCO3 340 - 400 С, MgCO3 580 - 780 С,
CaCO3 930 - 970 С. Отмечено относительно раннее начало диссоциации
карбонатов марганца, железа и магния;
- по разработанной модели рассчитаны охлаждающие эффекты
различных материалов, используемых при выплавке стали: 1 % (от массы
металлошихты) магнезиального флюса-охладителя снижает температуру
металла на 35 - 37 С, в то время как известняк – на 26 - 28 С, сырой
доломит – на 29 - 31 С, ожелезненный доломит и лом – на 12 - 14 С. По
охлаждающему эффекту 1 т магнезиального флюса-охладителя заменяет
2,3 - 2,6 т металлического лома, 0,6 - 0,7 т агломерата или 1,0 - 1,3 т
известняка;
- с помощью модернизированной математической модели сделана
количественная оценка влияния расхода магнезиального флюса-охладителя
на параметры выплавки стали в кислородном конвертере для условий ККЦ
ПАО «ММК».
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в уточнении, а также расширении имеющихся данных о технологиях выплавки стали в кислородных конвертерах.
Уточнены структуры материального и теплового баланса кислородно-
конвертерной плавки при различных долях жидкого чугуна в металлошихте.
При повышении доли чугуна в шихте кислородных конвертеров с 76 до 90 %
возрастает профицит тепла в процессе, требующий применения
дополнительных охладителей.
Предлагается применение нового материала МФО - магнезиального флюса-охладителя (сырой сидеритовой руды) при выплавке стали в конвертерах в качестве охладителя для замены части металлического лома, а также в качестве железосодержащего и шлакообразующего материала.
Практическая значимость заключается в выборе рациональной технологии выплавки стали с применением МФО с одновременным повышением ее качества.
Проведенная оценка расчетов и экспериментов в промышленных
условиях позволила оценить магнезиальный флюс-охладитель, как
эффективный комплексный материал, одновременно успешно выполняющий функции твердого магнезиального флюса и окислителя-охладителя. Он может быть рекомендован к применению в конвертерных цехах, работающих с повышенной долей чугуна в металлошихте.
Показано, что представленная технология выплавки стали в
кислородном конвертере позволяет увеличить выход годной стали при
одновременном повышении ее качества, а также повысить
производительность кислородного конвертера и снизить себестоимость выплавляемой стали.
Установлено, что в опытных плавках в ККЦ ПАО «Челябинский металлургический комбинат» (ПАО «ЧМК»), где суммарный расход жидкого и твердого чугуна превышал 90 % от массы металлошихты, удалось заменить традиционные охладители плавки (окатыши и агломерат) и магнезиальные флюсы (доломит и др.) комплексным магнезиальным флюсом-охладителем на основе сидеритовой руды. Его расход составил 1,8 - 4,0 % от массы металлошихты.
Установлено, что при расходе магнезиального флюса-охладителя не менее 3 % без присадок доломита и других магнезиальных флюсов содержание MgO в конечном шлаке повысилось от 8,0 % до 11,0 %, а степень дефосфорации в опытных плавках была в среднем 89,2 %.
Проведен расчет по стандартной методике ожидаемого
экономического эффекта для условий ККЦ ПАО «ММК» - он составил 165 млн. руб.
Методология и методы исследований
Проведены расчеты по модернизированной математической модели для количественной оценки влияния массы магнезиального флюса-охладителя на технологические параметры выплавки металла в кислородном конвертере для условий ККЦ ПАО «ММК» и ПАО «ЧМК». Определены охлаждающие эффекты различных материалов, которые используют на плавку.
Технологические параметры выплавки и данные по химическому составу применяемых материалов, металла и шлака получены с помощью комплексов контрольно-измерительной аппаратуры на этих предприятиях.
