Металлургические технологии в высокопроизводительном конвертерном цехе


Ю. А. Колесников, Б. А. Буданов, А. М. Столяров







                МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОМ КОНВЕРТЕРНОМ ЦЕХЕ




Учебное пособие




Под редакцией В. А. Бигеева












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 669.184 (075)
ББК 34.327я7
     К60





Рецензенты:

кафедра металлургии стали и ферросплавов ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”»; заведующий кафедрой профессор, доктор технических наук, член-корреспондент РАН К. В. Гоигорович; заместитель начальника научно-технического центра ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» кандидат технических наук Б. А. Сарычев






      Колесников, Ю. А.
К60       Металлургические технологии в высокопроизводительном
      конвертерном цехе : учебное пособие / Ю. А. Колесников, Б. А. Буданов, А. М. Столяров ; под ред. В. А. Бигеева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 380 с.
           ISBN 978-5-9729-0475-4

      Рассмотрены технологии плавки стали в высокопроизводительном кислородно-конвертерном цехе. Представлено основное оборудование и освещены технологии выплавки полупродукта в мощных конвертерах с верхней продувкой кислородом. Раскрыта специфика ковшевой обработки металла на агрегате доводки стали, показана работа установок усреднительной и мягкой продувки, агрегата «ковш-печь», вакуумных установок порционного и циркуляционного типов. Дана технология непрерывной разливки стали на слябовых МНЛЗ.
      Для студентов металлургических направлений подготовки.

УДК 669.184 (075)
ББК 34.327я7



ISBN 978-5-9729-0475-4

© Колесников Ю. А., Буданов Б. А., Столяров А. М., 2020
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.............................................8

Краткая история развития металлургических технологий производства стали.......................11
      Контрольные вопросы...........................28


РАЗДЕЛ 1
ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО КОНВЕРТЕРНОГО ЦЕХА

Глава 1.1. КОНСТРУКЦИЯ КОНВЕРТЕРА...................29
   1.1.1. Форма рабочего пространства...............29
   1.1.2. Материалы футеровки.......................31
   1.1.3. Механизм износа рабочего слоя футеровки...36
   1.1.4. Неформованные огнеупорные материалы.......40
   1.1.5. Организация работ по изготовлению и обслуживанию футеровки.........................41
   1.1.6. Обжиг периклазоуглеродистой футеровки конвертера.......................................45
   1.1.7. Горячий ремонт сталевыпускного узла.......46
   1.1.8. Горячие ремонты рабочего слоя.............47
   1.1.9. Магнезиальные флюсы.......................49
   1.1.10. Корпус конвертера........................51
   1.1.11. Кислородная фурма........................57
   1.1.12. Оборудование для транспортирования и загрузки сыпучих материалов....................62
1.1.13. Системы отвода и очистки конвертерных газов...............................66
   1.1.14. Вспомогательное оборудование конвертерного отделения..........................77
   Контрол ьные вопросы.............................83
Глава 1.2. АГРЕГАТЫ КОВШЕВОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ........85
   1.2.1. Общее устройство агрегатов доводки стали и установки усреднительной продувки..............85
   1.2.2. Устройство двухпозиционного агрегата «ковш-печь» № 1 фирмы Fuchs systemtechnik........89


3

   1.2.3. Устройство двухпозиционного агрегата «ковш-печь» № 2 фирмы SMS Mevac.................91
   1.2.4. Особенности двухпозиционного агрегата «ковш-печь» № 2 фирмы SMS Mevac.................93
   1.2.5. Устройство двухпозиционной установки электродугового нагрева стали (УЭНС) фирмы VAI Fuchs.................................97
   1.2.6. Устройство и назначение комбинированной установки вакуумирования стали..................98
   1.2.7. Устройство и назначение двухпозиционной установки вакуумирования стали (УВС)............104
   1.2.8. Назначение двухпозиционной установки мягкой продувки (УМП)..........................109
Контрольные вопросы..............................109
Глава 1.3. МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК........................................111
   1.3.1. Слябовые МНЛЗ криволинейного типа......111
   1.3.2. Слябовая МНЛЗ криволинейного типа c вертикальным участком...................131
   Контрольные вопросы...........................138
Глава 1.4. ВАРИАНТ КОМПОНОВКИ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ККЦ...............................139
   Контрольные вопросы...........................144

