ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОНВЕРТЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ СТАЛЕЙ В XXI в.

Развитие народного хозяйства и особенно интенсивное освоение районов Крайнего Севера предопределили значительное повышение требований к качеству готовой металлопродукции, снижению ее металлоемкости, увеличению надежности и срока службы в сложных эксплуатационных условиях.

Для производства высококачественных легированных сталей с повышенной чистотой предпочтительным является конвертерный процесс, который обеспечивает условия получения металла высокой чистоты за счет возможности высокой степени использования первородной шихты; высокого дегазационного эффекта интенсивного обезуглероживания в процессе кислородной продувки; гибкого регулирования окисленности конвертерной ванны продувкой инертными газами с предварительным газовым раскислением металла в самом конвертере.

Вместе с тем современный конвертерный процесс, высокоэффективный и экономичный и благодаря этому самый распространенный в мире, сегодня даже с его многочисленными усовершенствованиями и модернизацией уже не может удовлетворять резко возрастающим требованиям по энерго и ресурсосбережению. Теоретический анализ и обобщение экспериментальных данных свидетельствуют о возможности в будущем вывести кислородноконвертерный процесс на новый качественный уровень практически по всем показателям.

Главными направлениями развития конвертерного процесса в грядущем столетии останутся коренное улучшение качества выплавляемого металла, расширение и усложнение его сортамента с увеличением доли высококачественных легированных, низко и экономнолегированных сталей ответственного назначения, конкурентоспособных на мировом рынке, одновременно с решением проблемы ресурсосбережения, снижения энергоемкости металлопродукции и улучшения экологии.

Теоретический анализ энергетического баланса конвертерного процесса применительно к промышленным условиям показывает, что безвозвратные потери составляют: железа со шлаком 2,37 %; с дымом 1,52 %; тепла со шлаком 14,8%; с отходящими газами и пылью 10,1 %.

Выход жидкого металла составляет ~90 %. Хотя при технологически неизбежных потерях на окисление элементов чугуна в шлак и угар в дым в среднем 5% выход жидкого металла должен составлять 95%.

Современный потенциал металлургической науки располагает довольно обстоятельными научными наработками для решения этих проблем в XXI в. Вместе с тем организация конвертерного производства чистых высококачественных сталей с учетом энергетических и экологических проблем предъявляет принципиально новые требования как к самому конвертерному процессу, так и к оборудованию современных конвертерных цехов.

ЦНИИчерметом на базе теоретических и экспериментальных поисковых исследований разработаны физикохимические и энергетические основы новых технологических процессов конвертерного производства высококачественных сталей с супернизким содержанием примесей и включений (0,005—0,007% С; 0,002% S; 0,005% Р; 0,002% N; 0,0002% Н), технологические основы включают комплексную обработку чугуна, в том числе с удалением серы в газовую фазу; глубокое рафинирование металла и стабилизацию его конечного состояния импульсной промывкой аргоном с газовым раскислением и восстановительным микролегированием в конвертере; утилизацию тепла и железа конечного шлака и отходящих конвертерных газов; многократное использование металлургических (доменных, сталеплавильных, ферросплавных) шлаков для рафинирования чугуна и стали; подавление пылеобразо вания в ходе самой конвертерной плавки.

Подготовка чугуна к конвертерной плавке включает как его предварительную обработку (десиликонизацию, дефосфорацию и десульфурацию), так и получение в самой доменной печи чугуна с низким (<0,3 %) содержанием кремния и марганца, т.е. подачу в конвертер чистого чугуна. Передел такого чугуна, во первых, позволяет выплавлять суперчистый металлический полупродукт в конвертере для последующего получения высококачественной стали в ковше методами внепечной обработки, и, вовторых, существенно упрощает ведение конвертерной плавки и обеспечивает значительное ресурсосбережение за счет снижения расхода извести, уменьшения количества шлака и повышения выхода годного (таблица).

Десульфурация чугуна рафинированным доменным шлаком обеспечивает интенсивное, глубокое (0,001 % S) и необратимое протекание процессов десульфурации чугуна с удалением серы в газовую фазу (S02) и позволяет исключить необходимость скачивания доменного шлака и потребность в дорогих и дефицитных десульфураторах.