На синхронном термоаналитическом приборе STA 449 F3 Jupiter фирмы «NETZSCH» проведены термогравиметрические исследования комплексного магнезиального флюса-охладителя.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты сравнительного анализа параметров плавок с разной шихтовкой;
методика, результаты исследования и описание технологии выплавки стали с повышенной долей чугуна в шихте в кислородных конвертерах с применением магнезиального флюса-охладителя;
рекомендации по использованию магнезиального флюса-охладителя при выплавке стали в конвертерах в качестве твердого окислителя-охладителя для замены части металлического лома, а также в качестве шлакообразующего и железосодержащего материала, включающего оксиды железа, магния, марганца и кальция в процессе разложения карбонатов в период продувки ванны;
- технология выплавки стали в кислородных конвертерах с
повышенной долей чугуна в шихте и применением магнезиального флюса-
охладителя.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Экспериментальная часть исследования состоит из серии опытов, которые проводились в производственных условиях. С применением современного аналитического оборудования были получены анализы химического состава металла и шлака.
Основные положения работы доложены на ХIV Международном
конгрессе сталеплавильщиков и производителей металла (г. Электросталь,
2016 г.), Общероссийском форуме «Экономика России: успех и
благосостояние каждого» (г. Магнитогорск, 2016 г.), на конкурсе
профессионального мастерства «СЛАВИМ ЧЕЛОВЕКА ТРУДА!»
проводимом в УрФО с присуждением призового Диплома (г. Магнитогорск, 2016 г.), XVI Международной научно-технической конференции ПАО «ММК» с присуждением призового Диплома (г. Магнитогорск, 2016 г.), ежегодных научно-технических конференциях МГТУ им. Г.И. Носова в 2011 - 2017 гг. (г. Магнитогорск).
Материалы диссертации достаточно полно отражены в 16-ти статьях, из них три публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе две - в изданиях, входящих в базу цитирования Scopus.
Получен патент № 2608008 РФ на изобретение представленной технологии выплавки стали в кислородных конвертерах с применением магнезиального флюса-охладителя.
По стандартной методике был проведен расчет ожидаемого экономического эффекта.
Технология конвертерной плавки с повышенной долей чугуна
Шихтовка плавки с повышенной долей чугуна предполагает определение расхода чугуна, лома, добавочных материалов, кусковых охладителей. При этом требуется обеспечение минимальной длительности плавки и расхода материалов, а также достижение нужной температуры полупродукта, заданных содержаний углерода и фосфора, основности шлака [1 - 8].
В Российской Федерации не так часто применяется технология конвертерной плавки с повышенной долей чугуна. Процесс ведения плавки на балансе «приход равен расходу» хорошо изучен. Начало продувки относительно «холодное» и только в определенный момент (примерно первая четверть продувки) достигается нагрев до температур 1450 - 1500 С. В это время происходит окисление кремния, и затем «зажигается» плавка. При раннем дефиците оксидов железа не получается нормального шлакообразования, а следовательно, имеют место выносы и выбросы из конвертера, недостаточное усвоение извести.
Была проведена общая оценка химического состава неметаллических добавочных материалов кислородно-конвертерного процесса (таблица 1.1). Приведено описание основных материалов [1 - 8].
Известь. Основным шлакообразующим материалом сталеплавильных процессов является известь, получаемая обжигом известняка при температуре 1100 - 1200 С [1 - 8].
Для кислородно-конвертерного процесса, длительность окислительного рафинирования которого невелика, очень важно раннее шлакообразование, т.е. получение в короткий срок гомогенного шлакового расплава нужного состава и жидкотекучести (вязкости). Это определяет ход и полноту протекания массообменных процессов между металлом и шлаком, значительно снижает механические потери металла (выносы и выбросы). При этом шлак в конвертере формируется из продуктов окисления элементов-примесей металлошихты, огнеупоров футеровки и главным образом, в результате растворения в первичном шлаке извести и других шлакообразующих материалов [1 - 8].
Можно выделить следующие важные факторы [1 - 8]:
1. Качество извести, которое характеризуется ее химическим и фракционным составом, а также ее реакционной способностью. Данная группа характеризует основные физико-химические свойства извести (сорт), предрасположенность извести к растворению, т.е. количество, размеры капилляров и пор, дефектов кристаллической решетки, величину растворяемой поверхности.
В качественной извести содержание CaO должно быть не менее 88 %; сумма СаО+МgО - не менее 94 %; не более 2 % SiO2; не более 0,1 % S; не более 0,1 % Р; не более 5 % п.п.п.
