Совершенствование шлакового режима выплавки стали в 370 — Т кислородных конвертерах Магнитогорского металлургического комбината

Актуальность улучшения шлакообразования возросла в связи со специфическими условиями работы кислородно-конвертерного цеха: увеличением объема производства стали сверх проектного, низкомарганцовистый чугун, нестабильность состава чугуна по содержанию кремния, серы и фосфора, неритмичность в поставках чугуна и стального лома, дефицит и низкое качество применяемых шлакообразующих материалов /2/. Тем не менее, важнейшей технологической задачей является во всех случаях получение к концу продувки плавки высокоосновных шлаков с хорошей жидкотекучестью, что необходимо для получения максимальной степени удаления вредных примесей.

Улучшение шлакового режима может быть достигнуто за счет применения новых шлакообразующих материалов, изменения режима продувки и порядка ввода материалов в конвертер.

Перспективным направлением в улучшении шлакообразования является использование синтетических материалов, содержащих известь и оксиды железа. За счет большого содержания легкоплавких ферритов кальция ускоряется процесс ассимиляции извести шлаком и рост его основности.

Совершенствование шлакообразования в кислородных конвертерах должно опираться на изучение влияния технологических параметров на изменение химического состава, количества и рафинирующую способность шлака. На этой основе можно достаточно быстро реагировать на изменяющиеся условия производства.

За счет совершенствования шлакового режима плавки можно существенно расширить сортамент выплавляемой стали, повысить стойкость футеровки конвертеров /3, 4/, увеличить выход годного, сократить затраты на производство стали.

Шлакообразование является важнейшим элементом технологии конвертерной плавки. Оно определяет ход дефосфорации, десульфурации, существенно влияет на стойкость футеровки конвертера и другие технико-экономические показатели /5/.

Источниками образования шлака в кислородно-конвертерной плавке являются: процессы окисления примесей чугуна, поступления оксидов из сыпучих материалов, растворения футеровки и, главным образом, растворения извести.

Раннее образование активного основного шлака сопровождается обычно значительным уменьшением выноса и выбросов металла /6−8/. В выбросах содержится 50−75% металлической фазы /9/. Медленное шлакообразование вызывает перерасход извести, при этом требуемая степень десульфурации и дефосфорации металла достигается не всегда /6/. В обычных условиях плавки шлакообразование зачастую протекает с недостаточной скоростью, что приводит к неполному усвоению извести шлаком (60−90%) /10/ и затягиванию процессов рафинирования.

Вопросам улучшения шлакообразования в последние годы стало уделяться большое внимание в связи с увеличением доли лома в металлошихте /11,12/, что несколько ухудшает условия формирования шлака вследствие снижения температуры ванны на большей части плавки. Скорость шлакообразования существенно зависит от качества применяемого лома (размера кусков, плотности, насыпной массы), а также от соотношения различных видов лома и их взаимного расположения в конвертерной ванне /13/. Условия шлакообразования, как считают авторы работ /14 и 15/, получаются наихудшими при использовании только тяжеловесного лома и при завалке легковесного лома под тяжеловесный, что часто имеет место на практике. В работе /16/ было определено оптимальное соотношение между видами лома в металлической составляющей шихты для большегрузных конвертеров.

Условия шлакообразования в последнее время усложнились в связи с ухудшением качества исходных материалов, чугуна, лома и шлакообразующих. Это наблюдается и на ОАО ''ММК" .

4.3. Основные выводы и рекомендации по использованию ожелезненной извести для выплавки стали в кислородных конвертерах.

Ожелезненная известь может быть использована в конвертерной плавке в качестве шлакообразующего материала, покрывающего дефицит кондиционной извести производства ИДП.

Использование ожелезненной извести производства цементного завода в количестве 30−50% от общего расхода на плавку позволяет улучшить условия шлакообразования и получать достаточную степень десульфурации и дефос-форации металла.

Ожелезненная известь должна присаживаться в конвертер в завалку. При необходимости использования ее по ход}' продувки, все присадки должны быть закончены до начала интенсивного обезуглероживания. Порция присадки ожелезненной извести не должна превышать 2 т. Допускается присадка порции ожелезненной извести по ходу продувки в случае появления признаков «сворачивания» шлака.

При использовании ожелезненной извести более 50% от расхода шлако-образующих материалов осложняется шлаковый режим плавки, увеличивается количество шлака и вероятность выбросов металла и шлака из конвертера. Кроме того, ухудшаются основные технико-экономические показатели плавки.

Ожелезненная известь содержит большое количество фракций менее 5 мм (около 25%), что, с одной стороны, благоприятно влияет на процесс шлакообразования, а с другой стороны приводит к увеличению выноса мелких фракций извести в газоотводящий тракт и насыщению известью оборотной воды.

