Автоматизація процесів конвертерного виробництва сталі

Задача контролю та керування киснево-конвертерною плавкою – отримання металу із заданим хімічним складом і температурою. Звичайно він забезпечується відбором проб металу і шлаку і вимірюванням температури після продування і нахилу конвертера. Тривалість цих операцій і очікування результатів аналізу становить 4-5 хв., що значно зменшує продуктивність.

Керування плавкою візуально (вид іскор і факелу, виноси і викиди) не забезпечує потрібної точності моменту завершення продування. Ефективність ручного керування залежить від майстерності операторів, при цьому 50 % плавок потребує додування, охолодження і навуглецьовування. Добування приводить до збільшення циклу плавки, витрат домішок, впливає на стійкість футеровки, вихід придатного металу.

Розв’язанням проблеми є використання системи автоматичного керування, що дає змогу вести процес за оптимальним режимом і завершувати вчасно.

Автоматичні системи поділяються на дві групи: статичні і динамічні. Статичне керування грунтується на математичній моделі, утворюється алгоритм, який характеризує порядок ведення плавки. ЕОМ за заданим алгоритмом і інформацією про масу і склад складових шихти, склад сталі, ступінь чистоти кисню, стан і температуру футеровки визначає сумарну витрату кисню і режим подачи сипких. Система не використовує інформацію про хід процесу і тому є “порадником” оператора.

Динамічне керування облічує поточну інформацію про киснево-конвертерний процес, що дає змогу своєчасно регулювати протікання процесів, пов’язаних з окисленням і нагріванням ванни.

Використовують як інформацію за непрямими параметрами процесу (склад, кількість і температура відхідних газів) шум процесу, зміна температури води в котлі охолоджувача конвертерних газів, а також за допомогою фурм-зондів. Разом зі статичними вони забезпечують потрібні параметри металу в 90-95 % випадків при збільшені виходу придатного і зниженні собівартості сталі.

Внаслідок конверсії оборонної промисловості в ККЦ впроваджуються нові методи радіофізичного контролю температури, рівня і складу металу при продуванні за допомогою мікрохвильових датчиків.

Лекція 11

Якість та сортамент конвертерної сталі. Перспективи розвитку конверторного виробництва

11.1 Якість конвертерної сталі

Якість сталі залежить від вмісту газів, сірки і фосфору, домішок кольорових металів, неметалевих включень, легування і мікролегування, модифікування, термічної і термомеханічної обробки.

У звичайній киснево–конвертерній сталі, яку вироблено без вживання спеціальних заходів, S, P, N, H, [H.B.], вміст кольорових металів дещо менше, ніж у мартенівській.

Комплекс позадоменна обробка чавуну – конвертер – позапічна обробка сталі – безперервна розливка відкриває для підвищення якості сталі необмеженні можливості. Так вже стала реальною промислова виплавка сталі із сумарним вмістом S, P, N, H не більш як 0,005 %.

Розглянемо можливості конвертерних процесів з різних шкідливих домішок

Сірка різко знижує пластичність сталі при високих температурах (червоноламкість). Існує ряд варіантів досягнення низького вмісту сірки в сталі:

десульфурація чавуну і сталі, застосування низькосірчистого брухту, удосконалення технології конвертерної плавки. Усі ці варіанти можуть бути застосовані, як окремо, так і разом. Критерієм є отримувані результати і рівень затрат. Найдорожчий – зміна технології доменної плавки, найекономічний – десульфурація сталі.

Фосфор збільшує крихкість металу при низьких температурах (холодноламкість). Варіанти досягнення низького вмісту фосфора в сталі: дефосфорація чавуну, удосконалення технології конвертернї плавки. Мінімум затрат забезпечує зміна технології, максимум – добір низькофосфористих залізних руд. Необхідна умова низького вмісту фосфору – відсікання конвертерного шлаку при випуску металу в ківш, бо без відсікання рефосфорація становить 0,002 – 0,030 %. Друга умова – обмеження вмісту фосфору в феросплавах.

