Особенности обеспечения металлошихтой в начале XXI в

Ситуация с обеспечением сталепла­вильных заводов металлошихтой в пе­риод после окончания второй миро­вой войны менялась несколько раз.

В период 40-60-х годов XX в. пре­обладающей являлась мартеновская технология. В мартеновском процессе процентное соотношение чугун: ме­таллолом в шихте было близким 55: 45. Позже с появлением и распро­странением кислородно-конвертерно­го процесса соотношение чугун: ме­таллолом составило 75: 25. Одновре­менно начался вывод из строя мартеновских печей. В этот период наметился называемый условно «де­фицит чугуна».

В конце XX в. примерно в одно и то же время в металлургии стали про­изошли крупные изменения: а) широ­кое распространение получила непре­рывная разливка, и, как следствие, рез­ко сократилась масса оборотного лома; б) бурное развитие претерпело элект­росталеплавильное производство (тра­диционная шихта для электропечей — металлолом); в) заметно возросли тре­бования к качеству стали (в том числе по содержанию примесей цветных ме­таллов). Между тем общая масса заго­тавливаемого металлолома в мире стала определяться массой амортизационно­го лома (зачастую загрязненного неже­лательными примесями).

В результате возникла ситуация, ко­торую условно можно назвать как «де­фицит качественного металлолома». Наступил период активных поисков новых конкурентоспособных способов получения качественной, чистой по нежелательным примесям металло-шихты.

ДОБАВОЧНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ФЛЮСЫ

При выплавке стали для образования шлаков требуемого состава использу­ют специальные добавочные материа­лы (флюсы), рассмотренные ниже.

5.1.1. Известняк, основная состав­ляющая которого СаСО₃ при нагрева­нии разлагается: СаСО₃ → СаО+ +С0₂ - 178,02 кДж. Эта эндотермичес­кая реакция начинает протекать ин­тенсивно при температуре -1000 ºС. Если образующийся при разложении известняка диоксид углерода СО₂ кон­тактирует с углеродсодержащим рас­плавом, то протекает также эндотерми­ческая реакция окисления углерода:

СО_2(Г) + С = 2СО_Г. В этом случае изве­стняк является не только шлакообра-зующей добавкой, но и окислителем. Обычно используют известняки, со­держащие >95 % СаСО₃ (в чистом СаС0₃ - 56 % СаО и 44 % СО₂); огра­ничивается содержание SiO₂ (<2,5 %), а также серы и фосфора. Используется и доломитизированный известняк (кото­рый кроме СаСО₃ содержит MgCO₃). Если в обычном известняке содержит­ся 0,5—3,0 % MgO, то в доломитизиро-ванном — 5-10 % и более.

5.1.2. Известь получают в специаль­ных известковообжигательных агрега­тах путем обжига известняка. Свеже­обожженная известь должна содержать >90 % СаО (лучшие сорта — до 96 % СаО), <3 % SiO₂ и возможно меньшее количество серы. Сера может перехо­дить в известь из топлива при обжиге известняка, поэтому наиболее чистая по содержанию серы известь получает­ся при использовании чистого по со­держанию серы топлива. При содержа­нии в извести >0,1 % S трудно получить сталь с низким содержанием серы (при использовании в качестве топлива сер­нистого кокса содержание серы в изве­сти может достигать 0,2—0,3 %).

Одно из основных требований к извести — минимальное количество влаги. Свежеобожженная известь вза­имодействует с влагой, содержащейся в атмосфере: СаО + Н₂О = Са(ОН)₂. Содержание влаги в извести начинает заметно возрастать уже через несколь­ко часов хранения на воздухе. Через сутки хранения обожженную известь нежелательно использовать при вы­плавке высококачественной стали, так как можно внести в ванну значитель­ное количество водорода. Кроме того, при взаимодействии с влагой (при «га­шении») известь превращается в рых­лый легкий порошок, который уно­сится отходящими газами и не попада­ет в ванну.

Размеры кусков свежеобожженной извести должны быть в пределах от 10 до 50 мм. Куски размером <10 мм уно­сятся отходящими газами, а >50 мм не успевают за время плавки полностью раствориться в шлаке. Большое значе­ние для шлакообразования имеет по­ристость извести. Для каждого сорта известняка разрабатывают технологию его обжига, которая должна обеспе­чить одновременно и высокую сте­пень обжига (максимальное количе­ство СаО в извести), и высокую пори­стость полученного материала (стре­мятся получить так называемую «мяг-кообожженную» известь). Существуют специальные методы установления ре­акционной способности извести. Для получения извести используют печи разных типов: шахтные, вращающиеся и с кипящим слоем.

