Разработка проектных решений по совершенствованию конструкции фурмы кислородного конвертера АО "ЕВРАЗ ЗСМК"

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра металлургии черных металлов

Проектная деятельность

«Разработка проектных решений по совершенствованию конструкции фурмы кислородного конвертера АО «ЕВРАЗ ЗСМК»

Выполнили: ст. гр. ММ - 16*

Травкина О.С.

Комаров А.А.

Введение

Кислородно-конвертерный процесс по-прежнему является ведущим сталеплавильным процессом в мире.

Во многих странах производство стабилизировалось за последние годы на уровне: ФРГ - 83 %, в Японии, Франции, Великобритании, Бразилии, Южной Корее, Канаде, Тайване - 70 - 75 %. В Австрии, Австралии, Бельгии, Люксембурге, Нидерландах и др. доля конвертерной стали составляет более 90 %.

В мире работает 254 конвертерных цеха с 700 конвертерами. Наибольшее число конвертеров в Китае - более 150, но только 13 из них имеют ёмкость свыше 100 т. В Японии в 23 цехах из 31 установлены конвертеры ёмкостью от 115 до 160 т, в США и Германии только в двух цехах (в каждой стране) работают конвертеры ёмкостью более 100 т.

Основными технологическими направлениями дальнейшего развития кислородного производства в мире являются:

- предварительная обработка чугуна (десульфурация, десиликонизация, дефосфорация);

- обезуглероживание кислородной продувкой в конвертере чистого чугуна с минимальным количеством шлака;

- выпуск металла с отсечкой шлака;

- внепечная обработка металла с вакуумированием, легированием и модифицированием.

Особенностями современных конверторов являются:

- использование зондовой фурмы;

- текущий анализ газов;

- устройство для измерения уровня звукового давления;

- устройство для автоматического обнаружения и отсечения шлака;

- устройство для измерения массы металла;

- устройство для оперативного измерения температуры;

- устройство для донного перемешивания ванны.

Дополнительные усовершенствования, такие как непрерывный анализ отходящего газа, непрерывное измерение температуры ванны стали, новая система подвески с возможностью определения массы конвертера в процессе продувки обеспечили перспективное развитие технологии.

В настоящее время разработан ряд эффективно работающих динамических моделей процесса для LD-конвертеров на основе измерений температуры и определения химического состава жидкой стали в режиме реального времени.

Применение динамической модели процесса в комбинации с новейшей техникой измерений, позволяет решить следующие важные задачи.

Точное определение окончания продувки кислорода и, следовательно, получение наиболее точных значений для требуемых концентраций углерода и соответствующих элементов, а также состава шлака в конце продувки.

Возможность контроля температуры в течении всего процесса. Стабилизация температуры на выпуске в узком температурном интервале. Повышение производительность конвертеров за счёт сокращения длительности продувки кислородом.

1. Процесс получения конвертерного газа на примере кислородно-конвертерного производства

Реализация планов по реструктуризации в период до 1986 г. привела к последовательной остановке доменного производства на ряде предприятий в Швеции.

Последующая реализация процесса получения конвертерного газа происходила одновременно с выводом в 1986 г. из эксплуатации доменной печи. Отсутствие колошникового газа угрожало предприятию систематическим и значительным дефицитом энергоносителей, который существенным образом можно было сократить за счет использования конвертерного газа. На рис. 1приведена упрощенная схема кислородного конвертера. Речь идет об одном из трех однотипных конвертеров вместимостью 165 т сталеплавильного кислородно-конвертерного производства в Фёльклингене. Конвертер оснащен системой мокрой очистки от пыли с предварительно встроенным охлаждаемым газоотводом. Основные элементы оборудования включают охлаждаемый газоотвод, системы удаления пыли и использования газа.