2. Главные свойства шлака, которые определяют его растворяющую способность, а именно присутствие и активность компонентов - растворителей, а также вязкость и гомогенность шлака, его температура и способность вспениваться [1 - 8].
Более активными растворителями извести для обычных условий продувки выступают группы ионов железа, марганца, а также кислорода, которые условно рассматриваются как их оксиды. Стоит отметить, что растворяющая способность оксидов железа в несколько раз выше, чем оксидов марганца. Скорость растворения CaO под воздействием оксида марганца во время продувки остается ориентировочно на одном уровне, а при воздействии оксидов железа существенно изменяется (соответственно с изменением их активности во время продувки) [1 - 8].
3. Взаимодействие извести и шлака, которое включает в себя интенсивность их перемешивания, количество и место подачи присадки извести, а также разжижающих добавок, внешние воздействия (применение двухъярусных фурм, использование твердого, газообразного, жидкого топлива и т.д.). Представленные условия влияют общее поведение газо-шлако-металлической эмульсии [1 - 8].
Плавиковый шпат. В качестве разжижителя шлака в классической технологии выплавки стали применяют плавиковый шпат. Это природный минерал, в котором в среднем содержится: 93,3 % CaF2; 4,0 % SiO2; 0,055 % Р; 0,09 % S. Обычно плотность плавикового шпата составляет 3000 - 3800 кг/м3 [1 - 8]. Плавиковый шпат понижает температуру плавления 2СаО SiO2 и тем самым способствует ускорению шлакообразования в начале продувки, когда растворение корочки 2СаО SiO2 на кусках извести является лимитирующим звеном процесса. Кроме того, шпат понижает вязкость основного шлака, что дает возможность густые и гетерогенные шлаки быстро привести к нормальной жидкотекучести.
Почти во всех цехах он вводится полностью на первой минуте продувки. Иногда шпат вводят вместе с известью на горячую футеровку конвертера до завалки металлолома [1 - 8].
Известняк. Известняк представляет собой минерал, содержащий 96 - 97 % CaCO3. По плотности известняки делятся на тяжелые, плотные, средней плотности и легкие. Истинная плотность известняков составляет: тяжелого -более 2700 кг/м3; плотного - 2400 - 2700 кг/м3; средней плотности - 2000 - 2400 кг/м3; легкого - менее 2000 кг/м3. Насыпная плотность известняка зависит от его фракционного состава. Известняк на плавку используется обычно в качестве дополнительного охладителя [1 - 8].
Обожженный доломит используется в качестве шлакообразующего материала, а также как материал для нанесения шлакового гарнисажа. Обожженный доломит содержит 56 - 63 % CaO; 30 - 35 % MgO; 5 - 6,5 % составляют потери массы при прокаливании; насыпная плотность -1650 - 2000 кг/м3 [1 - 8].
Ожелезненный доломит применяется для поддержания требуемого содержания MgO в шлаке и нанесения гарнисажа. Ожелезненный доломит содержит CaO 60 -63 %; MgO 30 - 32 %; Fe2O3 3 - 4 %; потери массы при прокаливании 0,3 - 0,5 %; насыпная плотность -1950 - 2600 кг/м3 [1 - 8].
К категории шлакообразующих материалов относятся также твердые окислители: окатыши и агломерат. Окатыши и агломерат, как правило, содержат некоторое количество CaO, т. е. являются офлюсованными материалами, поэтому шлакообразование при их применении имеет свои особенности.
Твердые окислители, в том числе и офлюсованные, в практике конвертерного производства считают охладителями. Такой термин внедрился еще в то время, когда избыточное тепло конвертерной плавки поглощалось только железной рудой (металлолом практически не применялся) [1 - 8].
Современные кислородно-конвертерные цехи в качестве основного охладителя применяют металлолом в количестве, определяемым тепловым балансом плавки. Расход железорудных материалов в современных цехах сведен к минимуму (5-10 кг/т), а многие плавки ведутся вообще без руды.
