CC BY
191
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
УДК 669.187.2 Каскин К.К.
ЖИДКОФАЗНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА И СТАЛИ
Аннотация. Рассматриваются вопросы жидкофазного процесса получения чугуна и стали. Приведен зарубежный опыт производства стали. Разработан непрерывный процесс выплавки стали и чугуна в рудно-термических печах, позволяющих в составе шихты использовать 100% металлизованного сырья. Процесс опробован на опытно-промышленной рудно-термической печи мощностью 1200 кВА на металлизованных в условиях Белорецкого металлургического комбината окатышей Лебединского и Качканарского месторождений. Всего переработано около 600 т металлизованных окатышей с содержанием пустой породы до 15% и степенью металлизации 85-95%.
Ключевые слова: металлизованные окатыши, прямое получение стали и чугуна.
В настоящее время металлургическая промышленность мнра вышла на такой этап своего развития, когда актуальность приобретает вопросы дальнейшего технического и технологического перевооружения в развитии новых процессов производства стали. Это возникает в связи с необходимостью уменьшения энергических затрат, затрат на рабочую силу и капитальное строительство, оптимизации гибкости производства и контроля над загрязнением окружающей среды.
В последнее время развитие получило разработки новых процессов прямого получения, которые развиваются как конкурирующие процессы по отношению к доменной печи. Это связано с капитальными затратами на коксовые печи, обогащение руды (производство окатышей и спекание, оборудование газоочистки и на саму доменную печь, по оценкам западных специалистов превышает один миллиард долларов) [1].
В связи с этим развитие получают процессы жидкофазного восстановления, которые подразделяются на одностадийные, осуществляемые в агрегате, и двухстадийные, при которых шихтовые материалы нагревают и восстанавливают в отдельных камерах одного агрегата, а довосстанавливают и плавят в другом. Ниже приводится ряд процессов жидкофазного восстановления, которые опробованы в мировой практике.
Так фирмами «Корф энджинеринг» (ФРГ) и «Фест - Альпине» (Австрия) разработан процесс «КР» по производству чугуна на базе некоксующихся углей. Процесс осуществляется в плавильном агрегате - газогенераторе, работающем в комбинации с шахтной печью для производства губчатого железа. В качестве шихтовых материалов используют кусковую железную руду, железорудные окатыши, агломерат и восстановитель - некоксующий уголь. Испытания в промышленном режиме, проведенные на опытной установке «КР» производительностью по чугуну 60 тыс. т/год, показали возможность получить чугун следующего состава:
С - 4 - 4,4%; 81 - 1,3%; 8 - 0,02 - 0,04% и температурой металла на выпуске 1500 - 1550°С [2].
Фирмой « Макуэйн каст айрон пайп» (США) разработан процесс «Макдоуэлл - Уэлман » [2]. Сущность процесса заключается в следующем: железорудные окатыши смешивают с угольной пылью, измельченным флюсом и окомковывают, затем полученные окатыши сушат и подогревают до температуры 1000°С на конвейерной машине Дуайта-Ллойта с гидравлическим затвором. Полученный металлизо-ванный продукт непрерывно подают в элекропечь с погружной дугой. Производительность печи составляет 200-400 т/сут. На 1 т чугуна с процессом «Мак-доулман - Уэлман» расходуется 1,4-1,9 т железной руды; 0,6-0,9 т угля; 0,2-0,6 т флюса; 750-1000 кВт ч электроэнергии; 1,8-4,5 кг электродов.
Процесс «Элред» (Швеция) разработан фирмами «Стура Коннарберг» и «АСЕА» [3-6]. Способ включает предварительное восстановление железорудной мелочи в реакторе с кипящим слоем и окончательным восстановлением в дуговой печи постоянного тока. Предварительное восстановление осуществляют при 950°С пылевидным углем, вдуваемым в реактор вместе с воздухом. Окончательное восстановление проводят в дуговой печи постоянного тока при 1450°С, предварительно восстановленный продукт со степенью металлизации 60-70% разгружают через днище реактора, охлаждают до 700°С и непрерывно загружают вместе со шлакообразующими добавками через полый угольный электрод в дуговую печь. Для лучшего одтеления шлака от металла применяют пенистый шлак. Чугун содержит примерно 3,5%С; 0,5% 81; 0,5% Мп. В полупродукте высокое содержание 8 и Р, вносимых сырыми материалами, поэтому требуется последующая дефосфорация и десульфурация.