Рисунок 1 - Схема установки получения конвертерного газа

1.1 Охлаждаемый газоотвод

Оснащенный установочным кольцом охлаждаемый газоотвод рассчитан на рабочее давление 25-30 бар. При интенсивности продувки приблизительно 300-650 м3 кислорода в минуту (зависит от используемой модели процесса продувки) и полностью опущенном установочном кольце производительность генерации пара составляет около 8-10 т/цикл. Осаждаемый в барабане котла насыщенный пар собирается в паровом аккумуляторе, нагревается до температуры 300 оС и подается в производственную сеть. Примерно 35 % потребности пара предприятие в Фёльклингене удовлетворяет за счет утилизации тепла сталеплавильного производства.

1.2 Система мокрой очистки от пыли

После передачи горячим технологическим газом части своего тепла в охлаждаемом газоотводе, он поступает в систему мокрой очистки от пыли, которая состоит из двух последовательно расположенных узлов Вентури.

1.3 Получение газа

Воздуходувка чистого газа, которая создает давление всасывания, необходимое для подачи технологического газа, установлена на полу с учетом возможности дооснастить сооруженные в 1986 г. газопереключающие станции дополнительным оборудованием со стороны подачи давления воздуходувкой. Концепция газопереключающих станций получила широкое распространение и неоднократно освещалась в литературе. Важным элементом оборудования является так называемая газовая стрелка. Быстрый и без пульсаций переход с факельного режима на режим получения газа обеспечивается комбинированным действием клапана регулирования давления и перепускного клапана. В качестве общего аккумулятора используется дисковый газометр полезным объемом 100 тыс. м3, установленный на расстоянии примерно 500 м от завода. Общего напора давления воздуходувки удаления пыли достаточно для очистки и прокачки газа в газометр на это расстояние. В состав оборудования классической системы удаления пыли обычно входят охладитель газа, расположенный за станцией переключения, и электрофильтры перед газометром. С помощью охладителя из насыщенного газа удаляется балластная вода. Электрофильтры мокрой очистки обеспечивают требуемый уровень чистоты газа в отношении пыли.

1.4 Выбор точки начала и завершения фазы получения газа

Конечный состав газа оказывает решающее влияние на время начала и завершения фазы получения конвертерного газа. Возможные границы ее начала и завершения в первую очередь определяются вопросами безопасности. При этом особое внимание следует уделять тому, чтобы подъем и снижение содержания СО осуществлялось с различной степенью крутизны кривой в зависимости от выбранной модели продувки.

1.5 Значение конвертерного газа для предприятия в Фёльклингене

На рис. 2показана доля конвертерного газа в общем объеме расхода горючих материалов на предприятии в Фёльклингене в 2007 г. При доле примерно 44 % конвертерный газ в значительной степени способствует надежному обеспечению предприятия и всей объединенной газовой системы. Используемый конвертерный газ благодаря «инвестиционной привлекательности» имеет монетарную оценку, которая существенно превышает себестоимость его получения. Получение и использование конвертерного газа и пара способствует сокращению затрат на производство нерафинированной кислородно-конвертерной стали.

Рисунок 2 - Доля конвертерного газа в общем объеме расхода горючих материалов на предприятии

2.Улучшение управляемости многофункциональным рафинировочным процессом на металлургическом заводе Оита

кислородный конвертер газ очистка

В сталеплавильном цехе завода Оита внедрен многофункциональный процесс, включающий предварительную обработку жидкого чугуна в агрегате типа конвертера (процесс MURC, multirefiningconverter), разработанный на фирме “NipponSteel”, Япония, в 1999 г. На первом этапе обработки чугуна производится удаление кремния и дефосфорация, на втором этапе после скачивания шлака проводится обезуглероживание расплава. Таким образом, промежуточное скачивание шлака является важным элементом повышения производительности процесса. На заводе Оита конвертер оборудовали двумя измерительными устройствами: микроволновым измерителем уровня и шумомером (рисунок 3). С их помощью удалось стабилизировать вспенивание шлака при обескремнивании и дефосфорации, повысить точность управления окончанием продувки и в конечном итоге повысить коэффициент использования агрегата.