Расход железорудных материалов следует считать показателем тепловой работы конвертерной ванны. Если плавка идет без их применения, то это значит, что конвертер работает на пределе своего теплового баланса. Небольшой расход железорудных материалов (около 5 кг/т) свидетельствует о нормальном тепловом балансе плавки [1 - 8].
Железорудные материалы играют также положительную роль в ускорении образования с самого начала продувки окислительного шлака - затравки для последующего растворения в нем извести. Естественно, при отсутствии железорудных материалов оксиды железа будут поступать в шлак за счет окисления железа из металлошихты [1 - 8].
Наиболее подходящим моментом для присадки железорудных материалов, как шлакообразующих компонентов, является начало продувки. Именно в этот период увеличение содержания монооксида железа в шлаке способствует ускорению ассимиляции извести.
Может применяться офлюсованный агломерат. Основным недостатком офлюсованного агломерата является относительно низкая прочность, что не позволяет организовать его длительное хранение. Низкая прочность обусловливается модификационными превращениями ортосиликатов кальция, происходящими в агломерате, и наличием свободной, непрореагировавшей извести [1 - 8].
Рекомендации по использованию магнезиального флюса-охладителя
Была поставлена задача замены части лома и магнезиальных флюсов комплексным магнезиальным флюсом охладителем (МФО). При этом следует ожидать увеличение выхода годной стали при одновременном повышении ее качества.
Решение поставленной задачи заключается в создании рационального теплового и шлакового режима плавки с помощью процессов разложения карбонатов МФО (уравнения 2.1 - 2.4) и последующим взаимодействием оксидов железа с углеродом металла (уравнение 2.5), сопровождающихся интенсивным поглощением тепла.
С целью рационального использования особенностей МФО рекомендуется давать его в конвертер порциями в первой половине продувки. Во-первых, чтобы предотвратить раннее «зажигание» плавки, что обеспечит нормальное начальное формирование шлака. Во-вторых, после «зажигания» плавки наблюдается наиболее интенсивное обезуглероживание металла, его нагрев и восстановление железа из шлака, поэтому дополнительное поступление оксидов железа из МФО позволит: с одной стороны - повысить скорость окисления углерода, с другой – избежать перегрева ванны. Поставленная задача в условиях ККЦ ПАО «ММК» решается тем, что при классической технологии выплавки стали в кислородном конвертере, после завалки в конвертер металлолома, первой порции шлакообразующих материалов в виде извести, ожелезненного и сырого доломита, заливают жидкий чугун. Затем начинают продувку металла кислородом сверху через фурму с регламентированным расходом кислорода и положением фурмы над уровнем расплава в спокойном состоянии. Одновременно с продувкой кислородом, в первой ее половине в расплав, наряду с порциями извести и других шлакообразующих материалов, дополнительно вводят порциями МФО - сырую сидеритовую руду (класса крупности 20 - 60 мм с содержанием железа (Fe) не менее 25 % и оксида магния (MgO) не менее 9 %) с интервалом не менее 1,5 мин в количестве 1,0 - 1,5 % от суммарного расхода металлошихты.
Такая подача шлакообразующих материалов позволяет уже на начальном этапе получить жидкоподвижный шлак повышенной основности, что позволяет сократить бесшлаковый период продувки и обеспечить спокойное протекание процесса. За счет введения в конвертер небольших порций подаваемого МФО достигаются наиболее благоприятные условия для разложения его карбонатов в первой трети периода продувки, что позволяет вести процесс при сформированном шлаке и нормализованном температурном режиме
Вводить МФО с интервалом менее 1,5 мин нецелесообразно, так как он не успевает полностью раствориться в ванне, в шлаке накапливаются оксиды железа, что затем приводит к взрывоподобному протеканию реакции окисления углерода.
Использовать МФО в количестве менее 1 % от суммы расхода металлошихты (чугуна и лома) нецелесообразно, так как потребуется увеличить количество порций, что приведет к замедлению процесса их усвоения и увеличению продолжительности продувки, а следовательно, к снижению производительности конвертера. При использовании МФО в количестве, превышающем 1,5 % от суммы расхода металлошихты (чугуна и лома) нарушается тепловой баланс процесса с накоплением оксидов железа в шлаке с последующим взрывообразным выделением газов, сопровождающихся выбросами металла и шлака из конвертера. Это приводит к увеличению продолжительности плавки, снижению выхода годного металла и производительности конвертера.
