Разработка, совершенствование и внедрение технологии внепечной обработки стали в условиях ОАО «НТМК»

Среди основных конструкционных материалов (чёрные и цветные металлы, пластмассы, цемент) сталь занимает и в обозримом будущем будет занимать главенствующую роль. Это связано со многими причинами.

Во-первых, сталь превосходит все другие материалы по требованиям промышленных потребителей (прочности, пластичности, электрическим и коррозионным свойствам и др.), причем она имеет возможность расширения диапазона нужных качеств за счет изменения химического состава, структуры.

Во-вторых, сталь обладает самой высокой технологичностью (способностью подвергаться обработке при получении готовой продукции), имея возможность формообразования изделий давлением, резаньем, литьем в формы и т. д.

В третьих, сталь имеет невысокую стоимость, а ее производство наименее энергоемко и наилучшим образом решает экологические проблемы. Так, например, энергоемкость стали в 3−4 раза меньше, чем для получения пластмасс и в 10−14 раз меньше, чем для первичного алюминия. Лучше показатели производства стали также по медико-санитарным требованиям, загрязнению окружающей среды и способности к рециклингу. Коэффициент рециркуляции (доля материала, используемого вторично после окончания службы) составляет для стали 55, алюминия 27, стекла 45, пластмасс 10%, а керамика, композиты, цемент относятся к материалам одноразового пользования.

Таким образом, ни один из конкурирующих со сталью массовый материал по технико-экономическим показателям сравниться с ней не может.

Следует согласиться с мнением о том, что сейчас наша цивилизация держится и в будущем будет держаться на стали [1].

Приведенные обстоятельства определяют масштабы выплавки стали. Растет не только ежегодное производство стали, но и темпы его прироста. Если объем выплавки стали в мире с 1990 до 2000 г. вырос с 770 до 830 млн. т т. е. на 60 млн. т), то с 2000 до 2005 г. он увеличился до 1130 млн. т (на 300 млн. т) [2]. В России после спада выплавки стали (с 89,7 в 1990 г. до 44−48 млн. т в 1992;1998 гг,) ее производство стало расти и достигло в 2005 г. 66,1 млн.т. Меняется и структура способов выплавки стали в мире и в России. В мире превалируют два способа производства стали — кислородно-конвертерный и электросталеплавильный (соответственно 63 и 34%), доля мартеновской стали весьма незначительна. В России за счет снижения производства мартеновской стали значительно выросла доля выпуска кислородно-конвертерной стали, в 1993 г. она составляла 38, а в 2004 г. — 62%, несколько увеличилась доля электростали (до 16%). За эти годы доля разливки стали на машинах непрерывного литья заготовки (MHJI3) увеличилась с 38 до 62% [3]. В то же время из-за значительного износа основных производственных фондов (~70% оборудования), использования устаревших агрегатов, российская металлургия значительно отстает по ряду технико-экономических показателей от развитых стран. В черной металлургии России полная энергоемкость производства одной тонны проката составляет 1,3 т условного топлива, а в странах ЕС 1 т, в Японии 0,9 т. Полная трудоемкость на 1 т проката черных металлов составляет у нас 14,5 человек/час, в странах ЕС 5,6, в Японии 5,4 человек/час. Образование отходов в расчете на одну тонну готового проката при производстве мартеновской стали достигает 250 кг по сравнению со 100 кг при производстве проката из конвертерной стали с непрерывной разливкой. В современных условиях перед черной металлургией РФ стоит принципиальная задача — сохранить за собой внутренний рынок и выйти на внешний рынок с продукцией глубокой обработки за счет комплексного повышения качества и снижения ресурсоемкости. Конкурентоспособность черных металлов в XXI в. будет определяться способностью этих материалов обеспечить прогресс в новых областях применения (создание новых источников энергии, освоение космоса и дна океанов, биотехнологии, наукоемкие отрасли и т. д.) Предприятия черной металлургии РФ должны снизить к 2010 г. долю мартеновского производства стали с -20 до 5−7%, увеличить долю непрерывной разливки стали до 80−85%, снизить уровень суммарных выбросов вредных веществ в воздушный бассейн при производстве стали с 36 до 20 кг/т стали. Внепечное рафинирование остается главным звеном тонкой доводки показателей качества стали с низким содержанием серы, фосфора, газов, неметаллических включений (НВ).