РАЗДЕЛ 2
ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ

Глава 2.1. ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ....................145
   Контрольные вопросы...........................165
Глава 2.2. КЛАССИЧЕСКИЙ ВАРИАНТ ТЕХНОЛОГИИ.......166
   Контрольные вопросы...........................174
Глава 2.3. ВЫПЛАВКА СТАЛИ В КОНВЕРТЕРНОМ
ЦЕХЕ ПАО «ММК»...................................175
   Контрольные вопросы...........................190
Глава 2.4. ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ КОНВЕРТЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ ВО ВРЕМЯ ПРОДУВКИ......................191
   Контрольные вопросы...........................206

4

Глава 2.5. ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПЕРИОДА ПРОДУВКИ.......................207
   Контрольные вопросы...........................216
Глава 2.6. ШЛАКОВЫЙ РЕЖИМ КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ СТАЛИ.....................................217
   Контрольные вопросы...........................225


РАЗДЕЛ 3
     ТЕХНОЛОГИЯ КОВШЕВОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА

Глава 3.1. КОВШЕВАЯ ОБРАБОТКА ЧУГУНА.............226
   3.1.1. Способы ковшевой десульфурации чугуна..226
   3.1.2. Особенности десульфурации чугуна в условиях ККЦ ПАО «ММК».......................234
   Контрольные вопросы.............................241
Глава 3.2. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА НА АГРЕГАТЕ ДОВОДКИ СТАЛИ (АДС)..................242
   3.2.1. Особенности обработки металла на АДС...242
   3.2.2. Особенности обработки металла на установке мягкой продувки (УМП).............252
   Контрольные вопросы.............................254
Глава 3.3. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА НА АГРЕГАТЕ «КОВШ-ПЕЧЬ» (АКП)....................255
   3.3.1. Особенности обработки металла на АКП...255
   3.3.2. Особенности десульфурации металла на АКП.256
   3.3.3. Особенности глубокой десульфурации металла на АКП.................................261
   3.3.4. Доводка металла по химическому составу и температуре.................................265
   Контрольные вопросы...........................271
Глава 3.4 ТЕХНОЛОГИЯ ВАКУУМИРОВАНИЯ СТАЛИ........272
   3.4.1. Основные закономерности растворения водорода и азота    в стали...................272
   3.4.2. Вакуумное обезуглероживание и раскисление металла..........................275
   3.4.3. Особенности технологии вакуумной обработки металла..............................278

5

   3.4.4. Особенности проведения вакуумного обезуглероживания стали марок 08Ю и IF-006......280
   3.4.5. Коррекция химического состава металла в процессе вакуумирования.......................281
   Контрольные вопросы...............................283


РАЗДЕЛ 4 ТЕХНОЛОГИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ И КАЧЕСТВО ОТЛИТЫХ СЛЯБОВ

Глава 4.1. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ
В РАЗЛИТОЙ СТАЛИ.....................................285
   4.1.1. Затвердевание непрерывнолитого сляба.......285
   4.1.2. Кристаллическая структура слябовой заготовки.......................................288
   4.1.3. Усадочные явления при кристаллизации стали.291
   4.1.4. Ликвация примесей и перераспределение неметаллических включений.......................292
   Контрольные вопросы...............................294
Глава 4.2. ПОДГОТОВКА МНЛЗ К РАЗЛИВКЕ СТАЛИ..........295
   4.2.1. Подготовка и проверка кристаллизатора......295
   4.2.2. Подготовка зоны вторичного охлаждения......296
   4.2.3. Подготовка и ввод затравки.................297
   4.2.4. Подготовка промежуточного ковша и погружных стаканов............................303
   4.2.5. Операции перед приемом жидкого металла.....305
   4.2.6. Операции после приема жидкого металла......306
   Контрольные вопросы...............................307
Глава 4.3. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗЛИВКИ СТАЛИ.................308
   4.3.1. Технология разливки стали закрытой струей..308
   4.3.2. Особенности технологии разливки стали методом «плавка на плавку»......................329
   4.3.3. Мягкое обжатие непрерывнолитого сляба......335
   Контрольные вопросы...............................344
Глава 4.4. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛЯБОВ...............................................345
   4.4.1. Поверхностные дефекты......................345


6

  4.4.2. Внутренние дефекты..................362
  4.4.3. Дефекты формы.......................371
  Контрольные вопросы........................373