Ресурсосберегающая технология конвертерного передела низкомарганцовистого чугуна позволяет исключить применение дефицитного марганцовистого сырья в аглодоменном производстве и обеспечивает за счет применения марганцовистых материалов (Mnруды, Мпшла ков ферросплавного производства и др.) в конвертере, вопервых, улучшение качества металла вследствие повышения остаточного содержания Мп в металле в восстановительных условиях и, вовторых, снижение расхода Мпферросплавов.

Технология включает специальный режим интенсифицированного шлакообразования в связи с низким содержанием марганца в чугуне и МпО в шлаке; динамический режим регулирования параметров кислородной продувки в соответствии с интенсивностью обезуглероживания и стабилизацию окисленности конечного металла в конвертере с восстановлением марганца из Mnруды (рисунок). Увеличение с 0,05 % до 0,15 % Мп в восстановительных условиях на плавках с Мпрудой, кроме очищения металла, позволяет также экономить 2— 3 кг/т ферромарганца.

Возможность микролегирования металла в самом конвертере путем восстановления легирующих элементов из присаживаемых вторичных материалов (отходов лигатур, марганцовистых, хромистых, ванадиевых шлаков и руд и др.) при импульсной промывке конвертерной ванны аргоном после прекращения кислородного дутья обеспечивает предварительное газовое раскисление и очищение металла перед выпуском и позволяет экономить дефицитные легирующие материалы. Газовое раскисление металла в конвертере с удалением продуктов раскисления (СО) в газовую фазу за счет уменьшения при продувке ванны аргоном без кислорода обеспечивает дополнительное перемешивание и гомогенизацию металла, снижение его окисленности и вследствие этого уменьшение расхода ферросплавов.

Установлено, что более высокое и стабильное усвоение высокоактивных легирующих и модифицирующих элементов (V, Nb, Ti, В, Са, Ва и др.) достигается введением их в расплав в составе комплексных лигатур и сплавов, содержащих защитные компоненты, которые снимают переокисленность металла в локальных зонах растворения элементов (FeSiNb; AlSiNb; SiV; SiCaBa и др.). При выплавке высокопрочных хладостойких сталей для северных газопроводных труб 09Г2ФБ введение FeSiNb фракцией 5—10 мм в металл в сгруе аргона с порошкообразным SiCa обеспечило степень усвоения ниобия 98 % вместо 61,6% при обычной практике. Более эффективное модифицирование достигается при введении порошкообразной SiAlCaBaлигатуры в сравнении с SiCa, при этом обеспечивается дополнительная десульфурация металла на 0,0034%.

Одним из важных показателей энерго и ресурсосбережения является ^расход энергоемкого чугуна на выплавку стали. При производстве чистых сталей и в условиях возрастающих экологических требований становится необходимым использовать в качестве дополнительных теплоносителей только химически и экологически чистые источники. В последние годы все болев широкое развитие в металлургии получает плазменный нагрев. Уже имеются теоретические и экспериментальные лабораторные исследования, включая проектные проработки для условий 10т конвертера НПО "Тулачермет", по использованию низкотемпературной плазмы в качестве дополнительного энергоносителя в конвертерной плавке. Несмотря на то что энергетически и экологически он является высокоэффективным процессом, оборудование для него сложное и дорогостоящее, но при этом будущее остается за конвертерным процессом.

Более целесообразным способом повышения энергетической эффективности конвертерного процесса является полное использование собственных химических и физических экологически чистых энергоносителей самой конвертерной плавки. Анализ энергетического баланса конвертерного процесса показывает, что энергия системы в конце процесса складывается из следующих составляющих (в % к общему количеству энергии): теплосодержание стали 72,6; теплосодержание отходящего газа и пыли 10,1; теплосодержание шлака 14,8; потери на излучение и др. 2,5.

Таким образом, ~25 % тепла системы теряется со шлаком и отходящими газами. Для повышения энергетической эффективности конвертерного процесса целесообразнее использовать тепло отработанного конвертерного шлака и энергию отходящих газов, содержащую в себе как физическое тепло этих газов, так и их химический потенциал. Тепло отработанного конвертерного шлака можно использовать для предварительного подогрева лома как вне конвертера, так и в самом конвертерном агрегате, а также вести работу с оставлением части конвертерного шлака на последующую плавку, что позволяет экономить известь до 15 кг/т стали.

