Раздел 3. Производство стали
Цель раздела:
Ознакомиться с современными технологиями при производстве стали
План раздела 3:
3.1. Конвертерное производство стали
3.2. Мартеновское производство стали
3.3. Выплавка стали в электрических печах
3.4. Внепечная обработка стали
3.5. Комплексные технологии внепечной обработки чугуна и стали
Цель подраздела 3.5:
Ознакомиться с современными комплексными технологиями внепечной обработки чугуна и стали
План подраздела 3.5:
3.5.1. Внедоменная десульфурация чугуна
3.5.2. Внедоменная дефосфорация чугуна
3.5.3. Проведение обескремнивания и дефосфорации чугуна
3.5.4. Совместное проведение операции десульфурации и дефосфорации
3.5.5. Комплексные технологии внепечной обработки чугуна и стали
Возможности получения стали той или иной степени чистоты существенно различаются для условий работы электросталеплавильных агрегатов и конвертеров (мартеновские печи занимают промежуточное положение). Конвертерное производство имеет то преимущество, что шихта состоит в основном из жидкого чугуна, не содержащего обычно заметных количеств примесей цветных металлов. Иногда для получения особо чистой стали металлошихта конвертеров состоит из чугуна на 100 %. Однако чугун содержит некоторое количество таких нежелательных примесей, как фосфор и сера. Вместе с тем современное металлургическое производство располагает технологиями, обеспечивающими весьма эффективную обработку жидкого чугуна перед подачей его к сталеплавильным агрегатам.
Целями внепечной (внедоменной) обработки чугуна являются его десульфурация, дефосфорация и обескремнивание. В отдельных случаях осуществляется дополнительный подогрев чугуна.
3.5.1. Внедоменная десульфурация чугуна
В качестве реагентов-десульфураторов при внепечной обработке чугуна используют магний (в виде чистого магния, смеси извести и магния, в виде кусков кокса, пропитанных магнием, в виде гранул магния, покрытых солевыми покрытиями и др.), кальцийсодержащие материалы (в виде извести, известняка, карбида кальция) и соду. Основные реакции десульфурации чугуна:
Mgг + [S] = MgS; DG0 = -104100 + 44,07Т;
СаОт+ [S] + Сг = CaSт + COг; DG0 = 25320 - 26,33Т;
CaC2 + [S] = CaS + 2C; DG0 = -86900 + 28,72Т;
Na2О + [S] + С = Na2S + COг; DG0 = -2000 - 26,78Т.
Расчеты показывают, что для связывания 1 кг серы необходимо 0,75 кг Mg, 1,75 кг СаО, 2 кг СаС2, 3,31 кг Na2CО3. Наиболее низкий расход реагента - в случае использования металлического магния. При этом обеспечивается высокая степень десульфурации. К преимуществам использования именно магния можно отнести такие факторы, как малое количество образующегося шлака и то, что в процессе десульфурации магнием практически не образуется продуктов, вредных для окружающей среды. Однако стоимость магния сравнительно высока и выбор реагента определяется в конечном счете экономическими соображениями.
Ввод реагентов в металл может осуществляться в виде кусков, гранул, порошков, проволоки. При вдувании порошков в качестве несущего газа используют воздух, азот, природный газ. Перемешивание реагентов с металлом можно осуществлять различными способами, в том числе:
1) падающей струей металла;
2) различными механическими мешалками;
3) барботажем под воздействием продувки газом;
4) пульсирующей затопленной струей и др. (воздействием вибрации, воздействием ультразвука, газлифтным перемешиванием).
3.5.2. Внедоменная дефосфорация чугуна
Для удаления из жидкого чугуна фосфора используют обычно или смеси прокатной окалины (или железной руды) с известью и плавиковым шпатом, или соду, или вдувание извести в потоке кислорода.
При обработке смесями оксидов железа и извести идет реакция
2Р + 3(СаО) + 5FeO = 3СаО×P2O5 + 5Fe;
при обработке содой реакция
4[Р] + 5Na2CО3 = 5Na2О×2P2O5 + 5С.
Опыт показал, что при наличии в чугуне кремния введение как оксидов железа, так и соды сопровождается энергичным его окислением
[Si] + 2(FeO) = SiО2 + 2Fe
[Si] + Na2CО3 = Na2О×SiО2 + С
2[Si] + 2Na2CО3 = 2Na2О×SiО2 + 2CO.
Процесс дефосфорации чугуна начинается лишь после удаления кремния. Поэтому во всех случаях, когда проводится операция дефосфорации, ей предшествует проведение обескремнивания.
3.5.3. Проведение обескремнивания и дефосфорации чугуна
Операция внедоменного обескремнивания чугуна позволяет решать следующие задачи:
1) более эффективно использовать реагенты, вводимые для десульфурации и дефосфорации;
2) организовать последующее ведение плавки в конвертере с минимальным количеством шлака ("малошлаковая" или "бесшлаковая" технология).
Для удаления кремния обычно используют обработку жидкого чугуна прокаткой окалиной или какими-либо иными железорудными материалами, которые вводят или сверху на желоб доменной печи, или в ковш.
В процессе обработки окисляются кремний и углерод.
При подаче реагентов не на поверхность, а в глубь металла, под давлением, соотношение скоростей окисления кремния и углерода меняется (затрудняются условия удаления углерода), основная доля окислителя расходуется на окисление кремния. Кроме того, повышению скорости окисления кремния способствует барботаж металла при вдувании.