Фирмой «Болиден» разработан процесс «Инред» (Швеция), который основан на высокотемпературном подогреве железорудной мелочи и угольной пыли предварительного восстановления до вюстита в камере для плавки во взвешенном состоянии и окончательном восстановлении в дуговой печи [7-9]. Камера для плавки во взвешенном состоянии находится над дуговой печью. На первой стадии происходит переплав рудной мелочи и ее восстановления до БеО. Пе-
реплав происходит в плавильном циклоне при температуре 1900°С. Энергоносителем служит уголь, сжигаемый в струе кислорода. Вторая стадия процесса проходит в электропечи. Остатки угля, превратившиеся в кокс, реагируют с БеО с образованием губчатого железа, которое науглероживается и расплавляется. Получаемый жидкий чугун выпускают через равные промежутки времени со следующим химическим составом: С - 3-4%; 81 - 0,5-1% и большое количество фосфора. Так как содержащийся в железной руде фосфор переходит в чугун, его подвергают дефосфо-рации и десульфурации.
Процесс Фостер-Уиллер разработан фирмами Фостер Уилл ер и Тетроникс (Англия) [10]. Процесс основан на восстановлении мелкодисперсного железорудного концентрата углем в струе плазмы. Специфической особенностью процесса является образование устойчивого плазменного конуса, в который можно непосредственно вдувать материалы шихты. Узел плазматрона монтируется на огнеупорной футеровке свода печи с отклонением оси плазматрона от вертикали на 5-15°С, водоохлаждаемая часть плазматрона проходит в рабочее пространство печи. Управление плазматрона и частота его вращения определяются требованиями технологии. При вращении плазматрона дуга образует конус. Установлено, что при определенной частоте вращения конус приобретает высокую стабильность, что позволяет вдувать порошкообразный материал шихты непосредственно в конус. Вдуваемые частицы материала захватываются плазменным конусом, подвергаются непосредственному воздействию электрических сил плазмы и быстро нагреваются. Этим процессом можно за один этап получать малоуглеродистую сталь с низким содержанием серы.
Непрерывный способ восстановления железа из расплава разработан в Японии [11], который включает нагрев, предварительное восстановление из расплава и передел жидкого чугуна, позволяющий получать сталь из железной руды. Наибольшая эффективность восстановления из твердой шихты достигается при степени восстановления 60-80%, в предлагаемом комбинированном процессе во второй степени при расплавлении производится довосстановление предварительно на 40-80% восстановленной шихты. Горячее, не полностью металлизированное сырье (900-1000°С) непрерывно передается из первой стадии в электропечь для переплава и окончательного восстановления. В качестве восстановителя используется коксовая мелочь. Высокотемпературные газы (1300-1400°С) с содержанием 90% СО, отходящее из электропечи, направляются в агрегат для предварительного восстановления железной руды. Чугун (полупродукт с малым содержанием 81; Мп; Р) направляется в агрегат непрерывного рафинирования.
ВНИИметмашем и ЦНИИчерметом разработан циклонно-конвертерный процесс для производства стали из железорудных концентратов [12, 13]. Процесс восстановления разделен на две стадии. Первая -плавление и восстановление на 20-25% осуществляется в плавильном циклоне, вторая - окончательное восстановление в проточном конвертере. Применение
плавильного циклона - высокофорсированного аппарата позволяет использовать железорудные концентраты любого состава без их окомкования и осуществлять процесс плавления пылевидной шихты в вихревом режиме с удельными нагрузками 3-4 т/м3 ч. Вторая стадия процесса - окончательное восстановление расплава осуществляется в проточной реакционной ванне конвертерного типа, продуваемой твердым восстановителем - углем, кислородом и флюсующими добавками через водоохлаждаемую погруженную форму. Режим продувки обеспечивает необходимый температурный уровень процесса (1400-1500°С) и оптимальный окислительный потенциал в ванне, предупреждающий восстановление вредных примесей. Получающийся углеродистый полупродукт из отстойной ванны, прилегающей к реакционной, непрерывно передается на рафинировку.
С 1980 года фирма «Крупп» ведет разработки комбинированного процесса прямого восстановления и плавления [14]. Способ «Круп-КОИН» заключается в следующем: в ванну жидкого чугуна вдувают мелкий уголь в потоке кислорода через донные сопла, а энергия, высвобождающаяся при частичном сжигании мелкого угля, используется для расплавления лома или губчатого железа и для газификации угля. Образующийся газ может быть использован для прямого восстановления железной руды. В ванну через сопла с двойными оболочками вдувается уголь, где в центральной же части сопла проходит кислород, а по коаксиальной кольцевой щели вдувается мелкий уголь с инертным газом.
