ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ ФУРМЫ КАК СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КИСЛОРОДА

История вопроса

Оригинальная идея использования вспомогательной фурмы в конвертере для определения температуры ванны жидкой стали возникла в 60-х годах в Австрии. В 70-х годах эту идею подхватили США и Япония и стали применять ее при отборе проб жидкой стали. Четыре ведущие японские фирмы, занимающиеся производством стали, успешно внедрили системы вспомогательных фурм в свои вновь построенные сталеплавильные цехи. Во второй половине 70-х годов технология вспомогательных фурм стала внедряться на сталеплавильных заводах за пределами Японии. Одна из подобных систем типа NSC была установлена в 1979 г. в кислородно-конвертерном цехе № 2 завода Эймёйден фирмы Hoogovens. Поскольку в конце 70-х годов технические службы фирмы Hoogovens стали обладателями лицензии японской фирмы Nippon Steel Corporation, то Hoogovens Groep стала принимать активное участие в разработке систем надежных вспомогательных фурм для их дальнейшей установки в существующих сталеплавильных цехах. Основные трудности, с которыми пришлось столкнуться в 80-х годах при дальнейшем внедрении технологии вспомогательных фурм в производство стали с применением кислорода за пределами Японии, заключались в замедлении процесса внедрения данной технологии, а также в необходимости адаптации японских методов работы к культуре производства неяпонских операторов.

Международное сотрудничество

Начиная с 1980 г. фирма Hoogovens организовала во всемирном масштабе обмен опытом для потребителей вспомогательны? фурм типа NSC/Hoogovens посредством создания Международного клуба по датчикам вспомогательных фурм (ISSC). Результатом этой деятельности явилась проведенная в сентябре 1991 г. в г.Эймёйден (Нидерланды), конференция по производству стали с применением вспомогательных фурм типа NSC/Hoogovens и динамической системы контроля за технологическим процессом. В конференции также участвовали фирмы Electro—Nite International N.V. и Kawaso Electric Industrial Co Ltd., производящие датчики. Успехи, достигнутые в со-вершенствовании технологии вспомогательных фурм, были изложены в 23 докладах, касающихся результатов работы, инженерных разработок, создания новых видов датчиков и систем динамического контроля.

Механическое оборудование

Предложения по улучшению всех аспектов тех-нологии вспомогательных фурм были реализованы на практике. Процесс разработки и конструирования механического оборудования претерпел значительные изменения, что привело к увеличению надежности, сокращению объема технического обслуживания и ремонта наряду с его упрощением, повышению экономичности работы оборудования. Инженерные разработки помогли решить чрезвычайно важные проблемы, касающиеся установки вспомогательных фурм в конкретных сталеплавильных цехах, когда, казалось, местные условия совершенно не позволяли этого. Тем временем скорости опускания и подъема фурмы увеличились, а продолжительность цикла работы вспомогательной фурмы уменьшилась.

Разработка моделей датчиков

Фирма Electro—Nite, являющаяся основным производителем датчиков для целого ряда стран, за исключением Японии, резко повысила качество своих изделий благодаря тесному сотрудничеству с фирмой Hoogovens и другими потребителями ее продукции. Датчики вспомогательных фурм этой фирмы отличаются высокой степенью, надежности, они обеспечивают абсолютную точность в ходе измерения температуры ванны жидкой стали и стали в период затвердевания (в последнем случае определение содержания углерода проводится по температуре ликвидуса). Были разработаны и за-пущены в промышленное производство новые модели датчиков, позволяющие определять уровень ванны жидкого металла, измерять активность' кислорода и проводить отбор специальных проб стали и шлака. Как правило, каждая модель датчика была способна выполнить сразу несколько измерительных операций. Такое комбинирование функций позволило сократить продолжительность работы вспомогательных фурм, съэкономить зарядную емкость датчика, снизить его стоимость. Стандартная длина датчика увеличилась с 1500 до 2000 мм, при этом были частично решены проблемы, связанные с образованием настылей на поверхности вспомогательной фурмы и в месте соединения датчика с держателем фурмы. Конструкция камеры для отбора проб подвергалась изменениям с тем, чтобы обеспечить возможность отбора проб роботами и повысить чистоту проб.