Развитие метода непрерывной разливки привело к ужесточению требований к жидкой стали по температуре. В связи с тем, что в кислородно-конвертерном процессе невозможно достаточно точное регулирование температуры металла в конце плавки из-за высоких скоростей окислительных реакций, развитие получил способ внепечного нагрева жидкой стали на установках ковш-печь. Нагрев стали в ковше позволил увеличить количество присаживаемых ферросплавов, которое было ограничено для ковша без нагрева 1,5%, обеспечить глубокую десульфурацию металла путем наводки высокоосновного восстановительного шлака, высокоэффективно использовать продувку металла аргоном, обеспечивая дегазацию, перемешивание металла, лучшее взаимодействие металла и шлака. Эффективность использования установок ковш-печь подтверждается практикой работы российских заводовс 1990 г на них поставлено 25 установок ковш-печь общей номинальной производительностью ~21 млн. т жидкой стали в год [4]. Как правило, внепечная обработка стали включает ее вакуумирование, которое позволяет наиболее полно удалять водород, проводить вакуумно-углеродное раскисление и глубокое обезуглероживание металла (менее 0,01% С). Из многочисленных способов вакуумирования наибольшее промышленное применение имеют порционный (ДН) и циркуляционный (RH). Большинство предприятий отдают предпочтение циркуляционному способу как более производительному и сочетающему вакуумирование с обработкой стали аргоном. Во всей производственной цепочке получения стали (конвертерковш-печь — вакууматор — МНЛЗ), где производится ее обработка, одним из важнейших элементов является раскисление и модифицирование металла. Для раскисления наиболее широкое распространение во всем мире получил алюминий, для модифицирования — кальций. Алюминий применяется в виде первичного и вторичного алюминия, ферроалюминия, ферросиликоалюминия, сплавов с марганцем (АМС) и другими элементами. Кальций используют, в основном, в виде силикокальция разного состава (10−30% Са), металлического кальция, алюмокальция. Различны и методы ввода этих сплавов в жидкую сталь — в виде кусков из печных бункеров, вдуванием порошков с применением инжекционных установок, порошком в стальной оболочке и др. Разнообразны также количество, время и место ввода этих материалов (ковш-печь, вакууматор, промковш, кристаллизаторпри выпуске из конвертера, в начале или конце обработки в печи-ковше и т. д.). От указанных факторов во многом зависит эффективность раскисления и модифицирования стали: ее насыщенность газами, НВ, серой, фосфором, усвоение элементов ферросплавов. Применение внепечной обработки стали связано с большими температурными перепадами в агрегатах, высокими температурами, вакуумом, взаимодействием футеровки со шлаками переменного состава и механическим размыванием огнеупоров. Это приводит к поиску новых высококачественных (следовательно дорогих) огнеупорных материалов для футеровки ковша-печи, вакууматоров. Особенно тяжелые условия работы у патрубков вакууматоров. Футеровка агрегатов реагирует как с жидким металлом, так и со шлаком, поэтому от их состава зависит не только стойкость огнеупоров, но и изменение состава шлака и качества металла (загрязнение НВ огнеупоров, эффективность десульфурации и т. д.).

Конвертерный цех ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (НТМК) с середины 90-х годов прошлого столетия работает по внепечной технологии обработки стали. В составе цеха работают агрегаты ковш — печь, циркуляционные вакууматоры, MHJI3. Освоение технологии внепечной обработки стали требовало разработки оптимальных режимов ввода ферросплавов-раскислителей и модификаторов, определения их состава, методов ввода в расплав, поиска огнеупорных материалов и увеличения срока их службы. Критерием рациональности технологических приемов являлись качество готовой стали, ресурсопотребление и энергоемкость. При разработке технологии внепечной обработки стали были использованы публикации в печати и опыт работы отечественных и зарубежных металлургических предприятий. Однако этого было не достаточно для освоения процессов обработки стали в агрегатах внепечной обработки, поскольку даже для аналогичных оборудования и технологии каждое предприятие, цех имеют свои специфические особенности производства, включая марочный сортамент продукции, набор агрегатов, сырье, энергоносители. Кроме того, за последние годы появляются новые сведения о более прогрессивных процессах внепечной обработки стали, которые необходимо было использовать в работе. В связи с этим возникла необходимость в разработке и совершенствовании принятой ранее технологии внепечной обработки, включая поиск состава ферросплавов для раскисления и модифицирования, методов их ввода в расплавопределение количества вводимых элементов-раскислителей, степени их перехода в сталь, времени и метода ввода в металл, состава огнеупоров, шлака, реагирующего с ними, и методов торкретирования футеровки плавильных агрегатов. Перед промышленными исследованиями следовало провести ряд теоретических и лабораторных физико-химических экспериментов, помогающих находить правильные технологические решения. Результаты данной работы должны найти применение в технологии внепечной обработки стали не только для конвертерного цеха ОАО «НТМК», но и в отрасли в целом.