Барботаж ванны и интенсивное при этом ее перемешивание способствуют начинающемуся после обескремнивания процессу окисления фосфора. Использование метода вдувания реагента весьма эффективно при введении в глубь ванны порошкообразной соды; степень полезного использования вводимого натрия при этом приближается к 100 %.
3.5.4. Совместное проведение операции десульфурации и дефосфорации
Как известно, для проведения операций дефосфорации и десульфурации требуются различные условия. Для успешной дефосфорации желательно иметь высокий окислительный потенциал и невысокую температуру, для десульфурации - невысокий окислительный потенциал и повышенную температуру.
Один из вариантов решения проблемы – организация операций дефосфорации и десульфурации в одном агрегате. В зоне выхода из фурмы, подающей в глубь металла окислительную смесь, окисляется фосфор; на границе раздела металл -высокоосновный малоокисленный шлак происходит удаление серы.
Возможен и другой вариант технологии. В предварительно обескремненный чугун вдувают порошок извести, а через верхнюю фурму обдувают поверхность металла кислородом и таким образом проводят дефосфорацию. Затем отключают кислородную фурму, а через первую для удаления серы вдувают соду. На использующем эту технологию заводе Kobe Steel содержание фосфора снижают с 0,080 до 0,010 %, а серы с 0,050 до 0,010%.
На ряде заводов (особенно в Японии) технология внедоменной обработки чугуна, включающая удаление серы, кремния и фосфора, широко используется. Технология названа SMP (Slag Minimising Process). SMP-процесс используют в основном для получения стали промышленного производства с минимальными затратами на рафинирование путем стабилизации содержания кремния в чугуне на низком уровне (0,2-0,25 %). Этим достигается увеличение выхода годного, снижение расхода флюсов в конвертерном цехе при увеличении стойкости футеровки, производительности и т. д.
Окисление кремния можно проводить на желобе доменной печи или в передвижном миксере путем верхней подачи окалины (28 кг/т чугуна) в струе газа. Полученный шлак удаляют.
3.5.5. Комплексные технологии внепечной обработки чугуна и стали
Появление новых технологий, способных обеспечить глубокое рафинирование чугуна и стали, позволяет по-новому организовать весь технологический процесс получения стали.
Несколько примеров.
Первый пример. На заводе Kobe Steel (Япония) предварительно обескремненный чугун заливается в ковш и поступает на установку, оборудованную двумя фурмами, одна из которых предназначена для подачи реагентов в глубь металла. После проведения дефосфорации и десульфурации скачивают шлак и металл переливают в конвертер для продувки на сталь. Полученную сталь рафинируют на установке ковш-печь, вводят реагенты-десульфураторы и вакуумируют. Такая комплексная технология позволяет получать сталь, содержащую сумму ([Р] + [S]) < 0,005 %.
Второй пример. В 1985 г. на заводе Mizushima Works (Япония) пущен комплекс, состоящий из оборудования для обескремнивания чугуна на желобе доменной печи и обескремнивания, дефосфорации и десульфурации чугуна в ковше миксерного типа. Для обескремнивания используется смесь агломерационной пыли (75 %) и извести (25 %), для дефосфорации смесь состоит из агломерационной пыли (54 %), извести (38 %), плавикового шпата (4 %) и соды (4 %). Чугун после обработки содержит ≤ 0,03 % Si; 0,01-0,03 % Р; 0,003-0,020 % S. Все варианты процессов получения чистых по фосфору чугунов включают операции одно- или двухкратного скачивания шлака. Такие технологии позволяют получать после продувки в конвертере ≤ 0,0015 % Р в стали.
Третий пример. На заводе "OxelBsund" (Швеция) в чугуновозных ковшах миксерного типа производят продувку чугуна смесью СаС2-СаСО3 в струе азота, при этом содержание серы снижается с 0,05-0,07 % примерно в десять раз. Для многих марок стали после продувки такого чугуна в конвертере комбинированного дутья внепечной обработки с целью десульфурации не требовалось.
Четвертый пример. Институтами ЦНИИЧМ, ИЧМ, МИСиС совместно с комбинатом "Азовсталь" разработана комплексная технология выплавки в 350-т конвертерах высококачественного металла для толстого листа (с очень низкими содержаниями серы, фосфора, азота и кислорода и практически без примесей цветных металлов). Технология включает обработку чугуна в заливочных ковшах магнием в потоке природного газа, обеспечивающую получение в чугуне до 0,002% S и высокую степень усвоения магния (75-90%), использование в качестве охладителей конвертерной плавки металлизованных (90%) окатышей, двухшлаковый процесс со сливом первичного шлака и - для предотвращения рефосфорации - слив основной массы конечного шлака при ожидании анализа, загущение оставшейся его части в конвертере и в ковше известью и надежную отсечку шлака в процессе выпуска плавки из конвертера.
Таким образом, развитие методов внепечной обработки чугуна и стали позволяет для каждой группы марок стали определять содержание конкретной технологии комплексной обработки, включающей ту или иную операцию, или несколько операций одновременно (в зависимости от требуемой чистоты стали по фосфору, сере, содержанию газов, примесей цветных металлов, а также в зависимости от затрат на проведение отдельных операций в конкретных местных условиях).