Порционная подача МФО одновременно с началом процесса продувки позволяет создать комплексные тепловые и химические локально активированные и перекрестные состояния в объеме полупродукта, способствующие удалению неметаллических включений и нормализации температуры по всему объему за счет активного разложения карбонатов железа, магния, кальция и марганца (FeCO3, MgCO3, CaCO3, MnCO3) до оксидов железа, магния, кальция и марганца. Это способствует достижению сбалансированного содержания оксидов железа с последующим их взаимодействием с кальцием, поступающим со шлакообразующими материалами, в результате чего образуются легкоплавкие включения (CaFe2O4, Ca2Fe2O5). Это позволяет уже после подачи первой порции МФО получать активный жидкоподвижный шлак, улучшая общее течение процессов взаимодействия компонентов расплава, а также способствуя наибольшему усвоению присадок (извести, доломита), подаваемых в расплав. Также МФО используется в качестве дополнительного железосодержащего материала, что позволяет уменьшить долю постоянно ухудшающегося, нестабильного по химическому составу дорожающего лома и увеличить при этом долю чугуна с сохранением оптимального теплового режима плавки.
За счет последовательного полного растворения в расплаве небольших порций МФО образуются более востребованные для полупродукта структурно-размягченные глобули, что позволяет провести процесс насыщения расплава кислородом в полном объеме, при этом существенно снизить расход подаваемого в эмульсию расплава кислорода дутья.
Технология позволяет повысить стойкость футеровки за счет дополнительного образования оксидов магния из МФО, благодаря чему достигается оптимальное их содержание в шлаке на уровне 10 - 12 %, что также позволит эффективнее использовать шлак для нанесения гарнисажа на футеровку конвертера. В процессе разложения МФО, образуемые оксиды железа вступают в реакцию с элементами металлического расплава с комплексным образованием оксидов углерода (СО 85 - 95 %). Многочисленные пузырьки оксида углерода, которые выделяются из жидкого металла, обеспечивают барботаж расплава в конвертере, уменьшающий образование нестабильной шлакометаллической эмульсии с одновременным понижением пылевыделения при продувке. При таком состоянии расплава понижается общее содержание в металле углерода до необходимого значения, происходит выравнивание температуры по всему объему ванны конвертера, а также протекает частичное удаление неметаллических включений и нежелательных газов за счет стабилизированного барботажа. Все это способствует повышению качества металла.
Процесс разложения карбонатов МФО на оксиды идет с активным поглощением тепла. Это позволяет использовать указанный материал в качестве эффективного охладителя конвертерной плавки. За счет увеличения доли основных оксидов в шлаке улучшается шлаковый режим, что способствует повышению качества стали, а также снижается потребность в кислороде дутья за счет образующихся оксидов железа, участвующих в окислительных процессах. Снижаются потери металла в виде выносимых капель и брызг, выбросов, что обеспечивает увеличение выхода годного на 0,6 - 1,0 %, а также повышается его качество ввиду более полного удаления неметаллических включений и вредных примесей, снижается расход кислорода и продолжительность продувки. Также увеличивается доля чугуна в металлошихте при выплавке стали, что способствует повышению ее качества за счет уменьшения доли лома и поступающих с ним цветных металлов и нежелательных примесей.
Важнейшим моментом для реализации конкретной технологии является определение общего расхода МФО на плавку при разных долях чугуна и лома в металлошите (это рассмотрено ниже).
Результаты расчетов параметров технологии выплавки стали в условиях конвертерного цеха ПАО «ММК»
В таблицах 3.6 и 3.7 представлены результаты расчета материального и теплового балансов выплавки трубных сталей по адаптированной математической модели.
Благодаря данной программе появилась возможность решения исследовательских задач по оценке использования таких материалов как магнезиальный флюс-охладитель, зашлакованный скрап и другие металлические и неметаллические материалы.
