автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии выплавки стали в конвертерах с целью повышения их стойкости и объема производства в условиях Магнитогорского металлургического комбината

» . " /

Открытое акционерное общество "Магнитогорский металлургический комбинат"

На правах рукописи

Тахаутдинов Рафкат Спартакович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КОНВЕРТЕРАХ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ СТОЙКОСТИ

И ОБЪЕМА ПРОИЗВОДСТВА В УСЛОВИЯХ МАГНИТОГОРСКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный консультант доцент, к.т.н. В.А. Бигеев

Магнитогорск - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................4

1. Основные направления повышения стойкости футеровки кислородных конвертеров............................................................. 9

1.1. Общие положения ..................................................................9

»

1.2. Механизм разрушения огнеупоров.............................................11

1.3. Характер разрушения огнеупорной футеровки..............................13

1.4. Влияние технологических параметров плавки на стойкость футеровки................................... . .........................................14

1.5. Использование магнезиальных шлакообразующих материалов.........17

1.6. Восстановление футеровки торкретированием..............................23

1.7. Защита футеровки шлаковым гарнисажем.................................... 30

2. Комплекс мероприятий по повышению стойкости футеровки конвертеров, увеличению объема производства и повышению

качества стали в ККЦ ОАО "ММК"..............................................36

2.1. Мероприятия по повышению стойкости футеровки и увеличения объема производства стали................... ....................................36

2.2. Мероприятия по повышению качества стали................................39

2.3. Опробование технологии нанесения шлакового гарнисажа

на футеровку конвертера....................... ............................. ...51

3. Физическое моделирование процесса нанесения шлакового гарнисажа на футеровку конвертера................... ..........................58

3.1. Анализ условий подобия при моделировании нанесения шлакового гарнисажа на футеровку конвертера........... ................58

3.2. Описание лабораторной установки и методики проведения опытов..............................................................................62

3.3. Анализ результатов моделирования.........................................65

4. Исследование технологических параметров конвертерной плавки

в условияхККЦ ОАО "ММК"...............................................:...78

4.1. Исследование динамики процесса шлакообразования.......... ........80

4.2. Статистический анализ технологических параметров плавок текущего производства........................................................105

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.........................................................................110

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................... .113

Приложение 1. Результаты моделирования нанесения

гарнисажа на лабораторной установке....................126

Приложение 2. Результаты статистического анализа

технологических параметров плавок

текущего производства........................................132

-4-ВВЕДЕНИЕ

В мировом сталеплавильном производстве в течение последних десятилетий сложилось устойчивое соотношение между основными способами, выплавки стали. Практически во всех регионах мира мощности конвертерного способа

*

производства превышают другие, несмотря на увеличение в ряде стран доли стали, полученной в электрических печах.

Кислородно-конвертерному процессу производства стали присущ динамичный путь совершенствования конструкции конвертеров и технологии выплавки стали в них. Классическая технология верхней кислородной продувки и ее модификации в виде разнообразных комбинированных процессов в сочетании с развитой ковшевой обработкой металла и непрерывной разливкой стали создают широкие возможности выпускать продукцию, соответствующую требованиям постоянно изменяющейся конъюнктуры рынка металлов.

На современном этапе развития рыночных отношений в сфере производства стали важнейшими показателями его конкурентоспособности становятся качество стали и издержки на ее производство. В каждом регионе мира эти задачи решаются?исходя из технических, экономических и организационных возможностей и традиций. Это породило большое число разнообразных технологий, опыт применения которых раскрывает дополнительные технические возможности и резервы кислородно-конвертерного процесса, вносит вклад в развитие его современных теоретических концепций.

Относительно молодое конвертерное производство ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" (ММК) имеет целый ряд специфических особенностей, связанных со значительным отклонением реальных условий работы цеха от проектных. Несоответствие конструкции и режимов работы технологического оборудования проектным решениям, отклонения свойств шихтовых материалов от проектных, возросшие объемы производства в незавершенном строительством цехе вызывают необходимость поиска нестандартных организационных и технологических решений в условиях дефицита сырья, материалов и энергоресурсов при ужесточающейся конкуренции среди производителей металла.