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................375

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................376


7

ВВЕДЕНИЕ


      В настоящее время более 70 % от общего объема мирового производства стали выплавляется в кислородных конвертерах. При этом в сортаменте продукции непрерывно возрастает доля высококачественной стали. Высокая производительность агрегатов, относительно простая их конструкция, высокий уровень автоматизации процессов, гибкость технологии плавки позволяют в сочетании с ковшевой обработкой и непрерывной разливкой получать сталь требуемого качества и широкого сортамента.
      Прошло более 60 лет с начала промышленного использования кислородно-конвертерного способа производства стали. За этот период произошли заметные изменения в конструкции агрегатов и технологии выплавки стали. В промышленных масштабах используются различные варианты конвертерных процессов в агрегатах вместимостью до 400 т с удельной интенсивностью продувки от 2 до 5 м³/(т-мин) и более.
      В современных условиях сложилась базовая технология кислородно-конвертерного способа производства стали. Она включает три составные части: выплавка стали в конвертере из предварительно подготовленных шихтовых материалов, основным из которых является жидкий чугун; ковшевая обработка жидкого металла газообразными, твердыми материалами и вакуумом; непрерывная разливка на машинах непрерывного литья заготовок. При этом выплавка стали в конвертерах сохранила свою основу - окислительное рафинирование железоуглеродистого расплава технически чистым кислородом. Во время продувки в конвертерной ванне активно взаимодействуют кислородное дутье, находящиеся там металлические шихтовые материалы, футеровка и дополнительные реагенты в виде кусковых, порошковых, газообразных, а иногда и жидких материалов. В промышленных масштабах освоены различные варианты подачи кислородного дутья в конвертерную ванну: сверху, снизу, сбоку, комбинированно в различных сочетаниях с другими реагентами.
      Накопленный опыт мировых производителей конвертерной стали позволяет уточнять и развивать знания о механизме процессов окислительного рафинирования. Задачей первой части базовой технологии производства стали (выплавки стали в конвертере) остается получение жидкого расплава с заданной

8

температурой и массой, необходимым уровнем концентраций фосфора и углерода при минимальных затратах материальных и энергетических ресурсов. Последующие стадии производства позволяют существенно изменять качество стальных заготовок и конечных полуфабрикатов (листового и сортового проката).
     Сущность технологии разнообразных вариантов конвертерных процессов примерно одинакова: в конвертере проводят окислительное рафинирование (удаление избытка углерода, фосфора и других химических элементов) металлошихты, состоящей из жидкого чугуна (более 70 %), металлического лома, скрапа и металлизованного сырья, используя в качестве основного реагента технически чистый кислород. Нагрев металла производится, как правило, без подвода тепла из внешних источников за счет физического тепла жидкого чугуна и тепла экзотермических химических реакций. Состав и количество образующегося шлака регулируют различными твердыми материалами, главным из которых является известь. Раскисление, легирование, десульфурацию, дегазацию, очистку металла от неметаллических включений проводят внеагрегатной обработкой металла в сталеразливочном ковше.
     Технология выплавки стали в конвертере определяется конкретными условиями ее реализации: конструкция агрегата, состав и свойства металлошихты, способ продувки, сортамент продукции и др.
     Сочетание конвертеров с установками непрерывной разливки стали существенно повысили выход годного металла и производительность труда, снизили расход энергоресурсов. Внедрение системы отвода конвертерных газов без дожигания снизило капиталовложения в строительство цеха, сняло ограничения относительно вместимости конвертеров и интенсивности продувки, дало возможность использовать энергию конвертерных газов. В конвертерах успешно перерабатывают низкомарганцовистые, фосфористые и природнолегированные чугуны.
     Развитию техники и технологии конвертерного производства стали на каждом этапе развития способствовали успехи фундаментальных научных исследований и экспериментов в области физики, химии, математики, информационных технологий. В развитие металлургии внесли огромный вклад выдающиеся ученые: М. В. Ломоносов, П. П. Аносов, Д. К. Чернов, А. А. Байков, В. Е. Грум-Гржимайло, А. М. Самарин, В. И. Явой-ский, О. А. Есин, Д. Чипман, В. И. Баптизманский, В. А. Кудрин,

9

Л. А. Смирнов, Д. Я. Поволоцкий, Г. Н. Еланский, В. Е. Рощин, А. Ф. Вишкарев, А. М. Бигеев и многие другие.
     В данном учебном пособии рассмотрены основные металлургические технологии производства стали (выплавка, ковше-вая обработка, непрерывная разливка) и технические средства для их реализации в высокопроизводительных конвертерных цехах аналогичных по объему производства и сортаменту продукции кислородно-конвертерному цеху (ККЦ) ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Теоретические вопросы изложены кратко на основе современных представлений о структуре и свойствах веществ в широком диапазоне температур и особенностях пирометаллургических процессов экстракции металлов из исходного сырья.