Перед расчетом вводятся необходимые исходные данные, выделенные синим и красным цветом.
Особенностью данной модели является определение количества железа, поступающего в шлак во время продувки, по балансу кислорода (по разности отданного на продувку кислорода и израсходованного на окисление элементов).
Количество и состав шлака конца продувки определяется с учетом расхода каждого материала и количества окислившегося железа за счет кислорода дутья.
При расчетах параметров плавки по модели с использованием магнезиального флюса-охладителя в качестве дополнительного охладителя и шлакообразующего материала теплоты разложения его карбонатов рассчитывались через оксиды CaO, MgO, MnO, FeO (теплоты по окислению элементов брались из справочника).
При оценке возможности использования скрапа из шлаковых отвалов в качестве железосодержащего материала и дополнительного охладителя в модели учитывалось, что зашлакованный скрап на основе статистических данных ЦЛК ПАО «ММК» состоит на 50 % из металла и 50 % шлака (в программе для этого используется рассчитываемый состав шлака), т.е. состав скрапа рассчитывается по химическому составу металлической части как обычный лом, а по шлаковой составляющей – как конвертерный шлак конца продувки.
Также был проведен анализ зависимости массы конечного шлака и охлаждающего эффекта скрапа от его зашлакованности, а также зависимости содержания MgO в шлаке, количества жидкого металла и лома от различного количества МФО в металлошихте с построением соответствующих графиков (рисунки 3.4 - 3.6).
Доля шлака в скрапе бралась от 0 до 50% (в реальных производственных условиях допускается доля 30 - 35%).
Для анализа бралось от 5 до максимально-возможной 19,5 т (при которой количество лома было равно нулю) МФО, чтобы сохранить точность проводимого расчета, контролируемую по соответствию расчетной температуры полупродукта и усредненной паспортной.
Были выполнены расчеты как для типичных условий ККЦ ПАО «ММК», так и для плавок с высоким расходом чугуна (вплоть до полной замены лома альтернативными охладителями). Результаты расчетов показателей плавки по базовому варианту модели (без применения МФО) и с подачей 8 т этого материала вместо известняка и части ожелезненного доломита представлены в таблице 3.8. На данную технологию получен патент РФ [64].
В результате 8 т МФО заменяют 8,3 т известняка и 7,6 т ожелезненного доломита. За счет дополнительного прихода железа из магнезиального флюса-охладителя выход жидкого металла на каждой плавке повышается на 3 т по сравнению с базовым вариантом.
Также были изучены различные существующие источники описания моделирования процессов выплавки стали [64 - 87].
Проведен расчет охлаждающих эффектов различных материалов кислородно-конвертерной плавки (рисунок 3.8). Из него следует, что 1 % магнезиального флюса-охладителя от массы металлошихты (4 т) снижает температуру металла на 35 - 37 С, в то время как известняк – на 26 - 28 С, сырой доломит – на 29 - 31 С, ожелезненный доломит, лом и скрап (металлопродукт шлакопереработки) на 12 - 14 С. По охлаждающему эффекту 1 т магнезиального флюса-охладителя заменяет, например, 2,3 - 2,6 т металлического лома, 0,6 - 0,7 т агломерата или 1,0 - 1,3 т известняка.
Был проведен анализ зависимости возможного содержания MgO в шлаке при различном содержании магнезиального флюса-охладителя (рисунок 3.9). Даже при теоретическом исключении лома из конвертерной шихты, когда расход магнезиального флюса-охладителя может достигнуть 19,5 т, содержание MgO не превысит рекомендуемых на практике 12 %.
Из рисунка 3.9 следует, что даже при расходе комплексного магнезиального флюса-охладителя, близком к максимальному, содержание MgO в шлаке находится на допустимом уровне 12 %, что позволяет проводить нанесение насыщенного оксидами магния шлакового гарнисажа, являющегося важной составляющей технологии горячих ремонтов футеровки кислородных конвертеров. Это позволяет повысить содержание MgO в конвертерном шлаке, снизить его агрессивное воздействие на футеровку и получить надежное защитное покрытие.