Превзойти проектную мощность первой очереди кислородно-конвертерного цеха (ККЦ) ММК в жесткие временные рамки можно было только лишь на основе современных достижений металлургической науки. Исследования в ККЦ ММК, проведенные в последние годы, создали основу выработки эффективных технических и технологических решений. Добиться высокого уровня производства в ККЦ, превышающего проектный, с сохранением качества выплавляемой стали и снижением производственных затрат удалось за счет комплекса мероприятий по сокращению простоев основного технологического оборудования, в том числе и за счет увеличения стойкости футеровки конвертеров (рис. 1, 2).

Одновременная работа двух имеющихся в наличии конвертеров является основным фактором наращивания мощности первой очереди ККЦ. Продолжи-

Изменение стойкости футеровки конвертеров по годам

2000-1

и

о » 1500-

еЗ

1000-

и 5 500-

0-1

1993г. 1994г. 1995г. 1996г.

Годы Рис. 1

1997г. 1998г.

Зависимость годового объема производства стали от стойкости футеровки конвертеров

500 700 900 1100 1300 1500 1700

Стойкость футеровки, плавок Э— Фактическое производство стали - - ■ Проектное

Рис. 2

1900

телыюстъ кампании конвертера становится одним из важнейших объектов исследования и поиска эффективных средств ее увеличения.

Практика мировой металлургии накопила большой опыт решения этой проблемы. Обычно комплекс мер по повышению стойкости огнеупорной футеровки предусматривает как выбор ее материалов, параметры и качество изготовления, рациональные технологические »и организационные режимы плавки, так и способы восстановления рабочего слоя по ходу кампании.

В ККЦ ММК также реализуется системный подход к решению задачи увеличения продолжительности кампании конвертеров. Однако в процессе эксплуатации агрегатов удалось выделить достаточно простой и надежный способ горячего восстановления рабочего слоя огнеупорной футеровки по ходу кампании конвертера - способ нанесения шлакового гарнисажа, научный анализ и обоснование целесобразности использования которого является предметом данной работы.

Предпосылками разработки предлагаемого способа увеличения продолжительности кампании конвертеров послужили выявленные в процессе эксплуатации недостатки факельного торкретирования (повышенная пористость и низкая стойкость торкретпокрытия при высоких расходах торкрет-массы), опыт предприятий, использующих ошлакование магнезиальными шлаками сливной и загрузочной поверхности футеровки и днища, а также многолетняя практика наварки подин мартеновских печей ММК.

В процессе разработки технологии нанесения шлакового гарнисажа необходимо было решить следующие задачи:

-8- найти простой и надежный способ нанесения шлакового гарнисажа на

наиболее изнашиваемые участки огнеупорной футеровки;

- установить влияние шлакового гарнисажа на технологические параметры плавки (рафинирующую способность шлака, состав металла и др.);

- определить рациональные параметры технологии нанесения шлакового гарнисажа (конструкцию устройства, параметры газовой струи, свойства шлака

идр,);

- оценить эффективность использования разработанной технологии (частота и задолженность конвертера на операциях нанесения гарнисажа, предельная стойкость футеровки, безопасность и экологичность и др.).

-91. Основные направления повышения стойкости футеровки

кислородных конвертеров 1.1. Общие положения

Огнеупорная футеровка при выплавке стали в кислородных конвертерах выполняет важнейшие функции по обеспечению работоспособности агрегатов и реализации в них технологических процессов. Качество выплавляемого металла и свойства образующегося шлака во многом зависят от материала футеровки и степени ее участия в массообменных процессах. По ходу плавки происходит неизбежный износ части рабочего слоя футеровки конвертера.