Челябинским научно-исследовательским институтом металлургии [15] разработан непрерывный процесс выплавки стали и чугуна в печах типа рудно-термических, позволяющих в составе шихты использовать 100% металлизованного сырья. Процесс опробован на опытно-промышленной ру дно-термической печи мощностью 1200 кВА на металлизованных в условиях Белорецкого металлургического комбината окатышей Лебединского и Качканарского месторождений. Всего переработано около 600 т металлизованных окатышей с содержанием пустой породы до 15% и степенью металлизации 85-95% [16].
Установлена возможность получения металла с содержанием углерода от 0,01 до 4%, азота не более 0,003%, серы не более 0,003%. Полученный металл характеризуется низким содержанием примесей цветных металлов: меди - менее 0,004%, никеля - 0,02% и т.п. При выплавке высокоуглеродистого металла (содержание углерода 2-4%) процесс можно вести таким образом, чтобы обеспечить восстановление до 3% кремния из пустой породы.
В качестве плавильного агрегата использовалась стандартная рудно-термическая печь. Характерной особенностью разработанного процесса является работа печи в режиме сопративления с закрытым колошником, т.е. на поверхности ванны постоянно находится твердая шихта, уровень которой поддерживается на одной высоте за счет присадки шихты из печных бункеров.
Процесс полностью непрерывный, шихта загружается через труботечки по мере проплавления. Выпуск металла и шлака осуществляется периодически, а время выпуска определяется по расходу электроэнергии. Печь на время выпуска не отключается. Процесс отличается высокой производительностью печи 1-1,6 т/ч на 1 мВт мощности, достаточно низким расходом электроэнергии 650-700 кВт ч/т для печи 1,2 мВА. Разработанный процесс может быть использован для производства низколегированных углеродистых сталей с широким диапазоном по содержанию углерода. Особенно для производства стали с требуемым содержанием примесей цветных металлов и неметаллических включений. Это может быть канатная, кордовая и инструментальная сталь с интервалами изменения по кремнию - 0,17-0,37% и по марганцу -0,3-0,6%, а также производство высококачественного чугуна с низким содержанием серы и фосфора.
Таким образом, описанные способы прямого получения обладают непрерывностью технологического процесса и меньшими загрязнениями по сравнению с процессом доменная печь - конвертер, низкими удельными капиталовложениями, особенно при небольших производственных агрегатах.
Для условий Казахстана более предпочтительным является металлизация железорудных окатышей ССГОК и переработка их в рудно-термических печах; АЗФ с получением высококачественного чугуна или же обезуглероживание его в дальнейшем в конвертере АОД. Металлизованные железорудные окатыши ССГОК может заменить низкокачественный скрап, в котором уровень загрязняющих примесей ежегодно растет.
Основными предпосылками в Казахстане являются наличие запасов природного газа (для металлизации) и наличие больших запасов железной руды. Именно это позволит организовать в Казахстане про-
Сведения об авторе
изводство качественных сталей, а именно металлизацию железорудных окатышей в шахтных печах типа ОЭМК с дальнейшим переплавом их в рудно-термических печах с получением высококачественного чугуна, канатной; кордовой; инструментальных сталей, что является перспективным направлением в производстве металлов.
Список литературы
1. Moore J.J. An examination of the new direct smelting processes for iron and steelmaking // Jornal of Metals. 1982. VI. P. 39-48.
2. Жак Р.И., Питателев B.A. Производство и применение металлизированных материалов в доменном и электросталеплавильном производствах: Обзор по системе «Информсталь» (Институт «Черметин-формация»). М., 1986. Вып. 20 (264). С. 27.
3. В Швеции разработан экономичный способ производства чугуна // Металлургия. 1979. №9. 9.В252.
4. Строительство установки для производства чугуна по методу Элред // Металлургия. 1979. №8.В450.
5. Коллин П., Штиклер Г. Новый способ производства чугуна // Черные металлы. 1980. №5. С. 20-23.
6. Elred - Новый процесс производства чугуна // Металлургия. 1979. №8. 813451.
7. Davis C., Mefarlin G., Pratt H. Direct reduction technology and economic // Ironmaking and Steelmaking. 1982. №3. P. 93-109.
