Особенности непрерывных сталеплавильных процессов

Все промышленные техпроцессы по характеру их протекания в пространстве, времени делят на непрерывные и периодические. Последние осуществляют внутри одного закрытого рабочего объема. В этом пространстве при соблюдении определенного алгоритма реализуют операционный цикл, обеспечивающий изменение во времени характеристик процедуры (химсостава, температуры и др.).

Выполняются эти действия, чтобы сделать из сырья конечную продукцию. После завершения цикла готовый продукт выгружается. Затем внутрь рабочего объема помещают новую порцию сырья, повторяют производственный алгоритм. Непрерывные же процессы имеют принципиально иную технологию.

Суть, основные плюсы НСП

Особенность беспрерывных процессов – разделение операционного цикла в пространстве, то есть:

• Процедура совершается внутри нескольких отсеков, по которым сырье непрерывно перемещается.
• Подвод исходных материалов, отгрузка готовой продукции осуществляются постоянно. При загрузке исходников нельзя применять железосодержащие брикеты (материал можно заказать в предприятии «ПромБрикет»). Данные плитки чаще используют для доменного производства чугуна.
• В отсеках устанавливаются неизменные по ходу времени техпараметры. Но каждая камера имеет индивидуальные значения характеристик, отличные от параметрических условий внутри других отделений.

НСП начали применяться в средине XIX столетия. Старт активного использования технологии пришелся на первые десятилетия XX века. Особенно часто беспрерывные процедуры использовались в разных ответвлениях химической индустрии. Сегодня все типы продукции массового потребления производят путем применения постоянных процедур.

История развития НСП свидетельствует о прямой пропорциональной зависимости между сложностью техпроцесса и объемом производимых продуктов. Плавка стали представляет собой технологически сложный операционный алгоритм. Поэтому выход сплава получается огромным. Поэтому замена периодических процедур беспрерывными остается пока что неиспользуемым резервом сталеплавильной сферы.

Постоянное производство легче механизировать, автоматизировать, что дает следующие преимущества:

• упрощение решения проблемы увеличения производительности;
• возможность улучшения рабочих условий без больших затрат;
• облегчение реализации мер по защите окружающей среды.

Относительная простота автоматизации объясняется разделением производственных фаз, проведением каждой стадии внутри отдельного отсека. Приведенные плюсы можно усилить путем использования науглесодержащих брикетов (данные плитки можно найти на prombriket.in.ua). Последние повышают качество выплавляемых стальных составов.

Особенности сталеплавильных агрегатов непрерывного действия (САНД)

Во время разработки конструкции подобных установок производители сталкиваются с трудностями двух основных направлений. К первой группе относят проблемы технологического типа, заключающиеся в необходимости организации одновременного выведения из чугунного сплава разнородных согласно термохимическим характеристикам компонентов, например, для:

• выведения карбона требуется создание окислительной среды, значительного перегрева металлосмеси, шлаковых отходов железистого вида;
• удаления сульфура следует выполнять интенсивное перемешивание основного шлакоотхода с металлосплавом при минимальном включении окисей феррума в шлаке, оксигена внутри металла, а также значительном уровне нагрева ванны;
• выведения фосфора необходимо присутствие известково-железистых шлаковых компонентов, создание умеренного температурного режима;
• удаления силиция важно обустройство окислительной среды с достаточным количеством железистого шлака.

Для таких целей иногда применяют ставролитовые брикеты (данный материал можно купить на сайте НПП ПБ). Такие плитки используются ради ускорения шлакообразования, более быстрого перевода сульфура, фосфора в шлакоотход.

Во вторую группу трудностей входят проблемы конструктивного типа. Необходимо сконструировать установку, которая будет обеспечивать реализацию правильной последовательности техопераций и одновременно отличаться:

• устойчивостью к высоким температурам;
• способностью работы без остановок на восстановление облицовки;
• отсутствием потребности в частом осмотре, ремонте.

По состоянию на текущий момент предложено несколько технологических алгоритмов постоянной процедуры производства стальных составов. Наибольшую популярность получили одно- и многостадийные разновидности.

Внутри САНД для увеличения эксплуатационного периода футеровочного покрытия не применяют титаносодержащие брикеты (их можно заказать в компании «ПромБрикет»). Подобные плитки используются при доменном изготовлении чугунных расплавов.

Варианты конструкций САНД

Современные НСП делят на классы по:

• Конструкции плавильной установки. Суть работы 1-го конструктивного типа заключается в проведении операций на поду при поступлении твердых, газообразных реагентов в подовые реакторы желобного вида. 2-я разновидность отличается реализацией оперативного цикла в условиях распыленного взвешенного состояния шлаковых отходов, металлокомпонентов, добавочных составляющих.
• Варианту выполнения процесса. Как уже обозначалось выше, процедуры бывают однофазными (выведение ненужных добавок и переработка чугуна в стальной состав совершается одновременно), многостадийными (техпроцесс разбивается на фазы, при этом во всех емкостях осуществляется 1 либо несколько реакций).
• Виду используемой технологии.

Металл и шлак могут перемещаться в одинаковом или противоположном направлениях (рис. 1).

Обзор многостадийных НСП

Суть процедуры состоит в следующем:

• Металлосостав переливается из одного отделения в другое.
• Первая пара камер служит средством выведения с помощью известковой муки сульфура внутри азотной струи. Иногда для нейтрализации серы применяют алюминат-кальциевые брикеты (эти плитки можно приобрести, просмотрев каталог компании НПП ПБ).
• Последующие отсеки используют, чтобы удалить силиций при помощи фосфорной руды, извести в кислородной струйке.
• Производится ввод охлаждаемых водой фурм.
• Образованный шлакоотход выводится через одноименные летки, отвод газообразных веществ выполняют сквозь спецотверстия.

Затем металлическая смесь перемещается внутрь обезуглероживающей камеры для продувки оксисгеном. Сталесостав переливается в отсек легирования, происходит его разливка.

Особенности одностадийного НСП

Как пример этой процедуры можно привести схему, созданную BISRA (рис. 2). Суть заключается в окружении падающей чугунной   струи кислородной оболочкой, разбивающей сплав на частицы сечением 1…2 мм. При этом площадь поверхности контакта оксигена с каплями такая значительная, что примеси моментально выгорают. Процедура получила название струйное рафинирование.

Алгоритм процесса следующий:

• Чугунная струя непрерывно падает внутрь установки, проходя обработку кислородной смесью, мелкоизмельченными флюсовыми компонентами.
• Частицы очищенного металла и шлаковых составляющих собираются внутри приемной емкости.
• После отстаивания происходит беспрерывный выпуск состава в ковш и разливка. Образованный слой используется как дополнительный фильтр выводимого расплава.
• Использованные шлакокомпоненты постоянно стекают внутрь шлакосборной чаши.

По ходу рафинирования реализуется оксидирование частиц силиция, карбона, фосфора:

• на участке распыления чугунной струйки;
• в процессе свободного падения частичек в кислой среде;
• внутри ковшового пространства;
• во время прохода сквозь прослойку вспененного шлакоотхода.

Развитые реакционные поверхности способны оксидировать большое количество сульфура. Стальные расплавы нужного состава получают путем изменения режима подачи оксигена, температуры и типа чугунного сырья. Чтобы усилить эффективность десульфатации, временами используют алюмофлюсовые брикеты (их можно приобрести на сайте prombriket.in.ua).   

Непрерывный процесс получения стали из металлизированного железорудного сырья

Метод находится в фазе активной разработки. Суть приведенной технологии следующая:

• Металлсодержащие окатыши из железной руды и металлолом постоянно помещаются в сталеплавильную установку.
• Необходимый температурный режим внутри агрегата поддерживается с помощью использования энергии электродуг, тепла от окислительных реакций и сгорания топлива, загружающегося одновременно с окатышами.
• По фурмам подают оксиген, флюсовую пудру.
• Под динамическим влиянием кислородно-порошковых струек расплав со значительной скоростью перемещается в среднюю часть печного пространства.
• Шлакоотход, насыщенный примесями, постоянно выпускается с одной стороны САНД, а стальной сплав выводится через другую. Таким образом, установка функционирует по противоточному принципу. 

Приведенные и другие функциональные схемы пока что опробовались в лабораториях, а также полупроизводственных условиях. Полноценное промышленное применение не проводилось. В этом процессе для улучшения ТЭП нельзя использовать марганцесодержащие брикеты (такой материал доступен на сайте предприятия «ПромБрикет»). Подобные плитки чаще применяют при доменном изготовлении чугунов.

Особенности утилизации шлаковых отходов

Шлакокомпоненты доменного типа согласно химсоставу отличаются от портландцемента недостаточным количеством оксида кальция, гранита – отсутствием достаточного процента окиси силиция. Если ввести в жидкий шлакоотход необходимый процент песка, извести, можно получить готовый цементный или гранитный состав. При этом снижаются расходы тепловой энергии.