Цель работы. Разработка и внедрение новых ресурсосберегающих технологических решений по раскислению и модифицированию спокойных марок сталей, улучшению условий их разливки на МНЛЗ, торкретированию футеровки агрегатов как основы повышения эффективности производства при внепечной обработки стали.

Выводы.

1. Проведён обзор работ по механизму процесса потери массы огнеупорных материалов в вакууме в условиях высоких температур, намечены мероприятия по увеличению срока службы футеровки агрегатов.

2. Разработана и внедрена в производство технология доводки металла на установке ковш-печь с использованием новых шлакообразующих материалов для наведения ковшевого шлака, способного создавать защитный гарнисаж на огнеупорах стен и патрубков вакууматора.

3. Обнаружено положительное влияние на стойкость футеровки применения различных клеевых композиций при кладке футеровки патрубков вакууматоров, эффективных нейтрализаторов ковшевого шлака для снижения его активности. Показано, что усиление жёсткости металлической конструкции днища и фланцев вакуумкамеры увеличивают стойкость футеровки вакууматора.

4. Показано, что лучшей конструкцией для торкретирования футеровки патрубков вакууматоров и конвертеров является установка с пневмомеханическим камерным нагнетателемизучено влияние режимных и конструктивных факторов на интенсивность вывода порошков из питателя. Сконструированные и изготовленные торкрет-установки НТМ-01−4 и НТМ-01−4М успешно используются в конвертерном цехе ОАО «НТМК» с 2002 г., показав большую надежность при эксплуатации, чем зарубежные аналоги.

5. Выявлено общее положительное влияние защитного торкрет-слоя на стойкость футеровки патрубков вакууматора и определена зависимость стойкости торкрет-слоя от химического состава торкрет-порошкапоказана целесообразность использования торкрет-материалов и внедрение торкретустановок НТМ-01−04 позволили увеличить стойкость патрубков циркуляционного вакууматора в 2005 г. по отношению к 2000 г. на 33%. Затраты на огнеупоры патрубков циркуляционного вакууматора в 2004 г. по сравнению с 2000 г. снижены с 31,39 руб./т до 9,42 руб./т вакуумированной стали или в 3,3 раза.

6. В результате применения торкрет-установки НТМ-01−4М для нанесения торкрет-слоя на футеровку конвертеров удельные затраты на огнеупоры снижены с 73,91 руб./т стали в 2000 г. до 21,78 руб./т стали в 2004 г. или в 3,4 раза.

7. Показано, что торкретирование футеровок вакууматора и конвертера инжекционными установками НТМ-01−4 и НТМ-01−4М не ухудшило качественных показателей стали по неметаллическим включениям.

8. Установлено, что внедрение новой технологии торкретирования футеровок вакууматоров и конвертеров в конвертерном цехе ОАО «НТМК» позволило за счет увеличения стойкости футеровок примерно в два раза снизить количество поступающих в отвалы отходов производства от перефутеровки этих металлургических агрегатов. Снижено ~ в 2 раза количество пыли, выбрасываемой в атмосферу при удалении старой футеровки. Кроме того, из-за снижения отскока торкрет-масс, наносимых новыми торкрет-установками на поверхность футеровок вакууматоров и конвертеров, уменьшены примерно на 10−12% выбросы пыли в атмосферу цеха во время процесса торкретирования.

Заключение

.