Применение ожелезненной извести позволяет снизить затраты на производство стали в конвертере. Снижение затрат достигается за счет снижения расхода чугуна.

Наилучшие экономические показатели получены при выплавке стали с использованием ожелезненной извести в количестве 30−50% от общего расхода шлакообразующих материалов.

Внедрение технологии выплавки стали с использованием ожелезненной извести производства цементного завода позволяет увеличить объем производства стали в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК» /104/. В 1996 году за счет этого был получен экономический эффект 4,2 млрд руб. (приложения 1, 2).

Изменение количества и химического состава шлака конвертерной плавки представляет несомненный интерес, поскольку от этого зависит эффективность удаления вредных примесей из металла, потери с оксидами железа, выход годного и стойкость огнеупорной футеровки конвертера. Обычный анализ эффективности удаления серы и фосфора по показателю коэффициента распределения характеризует лишь относительное изменение содержания элементов в металле и шлаке. Для оценки эффективности удаления примеси важно знать, сколько ее переходит в шлак, а для этого необходимо знать количество шлака и концентрацию данной примеси в шлаке.

Изменение количества шлака по ходу плавки является сложной функцией окислительно-восстановительных процессов, происходящих по ходу продувки, а также процессов усвоения присадок, производимых по ходу плавки, процессов разрушения огнеупорной футеровки конвертера и процессов плавления металлического лома.

Известно, что по ходу продувки за счет окисления примесей чутуна, в первую очередь, а также окисления примесей металлического лома в начале плавки идет бурное шлакообразование /5 и 55/. Этому способствует принятый режим продувки (рис. 1), обеспечивающий окисление железа и накопление оксидов его в шлаке /105/. За счет быстрого окисления кремния, марганца, фосфора и железа, а также растворения присаженной извести, уже в первые минуты продувки образуется значительное количество шлака, имеющего низкую основность и повышенную окисленность.

Количественная сторона этого процесса будет зависеть главным образом от содержания кремния в чугуне, количества шлакообразующих материалов и режима продувки.

5.1. Методика расчета количества шлака по ходу продувки.

Оценить экспериментально количественную сторону процесса шлакообразования по ходу продувки плавки в промышленном кислородном конвертере не представляется возможным.

Общеизвестны методики расчета количества шлака в кислородных конвертерах /17, 106/. Для выполнения расчетов по этим методикам необходима полная информация о массе и химическом составе всех материалов, участвующих в процессе. При этом условии расчеты имеют достаточно высокую степень точности.

К сожалению в условиях действующего производства имеется достоверная информация лишь о массах чугуна, лома, взвешиваемого вместе с мусором, шлакообразующих материалов и химическом составе чугуна. Другую информацию о массе и химическом составе материалов, участвующих в процессе шлакообразования, можно получить лишь в случае проведения специальных исследований.

Для оценки количественной стороны процесса шлакообразования было проведено более 30 плавок, на которых отбирались пробы металла и шлака по ходу продувки во время промежуточных повалок конвертера по методике, приведенной в гл. 2. Для этих плавок были выполнены расчеты, дающие возможность выполнить количественную оценку процесса шлакообразования.

Оценка изменения массы шлака по ходу продувки становится возможной, если принять ряд допущений, и создать на их основе методику расчета количества шлака, образующегося в конвертере.

Основным допущением в данной методике следует принять, что к концу плавки процесс усвоения известьсодержащих материалов закончился на 95%. Это соответствует фактическому состоянию шлака перед выпуском плавки, что было подтверждено отбором представительных проб на 4 плавках.

На этих плавках фиксировалась масса и определялся химический состав всех материалов, подаваемых в конвертер. Продувка и присадка шлакообразуюших материалов велись в обычном режиме. После выпуска плавки 8−10 т шлака сливали в чистый сталеразливочный ковш, передавали в разливочный пролет и выливали в специально подготовленном месте. После остывания шлака на воздухе в течение 16−18 часов методом квартования отбирали пробу массой 50−60 кг, определяли химический состав шлака и наличие свободной СаО в нем. Содержание свободной СаО, несмотря на существенные различия в химическом составе шлака, находилось в пределах 3,8−5,2%.

Тогда по содержанию (СаО) в последней пробе шлака и балансу СаО, присаженного по ходу плавки, можно определить количество шлака в конвертере на момент окончания продувки. Ошибка в расчете в этом случае будет незначительной, поскольку доля (СаО) в шлаке наибольшая и в конечном шлаке составляет 35−45%. Масса присаживаемых в конвертер из вестьсодержащих материалов фиксируется в автоматическом режиме достаточно точно. Ошибка в определении содержания СаО в известьсодержащих материалах не превышает по применяемому методу 2%.

