ехнологические схемы современного сталеплавильного производства.

екция №3

Общие вопросы металлургии стали.Классификация стали и способов ее производства. Технологические схемы современного сталеплавильного производства.

лассификация стали.

Единой мировой классификации сталей нет. В нашей стране классификация стали и требования к ее составу и качеству обусловливаются соответствующими государственными стандартами и технологическими условиями. Полученные тем или иным способом стали чрезвычайно разнообразны по своим свойствам и классифицируются по следующим признакам:

Вся производимая сталь, делится по химическому составу; способам производства; типам процесса, стальному слитку, микроструктуре; назначению.

По химическому составу, в зависимости от содержания углерода, сталь делится на низкоуглеродистую (менее чем 0,25% углерода); среднеуглеродистую (0,25-0,6% углерода) и высокоуглеродистую (свыше 0,6% углерода).

Кроме углерода сталь содержит также другие элементы, большая часть которых может быть легирующими, т.е. такими, которые, входя в состав стали, обеспечивая необходимое качество. Наиболее часто как легирующие элементы используют марганец, кремний, хром, никель, ванадий, вольфрам и др. По содержанию легирующих элементов сталь делится на низколегированную, которая содержит до 2% одного легирующего элемента или до 3,5% нескольких, среднелегированную, содержание одного легирующего в которой не превышает 8% или содержание нескольких не превышает 10%; высоколегированную, которая содержит по меньшей мере 8% одного легирующего элемента или по меньшей мере 10% нескольких.

В стали содержится определенное количество серы и фосфора, которые в большинстве случаев есть нежелательными. Поскольку они снижают механические и прочие свойства стали, их называют вредными примесями.

В зависимости от содержания вредных примесей сталь бывает:

– обычного качества, если содержание серы не превышает 0,07%, а фосфора – 0,09%;

– качественная, если содержание серы и фосфора не превышает 0,045%;

– высококачественная, если их содержание не превышает 0,025% каждого в отдельности.

По способу производства сталь делится на:

– конвертерную, в том числе кислородно-конвертерную, бессемеровскую, томасовскую, малобессемеровскую и т.п.;

– мартеновскую, в том числе изготовленную в двухванных сталеплавильных агрегатах;

– электропечную, в том числе изготовленную в дуговых, индукционных, плазменных и других печах, которые используют для производства стали электроэнергию.

Тип сталеплавильного процесса определяют в зависимости от состава шлака и футеровки ванны сталеплавильного агрегата. Если шлак и футеровка основные, то есть в них преобладают основные компоненты, то сталеплавильный процесс имеет основной тип. В противном случае процесс считают кислым. Это распределение связано с тем, что лишь в случае основного типа процесса возможно удаление из стали серы и фосфора в шлак. Тем не менее кислый процесс также имеет определенные преимущества, связанные с содержанием в стали прежде всего кислорода, который является нежелательной примесью.

Во время разливки и затвердевания стали формируется стальной слиток, который может быть кипящим, полуспокойным и спокойным в зависимости от того, в какой мере во время затвердевания стали происходило выделение из нее газов, что зависит прежде всего от содержания кислорода в стали.

По назначению стали разделяют на:

– конструкционные – нелегированная углеродистая, подшипниковая, теплостойкая, повышенной обрабатываемости;

– инструментальные;

– со специальными физическими свойствами – электротехнические, жаропрочные, коррозионно-, жаро-, хладо- и износоустойчивые, маломагнитные;

– прецизионные – с высоким электросопротивлением, магнитомягкие, с заданным коэффициентом расширения;

– для сваривания и наплавки.

Каждая сталь имеет литерно-цифровий шифр, который сжато характеризует ее химический состав. Например, нелегированные углеродные стали могут иметь шифр Ст0, Ст1, Ст2, Ст7. Сокращение "Ст" означает "сталь", а порядковый номер повышается соответственно возрастанию содержания в стали углерода. Рассматриваемые стали содержат до 0,4% кремния, до 0,6% марганца, до 0,12% алюминия, до 0,15% титана, до 0,30% хрома, никеля и меди. Если после шифра стоят буквы "кп", "пс" или "сп", это означает, что стальной слиток принадлежит соответственно кипящему, полуспокойному или спокойному типу. Буквы перед шифром отвечают способу производства стали (например, "К", "М", "Б" – соответственно конвертерному, мартеновскому, бессемеровскому).

