Основной кислородный способ выпуска стали: ключевой процесс современного металлургического производства

Определение и основные понятия

Основной окислительный прокат (BOS), также известный как Процесс основного кислородного окисления (BOP), — это основной метод производства стали, который превращает расплавленное железо из доменной печи в сталь путём продувки кислородом через жидкую металл. Его основная цель — очистка коксового железа путём снижения содержания углерода и удаления примесей, таких как кремний, марганец, фосфор и сера, что позволяет получать сталь высокого качества.

Этот процесс играет центральную роль в цепочке производства стали, являясь первым этапом преобразования сырого железа в используемые стальные изделия. Он следует за стадией получения железа, при которой железная руда восстанавливается до кокса, и предваряет вторичную очистку или литьё. BOS ценится за высокую производительность, гибкость и способность эффективно производить широкий спектр марок сталей.

Техническое проектирование и эксплуатация

Основная технология

Ключевым инженерным принципом BOS является впрыскивание высокочистого кислорода в расплавленное коксовое железо с высокой скоростью, вызывая реакции окисления, удаляющие примеси. Процесс использует экзотермический характер окисления, который выделяет тепло, поддерживая расплавленное состояние без внешнего нагрева.

Основные технологические компоненты включают сосуд-конвертер, кислородную рукоять и вспомогательные системы, такие как скимеры шлака, тьютеры и установки очистки газа. Конвертер — это сосуд из огнеупорных материалов, с водяным охлаждением, предназначенный выдерживать высокие температуры и химическое воздействие. Кислородная рукоять — это длинная труба высокого давления, расположенная в центре конвертера для подачи кислорода прямо в расплав.

Во время эксплуатации кислород продувается через рукоять на высокой скорости, создавая турбулентность, что способствует быстрому окислению. Процесс включает контролируемые последовательности продувки, часто с предварительно нагретым кислородом, а также добавление флюсов и сплавов для достижения нужных составов стали. Реакции окисления выделяют тепло, которое поддерживает расплавленное состояние и способствует удалению примесей.

Параметры процесса

Критическими переменными процесса являются поток кислорода, продолжительность продувки, температура и химия шлака. Типичные скорости потока кислорода варьируются от 10 000 до 20 000 Нм³/ч в зависимости от размера конвертера и требований к марке стали.

Продолжительность продувки обычно составляет от 15 до 30 минут, при этом зависит от исходного состава коксового железа и желаемого конечного качества стали. Температура конвертера поддерживается около 1600°C — 1700°C для обеспечения оптимальной кинетики реакций.

Системы управления используют передовые датчики и автоматизацию для контроля таких параметров, как давление кислорода, температура и состав отходящих газов. Работа в реальном времени позволяет операторам регулировать интенсивность продувки, её длительность и добавление флюсов для оптимизации удаления примесей и снижения энергопотребления.

Конфигурация оборудования

Типичная установка BOS включает сосуд-конвертер из огнеупорных материалов, зачастую емкостью от 100 до 350 тонн. Конвертер закреплён на вращающейся платформе, что обеспечивает возможность наклона для продувки и удаления шлака.

Различия в конструкции включают кислородные конвертеры с продувкой снизу, сверху или комбинированные системы. Со временем внедрены инновации, такие как улучшенные огнеупорные материалы, системы очистки газа и автоматизация, что повышает эффективность и срок службы оборудования.

Вспомогательные системы включают устройства предварительного нагрева кислорода, оборудование для сбора пыли и очистки газа, а также системы обработки шлака. Современные установки оснащены возможностями дистанционного управления и передовыми системами мониторинга для повышения безопасности и производительности.

Химия и металлургия процесса

Химические реакции

Основные химические реакции включают окисление углерода, кремния, марганца, фосфора и серы в коксовом железе. Например, окисление углерода протекает следующим образом:

$$\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \quad \text{или} \quad \text{CO}_2 $$

Аналогично происходит окисление кремния и марганца:

$$\text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 $$
$$\text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO} $$

Удаление фосфора происходит за счет образования фосфатных соединений с флюсами, которые поглощаются шлаком. Эти реакции термодинамически благоприятны при высоких температурах, поскольку свободная энергия Гиббса уменьшается по мере окисления.

Кинетические факторы, такие как поток кислорода, температура и концентрация примесей, влияют на скорость реакций. Процесс оптимизирован для достижения целевых составов стали с высокой эффективностью.