Обработка сигнала

Сигналы температура — время, генерированные термоэлементами датчиков, необходимо ре-гистрировать и обрабатывать. В 1981 г. фирмой Hoogovens начал осуществляться проект, имеющий целью разработку оборудования, способного выполнить эту задачу. В результате был создан компьютер цифровой интерпретации и регистрации, обозначаемый DIRC. Система DIRC обладает высокой точностью измерений: <0,2 °С для температур жидкого металла и затвердевания, <0,3 мВ для величины электромагнитной силы при определении активности кислорода и <3 см при определении уровня ванны. Система содержит методики оценки (в ее основе лежит практический опыт экспертов), с помощью которых можно определить качество измерения и устранить все ошибочные данные. Ошибочное измерение4 наносит больший вред управлению технологическим процессом, чем полное отсутствие величин измерения. В первом случае будет проведена неправильная регулировка технологии, в то время как в последнем случае следует повторить данное измерение или ввести исправленное значение. Оборудование для регистрации данных способно хранить в памяти более 3000 измерений, записанных на твердом диске.

Сопоставление результатов измерений с промежуточной остановкой и в процессе продувки

В кислородно-конвертерном цехе № *2 фирмы Hoogovens вспомогательные фурмы установлены на всех трех конвертерах, с массой плавки 315 т. Первая вспомогательная фурма была установлена на конвертере 23 в 1979 г., две другие - на конвертерах 21 и 22 в 1987 г. Вспомогательные фурмы применяют либо в период промежуточной остановки, либо в процессе продувки.

Что касается промежуточной остановки, то кислородная продувка полностью прерывается в тот момент, когда содержание углерода равно ~0,3 %, а достигнутая температура превышает 1600 °С. Изменение с помощью вспомогательной фурмы, как таковое, занимает 1 мин; ожидание результатов спектрометрического анализа— еще 3 мин. Поскольку содержание углерода в жидкой стали определяют путем измерения температуры затверде-вания образца, то вторая половина процесса продувки может быть возобновлена спустя 2 мин.

Измерение с помощью вспомогательной фурмы в процессе продувки осуществляется в момент, когда расчетный уровень углерода в жидкой стали составит ~0,6%. Во время измерения в процессе продувки расход кислорода уменьшается с 45000 до 30000 м3/ч для конвертеров 21 и 22, и с 49500 до 30000 м3/ч для конвертера 23. Остаточное количество кислорода для продувки определяют в зависимости от результатов измерения содержаний углерода и температуры, полученных в ходе промежуточной остановки или во время измерения в процессе продувки, а также рассчитывают массу охлаждающих добавок (желез-ной руды) с помощью модели динамического управления и плавку доводят до конца.

Что касается концепции контроля процесса к концу плавки, то существуют три варианта: регулярный выпуск стали, когда измерение с помощью вспомогательной фудоы и разрешение на выпуск стали имеют место только после получения результатов полного спектрометрического анализа образца; быстрый выпуск стали, когда измерение с помощью вспомогательной фурмы и разрешение на выпуск стали имеют место, если температура и содержание углерода находятся в до* пустимых пределах к выпуску плавки и результат пробы, взятой во время продувки, является приемлемым в отношении Р и S; прямой выпуск стали, когда измерение с помощью вспомогательной фурмы отсутствует в конце, а разрешение на выпуск стали основывается на показателях содержания углерода и температуры, полученных при анализе проб, отоб-ранных в процессе продувки с помощью вспо-могательной фурмы.

В кислородно-конвертерном цехе № 2 фирмы Hoogovens технологию с промежуточной остановкой успешно развивали и применяли вплоть до 1992 г., так как продолжительность конвертерного цикла не являлась узким местом производственного процесса в сталеплавильном цехе. Эксперименты с измерениями в процессе продувки и быстрым выпуском стали проводились соответственно в 1980 и 1986 гг.

Начиная с 1992 г. стал расти спрос на экспорт слябов, поэтому было решено ввести в действие проведение измерений в процессе продувки на конвертерах 21 и 22 с тем, чтобы обеспечить связь между процессами получения стали и ее непрерывной разливки, а также извлечь выгоду за счет снижения издержек производства, за счет проведения измерений в процессе продувки. Длина датчика вспомогательной фурмы на конвертерах 21 и 22 составляет 2000 мм в противоположность конвертеру 23, где длина датчика 1500 мм. Тенденция к использованию больших по размеру зондов в качестве датчиков вспомогательной фурмы вызвана необходимостью предотвратить образование настылей на корпусе вспомогательной фурмы и в месте соединения датчика с держателем фурмы.