Сегодня нейтрализуемые деленные шлакоотходные материалы применяют как сырье во время изготовления портландцемента – затрачивается около 200 кг УТ/т цементной смеси. При реализации в САНД жидкофазного окисления руд с малым процентом феррума шлакоотходных компонентов приходится примерно 1 т на аналогичное количество чугуна.

Переработка жидких шлаков на литейном производстве даст возможность понизить энергоемкость чугунной смеси до 200 кг УТ/т. При превращении шлакосоставляющих в гранит можно добиться еще большей экономии.

Шлакосырье, образованное при плавке стали, считается менее ценным стройматериалом, чем доменный аналог. Но сталелитейный отход включает до 20% феррума (королькового, оксидированного). Если это железо восстановить, можно существенно увеличить эффективность применения исходных материалов. Тут важно понимать следующее:

Во время восстановления железных компонентов восстанавливаются и фосфорные составляющие. Последние при переработке исходников в стальной расплав способны обеспечить образование фосфатных шлаков.

Сталелитейные шлакоотходы после восстановительных операций становятся согласно химсоставу ближе к портландцементу, чем доменные аналоги. Потому изготовить из них цемент проще. В эффективных схемах производства стали шлаковые составляющие имеют такую же важность, как и металл.

Современные технологические алгоритмы предусматривают образование основного процента шлакокомпонентов внутри восстановительного агрегата. Доводку шлаковых отходов для получения портландцемента либо гранита предлагается выполнять путем добавки песка, извести. 

Порядок переплавки металлолома

Значительное распространение в сталелитейной индустрии получили САНД, использующие в качестве шихты скрап. Установки по переработке жидкого чугунного расплава пока находятся на фазе полупромышленных тестов.

Оборудование, применяющее скраповую шихту, постепенно внедряется во всех странах. Исследования в этом направлении выплавки сталей осуществляются с использованием высокомощных дуговых сталеплавильных печных устройств и шахтных установок (по типу вагранок). Оба варианта плавки требуют доводки составов внутри вспомогательных агрегатов. Для наглядности можно привести пример процесса, разработанного исследовательским металлургическим институтом Японии:

• Происходит загрузка шихты из лома металла и пакетов.
• Переработанный внутри вагранки состав, содержащий 3,7…3,5% карбона, перемещается в ковш. Тут реализуется обработка десульфурирующими составами.
• Расплав перемещают внутрь индукционного печного устройства (копильника).
• Смесь перемещается в рафинировочную установку. Последняя оборудуется приборами для присадки флюсов, охладителей и оксигеновыми фурмами.
• Состав выводится в ковш, оснащенный пористой пробкой, сквозь которую подаются инертные газы, выполняющие раскислительную функцию.

Широкое распространение получили установки Consteel (США) и технология Еnergy Optimizing Furnace (Германия). В первом случае шихта состоит из металлизоанных окатышей или металлолома. Подогрев осуществляется с помощью дожигания окиси карбона, образующегося во время продувания ванны оксигеном. Лом металла при этом нагревается до 500…700°С. Установка обеспечивает периодический вывод расплава для последующей обработки вне речи.

Немецкая технология была опробована на производствах Бразилии, Италии, Индии, Венгрии, США. На приготовление 1 тонны стали тратилось до 9 кг жидкого горючего, 1 кг коксового сырья, 60…78 кубометров оксигена, 6 кг огнеупорных компонентов.

Тренды металлургической отрасли в мире

Сегодня в рамках литейной промышленности наиболее активные исследования ведутся, чтобы повысить уровень экологичности производств. Разрабатываются более качественные марки стальных сплавов. Данные тенденции выражаются в следующих конкретных разработках:

• Использовании для проведения прямых восстановительных процессов водорода вместо карбона. Метод помогает снизить выбросы в атмосферу углекислоты до нуля.
• Развитии процесса прямого восстановления феррума. Суть процедури заключается в изготовлении бездоменного полуфабриката для производства сталей.
• Сокращении продолжительности плавильного процесса из-за применения электродуговых и кислородно-конвертерних печных установок. Время плавки при помощи данных устройств можно сократить до 9 раз в сравнении с мартеновским методом приготовления сталесоставов. Это значительно снизит количество вредных выбросов.
• Развитии технологий совмещенных процессов плавления и прокатки металлов.
• Переходе на высокопрочные марки сталей. Такой тренд связан с потребностями автомобилестроительной и аэрокосмической отраслей.
• Автоматизации сталелитейных операций. Особенно нужно отметить создание роботов, которые смогут заменить людей на слишком опасных производственных участках.

Популярна также тенденция совершенствования классических производственных технологий. В рамках этого тренда реконструируются старые плавильные установки, создаются новые агрегаты на основе отработавших свое устройств.