Азот знижує відносне подовження, зменьшує магнітну проникність, електропровідність і електрозварюваність сталі, підвищує її міцність і текучість.

Кількість нітридів збільшується в процесі служби виробів (старіння сталі). Головне джерело азоту кисень, а також чавун, брухт, вапно, феросплави, паливо, навуглецьовувачі, повітря. До збільшення вмісту азоту приводять додувки, оскільки при повалці відновлюється атмосфера в конвертері. З атмосфери азот переходить в сталь при випуску метала, позапічній обробці і безперервної розливці. [S] і [O] блокують [N] при вакуумуванні і він виводиться в невеликій кількості.

Водень зменшує межу міцності та ударну в`язкість, значно знижує відносні звуження і подовження сталі, сприяє створенню флокенів.

З'явилося багато різновидів процесу. При переробці фосфористих чавунів для прискорення шлакоутворення у струмені кисню вдувають в ванну тонкоподрібнене вапно, використовують агрегати, що обертаються під час продувки. Винайдено способи переробки природно-легованих чавунів V, Cr, Mn.

Проте можливість продувки металу знизу киснем залишалася привабливою. Перемішування ванни, теплообмін у ній, засвоєння потрібних матеріалів і дуття при цьому набагато кращі. Нижче також конвертерне відділення цеху, бо не потрібна киснева фурма. Тому дослідження тривали і в 1967-69 рр. спочатку в ФРН, а потім у Франції, США та інших країнах виникли способи продувки фосфористого і звичайного переробного чавуну в конвертері знизу струменями кисню, оточеними для ізоляції його від контакту з рідким металом у днища кільцевими струменями вуглеводів. Так виникли OBM (Oxyden Bottomn Machutte) – процес /ФРН/, LWS (Loise – Creusot, Wendel – Sidelor, Sprunck) – процес /Франція/, Q-BOP (guiet, guick, guelity) – процес /США/. У конвертерах із донною продувкою виплавлено в 1980 р. 40 млн. т сталі.

Недоліки продувки зверху і через дно дали поштовх для виникнення досконаліших комбінованих конвертерних процесів донноверхнього дуття. Комбінована продувка дала змогу об'єднати переваги продувки зверху і знизу. Досягнуто більш інтенсивне і рівномірне перемішування, розосередження дуття, більше наближення системи шлак – метал до рівноваги, спокійне протікання продувки, високий вихід придатної сталі, менше пиловиділення, швидке розчинення кускового вапна, легке регулювання окисленості шлаку тощо. Отже, комбінована продувка витісняє як суто донну кисневу, та і верхню.

Крім того, агрегати конвертерного типу починають застосовувати для виробництва легованої і високолегованої сталі шляхом продувки напівпродукту з дугової електропечі або кисневого конвертера сумішами різного складу.

Киснево-конвертерний процес і його можливості

Конвертер для продувки киснем зверху має днище без сопел.

Кисень надходить зверху через водоохолоджувану фурму під тиском 1-2 Мпа. Інтенсивність продувки киснем становить 2-6 м³/(т*хв). Питома витрата кисню дорівнює 50 м³/т, тривалість безпосередньо продувки – 10-25 хв.

Футеровка кисневого конвертера виконується з переклазовуглецевої, смолодоломитомагнезитової, смоломагнезитової або смолодоломитової цегли. Використання вогнетривів з основних оксидів (MgO, CaO) дає змогу наводити у ході процесу основні шлаки для десульфурації і дефосфорації металу.

Плавка в кисневому конвертері при [P] в чавуні до 0.3 % здійснюється у такий спосіб. В похилому положенні в конвертер завантажують сталевий брухт і заливають чавун. Потім переводять конвертер у вертикальне положення, опускають кисневу фурму і продувають ванну. Перед продувкою по тракту сипких матеріалів, розташованому над конвертером, через горловину вводять 40-60 % потрібної для плавки кількості вапна, решту завантажують 2-4 порціями по ходу продувки.