Другие стали конструкционной группы шифруют литерно-цифровым способом. Каждый элемент, который содержится в стали, обозначается соответствующей буквой: У - углерод, С – кремний, Г – марганец, Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Ф – ванадий, Ю – алюминий, Т – титан, Б – ниобий, Д – медь, К – кобальт, П –фосфор, Ц – редкоземельные металлы (Церий), А – азот. Кроме того, буква «А» в начале марки стали обозначает, что сталь автоматная, а в конце высококачественная марка. Буква «У» в конце марки указывает, что сталь улучшенная, т.е. содержит низкое содержание серы и фосфора. Буква «Л» наиболее часто указывается в конце шифра и указывает на то, что данная марка литейная, т.е. используется для производства стального литья. Если после буквы стоит цифра, то это обозначает, что содержание элемента в стали достигает определенного значения в процентах; отсутствие цифры означает, что легирующего элемента в стали содержится меньше 1–1,5%.

Шифр конструкционной стали начинается двумя цифрами, например "08", "35^”, "38", "45'', которые отвечают среднему содержанию углерода в стали в сотых долях процента (для инструментальных марок в десятых долях). Например, сталь 35ГС содержит в среднем приблизительно 0,35% углерода и до 1% марганца и кремния, а сталь 35Г2С - до 2% марганца. Буквой "А" после шифра обозначается сталь повышенного качества, в которой содержится меньше чем 0,025% серы и фосфора.

Шифры некоторых по назначению конструкционных сталей имеют определенную специфику. Например, шарикоподшипниковая сталь может иметь шифр ШХ10: "Ш" – шарикоподшипниковая; "Х10" – хрома в ней содержится в среднем приблизительно 1%.

На каждую сталь существует государственный стандарт, то есть текст, в котором оговариваются требования к составу стали, ее способу производства и свойствам.

В составе стали приводятся данные относительно допустимого диапазона содержания каждого элемента или его границ (верхней или нижней). В некоторых случаях стандарт может не требовать ограничений к химическому составу стали.

В зависимости от способа производства свойства стали изменяются. Поэтому стали одинакового химического состава и разных способов производства имеют разные стандарты.

К механическим свойствам стали прежде всего и наиболее часто принадлежат предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, ударная вязкость и др.; к специальным физическим – потери энергии при перемагничивании, магнитная индукция и др.; к специальным физико-химическим – способность стали оказывать сопротивление коррозии в разных средах и др.

Невыполнение требований государственных стандартов является нарушением закона государства.

Кроме стандартов существуют так называемые технические условия, которые разрабатываются между производителем стали и ее потребителем в таких случаях:

– в случае изменения условий на состав и свойства стали в границах стандарта;

– при разработке новых марок стали.

В первом случае по договоренности возможное сужение диапазона содержимого элемента или элементов сравнительно со стандартом, который соответственно суживает свойства стали и действует в пользу потребителя, но затрудняет задачу производителю стали. Соблюдение технических условий в этом случае не противоречит стандарту и оплачивается потребителем производителю.

В втором случае стандарта на новую марку стали еще не существует и его нужно разработать. В этом случае технические условия определяют возможный состав и свойства стали, которые уточняются в процессе ее исследовательского изготовления. После того как доказана возможность производства стали, на нее разрабатывают соответствующий государственный стандарт, а технические условия отменяют.

В последнее время разрабатывают новые ультрачистые стали, которые содержат минимальное количество вредных примесей. Это требует разработки такой части теории металлургии стали, которая содержит закономерности их удаления из металла.

Примеси содержащиеся в стали можно разделить на 4 группы:

– постоянные или обыкновенные (Mn, Si, S, P). Эти примеси содержаться в тех или иных количествах в любой стали. Содержание их оговаривается стандартами и строго контролируется;

– скрытые примеси (O, H, N) присутствуют в стали в очень малых количествах, методы определения их содержания сложны, поэтому их содержание не указывается;

– случайные – попавшие в сталь и шихты случайно;

– легирующие – специально вводимые в сталь в определенных количествах с целью изменения структуры и свойств.

ехнологические схемы современного сталеплавильного производства.

Как отмечалось выше, основные направления развития сталеплавильного производства в мире связаны с увеличением доли конвертерной и электростали. КП хорошо сочетается с доменным процессом получения чугуна, а получение металлизированного сырья прямым восстановлением железной руды – с ЭП. Однако, основная масса стали будет производиться КП по схеме кислородный-конвертер, внепечная обработка, непрерывная разливка. Наличие внепечной обработки и непрерывной разливки стали также будет неотъемлемой частью электродугового способа производства стали. Мартеновское производство, производство стали в двухванных и прямоточных агрегатах должно по возможности также включать в себя различные технологические схемы ковшевой металлургии и разливку на МНЛЗ, однако объемы стали производимой с использованием этих схем будут постепенно сокращаться вплоть до полного вывода подовых агрегатов из эксплуатации.