Вторым допущением в методике определения количества шлака по ходу продувки следует принять, что количество кислотных оксидов довольно быстро стабилизируется и остается постоянным.

Окисление кремния чугуна в основном заканчивается к моменту подачи 25−30% кислорода. При израсходовании 25% кислорода максимальное остаточное содержание кремния в металле на опытных плавках составило 0,085%, при 28% - 0,07%, при 30% - 0,02%, в конце продувки — 0,005%. К этому моменту в шлаке окажется и весь Si02, внесенный со шлаком из заливочного ковша, мусором лома, значительная часть окислившегося кремния металлического лома, а также Si02 из шлакообразующих материалов, введенных в конвертер. Поэтому можно считать, что количество Si02 в шлаке к этому моменту в значительной степени стабилизируется.

Окисление кремния чугуна является определяющей статьей прихода Si02 и именно этот источник на 55−80% является источником кислотных оксидов в шлаке. С ломом поступает до 10% от общего прихода Si02. При использовании железорудных окатышей доля SIO2 не превышает 5%.

Наиболее неопределенной является статья прихода Si02 со шлаком чугуна из заливочного ковша. В технологии выплавки стали предусмотрена операция скачивания шлака с чугуна. На практике шлак удаляется недостаточно полно. Проведенные опыты по отбору проб и измерению толщины шлака в заливочном ковше показали, что в конвертер попадает от 0,5 до 4 т шлака, содержащего 35−50% Si02. Приход Si02 в шлак из этого источника может составлять от 10 до 40%.

Колебание прихода Si02 от плавки к плавке будет весьма существенным и может отличаться на разных плавках до 3,5 раз.

Концентрация (SIO2) по мере увеличения количества шлака будет снижаться за счет разбавления, и это снижение может характеризовать относительное изменение количества шлака в конвертере. Доля оксида кремния в шлаке в конце продувки составляет довольно существенную величину — 8−17% при средней концентрации около 13%.

По отношению количества СаО введенной в конвертер и усвоившейся на 95% к концентрации (СаО) в конечном шлаке, можно определить количество конечного шлака (G шл.).

Grщл = 95 G cao / (СаО)., (3) где 95 — доля усвоившегося оксида кальция, %;

G cao — масса оксида кальция из всех источников, кг;

СаО) к — концентрация оксида кальция в последней пробе шлака, %.

Массу оксида кальция определяем производя умножение массы материала, участвующего в процессе шлакообразования на концентрацию СаО в нем и суммируя полученные значения.

G cao = 0,01 E (G i * (СаО) i), (4) где G i — масса iтого материала, кг;

СаО) i — концентрация оксида кальция в iтом материале, %.

Считая количество шлака к окончанию продувки за единицу и количество 8Ю2 в шлаке постоянным, по отношению концентрации (510?) в последней пробе к (БЮг) в предыдущих пробах можно установить относительное изменение количества шлака за промежуток времени между отбором проб (А О Шл 1).

АО шл * = (БЮг) к/(ЭЮз) 4 (5) где (БЮг) 1 — концентрация оксида кремния в 1-той пробе шлака, %;

8102) кконцентрация оксида кремния в последней пробе шлака, %.

Затем по установленным относительным изменениям количества шлака рассчитываем массу шлака при отборе каждой пробы (О шл 0, производя умножение количества шлака в конвертере в конце плавки на соответствующее относительное изменение количества шлака.

О ин 1 = Ав шл 1 * С шл (6).

Определив количество шлака при отборе каждой пробы можно рассчитать количество каждого компонента шлака.

О .ЕЛ),: 0,()1(1:П1Ол), * С ШЛ] (7) где О (Ешоп), — масса компонента в 1-той пробе шлака, кг;

ЕШ0П), — концентрация компонента в 1-той пробе шлака, %.

На основе приведенной методики можно анализировать динамик}/ изменения отдельных компонентов и общего количества шлака по ходу продувки плавки и оценивать количество вредных примесей, накапливаемых в шлаке.

Разберем в качестве примера расчет изменения количества шлака на плавке № 115 061. По ходу плавки были отобраны четыре пробы шлака: после подачи в конвертер 30% кислорода — первая, после 60% - вторая, после 80% -третья, а по окончании продувки — последняя.

Во время плавки были сделаны следующие присадки шлакообразующих материалов: в завалку (до продувки) — 8245 кг извести и 155 кг ожелезненной извести, по ходу продувки — 16 468 кг извести и 781 кг мягкоооожженного доломитадо отбора первой пробы присадили 3869 кг извести и доломит, перед второй — еще 8305 кг извести, перед третьей — остальное количество извести.

Изменение химического состава шлака по ходу этой плавки приведено в.