Послідовність виведення домішок чавуну: [Si] і [Mn], [P], [C], [S]. [P] можна вивести при високому вмісті [C], збільшуючи на початку продувки відстань кисневої фурмі від рівня спокійної ванни. У результаті окисленість шлаку дещо підвищується, швидше розчиняється вапно і дефосфорація закінчується при [C] > 0.1 %. Як тільки вміст [C] перевищує заданий на 0.1-0.2 % піднімають кисневу фурму, припиняють подачу кисню, переводять конвертер у горизонтальне положення, відбирають проби металу та шлаку й вимірюють температуру термопарою занурення. Здобувши аналіл металу при надлишку вуглецю виконують додувку на [C]. При наявності зонда, що заглиблюється в конвертер для контролю складу і температури металу, плавки виконують без додувок.

Додувку на [C] виконують при низькому положенні фурми, на [S] або [P] - при підвищенному. Якщо метал недостатньо нагрітий, то “спалюють” Fe при високому положенні кисневої фурми. При невеликому перегріванні (до 20 ^оС) метал витримують, погойдуючи конвертер, або присаджують вапняк (вапно). Після досягнення заданого хімічного складу і температури метал зливають через льотку (сталевипускний отвір) у ківш, а потім через горловину в чашу. Розкислюють і легують метал найчастіше у ковші.При високому вмісті [P] в чавуні в середені плавки зливають проміжний шлак і наводять другій, іноді використовують кінцевий шлак, частку якого залишають у конвертері після зливання металу.

11.2 Сортамент конвертерної сталі

У наш час у кисневих конверторах освоєно всі марки сталі, що виплавлялися в мартенівських печах, а також частину марок сталі, що виплавлялися лише в електропечах.

Високі показники якості конвертерної сталі зумовлюють широкий сортамент виробів з неї: усі види листів, електродна катанка, телеграфний і канатний дріт, труби, сутунка, рейки та ін.

Освоєно виробництво сталей легованих Mn, Si, V, Nb, B, Mo, Cr, призначених для магістральних нафто- і газопрооводів, для авіа- і судобудування, хімічної промисловості, котлобудування; ресорно-пружинні, електротехнічні і трансформаторні кремністі сталі, шарикопідшипникові.

Сталь легують Cu i Ni у конверторі, розкисляють і легують Mn, Si, Cr, Ti, Al в ковші. Розміри кусків лігатур не перевищують 100 мм. Присадку лігатур починають при наповненні ковша металом на 1/5 і завершують на рівні ¾ висоти ковша.

Киплячу сталь розкисляють феромарганцем, вміст кремнію в якому не перевищує 1,5 %.

Низьколеговані сталі розкислюють і легують, дотримуючись такого порядку присадок: термоантрацит, Fe-Mn, Si-Mn, Fe-Si, Al, Fe-V, Fe-Nb, Fe-Ti, азотований Fe-Mn, Si-Ca.

При розкисленні і легуванні хромистої сталі – Fe-Si, Fe-Cr з Al, і в останню чергу - Fe-Mn або Si-Mn.

Перспективне використання комплексних легкоплавких феросплавів. Вони характеризуються відносно низькою температурою плавлення (1180-1320 ^оС) і високою густиною (6,6-6,8 т/м³), швидко розчиняються і їх кількість може досягати 2 % від маси сталі. При кількості твердих лігатур понад 1,5-2,0 % від маси сталі іноді використовують екзотермічні феросплави у вигляді брикетів, що містять суміш селітри з порошком Al, Fe-Si або Si-Cr.

Найперспективнішим є застосування рідких лігатур, що містять всі потрібні елементи. Так, у конвертерному цеху ЧелМК лігатури (Si-Mn, Fe-Mn, Fe-Cr) розплавляють в індукційній печі і нагріту до 1560-1580 ^оС заливають на струмінь металу при випуску плавки в ківш. При цьому знижується угар елементу, підвищується рівномірність їх розподілу в об’ємі металу.

Лекція 5