В многофункциональном рафинировочном процессе MURC по окончании этапа продувки для обескремнивания и дефосфорации предусмотрен наклон конвертера и промежуточное скачивание вспененного шлака, уровень которого близок к горловине конвертера. Необходимым условиием эффективного удаления шлака является оптимальное управление вспениванием, обеспечивающее надежное разделение металла и шлака. Применявшийся ранее метод стабилизации вспенивания шлака путем удерживания его основности в узких пределах имел два серьезных недостатка:

вследствие износа футеровки, а также различия параметров плавок расстояние от фурмы до поверхности ванны различалось от плавки к плавке, что вызывало нестабильность ре жима вспенивания шлака;

невозможность наблюдать процесс в конвертере не позволяла принимать решения в процессе продувки (при слабом вспенивании невозможно его эффективное удаление, а при чрезмерно сильном вспенивании возможны выбросы из конвертера).

Прежний метод измерения уровня ванны погружаемым зондом имел значительные ограничения в периодичности замеров. Применение в производственном процессе микроволнового измерителя уровня позволило осуществить непрерывный контроль положения уровня ванны, на основании чего своевременно изменять высоту подъема фурмы, что, в свою очередь, положительно сказалось на стабилизации шлакового режима.

Внедрение системы измерения уровня шума позволяет оценивать вероятность выброса шлака и надежно определять момент окончания продувки.

Рисунок 3 - Схема измерительных устройств.

3. Кислородно-конвертерные фурмы с центральным сопловым модулем

Условия эксплуатации кислородных фурм для верхней продувки расплава в сталеплавильных агрегатах являются достаточно тяжелыми, особенно в мартеновских и двухванных печах, где при рабочем положении фурменных наконечников на границе шлак-металл плотность теплового потока на них достигает 6 МВт/м2 и более. Несмотря на более высокую интенсивность кислородной продувки и, как следствие, высокую температуру первичной реакционной зоны, в конвертерном процессе условия работы водоохлаждаемых верхних фурм являются менее жесткими, что связано с более высоким рабочим положением фурмы и меньшим попаданием на наконечник расплавленного металла (при условии нормальных дутьевого и шлакового режимов плавки). В подавляющем большинстве конвертерных цехов используются кислородные фурмы с периферийным подводом охлаждающей воды и центральным ?кислорода благодаря простоте их изготовления и ремонта. Одним из преимуществ кислородных фурм таких конструкций является возможность использования дополнительного центрального сопла (ЦС) или центрального соплового модуля (ЦСМ), позволяющего решать различные задачи кислородно-конвертерного производства. Вместе с тем это преимущество недостаточно используется при конструировании фурм и управлении плавкой.

В наконечниках фурм с упрощенной системой охлаждения (роль разделителя воды выполняет концевая часть промежуточной трубы ствола, телескопический фиксатор и т. п.) основной поток воды, не заходя в межсопловую область, перетекает из подводящего тракта в отводящий непосредственно под разделительной трубой с высокой скоростью. В остальной части головки формируется сложное течение, состоящее из трех-четырех циркуляционных контуров (вихрей) с уменьшающейся кинетической энергией; непосредственно в центральной межсопловой области имеет место плохо организованное, неустойчивое, несимметричное течение воды со скоростью wв примерно 0,5 м/с (застойная зона охладителя).

При использовании специальных разделителей (распределителей), направляющих воду в центр головки, ее охлаждение существенно улучшается, однако дополнительно образуются конусообразные центральные зоны (верхняя и нижняя) со слабой циркуляцией охладителя (особенно при четном числе периферийных сопел в наконечнике, когда картина течения воды в нем близка к симметричной). Для уменьшения объема указанных зон можно эффективно использовать дополнительное ЦС или центральную вставку (“ложное” сопло, ребро жесткости и т. п.) (рисунок 4).