5.1.3. Боксит используют в стале­плавильном производстве в качестве флюса, снижающего температуру плавления основного шлака, повыша­ющего его жидкоподвижность и уско-

ряющего тем самым процесс шлако­образования. В бокситах разных мес­торождений содержится, %: А1₂0₃ 20-60; SiO₂ 3-20; FeO₃ 15-45 и неко­торое количество влаги. В тех случаях, когда боксит содержит очень малое количество кремнезема, добавка бок­сита в качестве флюса практически не снижает основности шлака, но замет­но понижает температуру его плавле­ния (рис. 5.1). Если в цех поступает боксит с высоким содержанием крем­незема, то необходимо учитывать снижение основности шлака при его введении в ванну. Использование боксита, содержащего >10 % SiO₂, не­желательно. В боксите всегда содер­жатся оксиды железа, а некоторые сорта боксита по количеству содержа­щихся в них оксидов железа сравнимы с бедными железными рудами, поэто­му необходимо учитывать, что при введении боксита помимо ускорения процесса шлакообразования, как пра­вило, повышается активность оксидов железа в шлаке.

5.1.4. Плавиковый шпат используют в сталеплавильном производстве для ускорения процесса растворения изве­сти в основном шлаке и повышения жидкоподвижности шлака. Основная составляющая плавикового шпата (75—95 %) — флюорит CaF₂, остальное SiO₂ и другие примеси. Плавиковый шпат обычно содержит <5 % SiO₂, по­этому его введение в шлак не сопро­вождается заметным снижением ос­новности шлака. Плавиковый шпат дороже боксита, однако его примене­ние оправданно в том случае, если требуется быстро и при помощи ма­лых добавок добиться заметного улуч­шения шлакообразования.

5.1.5. Смеси и брикеты. Для ускоре­ния процесса шлакообразования в не­которых случаях заранее приготавли­вают шлакообразующие смеси (на­пример, смесь извести с плавиковым шпатом, бокситом и т. п.); использу­ют офлюсованные агломераты с высо­кой основностью; обжиг известняка ведут, загружая в известково-обжиго-вые печи вместе с известью боксит, марганцевую руду и др. и получая та­ким образом легкоплавкий продукт совместного обжига; брикетируют по­рошки в пыль и т. п. Так, например, для последующего использования в конвертерной плавке в шихту печей для обжига известняка вводят железо­рудные материалы или шламы от пы­леулавливающих установок (состоят в основном из оксидов железа). Получа­ют продукт, содержащий 80-95 % СаО и до 10 % оксидов железа. Использо­вание таких материалов (офлюсован­ной или «ожелезненной» извести) об­легчает протекание процесса шлако­образования. Один из вариантов технологии получения такого матери­ала приведен на рис. 5.2. Частицы до­бавок нагреваются и попадают на из­весть в состоянии предплавления, а затем происходит миграция распла­вившихся капель внутрь кусков извес­ти. Поверхность кусков извести по­крывается прочной корочкой толщиной до 10 мм, насыщенной оксидами железа или марганца. Содержание ок­сидов железа (или марганца) на поверх­ности кусков составляет 4—14 %, в центре— 0,4-0,6 % (обычное содержа­ние оксидов железа в извести). При­сутствие на извести оболочки с высо­кой степенью черноты, улучшая теп­лообмен с факелом, повышает степень обжига даже при некотором сокраще­нии расхода топлива.

Покрытие, образующееся на изве­сти, уменьшает ее гидратацию и по­вышает стойкость при транспорти­ровке и хранении. Истираемость та­кой извести в 2 раза меньше, чем чистой. Выход офлюсованной извес­ти класса 25—40 мм (класс исходного известняка) на 8—10 % выше, чем при

обычном обжиге

Рис. 5.1. Диаграмма фаз для системы CaO-A]₂O₃-SiO2 (линии температур ог­раничивают области жидкого состояния): химические соединения — крис-тобалит SiO₂; тридимит SiO₂; корунд А1₂О₃; псевдоволластонит CaO-SiO₂; волластонит СаО • SiO₂; муллит А1₂О₃ • 2SiO₂; анортит СаО- А1₂О₃ • 2SiO₂; илинит 2СаО • А1₂О₃ • SiO₂

Рис. 5.2. Схема установки для получения комплексного флюса:

1 — пылевая камера; 2 —шахтный подогреватель; 3— печь; 4, 5— основная и дополнительная фурмы; 6—транспортный трубопровод; 7— приемная во­ронка для железомарганцевых добавок; 8— пневмо-камерный насос; Я—известь; Ф — офлюсованная известь

Известь интенсивно поглощает влагу из воздуха — по истечении пер­вых суток после обжига известь вбира­ет 6—8 % влаги (от массы образца), че­рез 8 сут процесс гидратации заверша­ется и вся известь переходит в гидрат Са(ОН)₂. Офлюсованная же известь за первые сутки поглощает не более 2 % влаги, а после 5 сут —5-12% влаги (обычная известь к этому времени со­держит около 30 % влаги); полная гид­ратация наступает через 14—15 сут.