Износ футеровки конвертера имеет сложный характер и определяется совокупностью следующих факторов:

- химическим взаимодействием материала футеровки со шлаком, металлом и газом;

- действием высоких температур;

- механическим разрушением;

- периодичностью режимов нагрева и охлаждения рабочего слоя.

В основном износ футеровки является результатом взаимодействия ее со шлаком [1]. Механизм этого взаимодействия отражает общие закономерности кинетики физико - химических процессов, протекающих на границе раздела жидкой и твердой фаз [2]. Сложный и многозвенный процесс состоит из нескольких основных стадий:

- подвод компонентов шлака к поверхности огнеупора;

- 10- пропитывание контактного слоя огнеупора компонентами шлака путем

проникновения их в поры, перемещения по капиллярам и диффузии в кристаллическую решетку зерен;

- насыщение диффузионных слоев с образованием соединений и твердых растворов;

- плавление легкоплавких соединений и растворов;

- отвод продуктов плавления от межфазной границы в объем шлака. Эти стадии процесса взаимодействия шлака с материалом футеровки

всегда имеют место. Однако в определенных зонах огнеупорной футеровки конвертера могут быть выделены дополнительные стадии:

- образование на поверхности огнеупора намороженного слоя шлака (шлакового гарнисажа);

- нагрев и взаимодействие гарнисажа с формирующимся шлаком;

- миграция соединений, образующихся между компонентами гарнисажа и шлака, в поверхностном слое.

Особенности развития каждой стадии взаимодействия шлака с огнеупорами определяют совокупность условий, необходимых для повышения стойкости рабочего слоя футеровки конвертера против разрушающего фактора. В комплексе всех стадий процесса можно выделить группы обобщающих признаков:

1. Качество огнеупорных материалов, определяющее их физико - химические свойства: состав материала и связки, размер зерен, пористость. Эти

свойства формируются на этапе изготовления огнеупорных изделий и подготовки их к кладке.

2. Качество выполнения рабочего слоя футеровки, включающее не только соблюдение технологии кладки, но и способ кладки, подбор материалов по ее зонам, а выбранных изделий - по типоразмерам.

3. Свойства шлака, определяющие растворяющую его способность: наличие и активность компонентов-растворителей, вязкость и однородность шлаковой фазы, ее температура, способность к вспениванию. Эти свойства формируются совокупностью параметров технологии выплавки стали в конвертере: качеством и массой применяемых шихтовых материалов, дутьевым и температурным режимами, организацией производства, системами обслуживания.

4. Уход за футеровкой в процессе ее службы.

5. Использование различных материалов для защиты рабочего слоя футеровки.

1.2. Механизм разрушения огнеупоров

Многочисленные исследования взаимодействия шлака с огнеупорными материалами показали, что его характер зависит от вида применяемых огнеупорных материалов [3,4]. Так, разрушение огнеупоров на керамической связке начинается с пропитки контактного слоя шлаком, частичного растворения зерен периклаза и изменения состава и количества силикатной связки. Со временем в зависимости от состава шлака снижается температура плавления связки. Она выплавляется, а отдельные зерна периклаза и

хромшпинелида переходят в шлак. Решающее значение для скорости растворения таких огнеупоров имеют их состав и пористость, температура перегрева и химический состав шлака. При этом для них наиболее опасен кислый шлак, имеющий сравнительно низкую температуру плавления и высокое содержание кремнезема [3].

Огнеупоры на углеродистой связке подвергаются разрушению преимущественно под воздействием оксидов железа при участии газовой фазы. В огнеупорах после взаимодействия их со шлаком наблюдаются три резко выраженные зоны: офлюсованная, обезуглероженная и малоизменен-ная [5].