Рисунок 4 - Варианты конструктивного исполнения центральной части наконечника кислородной фурмы с переферийным подводом охлаждающей воды: а -с вогнутой нижней тарелкой (чашей); б - с центральным ребром жесткости; в - с «ложным» соплом; г - с ЦС; д - с ЦС снаружной профилированной поверхностью.

При анализе влияния конструктивных особенностей ЦС на технологические возможности и технико-экономические показатели конвертерного процесса можно условно выделить следующие направления:

? повышение интенсивности продувки плавки IO2;

? расширение возможностей управления процессом, в том числе динамикой фаз в агрегате;

? улучшение теплового баланса плавки;

? совершенствование технологии азотной раздувки шлака на футеровку конвертера;

? улучшение условий контроля параметров процесса и др.

При увеличении IO2, с целью улучшения шлакообразования, снижения интенсивности выносов металла из конвертера, уменьшения угара железа “в дым” и т. п., требуется рассредоточение дутья по поверхности ванны, что зачастую решается увеличением числа сопел в головке фурмы. Для наконечников с отдельно расположенными периферийными соплами при увеличении более 5-6 существенно ухудшается организация циркуляции охладителя в межсопловом пространстве, уменьшается расстояние между сварными швами (до величины меньше допустимой), что приводит к резкому снижению их стойкости. Для решения указанной проблемы можно использовать варианты конструкций фурм с блочным расположением сопел или с дополнительным ЦС. В ККЦ ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат”, используя опыт ОАО “МК “Азовсталь”, за счет применения кислородных фурм с ЦС и шестью периферийными тангенциально расположенными соплами (6п,т + 1ц) интенсивность продувки плавок увеличили с 1100-1250 до 1400-1550 м3/мин. Продолжительность продувки сократилась на 18 %, улучшились процессы шлакообразования и десульфурации металла. Существенное улучшение технико-экономических показателей плавок было получено в условиях повышения IO2 до 1500 м3/мин на 330-т конвертерах ОАО “Новолипецкий металлургический комбинат” при использовании фурм типа (5п,т + 1ц).

С целью расширения возможностей управления конвертерной плавкой в LD-процессе необходимо сбалансировать противоречивые требования к дутьевому режиму: одновременно обеспечить “жесткую” (для быстрого зажигания плавки, интенсивного перемешивания ванны и др.) и “мягкую” (для ускоренного и устойчивого шлакообразования, увеличения степени окисления углерода до СО2 и др.) продувку ванны. Эта задача может решаться с использованием двухконтурных фурм с двумя типами сопел с общим или независимыми (отдельно регулируемыми) трактами подачи кислорода.

Для “умягчения” струи вторичного кислорода (ВК) ЦС может быть выполнено с меньшей пропускной способностью, с уменьшенным числом Маха (MC), нетрадиционной конструкции, в том числе с резонаторами и дроссельными устройствами различных типов. При независимом регулировании подачи ВК с целью исключения отрыва потока в качестве ЦС можно использовать цилиндрическое или сужающееся сопло.

Для реализации энергосберегающей технологии дожигания отходящих газов в полости конвертера необходимо значительное снижение дальнобойности (для предотвращения рекомбинации СО2 в контакте с металлической ванной) и увеличение угла раскрытия струй ВК. Указанная задача может решаться с использованием фурм с ЦС с установленным на входе в него дроссельным устройством или завихрителем (рисунок 5).

Применение последнего более рационально, так как позволяет создать устойчивую вихревую зону дожигания СО с увеличенной площадью взаимодействия с отходящими газами. Учитывая, что для условий LD-процесса оптимальная доля ВК для дожигания СО в ШГМЭ не превышает 12- 15 %, а при отсутствии отдельно регулируемого тракта подачи ВК ?10 %, использование для этой цели ЦСМ может быть достаточно эффективным. Преимуществом фурм таких конструкций является минимизация негативного воздействия струи ВК и зоны дожигания на футеровку конвертера, простота в изготовлении и ремонте, надежность в эксплуатации, хорошая управляемость процессом шлакообразования и плавкой в целом.