10

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ


      Наша цивилизация в том виде, в котором она существует, базируется на использовании железа как основного конструкционного материала. Успехи в производстве железа и его сплавов явились основой для развития сухопутного и водного транспорта, военной техники, связи, микро- и радиоэлектроники, микробиологии, использования атомной энергии, освоения космического пространства и многих других достижений современной цивилизации. «Железный век» - современный этап развития человеческой цивилизации.


     Fe ²⁶
           55,845 3d⁶4s²



_ Eisen
' I Fer
e Hierro

           Название: Железо - Ferrum (лат.) Электронное строение 3d⁶4s² Группа: VIIIB, Период: 4; плотность: 7,87 т/м³ Содержание в земной коре 4,65 % Характерные степени окисления: +2 +3 Температура плавления 1539 °C Температура кипения 2750 °C Цвет элемента: блестящий серебристо-белый Кем открыт: неизвестно



      В различных областях человеческого бытия широко используются другие металлы и сплавы. Обычно все многообразие этих материалов объединяют в две группы: цветные и черные металлы. Для первой группы характерным признаком является цвет. Например, названия таких металлов как медь, алюминий, золото, вызывают определенные ассоциации, связанные с их внешним видом. К черным металлам относят сплавы, основой которых является железо: чугун, сталь и различные ферросплавы. Черными эти материалы называют не по их цвету, а как особую группу, отличающуюся условиями производства и использования от цветных металлов и сплавов.


11

      К сталям относят сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2 %, и разнообразными химическими элементами, вид и концентрация которых определяют свойства и назначение сплава. Углерод и другие элементы сплава могут придавать железу множество полезных свойств (твердость, пластичность, жаростойкость, кислотоупорность, износостойкость и др.), благодаря которым сталь находит широчайшее применение.
      На долю черных металлов приходится более 95 % общего объема производства всех металлов. Среди массы материалов, составляющих основу человеческой цивилизации (сталь, дерево, пластмассы, стекло, бетон и др.), сталь составляет более 90 %. Для поддержания и развития материальной культуры человечество ежегодно производит более 1 млрд т стальных изделий.
      Такое количество железа должно быть доступным для добычи и относительно просто превращаемым в материал с заданными свойствами. К счастью, в земной коре железо - распространенный химический элемент: по степени распространенности оно занимает четвертое место (после кислорода, кремния и алюминия). Химические соединения железа (чаще всего оксиды) встречаются в виде больших скоплений (месторождений) в различных частях мира. Лишь малая часть железа попадает на Землю из космоса в чистом виде.
      Производство черных металлов базируется на извлечении железа из природного и техногенного сырья и придания ему необходимых свойств в виде сплава определенного химического состава и структуры. Отрасль хозяйствования для получения таких сплавов получила название «Металлургия черных металлов». Фактически это металлургия железа в сложной цепи производства, начинающегося с добычи природного минерала и сбора железосодержащих отходов, последующей их подготовки к металлургическому переделу, заканчивающемуся получением полуфабрикатов или готовых металлических изделий.
      Первородным сырьем для получения железа служат железные руды. Так называют горную породу, в которой содержится железа столько и в таком виде, что его экономически выгодно извлекать на современном техническом уровне. Химические соединения железа составляют рудный минерал, которому обычно сопутствуют разнообразные вещества под общим названием «пустая порода». Железная руда - на 60-90 % рудный минерал,

12

остальное-пустая порода (кремнистая, глиноземистая, магнезиальная). Рудный минерал и пустая порода обычно образуют механическую смесь с размерами частиц компонентов от сотых долей до нескольких миллиметров. По запасам железных руд первое место в мире занимает Россия, затем Украина, Австралия, Канада и США. В настоящее время активно разрабатываются такие месторождения, в которых железо представлено оксидами. Это наиболее богатые железом руды. С древних времен известны минералы железа, обладавшие ярко выраженными поисковыми признаками: лимонит (гидрооксид трехвалентного железа - продукт окисления двухвалентного железа в насыщенной кислородом воде озер, лугов и болот), гематит (оксид трехвалентного железа - красный железняк), сидерит (карбонат железа в смеси с карбонатами магния, кальция и марганца), пирит (сульфид железа).
      Принципиально, для извлечения железа из соединения надо иметь достаточно чистое исходное вещество с высоким содержанием железа (например, оксид железа) и, воздействуя на него химическим реагентом (например, восстановителем), освободить железо из исходного вещества. Скорость химических реакций, как правило, с повышением температуры увеличивается, и для массового производства металла удобно использовать жидкие и газообразные реагенты. Кажущаяся простота задачи осложняется тем, что железо образует несколько оксидов: FeO, Fe₃O₄ и Fe₂O₃, которые находятся в руде в смеси с пустой породой. Кроме того, доступный восстановитель (например, углерод) также не является чистым веществом, ему сопутствуют другие компоненты, часто растворяющиеся в восстановленном металле и ухудшающие его физико-механические свойства. К тому же для восстановления необходима тепловая энергия.
      В зависимости от возраста оксидного железорудного месторождения рудные минералы представлены высшими оксидами железа. Окружающая среда, содержащая кислород и влагу, превратила железо либо в Fe₃O₄ - магнетит, образовав месторождения магнитных железняков, верхние слои которых, расположенные вблизи земной поверхности, окисляются до Fe₂O₃ -гематит. В зависимости от степени перехода магнетита в гематит руды называют полумартитами и мартитами. Одной из разновидностей магнитных железняков является титано-магнетит.

