Производство стали

–

1. О большой ценности железа свидетельствовал следующий факт. При раскопках Ниневии – столице древней Ассирии, во дворце могущественного царя Саргона II, правившего в конце VIII века до н.э., археологи обнаружили настоящий железный клад: в особой комнате хранилось около 200 тонн различных изделий из железа (шлемов, пил, кузнечных орудий и др.) и необработанные крицы этого металла, которые запасливый царь, должно быть, припрятал на черный день.

2. В 1820 г. англичане купили в России на Урале листовое железо для покрытия крыши здания государственного учреждения. За 150 лет крышу ни разу не ремонтировали и не красили. До сих пор крыша не имеет даже следов ржавчины.

—

1.4.1. ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Исходными металлическими материалами для производства стали являются чугун (жидкий или твердый), стальной лом (скрап), продукты прямого восстановления железа (металлизованное сырье), ферросплавы. Самая дешевая часть металлошихты – лом. В любой промышленной стране ежегодно образуется значительное количество этого материала.

В зависимости от происхождения лом разделяют на три большие категории:

1) собственные отходы черной металлургии и литейного производства (circulating scrap). Фактически эти отходы полностью идут на переплавку на производственных предприятиях, за исключением незначительного обмена между заводами;

2) отходы металлообрабатывающих заводов (process scrap). В данном случае речь идет о «неизбежном ломе», который во избежание загромождения, производственное предприятие вынуждено продавать – следовательно, объем таких отходов на рынке тесно связан с уровнем промышленного производства;

3) утильный или амортизационный лом (capital scrap), который включает все забракованные или устаревшие металлические изделия, начиная от промышленного превращения в скрап, и, кончая бытовыми отходами. Весь металлолом, вне зависимости от его происхождения, практически полностью используется в черной металлургии.

На рис. 30. представлены основные источники образования лома и отходов черных металлов и их доля (по оценке АО «Втормет» на 2000 г.).

Количество собственного (оборотного) лома на металлургических предприятиях зависит от объема выплавки жидкой стали и уровня использования непрерывной разливки.

В последнее время, в связи с ростом доли непрерывной разливки, количество оборотного лома постоянно уменьшается. С 1990 по 1997 гг. объем стали, разливаемой на машинах непрерывной разливки, увеличился с 23,1 до 46,5 %, что привело к снижению отходов оборотного лома почти на 28 %.

Доля отходов металлообрабатывающей и машиностроительной отраслей в ресурсах лома также снижается за счет совершенствования технологических процессов металлообработки. В то же время объем использования амортизационного лома увеличивается (рис. 31). Для России характерна такая же тенденция. Количество амортизированного лома определяется металлофондом страны и срока службы металла в различных видах основных средств. Ниже приведены нормативные сроки службы производственных и непроизводственных зданий, некоторых видов рабочих машин и транспортных средств, лет:

Средний срок службы металла в основных фондах составляет 24 - 25 лет, т.е. металл, вложенный в основные фонды, через 25 лет превращается в амортизационный лом. Таким образом, ресурсы амортизационного лома 2000 г. должны соответствовать объему металловложений в основные фонды в 1975 г., ресурсы лома 2020 г. – объему металловложений в 1995 г.

Ржавчина занимает больший объем, чем железо, из которого она образуется. Это явление может вызывать катастрофические последствия. Каменные блоки собора святого Павла в Лондоне (1675-1710_ были скреплены железными скобами, положенными поверх рядов камня в желобах. За сотни лет скрепы проржавели, увеличились в объеме и стали поднимать слои камня. Колокольню собора стало наклонять. Потребовалось разобрать кладку и заменять скобы на нержавеющую сталь.

Купол над читальным залом Британского музея (1854-1858) держится ржавчиной. Чугунные детали его решетки скрепили «замазкой» из железных опилок с нашатырем, замешанным на воде. Опилки быстро превратились в ржавчину, смесь отвердела и плотно заполнила щели между деталями. Она туго распирает детали, прижимая их друг к другу.

По статистическим данным реально списывается в амортизационный лом не более 30 - 50 % его потенциальных ресурсов. Это связано со следующими причинами:

- убыточность или слишком низкая рентабельность работы с вторичным сырье в отдаленных от перерабатывающих предприятий районах Восточной и Северо-Восточной России;

- качество амортизационного лома ухудшается. Возрастает доля низкосортного легковесного лома, содержащего примеси цветных металлов, а отечественные предприятия по подготовке лома к плавке оснащены устаревшим оборудованием, не способным выполнить требования заказчика по качеству вторичных металлов;

- ужесточение требований к качеству выплавляемой стали по содержанию вредных примесей ограничивает применение в шихте не только низкокачественных, но и высококачественных оборотных отходов;

- меняющаяся конструкция дуговых сталеплавильных печей, вывод из строя мартеновских печей предъявляют специфические требования к вторичным металлам по физическим и химическим параметрам.

Основными качественными показателями металлолома как шихтового материала являются насыпная плотность, химическая однородность, содержание неметаллических примесей (земли, песка, ржавчины, масла, деталей из органических материалов и т. д.) и цветных металлов. Для приведения лома в удобное для использования состояние производят его предварительную подготовку: сортировку, разделку, дробление, прессование, пакетирование, обжиг и т. д. Сбором всех видов лома, его подготовкой, занимаются специализированные предприятия (Вторчермет). Несмотря на то, что для этого требуются значительные затраты, эти затраты (на 1 т) ниже затрат на добычу, обогащение железной руды и получение из нее чугуна. Поэтому лом, даже после переработки, стоит дешевле чугуна. Кроме того, при использовании лома на производство стали требуется меньше в 2,5 раза энергетических ресурсов, чем при применении чугуна (энергоемкость лома составляет 302 кг условного топлива/т, а чугуна – 757 кг условного топлива/т).

Использование вторичных черных металлов в качестве сырья позволяет сохранить природные ресурсы, улучшить экологическую обстановку: так пылегазовыделение при подготовке 1,25 т лома составляет 0,99 кг/т, а при производстве чугуна – 27,7 кг/т. Экологический ущерб природе от коррозии металлофонда, невозвращающегося для повторного использования составляет около 7 млрд. руб. в год.

В качестве добавочных материалов (флюсов) в сталеплавильном производстве используют известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, марганцевую руду, песок (около 95 % SiO₂), шамотный бой. Ко всем добавочным материалам предъявляют высокие требования по содержанию вредных примесей (серы, фосфора и др.).

Окислителями являются кислород, сжатый воздух, железная руда, окалина, железорудные брикеты.

1.4.2. КОНВЕРТЕРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

В настоящее время конвертерное производство является основным производителем стали: из 798,5 млн. т. всей выплавляемой в мире стали 541 млн. т. приходится на долю конвертерного металла (около70 %).

В России работают 8 цехов с 22 конвертерами емкостью 9х(300-350 т) и 13х160 т общей мощностью 35 млн. т. Технический уровень конвертерных цехов достаточно высок, а лучшие из них по своей оснащенности и технологическим возможностям входят в число ведущих цехов мира.

Предшественниками современного конвертерного процесса, называемого кислородно-конвертерным были бессемеровский и томасовский способы конвертирования. В настоящее время эти способы практически не используются.

Генри Бессемер, прирожденный изобретатель, получил за свою жизнь более 120 патентов. Один из них – способ получения стали, запатентованный 17 октября 1855 года, открыл новую эпоху в черной металлургии. Бессемер расплавил в керамическом тигле пять килограммов доменного чугуна, затем продул через полученный расплав воздух через вставленную в ванну керамическую трубку. После такой обработки нековкий чугун превратился в ковкое железо. Эту первую бессемеровскую сталь прокатали в морском арсенале. В коллекции Iron and Steel Institute хранится проба этой стали, к которой посетители относятся как к реликвии.

Кислородно-конвертерный процесс был впервые реализован в промышленном варианте в 1952 г. и в течение последующих десятилетий получил интенсивное развитие и быстро вытеснил мартеновский процесс практически во всех промышленно развитых странах.

Приоритетное развитие процесса объясняется прежде всего его существенными технико-экономическими преимуществами в сравнении с другими сталеплавильными процессами:

- высокой производительностью кислородных конвертеров (до 450 т/ч) и мощностью современных конвертерных цехов до 6…8 млн. т стали в год;

- высокой технологической гибкостью процесса, т.е. возможностью переработки различных шихтовых материалов и прежде всего чугунов различного химического состава;

- возможностью производства сталей широкого сортамента – от углеродистых обыкновенного качества до качественных, низко- и среднелегированных;

- простотой конструкции агрегатов, низким расходом огнеупорных материалов, относительно невысокой трудоемкостью ремонтов при высокой стойкости огнеупорной футеровки;

- возможностью внедрения систем отвода конвертерных газов без дожигания (снижение капитальных затрат, увеличение интенсивности продувки ванны кислородом и использование отводимого СО в качестве вторичного энергоносителя);

- эффективное управления процессом (удобен для автоматизации) и обеспечение выпуска металла с минимальным количеством корректировок температуры и химического состава при работе на стабильной металлошихте.

Недостатками процесса являются:

- вдувание большого количества газообразного кислорода от 2,5 до 4,5 м³/(т^.мин) в достаточно ограниченный объем металла, что приводит к целому ряду нежелательных последствий – переокислению и перегреву металла в реакционной зоне и, как следствие, к интенсивному испарению железа и необходимости сооружения дорогостоящих систем газоочистки;

- ограничения по количеству перерабатываемого лома в конвертерном процессе вследствие его аутотермичности и напряженности теплового баланса процесса;

- достаточно высокая ресурсо- и особенно энергоемкость процесса;

- определенные трудности при выплавке углеродистых сталей (рельсовая, металлокорд, инструментальные и др.) из-за недостатка тепла и трудности остановки продувки при высоком содержании углерода;

- трудность удаления серы по ходу процесса.

В основу конвертерного производства положена обработка жидкого чугуна газообразным окислителем, при этом извне дополнительный подвод тепла не производится, и процесс осуществляется за счет химического тепла экзотермических реакций окисления примесей и физического тепла чугуна.

Конвертер (рис. 32) представляет собой стальной сосуд грушевидной формы. Внутренняя часть футерована огнеупорным материалом. Конвертер цапфами опирается на стойки и имеет возможность поворачиваться при заливке жидкого чугуна, выпуске стали и шлака.

Размеры и форма конвертера влияют на показатели процесса и должны обеспечивать продувку без выбросов металла через горловину.

Для своих опытов Бессемер использовал цилиндрический конвертер высотой чуть более 1м, выполненный из листового железа футерованного изнутри. Поскольку об оптимальных размерах устройства и возможностях процесса ничего не было известно, в один из дней произошло следующее. Не прошло и десяти минут после начала продувки, как из отверстия в крышке внезапно выбился фонтан искр, который с каждым мигом становился все сильнее и сильнее, пока не превратился в большой столб пламени. Вслед за этим раздались глухие хлопки и высоко в воздух начал выбрасываться расплавленный металл и шлак. Конвертер стал напоминать вулкан во время извержения. Так как подойти к вулкану и отключить подачу дутья было невозможно, Бессемер оказался в положении беспомощного наблюдателя: в любое мгновенье мог начаться пожар или произойти взрыв. Но, к счастью, не произошло ни того, ни другого, и спустя несколько минут извержение прекратилось. Выпущенный из потухшего вулкана металл оказался ковким железом.

Диаметр горловины равен 0,4 - 0,6 диаметра рабочего пространства, который составляет 4 – 7 м.

Горловина конвертера больше всего подвержена высокотемпературной пластической деформации вследствие теплоизлучения металла и газов в период плавки. Поэтому для увеличения срока службы горловины применяют водяное охлаждение, иногда горловину выполняют съемной.

Наружная часть – кожух конвертера выполняют сварным из листов стали толщиной до 110 мм.

Днище может быть неотъемным и отъемным (в этом случае облегчается и ускоряется ремонт футеровки, но уменьшается прочность и надежность конструкции нижней части кожуха).

Механизм поворота обеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360^о со скоростью 0,1 - 1 м/мин.

Футеровка состоит из арматурного слоя, прилегающего к кожуху, промежуточного и рабочего слоя, обращенного внутрь конвертера. Арматурный слой выполняется из обожженного магнезитового или магнезитохромитового кирпича и имеет толщину 110 - 250 мм. Он длительное время не требует замены. Промежуточный слой, защищающий основной арматурный слой, выполняется из смолодоломитового кирпича. Рабочий слой выполняют из безобжигового смолодоломитового или доломитомагнетизитового кирпича. Толщина рабочего слоя составляет 380 - 750 мм для конвертеров разной вместимости. Общая толщина футеровки конвертеров в зависимости от вместимости 700 - 1000 мм.

Условия эксплуатации огнеупоров в конвертерах значительно сложнее, чем при других способах производства стали. Это обусловлено следующими причинами: 1) интенсивным перемешиванием стали при продувке кислородом; 2) ударным воздействием загружаемых материалов; 3) действием знакопеременных нагрузок, возникающих при вращении конвертера; 4) резкими колебаниями температуры в период от одной плавки до выпуска стали следующей плавки; 5) действием высоких температур; 6) образованием большого количества пыли.

Огнеупоры для кладки конвертера должны обладать высокой химической стойкостью, сопротивляемостью размывающему воздействию потоков металла и шлака и противоударной устойчивостью загрузке шихты.

Бессемеровский конвертер имел кислую футеровку, поэтому не был пригоден для использования в процессе плавки чугуна с высоким содержанием фосфора (содержание фосфора должно быть <0,25%). Все попытки удалить фосфор не давали положительных результатов.

Эта проблема была разрешена Сидни Джилькристом Томасом. Его изобретение стало величайшей сенсацией и завоевало все промышленно развитые страны мира. В 1878-1879 гг. им был разработан вариант конвертерного процесса, при котором футеровка выполнена из материала с основными свойствами (томасовский процесс). Генри Бессемер лично вручил Томасу золотую медаль своего имени.

Эффективным способом повышения стойкости футеровки является торкретирование наиболее изношенных участков кладки. Способ заключается в нанесении на поверхность футеровки массы из мелкозернистой магнезитохромитовой смеси в струе сжатого воздуха. Длительность торкретирования не превышает 5 - 7 мин, и его проводят после каждой или нескольких плавок. Стойкость футеровки современных конвертеров составляет 500 - 800 плавок (максимальная стойкость футеровки составляет 1400 плавок). Это соответствует расходу огнеупоров от 2 до 6 кг/т, что является самым низким расходом огнеупоров из всех способов производства стали.

Кислород поступает в конвертер по водоохлаждаемой фурме, изготовленной из трех цельнотянутых труб, концентрически входящих ода в другую. Снизу фурма заканчивается медным наконечником – головкой. Головка фурмы сменная.

Высоту фурмы над ванной можно изменять по ходу плавки. Поднимают и опускают фурму с помощью механизма, сблокированного с механизмом вращения конвертера. Его нельзя повернуть, пока из него не удалена фурма. Фурмы устанавливают вертикально, строго по оси конвертера. Конструкция фурмы оказывает большое влияние на работу конвертера и определяет его производительность, стойкость футеровки, выход годного и т. д.

Применения многосопловых фурм позволяет получить рассредоточенное, «мягкое» дутье, при котором увеличивается площадь реакционной зоны, уменьшается количество выбросов, что дает возможность работать с расходами кислорода до 3000 м³/мин.

Наибольшее распространение получили трех- и четырехсопловые фурмы. Головки этих фурм имеют веерообразно расходящиеся сопла, наклоненные под углом 6 – 15 ^о к оси фурмы. Стойкость фурм – 70 - 100 плавок.