Рисунок 5 - Варианты конструкции кислородных фурм с ЦСМ для интенсификации дожигания СО в полости конвертера: а - с дроссельным устройством, б - c тангенциальным завихрителем, в - с тангенциальным завихрителем щелевого типа и отдельно регулируемым трактом подачи вторичного кислорода.

Применение кислородных фурм с ЦС с установленным на входе в него тангенциальным завихрителем на 350-т конвертерах ПАО “МК “Азовсталь” и на 160-т конвертерах ПАО “Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича” (5п + 1цз) при доле ВК от суммарного его количества 5 и 4 % позволило интенсифицировать процесс дожигания СО, улучшить шлакообразование и сократить удельный расход чугуна на 6,1 и 1-4 кг/т стали соответственно без негативного воздействия на футеровку конвертера.

Рисунок 6 - Наконечники кислородной фурмы литой конструкции с ЦСМ для интенсификации процесса дожигания отходящих газов в полости кислородного конвертера: а - вид снизу; б, в - вид сверху без и с установленным тангенциальным завихрителем на входе в ЦС соответственно; г - снятый с фурмы после 441 плавки.

В последнее время наконечники конвертерных фурм с дополнительным ЦС получили распространение в странах дальнего зарубежья, в том числе для реализации энергоресурсосберегающей технологии ошлакования футеровки конвертеров методом раздувки азотом на нее остаточного шлака после выпуска плавки. Например, в конвертерном цехе Baosteel, Китай, для продувки металла кислородом и раздувки шлака азотом в 300-т конвертерах достаточно эффективно используется фурма с пятисопловым блоком типа (4п + 1ц).

Выводы

1. Использование ЦС рациональной конструкции позволяет улучшить организацию охлаждения головки (при наличии в ней специального разделителя воды), увеличить ее механическую прочность, реализовать газодинамическую защиту наиболее уязвимой центральной торцевой части наконечника от попадания брызг металла из РЗ. Влияние наличия и конструктивных параметров ЦС на стойкость фурменного наконечника наиболее существенно проявляется через изменение интенсивности его заметалливания.

2. Применение кислородных фурм с ЦС (ЦСМ) позволяет эффективно решать ряд технологических задач конвертерного производства: повысить интенсивность продувки плавки без ухудшения организации циркуляции охлаждающей воды в межсопловом пространстве наконечника; расширить возможности управления плавкой, особенно в LD-процессе, за счет организации одновременной продувки ванны двумя типами струй; реализовать послепродувочную “промывку” ванны инертным газом через верхнюю фурму при значительно меньших его расходах и достаточной глубине проникновения в металл; улучшить тепловой баланс конвертерной плавки, в том числе за счет эффективного дожигания СО - содержащих газов центральной вихревой струей кислорода без негативного воздействия на футеровку конвертера; улучшить технико-экономические показатели выплавки стали в условиях нестабильных параметров шихты и производства путем оперативного изменения конструкции соплового блока головки фурмы и др.

3. ЦС верхней продувочной фурмы также рационально использовать для контроля различных технологических параметров конвертерного процесса: фактического положения фурмы над уровнем металла, высоты вспененного шлака, температур РЗ и металлического расплава и др., в том числе с использованием оптических и акустических методов.

4. В зависимости от конструктивных и режимных параметров основных продувочных и центрального сопел, могут иметь место различные режимы взаимодействия центральной и периферийных струй: со сближением и раздвижением последних, с развитой эжекцией и практически без эжекции содержимого центральной струи в более мощные периферийные струи. В дальнейшем планируется провести более детальные экспериментальные и аналитические исследования режимов и механизмов взаимодействия сверхзвуковых периферийных струй дутья с центральной струей различного типа, истекающих из кислородной фурмы в условиях конвертерного процесса.

Размещено на Allbest.ru