Получаемые по таким (или подоб­ным) технологиям материалы имену­ются по-разному: офлюсованная из­весть, железофлюс, ФКФ (ферритно-кальциевый комплексный флюс) и др.

ОКИСЛИТЕЛИ

Для ускорения процессов окисления углерода и других примесей в ванну вводят окислители в твердом (желез­ная руда, агломерат, железорудные окатыши, прокатная окалина) или газообразном (сжатый воздух, кисло­род, смеси разного состава, включаю­щие кислород, водяной пар, углекис­лый газ и т. п.) состоянии. Твердые окислители должны иметь высокое содержание оксидов железа и мини­мальное содержание кремнезема, так как увеличение содержания SiO₂ в руде вызывает снижение основности шлака и требует увеличения расхода извести, при этом возрастает также общая масса шлака. Кроме того, куски твердых окислителей должны иметь возможно большую плотность. Пыле-ватые руды, легковесная окалина и подобные материалы частично уно­сятся отходящими газами, частично задерживаются в шлаке, поэтому эф­фективность их использования неве­лика.

В качестве твердых окислителей используют также комбинированные материалы в виде офлюсованного аг­ломерата, брикетов из рудной мелочи и т. п. Основное требование, предъяв­ляемое к газообразным окислите­лям, — их чистота. Кислород должен содержать минимальное количество азота. При содержании в кислороде <0,5 % N₂ (чистота >99,5 %) обеспечи­ваются необходимые предпосылки для получения чистой по содержанию азо­та стали. Присутствие нескольких процентов азота в кислороде не влияет на тепловой баланс процесса, однако стоимость кислорода, менее чистого по содержанию примесей, значитель­но ниже. Определению оптимальной чистоты кислорода предшествует ис­следовательская работа. Иногда при­знают рациональным начальную часть плавки проводить с использованием более дешевого, но менее чистого кис­лорода, а заключительную — с исполь­зованием кислорода, содержащего ми­нимальное количество азота. Кисло­род высокой чистоты (99,5 %) назы­вают техническим, а менее чистый (но более дешевый) технологическим.

Основными недостатками, прису­щими процессам, при которых металл продувают газообразным кислородом, являются интенсивное испарение же­леза и его окисление в зоне высоких температур (в зоне контакта расплав­ленного металла с газообразным кис­лородом). Одним из способов умень­шения угара металла и запыления ат­мосферы является снижение темпе­ратуры в этой зоне, которое достигает­ся различными приемами: введением в состав газов для продувки водяно­го пара, порошкообразной железной руды, разбавлением кислорода арго­ном, углекислым газом, азотом.

В качестве окислителя может быть использован также озон О₃. Исследования возможностей и целесообразно­сти использования в металлургии озо­на находятся на начальной стадии. В частности, изучается возможность озонирования отходящих газов с це­лью нейтрализации СО:

СО + О₃ → СО₂ + О₂ + Q.

В опытах по озонированию отходя­щих газов, проводившихся на Мариу­польском металлургическом комбина­те с использованием стандартного озонатора тлеющего разряда, зафик­сировано снижение в этих газах кон­центраций оксида углерода, оксида азота и сернистого ангидрида.

Данных о перспективах использо­вания озона в практике металлурги­ческого производства пока недоста­точно.

КАРБЮРИЗАТОРЫ

В практике сталеплавильного произ­водства карбюризаторы, или карбони-заторы, называемые также науглеро-живателями, используют для коррек­тировки содержания углерода в металле по ходу плавки или при ее вы­пуске. Кроме того, их применяют для снижения расхода чугуна (при его де­фиците или дороговизне). Карбюриза­торы вводят (вдувают) преимуще­ственно в порошкообразном виде, но иногда в виде кусков или блоков.

В качестве карбюризаторов исполь­зуют графит, антрацит, угольную пыль, пылевидные отходы установок сухого тушения кокса и другие углеродсодер-жащие материалы. Блоки обычно вы­полняют из графита. Из перечислен­ных материалов наиболее удобен для использования графит, но это наибо­лее дорогостоящий материал.

Основным недостатком многих углеродсодержащих добавок является нестандартность показателей эффек­тивности использования (различие показателей угара и усвоения), что связано с колебаниями содержаний летучих составляющих, пористости, гранулометрического состава и других характеристик углеродсодержащего материала разных партий.

ТОПЛИВО

Сталеплавильное производство явля­ется одним из значительных потреби­телей топливно-энергетических ре­сурсов. Удельный расход условного топлива на выплавку 1 т стали в сред­нем составляет -80 кг, причем посте­пенно снижается по мере уменьшения доли мартеновского способа произ­водства и увеличения доли конвертер­ного передела. Около 2/3 общего ба­ланса топливных ресурсов приходится на долю природного газа, около 30 % — на долю топочного мазута. Большую часть топлива потребляют мартеновские печи (-135 кг условного топлива на 1 т стали); топливо расхо­дуется также на обжиг извести и др.