Продуктами реакции являются газы, такие как CO, CO₂ и оксиды азота, которые захватываются и обрабатываются в системах очистки отходящих газов. Образование шлака происходит из-за образования оксидов кремния, марганца, фосфора и других примесей, которые отделяются от расплавленной стали.

Металлургические превращения

В течение BOS происходят существенные металлургические преобразования, включая изменения микроструктуры и фазовые превращения. Быстрое окисление снижает содержание углерода с типичных уровней коксового железа (~4-4,5%) до менее 0,1-1%, превращая микроstructure из феррито-перлитной в в основном феррито-перлитную или мартенситную структуру, в зависимости от легирования.

Процесс также включает дегазо- и дезфосфорацию, что влияет на пластичность, ударную вязкость и свариваемость стали. Образование шлакового слоя, богатого окислами, служит средой для очистки, поглощая примеси и обеспечивая контроль микроструктуры.

Скорость охлаждения и добавки легирующих элементов при продувке влияют на фазовые превращения, воздействуя на такие свойства, как твердость, прочность и коррозионная стойкость. Правильное управление обеспечивает производство сталей с адаптированными микроструктурами, подходящими для различных применений.

Взаимодействия материалов

Взаимодействия между расплавленной сталью, шлаком, огнеупорным слоем и атмосферными газами имеют критическое значение для стабильности процесса. Шлак выступает как химический поглотитель примесей, однако при неправильном управлении может вызывать загрязнение.

Материалы огнеупорной кладки должны выдерживать высокие температуры, химическое воздействие и циклические нагревы. Распространённый состав включает магнезию, алюмину и цирконий, рассчитан на сопротивление коррозии и эрозии.

Атмосферные газы, включая азот и остаточный кислород, могут привести к загрязнению или нежелательным микроструктурным эффектам. Системы промывки газа и герметизации снижают такие взаимодействия.

Контроль переноски материалов осуществляется за счет добавления флюсов, управления химией шлака и обслуживания огнеупорных материалов. Правильный подбор и контроль слоя предотвращают деградацию огнеупорных материалов и загрязнение стали.

Технология процесса и интеграция

Исходные материалы

Основным исходным материалом является расплавленное коксовое железо с содержанием углерода обычно 3,5–4,5%. Дополнительные материалы включают флюсы, такие как доломит (CaO), флюорит (CaF₂), и ферросплавы для легирования.

Кокс обычно получают в доменной печи и транспортируют в конвертер BOS через торпедные вагоны или ковши. Входные материалы должны соответствовать строгим химическим и температурным требованиям для обеспечения эффективности процесса.

Качество исходных материалов напрямую влияет на производительность: высокий уровень примесей или несоответствие состава могут привести к увеличению времени очистки, росту объема шлака и вариабельности качества стали.

Последовательность процесса

Операционная последовательность начинается с загрузки конвертера коксовым железом, с возможным предварительным подогревом. Затем конвертер наклоняют в вертикальное положение и начинают продувку кислородом.

Во время продувки добавляют флюсы и легирующие элементы в нужные моменты для контроля химического состава. Реакции кислорода с примесями выделяют тепло и образуют шлак.

Достигнув целевого состава и температуры, конвертер наклоняют для заливки расплавленной стали в ковши для литья. Шлак удаляют, и сосуд подготавливают к следующему циклу.

Типичные циклы составляют 20–40 минут, а производительность достигает 1–3 тонн в минуту в зависимости от размера конвертера и эффективности работы.

Точки интеграции

BOS интегрируется с предварительным производством железа и последующим литьем. Поставка коксового железа синхронизирована с графиком работы BOS для обеспечения непрерывности производства.

Потоки материалов включают доставку коксового железа, добавки флюсов и сплавов, а также удаление шлака. Обмен информацией осуществляется через системы управления процессом, спецификации качества и планирование производства.

Промежуточное хранение, такое как ковши или туннели, позволяет гибко управлять технологическим процессом и контролировать качество. Передача данных автоматизированным системам способствует оптимизации сроков и ресурсов.

Эксплуатационная производительность и контроль

Показатель эффективности	Типичный диапазон	Факторы влияния	Методы контроля
Содержание углерода в стали	0.05-0.15 мас.%	Поток кислорода, добавки сплавов	Реальное спектрометрирование, моделирование процесса
Температура	1 600-1 700°C	Продолжительность продувки, подача тепла	Термопары, инфракрасные датчики
Эффективность удаления примесей	>95%	Химия шлака, время реакции	Контроль состава шлака, управление флюсами
Состав отходящих газов	Содержание CO, CO₂ варьируется	Поток кислорода, уровень примесей	Газовые анализаторы, системы регулировки потока

Эффективные параметры процесса напрямую влияют на качество стали, включая механические свойства, чистоту и микроструктуру. Мониторинг в реальном времени позволяет быстро вносить коррективы, обеспечивая стабильное качество продукции.