8. Накагава P., Есимацу С. Непрерывное восстановление из расплава. Разработка непрерывно процесса производства черных металлов из металлизованного сырья // Тэккокай. 1975. Т.25. №9. С. 48-52.
9. Агрегат для получения жидкого металла из руд и концентратов: а.с. 232990 от 4.10.1968.
10. Способ внедоменного получения жидкого чугуна / Иванцов Г.П. Смирнов В.Н., Василивицкий A.B. и др.; НИИинформтяжмаш. Инф. №58. М., 1968.
11. Развитие безкоксовой металлургии / Тулин H.A., Кудрявцев B.C., Вернер Д., Лезель В., Мюллер Б. и др. М.: Металлургия, 1987.
12. Процесс Boliden Inred для восстановительной плавки тонкоизмельчен-ных окислов железа и концентратов // Металлургия. 1980. №2. 2В163.
13. Эльфандер Г., Омберг Г. Производство чугуна по способу Инред -айрон // Черные металлы. 1984. №17. С. 42-45.
14. Elwander H.I., Edenwall I.A.,Hellestam C.I. Boliden Inred process for smelting reduction of fine-graintd iron oxides and concentrates // Ironmak-ing and Steelmaring. 1979. №5. P. 235-244.
15. Кадарметов A.X., Каскин K.K., Учаев A.H. Непрерывный процесс получения полупродуктов с использованием в шихте металлизованных окатышей // Непрерывные металлургические процессы: руда, лом-металлопрокат: тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. Свердловск, 1989.
Каскин Куат Камарович - канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой «Металлургия» Актюбннекого государственного университета им. К. Жубанова, г.Актобе, Казахстан. E-mail: kuatkamarovich@rambler.ru.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
THE LIQUID-PHASE PROCESSES OF IRON AND STEEL DIRECT PRODUCTION
Kaskin Kuat Kamarovich - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Aktobe State University K. Zhubanova, Aktobe, Kazakhstan. E-mail: kuatkamarovich@rambler.ru.
Abstract. The problems of the liquid-phase process of iron and steel production are considered. The international experience of steel production is presented. A continuous process of steel and iron ore production in smelting furnaces allowing to use 100% metallized charging feed has been developed. The process was tested in experimental - industrial ore-smelting furnace with the capacity of 1200 kVA on the pellets from Lebedinsky and Kachkanarsky deposits, which were metallized under Beloretsk Metallurgical Plant. The total amount of processed metallized pellets containing up to 15% waste material and 85-95% metallization is about 600 tons.
Keywords: metalized pellets, direct production of steel and cast iron.
References
1. Moore J.J. An examination of the new direct smelting processes for iron and steelmaking. Journal of Metals. 1982, VI, pp. 39-48.
2. Zhak R. I., Pitatelev V.A. The production and use of metallic materials In the blast furnace and electric furnace steelmaking. Survey by «In-formSteel» system (Institute of «Black metallurgy information»). Moscow,
10.
1986, 20 (264), pp. 27.
In Sweden have developed an economical method of producing pig iron. Metallurgy abstract journal. 1979, 9B252.
Construction of plants for the production of pig iron. Metallurgy abstract journal. 1979, 8B450.
Collin P., Shctikler G. New mode of production of pig iron. Ferrous metals. 1980, no. 5, pp. 20-23.
Elred - New process of iron production. Metallurgy abstract journal. 1979, no. 8, 813451.
Davis C., Mefarlin G., Pratt H. Direct reduction technology and economic. Ironmaking and steelmaking. 1982, no. 3, pp. 93-109. Nakagawa R., Isimatsu S. Continuous reduction from the melt. Development of a continuous process of steel production from metal materials. Takkokai. 1975, vol. 25, no. 9, pp. 48-52.
Unit for the production of liquid metal from ores and concentrates. Copyright witnesses № 232990, 4.10.1968.
Ivantsov G.P., Smirnov V.N., Vasilivitsky A.V. and others. Method to produce liquid iron outside of the blast furnace. Research Institute «Heavy
engineering», bulletin № 58. Moscow, 1968.
11. Tulin N.A., Kudryavtsev V.S., Verner D., Lessel V., Muller B. and others. Development of metallurgy without application of coke. Moscow: Metallurgy, 1987.
12. «Boliden Inred» process for smelting reduction of finely divided iron oxides and concentrates. Metallurgy abstract journal. 1980, no. 2, 2B163.