Офлюсованная зона располагается от горячей поверхности на 1...3 мм вглубь кирпича. Зона состоит из округлых кородированных зерен двухкалыдаевого силиката, имеющих размер от 0,03 до 0,12 мм. Промежутки между зернами силиката заполнены связующей массой, участки которой имеют размер до 0,14 мм. Ближе к обезуглероженной зоне встречаются округлые зерна периклаза. Ферритовая фаза составляет около 26 % и представляет собой твердые растворы 2Ca0Fe203, 4Ca0-Al203-Fe203 и 2Са0-Мп203.

Обезуглероженная зона толщиной 0,5... 1 мм состоит в основном из округлых зерен периклаза размером 0,003...0,02 мм. Между зернами периклаза расположены изотермические неправильной формы зерна двухкальциевого силиката с размерами от 0,008 до 0,025 мм. Зерна периклаза и двухкальциевого силиката окружены связующей массой, достигающей 0,03 мм. Эта масса является ферритной фазой. Фазы распределены неравномерно: около границы с уг-

леродистой зоной преобладают периклаз и двухкалыщевый силикат, количество связующей массы невелико и увеличивается по направлению к офлюсованной зоне.

Углеродистая зона имеет крупнозернистую структуру с угловатыми серыми зернами и черной связующей массой [5]. Углеродистый остаток смоляной связки в кирпиче является как бы барьером, через который не проходят оксиды железа, кремния, марганца и алюминия.

Перерождение поверхностных слоев кирпича и образование в нем зон с различными физическими свойствами способствует скалыванию кирпича при резких изменениях температуры кладки. Химический и минералогический состав этих зон отличается от исходного состава огнеупоров. Количественные соотношения различных оксидов колеблются в зависимости от вида и качества огнеупоров, технологии выплавки стали и от места расположения кирпича, даже в пределах одной футеровки.

1.3. Характер разрушения огнеупорной футеровки

По ходу продувки в кислородном конвертере футеровка разрушается неравномерно: масса футеровки конвертера, переходящей в шлак, и интенсивность износа рабочего слоя к концу продувки возрастают [6]. В начале продувки скорость износа футеровки довольно высока, затем - несколько замедляется, а заключительный период продувки характеризуется наибольшей интенсивностью разрушения футеровки.

По ходу кампании конвертера износ футеровки также неравномерен [7]. В первой половине кампании огнеупоры изнашиваются в 1,2... 1,5 раза быстрее, чем во второй половине, когда рабочая поверхность футеровки удаляется от реакционных зон, а огнеупоры уже прошли своеобразную термообработку в процессе службы [ 1 ].

Футеровка изнашивается неравномерно по высоте и сечению конвертера. На поверхности футеровки имеются четыре наиболее изнашивающиеся зоны: две в области цапф и две на горловине над цапфами. Скорость износа огнеупоров в этих зонах примерно в два раза выше скорости износа остальной футеровки (рис. 1.1). В горловине конвертера футеровка подвергается истирающему воздействию высокотемпературных запыленных газов, выделяющихся из ванны в период обезуглероживания [8], а также окислению кислородом подсасываемого в конвертер воздуха в начальный и конечный периоды продувки.

1.4. Влияние технологических параметров плавки на стойкость футеровки Изучению влияния различных технологических параметров плавки стали в конвертере на стойкость огнеупорной футеровки посвящены многочисленные исследования [9...21]. В большинстве работ подчеркивается определяющая роль шлака в процессах разрушения футеровки конвертера.

Так, в работе [15] показано влияние состава первичного шлака на стойкость футеровки. В начале продувки формируются первичные шлаки, богатые

Топография износа футеровки конвертера

1 - подвергающаяся износу часть футеровки ;

2 - остающаяся часть футеровки

Рис. 1.1

кремнеземом, содержание которого во многом определяется концентрацией кремния в чугуне. При взаимодействии кремнезема с оксидом кальция извести образуются тугоплавкие силикаты, затрудняющие ассимиляцию извести шлаком. Скорость растворения извести уменьшается, а агрессивное воздействие первичного шлака на футеровку возрастает.

Свойства первичного шлака во многом зависят от наличия в нем оксида мар