При выплавке стали в ЭП помимо традиционных недостатков (высокий уровень шума, необходимость наличия дешевой электроэнергии) также относится невозможность предотвратить накопление в стали вредных примесей, имеющихся в ломе (Cu, Sn, Zn, Bi, Sb, As, Ni, Cr, Mo, Co). Отечественное ЭП еще долго будет базироваться на высокой доле лома в шихте (1020 кг/т против 230 кг/т в конвертере). С внедрением МНЛЗ и реализацией металлосберегающих технологий снижается доля лома в виде собственных отходов и возрастает доля амортизационного, качество которого заведомо хуже. Разница стоимости электроэнергии в Украине, с одной стороны, и США, Западной Европой и Россией, с другой стороны, тоже существенны. ЭП наиболее целесообразно для предприятий, производящих длинномерный (сортовой) прокат, однако сортамент ограничен в связи с более высоким содержанием азота в стали. Наиболее предпочтительно использование ЭП на «мини заводах», строительство которых на Украине проблематично.

Поэтому основным будет КП, доля которого в течение ближайших 10 лет достигнет уровня 70%.

В настоящее время существует множество технологических схем конвертерного производства стали:

– бессемеровский (Донная продувка чугуна воздухом через многосопловые фурмы в агрегате с кислой футеровкой.);

– томасовский (Был создан для переработки в сталь высокофосфористых чугунов с получением фосфат-шлаков, применяемых в качестве удобрения. Футеровка агрегата изготавливалась из основных огнеупоров, дутье нижнее, воздушное. Возможность наводки основного шлака позволяла проводить дефосфорацию и десульфурацию металла.);

– кислородно-конвертерный процесс (Наиболее простой и самый распространенный одношлаковый (моношлаковый). Особенностью является продувка ванны кислородом через верхнюю кислородную фурму, футеровка основная.);

– конвертерный процесс с донной подачей кислорода (Подача кислорода снизу через днище в защитной атмосфере жидких или газообразных углеводородов.);

– конвертерные процессы с комбинированной подачей дутья (Верхняя подача кислорода и донная подача нейтрального газа через фурму или пористые огнеупорные блоки.);

– конвертерный передел высокофосфористых чугунов (Процесс характеризуется одно или многократным скачиванием шлака для удаления фосфора. Различается видом применяемой извести (кусковая или порошкообразная) и способом подвода кислорода (сверху, снизу, комбинированно).);

– конвертерный процесс с верхней подачей кислорода и использованием кусковой извести;

– конвертерный процесс с донной подачей кислорода и использованием порошкообразной извести (В основном для переработки высокофосфористых чугунов.);

– целый ряд технологических схем для переработки природнолегированных чугунов (в основном ванадиевых), схем предполагающих повышение доли лома в составе металлозавалки (подогрев лома, использование топливных горелок, дожигание СО в полости конвертера, сжигание твердого (кокс, антрацит), жидкого или газообразного топлива), использование дуплекс-процессов – конвертер – электродуговая печь, конвертер – подовый агрегат и т.д.

Мартеновское производство «вынуждено» существовать еще долгое время на тех предприятиях, где нет конвертерного (комбинаты «Запорожсталь», Алчевский, Макеевский, завод им. К. Либкнехта). Модернизация этих цехов путем замены МП на КК практически не реальна. Замена крупных МП на ПСА эффективно может быть реализована лишь на комбинате им. Ильича, где имеется мощное здание и просматривается возможность сооружения в цехе или рядом МНЛЗ, без чего подобная реконструкция бессмысленна.

Среди основных подовых процессов производства стали можно выделить:

– основной и кислый мартеновский процесс (Мартеновские, двухванные, прямоточные агрегаты с основной либо кислой футеровкой.);

– карбюраторный (скрап-угольный) процесс, скрап процесс, скрап-рудный процесс (Все эти процессы различаются долей чугуна в составе металлозавалки. Для карбюраторного характерный расход чугуна составляет 10-15%, для скрап процесса – 25-45%, для скрап-рудного (самого распространенного) – 50-70%.);

– скрап-рудный процесс без продувки ванны кислородом (В качестве окислителей используется железная руда, высокоосновный агломерат, окатыши.);

– скрап-кислородный процесс (Отличается от скрап-рудного тем, что в периоды плавления и доводки кислород твердых окислителей заменяется кислородом дутья. Такая замена позволяет в 1,5-2 раза увеличить производительность агрегата.);

– мартеновский процесс с глубинной подачей кислорода в ванну (Назван СИ-процессом (Submegel Injection Process – затопленноструйный процесс). Фурмы (в количестве 8-12 шт располагают по задней стенке равномерно по всей длине ванны, что обеспечивает хорошее перемешивание при относительно малой удельной интенсивности продувки, составляющей 2-4 м³/(т*ч).).