Анализ результатов плавок, проведенных с повышенной долей чугуна в металлической шихте конвертеров ПАО «ММК»
В современном конвертерном сталеплавильном производстве наблюдаются широкие пределы изменения соотношения основных компонентов металлошихты – чугуна и лома (например до 100 % чугуна в конвертерном цехе ПАО «ЕВРАЗ – НТМК»). За последние 20 лет в целом доля лома в металлошихте сталеплавильного производства неуклонно снижается. В ККЦ ПАО «ММК» доля чугуна в металлошихте колеблется от 75 до 87 % (в среднем 79,5 %). Здесь с повышенной долей чугуна (85 % и выше), как правило, выплавляются стали более высокого качества: трубные для магистральных газопроводов, судостроительные, автокузовные и т.д. В силу дальнейшего ухудшения качества лома из-за его переработок, становится неизбежным его загрязнение вредными примесями, в частности неудаляемой медью, при избыточном содержании которой (более 1,0%) в сталях проявляется необратимое старение. Кумулятивный загрязняющий эффект от процессов оборота лома неизбежно приведет к ухудшению свойств выплавляемых сталей, в обозримом будущем истощив ресурс всех возможных буферных вариантов стабилизации его использования в прежних объемах. Одним из наиболее-перспективных вариантов как раз является повышение доли более-чистого чугуна в шихте. С этой целью был проведен общий анализ параметров выплавки стали по технологии с повышенной долей чугуна в шихте [87 - 122].
По разработанной программе расчета параметров плавки был количественно оценен тепловой баланс конвертерной плавки с повышенной долей чугуна. В таблице 4.1 представлены данные расчета при обычном расходе лома 22 % и чугуна 78 %.
В основу этой оценки были положены условия производственного процесса в ККЦ ПАО «ММК» и проанализированы данные около 2500 паспортов выплавки стали, сформированных в датированную базу-каталог, отобраны паспорта с повышенной долей чугуна в шихте, проведенные за период 2016 - 2017 года. На базе проведенных исследований с помощью программы расчета параметров плавки были построены различние зависимости.
На рисунках 4.1 и 4.2 представлен тепловой баланс прихода и расхода тепла на тонну стали в зависимости от расхода чугуна в металлошихте.
На рисунках 4.3 - 4.6 представлено влияние различного соотношения расхода чугуна и лома (при неизменной средней массе металлошихты 410 т, неизменном расходе извести - 12 т и ожелезненного доломита - 12,5 т) на параметры металла и шлака. Эти данные задавались в программе расчета с целью выявления показательных динамик равномерного влияния-воздействия повышающегося содержания чугуна на основные параметры плавки.
Из рисунка 4.2 видно, что избыток тепла при повышении доли чугуна в металлической шихте с 78 % до 92,7 % возрастает примерно в четыре раза, и его нужно компенсировать вводом дополнительных охладителей, роль которых может быть исполнена комплексным магнезиальным флюсом-охладителем.
Общее количество шлака складывается из нескольких источников:
- продукты окисления элементов металлошихты;
- поступление компонентов из извести и других добавочных шлакообразующих материалов;
- сопутствующие материалы чугуна (миксерный шлак) и металлического лома (окалина и замусоренность лома и скрапа);
- компоненты гарнисажа и футеровки конвертера. С увеличением содержания чугуна в металлошихте возрастает и количество шлака за счет изменения поступления компонентов из источников шлакообразования. В шлак поступают оксиды железа с неметаллическими материалами и при окислении железа кислородом дутья, что благоприятствует усвоению извести шлаком за счет образования легкоплавких соединений.
Чем меньше углерода в конце продувки, тем больше оксидов железа в шлаке. Возможный ввод магнезиального флюса-охладителя позволит уже на начальном этапе получить активный жидкоподвижный шлак, насыщенный FeOобщ.
В начальный период продувки в шлаке содержится 25 - 30 % FeOобщ, а по мере окисления углерода (спустя около 60 % продолжительности продувки) снижается до уровня 12 - 15 %, который необходимо удерживать, поскольку при меньшем содержании оксидов железа в шлаке он начнет «сворачиваться» за счет кристаллизующихся тугоплавких оксидов CaO и MgO.