Выполнен комплекс исследований, направленных на разработку и совершенствование технологии внепечной обработки стали в условиях конвертерного цеха ОАО «НТМК», состоящий из лабораторных и промышленных экспериментов. Изучены физико-химические характеристики применяемых на комбинате раскислителейвлияние места, способа и времени ввода ферросплавов на степень усвоения алюминия и кальция сталью, образование и состав алюминатов кальция, а также методы повышения срока службы огнеупорных материалов сталеплавильных агрегатов.

Основные научно-практические выводы работы:

1. Изучены физико-химические характеристики применяемых в ОАО «НТМК» силикокальция и алюминиевых сплавов — температуры плавления, плотности, степени усвоения сталью.

Все исследованные сплавы по температурам плавления относятся к легкоплавким (менее 1340° С). Коэффициент усвоения алюминия, зависящий в основном от плотности алюминийсодержащих сплавов, наиболее высок у ферроалюминия и ферроалюмомагния.

Проведено математическое моделирование процесса плавления силикокальция, вводимого в сталь кусками, порошковой проволокой и инжекцией порошка. Изучено влияние крупности сплавов, температуры стали на время плавления силикокальция, рассмотрен механизм его плавления. Показано, что минимальное время плавления силикокальция, обеспечивающее низкое окисление кальция и высокое его усвоение, достигается при вводе сплава порошковой проволокой и инжекцией.

2. Показано, что в условиях конвертерного цеха ОАО «НТМК» раскисление стали алюминиевой и порошковой силикокальциевой проволокой обеспечивает более высокое усвоение алюминия (78−85%) и кальция (17−22) по сравнению с чушковым алюминием и кусковым силикокальцием (соответственно 18−20 и 5−7%).

3. Предложен ввод алюминиевой и силикокальциевой проволоки в вакууматор вместо ковша-печи, позволивший увеличить усвоение алюминия (с 50 до 89%) и кальция, сократив расход ферросплавов на 30%. Установлено соотношение в стали Са/А1, при котором предотвращается зарастание разливочных стаканов, разработаны технологические приемы, позволяющие поддерживать такое соотношение.

4. Испытаны и внедрены новые алюминийсодержащие сплавы для раскисления стали — ферроалюминий и ферроалюмомагний. Их использование позволило увеличить усвоение алюминия, автоматизировать подачу сплавов в ковш-печь и значительно снизить затраты на раскисление.

5. Разработаны и внедрены в конвертерном цехе ОАО «НТМК» технологические приемы, повышающие стойкость огнеупоров футеровки: использование новых шлакообразующих материалов для наведения ковшевого шлака, способного создавать защитный гарнисаж на огнеупорах стен и патрубков вакууматораприменение клеевых композиции при кладке патрубков вакууматоров и эффективных нейтрализаторов ковшевого шлака для снижения его активности по отношению к огнеупорамусиление жесткости металлических конструкций днища и фланцев вакуумкамеры.

6. Определено, что лучшей конструкцией для торкретирования футеровки патрубков вакууматоров и конвертеров является установка с пневмомеханическим камерным нагнетателемизучено влияние режимных и конструктивных факторов на интенсивность вывода порошков из питателя. Сконструированы и изготовлены торкрет-установки НТМ-01−4 и НТМ-01−4М, успешно работающие в конвертерном цехе ОАО «НТМК» с 2002 г. и показавшие большую надежность при эксплуатации, чем зарубежные аналоги.

В результате применения новых торкрет-установок стойкость патрубков вакууматоров увеличилась с 77 плавок в 2001 г. до 99 плавок в 2005 г., удельные затраты на огнеупоры за этот период снизились в 3,3 раза. Стойкость наносимого огнеупорного торкрет-слоя конвертеров увеличилась с 2 до 6−7 плавок, удельные затраты на огнеупоры для футеровки конвертеров снизились с 73,9 до 21,8 руб./т стали.

Показано, что внедрение в технологию производства стали торкретирования футеровки вакууматора и конвертера не ухудшило качественных показателей металла по неметаллическим включениям.

7. Оценка новых элементов внедренной в ОАО «НТМК» технологии внепечной обработки стали показала, что загрязненность атмосферы снижена за счет меньшего угара ферросплавов, снижения расхода огнеупоров и количества перефутеровок вакууматоров и конвертеров.

8. Экономический эффект в ОАО «НТМК» за счет совершенствования технологии раскисления стали и торкретирования агрегатов составил более 400 млн руб. в год. in.