13. Elwander G., Omberg G. Production of pig iron in the way of Inred Iron. Ferrous Metals. 1984, no. 17, pp. 42-45.
14. Elwander H.I., Edenwall I.A., Hellstam C.I. Boliden Inred process for smelting reduction of fine-grainted iron oxides and concentrates. Ironmak-ing and Steelmaking. 1979, no. 5, pp. 235-244.
15. Kadarmetov A.H., Kaskin K.K., Uchaev A.N. Continuous process for production of semiproducts with using metallized pellets in the charge. Continuous metallurgical processes:ore, scrap, metal rolling: abstracts of All-Union Scientific and Technical Conference. Sverdlovsk, 1989.
УДК 62-405.6:669.1 Бушуев А.Н., Гюнтер Д.А.
ЗАВИСИМОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ ПОРОЗНОСТИ МЕТАЛЛОШИХТЫ ПО ВЫСОТЕ ЗАГРУЗОЧНОЙ БАДЬИ В ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Аннотация. Выполнены серии модельных экспериментов с целью изучения зависимости изменения порозности засыпки металлошихты по высоте загрузочной бадьи (корзины) электросталеплавильного производства. Поставленные эксперименты охватывают четыре варианта засыпки кускового лома в корзину, свойственные основным режимам работы дуговой печи: без добавки и с добавкой жидкого чугуна в технологический процесс выплавки стали. На основании полученных данных установлены функциональные зависимости изменения порозности металлошихты по высоте загрузочной бадьи для каждого из рассматриваемых вариантов засыпки.
Ключевые слова: аппроксимация данных, электросталеплавильное производство, металлошихта, порозность, реальная засыпка, модельная засыпка.
В черной металлургии широко применяются дуговые сталеплавильные печи, в которых переплавляемый кусковой металлолом в большинстве случаев подвергается предварительному подогреву газами перед загрузкой в печь. Кусковой характер такой металлошихты определяет особенности гидродинамических и теплообменных процессов в слое [1,2]. Между кусками остаются пустоты, по которым проходят газы, обеспечивающие протекание необходимых тепловых и технологических процессов. Поэтому газопроницаемость шихты, а непосредственно и порозность ее засыпки в бадье и печи, определяемая объемом пустот в слое, является одной из важнейших характеристик слоя кусковых материалов. Порозность представляет собой отношение суммарного объема пустот в слое засыпки к общему объему засыпки [1]:
где УП - суммарный объем пустот в общем объеме слоя У0.
Актуальность владения характером изменения порозности засыпки кускового лома в бадье определяется следующими моментами [2]:
1) представление порозности посредством функции может позволить более подробно оценить аэродинамическое сопротивление, оказываемое слоем разнородной засыпки при продувании его нагретым газом;
2) порозность в тепловой задачи определяет кажущуюся теплопроводность плотного слоя, коэффициенты теплопередачи и теплоотдачи;
3) рассмотрение порозности через функциональную зависимость от высоты бадьи может позволить учесть изменение температурного поля внутри ме-
таллошихты при тепловом расчете теплообмена.
Авторами были поставлены четыре независимые серии экспериментов, задача которых заключалась в получении экспериментальной зависимости изменения порозности слоя засыпки металлошихты в бадье цилиндрического сечения.
Для решения поставленной задачи авторами был произведен подбор экспериментального материала, представляющего собой мелкие обрезки металла различных форм (стальных труб и профилей малого размера, листовой стали, колец и шаров подшипников и т.п.), моделирующего реальную засыпку металлошихты с достаточно высокой точностью. Также была подобрана прозрачная цилиндрическая емкость, высота которой позволяла производить засыпку модельной шихты до отметки, находящейся с диаметром емкости в соотношении h/d = 1,13. В качестве экспериментальной среды в проводимых опытах использовалась вода с незначительным добавлением красителей, облегчающих наблюдение за уровнем жидкости.
Подбор экспериментального материала и емкости, имитирующих кусковой лом и загрузочную бадью, осуществлялся на основе технологических инструкций «Организация приемки и подготовки металлошихты для загрузки в дуговую печь» в ОАО «Уральская сталь» (г. Новотроицк). Согласно инструкциям максимальная масса отдельных кусков металлошихты не должна превышать 1 т, максимальный размер - не более 800x500x500 мм, а максимальный размер листовой обрези - не более 1200 мм [3].
Максимально допустимые размеры отдельных кусков модельной засыпки рассчитывались через коэффициент подобия к, определяемый соотношением геометрических размеров модельной и реальной бадьи следующим образом:
