yandex.metrica
Внепечная обработка стали

Сущность и значение непрерывных сталеплавильных процессов

Непрерывный сталеплавильный процесс (НСП) обеспечивает непрерывное и одновременное протекание всех частных процессов, составляющих основное содержание плавки стали: загрузки шихты; рафинирования, нагрева, раскисления-легирования металла; удаления продуктов плавки (металла, шлака и газов). Агрегат, в котором осуществляется такой непрерывный сталеплавильный процесс, называют сталеплавильным агрегатом непрерывного действия (САНД).

Все современные процессы производства стали осуществляются в агрегатах периодического действия. В них все сложные и в значительной степени противоречивые физико-химические и физические процессы, связанные с рафинированием, нагревом, нередко раскислением и легированием металла, проводятся в одном рабочем пространстве. В этих условиях неизбежно деление плавки на периоды и проведение их в определенной последовательности. В любом случае плавка должна состоять из загрузки шихтовых материалов в агрегат, собственно плавки, сводящейся прежде всего к рафинированию и нагреву металла, и выпуска рафинированного *металла и конечного шлака из агрегата. Между отдельными плавками неизбежен перерыв в работе агрегата.

Применительно к кислородно-конвертерному процессу это приводит к следующему: при общей продолжительности цикла 35-40 мин собственно плавка длится 12-15 мин, т.е. занимает примерно 1/3 часть цикла. Следовательно, если плавку вести с той же интенсивностью, но непрерывно, то производительность агрегата могла бы быть увеличена примерно в три раза. Поскольку годовая производительность современных конвертеров достигает > 3 млн. т, то при той же интенсивности рафинирования САНД может иметь производительность до 10 млн. т в год.

Но главный недостаток агрегатов периодического действия, в частности, конвертеров, состоит не в низкой производительности, а в том, что сложные и нередко противоречивые физико-химические процессы вынужденно проводятся в одном рабочем пространстве.

Это исключает возможность создания оптимальных условий для протекания всех физико-химических процессов, некоторые процессы рафинирования получают незначительное развитие. Например, во время окислительного рафинирования металла сера удаляется из металла в незначительной степени, так как окислительный шлак имеет малую серопоглотительную способность, а для глубокой десульфурации металла необходимо иметь основной восстановительный шлак, получение которого в мартеновских и двухванных печах, кислородных конвертерах невозможно. Поскольку глубокая десульфурация металла во время плавки в этих агрегатах невозможна, то эту операцию проводят в ковше с использованием синтетических шлаков, обладающих высокой серопоглотительной способностью. Обычно вне сталеплавильных агрегатов проводят также процессы легирования и раскисления. Дегазацию металла, выплавленного в открытом агрегате, также можно проводить только вне агрегата. Таким образом, невозможно проводить в одном рабочем пространстве весь комплекс технологических операций, связанных с выплавкой качественной стали, часть операций необходимо выносить в другое рабочее пространство, которым служит ковш. Но в ковше невозможно обеспечить эффективное проведение сложных физико-химических процессов.

Вследствие однокамерности современных сталеплавильных агрегатов затрудняется дальнейшее повышение качества стали и исключается расширение сырьевой базы сталеплавильного производства и черной металлургии в целом. Для повышения качества стали необходимо использовать сырье повышенного качества, чтобы не допустить существенного увеличения ресурсоемкости выплавки стали. Недостатком периодических процессов является также невозможность их полной автоматизации и, следовательно, улучшения условий труда. Переход к непрерывным сталеплавильным процессам (НСП) получил реальную основу только после появления кислородных процессов, т. е. в 50-е годы. Первые серьезные исследования по разработке непрерывных сталеплавильных процессов были проведены в СССР под руководством Г. П. Иванцова (ЦНИИЧМ) в начале 60-х годов. В последующем подобные исследования начали проводить в других научных учреждениях как в СССР (ВНИИметмаш, ДМИ, МГМИ, МИСиС и др.), так и за рубежом (Англия, Франция, ФРГ, Австрия, США, Австралия и др.). В настоящее время интерес к исследованиям по разработке НСП возрастает. Это объясняется тем, что непрерывные процессы по сравнению с периодическими имеют ряд преимуществ.

  • НСП может быть разделен на стадии (ступени) в пространстве, т. е. можно непрерывный процесс сделать многостадийным (многоступенчатым) и агрегат непрерывного действия многореакторным (многоаппаратным), создавая в каждом реакторе благоприятные условия для реализации одного какого-либо физико-химического процесса или группы подобных процессов. В результате может быть достигнуто существенное повышение скорости и увеличение глубины рафинирования металла, т. е. возможно значительное повышение производительности агрегатов, улучшение качества металла и расширение сырьевой базы.
  • САНД в целом или, по крайней мере, в местах, в которых осуществляется рафинирование, раскисление и легирование металла, могут быть сделаны совершенно закрытыми. Благодаря этому может быть достигнуто улучшение условий труда вследствие исключения теплоизлучений и газовыделений из агрегата и существенное повышение качества стали благодаря исключению отрицательного влияния окружающего воздуха на свойства металла.
  • Высокая производительность САНД может обеспечить существенное повышение производительности труда и уменьшение удельных капитальных затрат (затраты на 1 т выплавляемой стали) в сталеплавильном производстве.
  • Управление работой САНД может быть полностью автоматизировано. Непрерывным сталеплавильным процессом можно будет управлять успешно только автоматически, используя современные ЭВМ.

Кроме того, разработка и внедрение НСП позволяют создать металлургические заводы непрерывного действия, начиная от восстановления железа из рудного сырья и кончая получением готового проката. Это позволит, во-первых, существенно уменьшить энергетические затраты вследствие уменьшения тепловых потерь; во-вторых, упростить и удешевить металлургический цикл, исключив обжимные и заготовочные станы, громоздкие нагревательные устройства, сложные системы транспорта и другие звенья; в-третьих, перейти на полную автоматизацию управления заводом. В современном металлургическом цикле по существу уже являются непрерывными два звена: доменное и прокатное производство, по крайней мере, современные прокатные станы бесконечной прокатки. Периодическим является лишь среднее звено — сталеплавильное производство.

Таким образом, переход от периодических сталеплавильных процессов к непрерывным позволит успешно решить новые сложные технические, экономические и социальные задачи, которые ставит перед металлургией научно-техническая революция. Пока нет промышленных установок САНД, имеются лишь лабораторные и полупромышленные, представляющие ту или иную часть будущих агрегатов непрерывного действия. Как правило, это элементы, предназначенные для проведения окислительного рафинирования, так как этот процесс представляет основное содержание современного сталеплавильного производства. Создание агрегата, позволяющего провести непрерывное и хорошо регулируемое рафинирование металла, по существу означает создание САНД, так как обеспечение непрерывного протекания и надежного регулирования остальных частных процессов значительно проще. Отсутствие промышленных агрегатов и промышленного опыта осуществления непрерывных сталеплавильных процессов осложняет их описание, приходится ограничиваться преимущественно изложением теории процесса, находящейся в стадии разработки.

Имеется очень большое количество авторских свидетельств и патентов на конструкцию реакторов (аппаратов) и способы непрерывного окислительного рафинирования. Их можно подразделить на группы, положив в основу группировки способ обеспечения взаимодействия металла с кислородом дутья и шлаком. По способу обеспечения взаимодействия рафинируемого металла с кислородом дутья следует различать три основные типа реакторов: подового рафинирования (большое сходство с мартеновским процессом), конвертерного рафинирования и струйного рафинирования. По обеспечению взаимодействия металла и шлака — две группы:. реакторы, в которых рафинирование происходит в режиме полного смешения металла и шлака, и реакторы, в которых обеспечивается рафинирование в режиме полного или ступенчатого противотока металла и шлака. Наилучшее использование рафинирующей способности шлака дают противоточные реакторы, а по взаимодействию металла и кислорода дутья предпочтительными являются реакторы струйного и конвертерного рафинирования.