Поскольку расход кислорода в конвертере 23 выше, чем в конвертерах 21 и 22, то нет острой необходимости проводить измерения в процессе продувки в конвертере 23 с тем, чтобы сократить продолжительность цикла. Так как технология быстрого выпуска стали была разработана ранее, то в случае необходимости при дальнейшем росте производительности конвертеров, этот метод можно ввести в действие так же быстро. Прямой выпуск стали возможен только для тех плавок, где требования в отношении Р и S не такие жесткие. В японских сталеплавильных цехах, где 42 прямой выпуск стали является повседневной практикой (например, на хаводе Nagoya Works фирмы Nippon Steel Corporation), применяют усложненную обработку жидкого чугуна с тем, чтобы исключить проблемы, связанныве с удалением фосфора и серы из металла в кислородном конвертере.

Использование всех возможностей уменьшения времени продувки за счет динамического контроля процесса с помощью вспомогательных фурм делает возможным внедрение альтернативных процессов получения стали на сталеплавильном заводе Эймёй- ден благодаря увеличению производительности кислородно-конвертерного пеха№2.

Нарушений в любой из систем, вовлеченных в процесс производства стали, а также в процессе управления вспомогательной фурмой, было отмечено менее, чем в 1 % плавок.

Контроль за уровнем серы осуществляли путем обессеривания всего объема жидкого чугуна за счет вдувания смесей карбида кальция и известняка (CaD) в чугуновозный ковш сигарообразной формы. Среднее содержание серы в жидком металле до и после обработки составило соответственно 0,033 % и 0,009 % (1992 г.). В случае, когда исполь

зуют скрап хорошего качества, его влияние на содержание серы чрезвычайно мало. Таким образом, кислородно-конвертерный процесс, а отсюда и вспомогательные фурмы не слишком влияют на контроль за уровнем содержания серы.

С точки зрения контроля фосфор представляет собой более серьезную проблему, особенно для стали марок, подвергаемых сверхглубокой вытяжке, в которых требуемое содержание фосфора <0,010 %. В этом случае для достижения низкого содержания фосфора к выпуску плавки необходимы строгий температурный режим и специальное скачивание шлака. Количество случаев повторной продувки для удаления фосфора было ограничено 2,63 % в 1992 г., что является настоящим достижением с учетом низкого удельного расхода извести, равного 35 кг/т жидкой стали. Доломит не используется; донное перемешивание с применением азота или аргона проводится с помощью вставок с прорезями (система ВАР, разработанная фирмами Hoogovens и British Steel). Металлургичекие характеристики системы донного перемешивания оказались более решающими в вопросе контроля над содержанием фосфора, чем динамическая система управления. Вспомогательная фурма в основном содействует контролю за уровнем содержания фосфора в той части, что с ее помощью не допускаются высокие температуры на выпуске плавки, которые неблагоприятно влияют на распределение фосфора между сталью и шлаком.

Расход чугуна

Для обоих методов использования вспомогательной фурмы— промежуточной остановки и по ходу продувки — характерна экономия энергии за счет исключения опрокидывания конвертера и ручного отбора проб. Это непосредственно сказывается на расходе жидкого чугуна: по сравнению с опрокидыванием конвертера для проведения температурных измерений и отбора проб процесс плавки с промежуточной остановкой и применением вспомогательной фурмы обеспечивает снижение расхода жидкого чугуна на Зкг/т жидкой стали, а применение вспомогательной фурмы в процессе продувки позволяет снизить расход чугуна на 17 кг/т жидкой стали (результаты 1992 г.).

Стойкость футеровки конвертера

Применение вспомогательной фурмы в процессе продувки существенно влияет на износ огнеупоров футеровки конвертера в результате различных воздействий.

При использовании вспомогательной фурмы в процессе продувки начальный период подачи кислорода, когда огнеупорная футеровка из магнезитовых кирпичей, содержащих углерод, испытывает на себе действие свободной струи кислорода, имеет место только один раз в течение всей плавки. Этот начальный период является наиболее критическим, поскольку в течение всего процесса плавки пенистый шлак защищает футеровку от прямого контакта со струей кислорода.

Сокращение времени ожидания при отборе проб и температурных замерах снижает про-должительность периода, когда шлак находится в контакте с огнеупорной футеровкой (период агрессии). Абсолютная минимальная про-должительность периода агрессии достигается благодаря проведению замеров в процессе продувки и прямом выпуске стали.

Опрокидывание конвертера при отборе проб и температурных измерениях абсолютно исключается; тем самым резко сокращается период, когда шлак растекается по поверхности футеровки— это происходит только во время выпуска стали. Помимо этого сокращается количество повторных продувок благодаря использованию динамической системы управления процессом с помощью вспомогательной фурмы. Таким образом, сводится к минимуму коли-чество плавок с высоким содержанием оксида железа в шлаке и (слишком) высокими температурами ванны жидкой стали.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994