13

В нем железо присутствует не только в виде магнетита, но и в виде ильменита FeO-TiO₂.
     Если рудообразующим минералом является только гематит, то руды называют красными железняками. Более древние месторождения могут быть представлены также гидрооксидами железа Fe₂O₃'nH₂O. Такие руды называют бурыми железняками. Обычно это бедные руды (35-40 % Fe) с повышенным содержанием фосфора, хрома, никеля, ванадия, мышьяка, марганца и других примесей.
     Значительно реже используют железные руды (шпатовые железняки), в которых рудным минералом является карбонат железа FeCO₃ - сидерит. Из-за высокого содержания CO₂ в этих рудах мало железа, а в пустой породе содержится много серы и MgO.
     Главным фактором, определяющим металлургическую ценность железных руд, является содержание железа. По этому признаку руды делятся на богатые (60-65 % Fe), со средним содержанием железа (45-60 % Fe) и бедные (менее 45 % Fe). Однако надо учитывать и целый ряд других факторов: условия добычи (открытым или подземным способами), размеры месторождения, географо-экономическое положение, способность руды к обогащению, состав пустой породы и др.
     Добыв железную руду, пытаются отделить рудный минерал от пустой породы. В результате из массы руды выделяют материал, содержание железа в котором становится больше, чем в исходной руде, т. е. руда «обогащается» железом. По этой причине совокупность производственных процессов по отделению пустой породы от рудного минерала называют обогащением, а продукт операции обогащения - концентратом.
     Чистота рудного минерала (степень обогащения руды) будет зависеть от эффективности способов разделения его от пустой породы, что в значительной степени определяется размерами частиц исходной руды. Глубокое обогащение возможно только при измельчении этих частиц до размеров менее 0,1 мм. Концентраты глубокого обогащения представляют собой пылевидные материалы, состоящие в основном из оксидов железа.
     Однако, при массовом производстве железа невозможно полностью отделить пустую породу. В концентратах всегда содержатся сопутствующие железу химические элементы, характерные для данного месторождения.

14

     Имея железо в концентрате в виде оксидов, необходимо подобрать материал, способный освободить железо от кислорода. Для этой цели можно использовать любой химический элемент, у которого сродство к кислороду больше, чем у железа. В этом случае элемент будет окисляться, а железо восстанавливаться, т. е. элемент служит восстановителем железа из его оксидов. В качестве восстановителей можно использовать марганец, кремний, углерод, алюминий, кальций и др. Важно, чтобы восстановитель был дешевым и доступным.
     Получение железа из руды - наиболее древний способ производства железа. Его восстанавливали из оксидов в примитивных (сыродутных) горнах древесным углем (рис. 1) и получали комья сварившихся между собой зерен металла (крицу) с прожилками шлака. По мере развития сыродутного процесса горны строили более высокими, интенсифицировали подачу воздуха (дутья). В результате более продолжительного контакта железа с углем происходило науглероживание железа и продуктом процесса становился чугун, обладавший в твердом виде низкими механическими свойствами, а в жидком виде высокими литейными свойствами. Из чугунного литья в военном деле производили пушки и ядра, а для бытовых нужд - трубы для водопроводов и канализации, печные плиты, решетки и колосники для каминов.

Рис. 1. Древние способы получения железа из руды

     В XIII столетии при переходе от кустарного к заводскому способу выработки железа появились печи шахтного типа -домницы. Домницы явились промежуточным звеном между штюкофеном (высоким сыродутным горном) и доменной печью (рис. 2).

15