Очень важным является организация дожигания оксида углерода таким образом, чтобы тепло от его сгорания утилизировалось непосредственно ванной конвертера, а не воздействовать на разгар футеровки. Тепловой эффект реакции СО+ 1/2 02= СОа при 1873К составляет 278,2 кДж/г* моль СО или 12,510 кДж/нм3 СО. На 1т стали цри конвертировании чугуна в период обезуглероживания выделяется 108 нм3 СО. При дожигании 40% от этой величины можно добиться получения степени использования тепла до 30 % или полезно использовать 1,6 • 10 кДж. Этот избыток хепла позволит дополнительно переработать ~100кг лома на тонну стали.

Теоретически за счет полного дожигания СО до С02 в отходящих газах возможно увеличение доли лома в шихте до 56%. Однако в реальных условиях промышленных конвертеров за счет этого химически и экологически чистого источника возможно увеличение расхода лома до 32—36% при использовании дутьевых средств специальной конструкции.

Разработка принципиально новых экологически чистых процессов конвертерного прои ь водства путем подавления пылеобразования в ходе самого конвертерного процесса является актуальной задачей проводимых исследований.

Причиной пылеуноса железа является наличие при продувке кислородом локальной высокотемпературной зоны, достигающей температур кипения железа, где давление паров его близко к 1атм. Несмотря на то, что площадь этой высокотемпературной зоны невелика, количество испаряющегося железа таково, что приводит к потерям его с отходящими газами до 0,5 %. При этом имеет место пылеунос, связанный с образованием капель при разрыве газовых пузырей, проходящих границу раздела газжидкость, до 10%. В итоге с пылью теряется ~1,5% Fe от общего его количества, что приводит к соответствующему снижению выхода жидкого. Пылеунос из высокотемпературной зоны можно уменьшить, снизив ее температуру, однако в этом случае уменьшается тепловая нагрузка на ванну. В связи с этим снизить пылеунос возможно, используя какое либо энергетическое воздействие на уже образовавшуюся пыль с целью ее ассимиляции ванной.

К таким энергетическим воздействиям следует отнести применение акустического и электростатического полей, создаваемых в полости конвертера. Механизм пылеосаждения за счет акустического поля связан с увеличением времени релаксации пылевых частиц, т.е. с увеличением времени, за которое отдельная пылевая частица достигает скорости, при которой она уносится из конвертера. Увеличивая время релаксации, можно добиться того, что отдельные частицы за время их пребывания в газовой фазе вообще не достигнут скорости уноса и опять будут захвачены ванной. Как показал опыт применения в промышленных конвертерных цехах (НЛМК) акустических устройств, возможно снижение запыленности отходящих конвертерных газов на 50 %. Это привело к повышению выхода жидкого и облегчению работы газоочистных сооружений.

Для осуществления электростатического воздействия на пылевые частицы необходимо, чтобы пыль была электрически заряжена. Зарядить ее могут ионы газа, источником которых в конвертерной плавке является относительно высокая температура. Для промышленного конвертера верхнего дутья это составит приблизительно 10 частиц на 1м3 газа. Соотношение количеств зарядов и частиц позволяет предположить, что практически вся пыль в этом случае может быть заряжена. Наложение электрического поля на такую систему предопределяет заданное направленное движение заряженных частиц, например, к осадительному электроду. Проведенные лабораторные и опытнопромышленные исследования показали. высокую эффективность этого метода.

При экспериментальной проверке метода в 10т конвертере с радиусом коронирующего электрода 0,5 см и радиусом осадительного электрода 2,5 см было достигнуто снижение запыленности отходящих из конвертера газов на 60%.

Разработан технологический процесс и его конструктивное оформление по снижению пылеуноса путем фильтрации выделяющихся газов самой конвертерной ванной. На опытном 10т агрегате путем регулирования интенсивности донной кислородной продувки и увеличения глубины ванны в конвертере специальной конструкции достигнуто снижение запыленности отходящих газов до 0,445 г/м9, т.е. практически на уровне запыленности в мартеновской печи без применения кислорода.

Выполненный комплекс исследований позволил разработать технологические основы для организации производства из чистых чугунов высококачественных суперчистых сталей с пониженной энергоемкостью и в экологически чистых условиях.

Промышленное опробование разработанных процессов подтвердило их высокую технологическую, энергетическую и экологическую эффективность. Создание и промышленное освоение разработанных технологий и соответствующего технологического оборудования, намечаемое для новых и реконструируемых конвертерных цехов будущего, позволит наряду с возможностью производства высококачественных чистых сталей значительно снизить энерго и ресурсозатраты и улучшить экологические условия.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994