В Украине на определенную временную перспективу все же основным представляется КП. Если 5-10 лет назад по техническому уровню КП было близко к лучшему зарубежному, то сегодня это совсем не так.

В отечественных конвертерных цехах отсутствуют многие элементы, широко используемые на зарубежных предприятиях и оказывающие решающее влияние на показатели ресурсосбережения и экологии. К основным из них, в частности, относятся:

– использование широкой гаммы устройств для контроля процесса (зонды для оценки температуры и состава металла без прекращения дутья и повалки конвертера, датчики окисленности металла, приборы для определения химического состава шлака, устройства для косвенного контроля за ходом процесса и поведением ванны, в частности на базе использования ультразвука, светимости факела, вибрации и т. п.);

– применение точных весоизмерительных устройств для оценки массы металлошихты, добавок и жидкой стали;

– системы динамического управления системы;

– отсечка шлака при выпуске металла в ковш и применение покровных покрытий;

– использование выделяющихся из конвертера газов, в частности рекуперации СО и возврат пыли в конвертер;

– реализация различных вариантов комбинированной продувки;

– выплавка металла безшлаковым процессом;

– широкое использование периклазоуглеродистых огнеупоров, торкретирования других мероприятий, например, раздува шлака после выпуска стали, обеспечивающих стойкость футеровки до 8-10 тыс. плавок;

– транспортировка чугуна в ковшах миксерного типа.

Отечественные конвертерные цехи уступают зарубежным по составу оборудования для внепечной обработки стали, в первую очередь, по наличию вакууматоров и агрегатов типа «печь-ковш» и масштабам внепечной обработки наиболее эффективными способами.

Объем конвертерной стали, разливаемой на МНЛЗ, на предприятиях Украины не превышает 36% от объема ее производства. В 1999 г. доля стали, разливаемой на МНЛЗ, увеличилась до 18,7% против 8,3% в 1990 г., однако этот рост в значительной мере связан с общим уменьшением объема выплавки стали с 50 до 27,1 млн. т. На сегодняшний день установленные мощности по непрерывной разливке стали не превышает 19,9% от имеющихся в соответствующих цехах мощностей по выплавке. Между тем, именно расширение объема непрерывной разливки явилось важнейшим фактором увеличения мирового производства металлопродукции (на его долю приходится 75% достигнутого увеличения), а также снижения энергозатрат и повышения качества металла.

Если говорить о непрерывной разливке, то существенное отставание имеет место не только в масштабах ее применения, но и в техническом уровне. На ответственных предприятиях не используются или применяются в крайне ограниченных масштабах системы защиты металла от вторичного окисления, сухие футеровки промежуточных ковшей, системы автоматического контроля за параметрами разливки и управления ею, устройства для электромагнитного перемешивания и др.

Для исправления сложившейся ситуации разработана «Национальная программа развития ГМК». При этом намечено строительство одного конвертера на комбинате им. Дзержинского, одной ДСП на заводе «Днепроспецсталь», 11 сортовых МНЛЗ (6 – Кр.МК; по 2 – ДМЗ и ЕМЗ и 1 – «ДСС») и 2 слябовых машины на комбинате им. Дзержинского. Предусматривается вывод из эксплуатации после 2005 года ряда МЦ. Для повышения качества до 2010 года предусмотрено построить 9 установок «печь-ковш», 3 вакууматора и реконструировать вакууматор на «ДСС». Выплавка специальных сталей и сплавов планируется в объеме 2,58 млн.т.

Для обеспечения качества, рентабельности, ресурсосбережения и конкурентоспособности предусматривается ввод мощных ЭП емкостью до 120 т с частичным выводом из эксплуатации малотонных. В комплексе с ними будут сооружаться установки типа «печь-ковш» и МНЛЗ.

Приоритетом технического перевооружения сталеплавильной подотрасли должна стать непрерывная разливка, поскольку помимо целого ряда крупных технических преимуществ она характеризуется минимальным сроком окупаемости. По данным мировой практики применение процесса непрерывной разливки в ее традиционном варианте обеспечивает снижение расхода металла на производство проката в среднем на 150, огнеупоров на 3 и условного топлива на 65 кг/т. Усовершенствованные варианты, предусматривающие организацию «горячего посада» литых заготовок в нагревательные печи прокатного стана, совмещение непрерывной разливки с прокаткой позволяют уменьшить расход металла по сравнению с отливкой его в изложницы на 30-40% и энергии на 15-20%. За исключением отдельных видов продукции переход от обычной к непрерывной разливке способствует резкому улучшению макроструктуры, качества поверхности и, в конечном счете, повышению физико-механических свойств продукции.

Заслуживает внимания опыт комбината им. Ильича, где произведена частичная реконструкция конвертерного цеха с установкой слябовых МНЛЗ для отливки части выплавляемого металла. Совокупные материальные и топливно-энергетические затраты в себестоимости листового проката снизились до 67% против 86% по технологии с разливкой в изложницы.

Для КП серьезное внимание должно быть уделено созданию технологий, способствующих повышению доли лома в металлозавалке, ослаблению основного недостатка конвертера, т.к. стоимость лома составляет 0,5-0,7 стоимости чугуна. Применение металлолома при выплавке стали взамен чугуна позволяет сэкономить 180 кВт. ч/т природного газа; 95 м³/т кислорода; 78 м³/т сжатого воздуха; 79 м³/т воды; 175 м³/т природного газа; 800 кг/т угля; 400 кг/т пиломатериалов; 1,2 кг/т взрывчатых веществ и т.д.

Конвертер должен стать плавильным и обезуглероживающим агрегатом для получения полупродукта. Корректировка расплава по химическому составу и температуре, а также обеспечение характеристик, связанных с работоспособностью и длительным сроком эксплуатации конструкций, машин и механизмов должна производиться с помощью внепечной обработки.

С другой стороны, важнейшим направлением развития конвертерного производства должна быть разработка новых вариантов процесса, примером чего является создаваемая на Украине в последние годы технология конвертерной плавки с применением внешних воздействий, включающих наложение на жидкую ванну электрического потенциала или использование внешнего магнитного поля. Существенный эффект по повышению теплосодержания ванны, повышению степени рафинирования металла от вредных примесей и т. д., может быть обеспечен здесь, во-первых, при весьма низких уровнях энергетических вложений и финансовых затрат. Во-вторых, такая технология отнюдь не входит в противоречия с задачами стандартизации процесса, но в то же время улучшает подготовку металла к внепечной обработке, снижая затраты и продолжительность последней. И, наконец, использование внешних воздействий позволяет параллельно решать экологические задачи, связанные со снижением уровня выносов и выбросов.

Не менее перспективным направлением является создание конвертерного процесса с продувкой ванны кислородом в агрегатах с кислой футеровкой. Как показали лабораторные исследования и опытное опробования на заводе им. Петровского (в варианте дуплекс процесс «конвертер с кислой футеровкой – конвертер с основной футеровкой») переход на кислые динасовые огнеупоры позволяет уменьшить потребность в основных огнеупорах магнезиального состава, резко снизить расход жидкого чугуна, извести и кислорода, а также улучшить качество металла по газонасыщенности, уровню и анизотропии механических характеристик.

Вторым после НР объектом интенсивной деятельности должна стать внепечная обработка.

Основными направлениями ее развития следует считать:

– широкое применение многофункциональных установок комплексной внепечной обработки стали и стабилизации химического состава, отвечающих как задачам сегодняшнего дня, так и требованиям перспективы, а также характеризующихся использованием энергосберегающих нагревательных модулей, эффективных средств контроля, надежных систем газоочистки и т. д.;

– доведение до обоснованных объемов использования вакуумирования металла в ковше;

– создание и применение комбинированных процессов глубокого очищения стали от серы, фосфора, азота и кислорода, в том числе с использованием вакуум-шлаковой доводки, восстановительного аргонношлакового рафинирования, окислительной дефосфорации и прочих.

Задачами непрерывной разливки, помимо всемерного расширения масштабов этой технологии, в том числе за счет сооружений соответствующих отделений в непосредственном контакте с основным заданием сталеплавильных (в первую очередь конвертерных) цехов или в разумном отдалении от них, являются: повышенные скорости разливки и производительности МНЛЗ; оснащение установок специальными устройствами и системами для улучшения качества непрерывного металла, в том числе устройствами электромагнитного перемешивания, системами диагностики и приборами контроля технологического процесса и качества продукции.

И последнее. Для того чтобы занимать передовые позиции в области металлургии, необходимо иметь гибкую инфраструктуру для выполнения научных исследований, в том числе фундаментального характера.