Оптимизация достигается с помощью современных алгоритмов управления процессом, статистического контроля процессов (SPC) и анализа данных в режиме реального времени. Эти стратегии позволяют повысить эффективность, снизить издержки и улучшить свойства стали.

Оборудование и обслуживание

Основные компоненты

Конвертер — это основное оборудование, выполненное из огнеупорных материалов, таких как магнезитовые или алюминиевые кирпичи, рассчитанное на высокие температуры и химические нагрузки.

Кислородная рукоять изготовлена из высокопрочной стали или огнеупорных материалов с керамическим покрытием, способных выдерживать высокое давление кислорода. Вспомогательные системы включают установки очистки газа, скимеры шлака и системы охлаждения огнеупорной обмазки.

Огнеупорные футеровки — важные изношенные части, срок службы которых варьируется от 50 до 200 плавок, в зависимости от условий эксплуатации и практики обслуживания.

Требования к обслуживанию

Регулярное обслуживание включает инспекцию и замену огнеупорных материалов, ремонт футеровки и калибровку датчиков и систем управления. Плановая ререинкарнация футеровки проводится раз в 1–3 года.

Предиктивное обслуживание использует методы мониторинга состояния, такие как термография, акустическая эмиссия и анализ отходящих газов, для раннего обнаружения деградации огнеупорных материалов или износа оборудования.

Крупные ремонтные работы включают замену футеровки, обновление компонентов рукояти и модернизацию систем управления для внедрения новых технологий.

Эксплуатационные проблемы

Распространённые проблемы эксплуатации включают деградацию футеровки, перенос шлака, выбросы отходящих газов и засоры оборудования. Причины чаще связаны с неправильным контролем температуры, дисбалансом флюсов или износом оборудования.

Диагностика включает системный анализ данных, визуальные осмотры и диагностические испытания. Соблюдение режимов работы и графиков обслуживания уменьшает вероятность возникновения проблем.

Аварийные процедуры включают быстрые отключения, ремонты футеровки и меры по безопасности при утечке газа или отказе оборудования.

Качество продукции и недостатки

Качественные характеристики

Ключевые параметры качества включают химический состав (углерод, марганец, фосфор, сера), микроструктуру, чистоту (уровень включений) и механические свойства, такие как прочность на растяжение и ударную вязкость.

Методы испытаний включают спектрометрию, микроскопию, ультразвуковое тестирование и измерение твердости. Системы классификации, такие как ASTM или EN, группируют марки стали по этим параметрам.

Типичные дефекты

Типичные дефекты включает шлаковую инклюзию, пористость, поверхностные трещины и неравномерную микроструктуру. Они могут возникать из-за неправильного контроля шлака, колебаний температуры или загрязнений.

Механизмы образования дефектов связаны с недостаточной очисткой примесей, неправильными скоростями охлаждения или эрозией огнеупорных материалов. Предотвращение включает контроль процесса, правильное добавление флюсов и обслуживание оборудования.

Восстановление включает повторную переработку, термообработку или ремонт поверхности для соответствия требованиям.

Постоянное совершенствование

Процесс оптимизации включает статистический контроль процессов (SPC) и методологии Six Sigma для выявления источников вариаций и внедрения корректирующих мер.

Примеры улучшений показывают снижение уровней примесей, повышение однородности микроструктуры и уменьшение количества дефектов за счет корректировок в процессе и внедрения технологических нововведений.

Энергетические и ресурсные аспекты

Энергопотребление

BOS потребляет значительные объемы энергии, главным образом в виде производства кислорода и электроэнергии для вспомогательных систем. Типичные показатели — около 600–800 кВтч на тонну произведенной стали.

Меры повышения энергоэффективности включают оптимизацию потока кислорода, рекуперацию отходящего тепла и модернизацию оборудования на более энергоэффективное. Новые технологии, такие как системы мембранного кислорода, направлены на сокращение энергопотребления.

Ресурсное потребление

Некоторые исходные материалы включают коксовое железо, флюсы и легирующие элементы. Использование воды связано с системами охлаждения и подавлением пыли. Переработка шлака и отходящих газов повышает ресурсную эффективность.

Стратегии ресурсосбережения предусматривают использование шлака в качестве цемента или строительных материалов, переработку отходящих газов для получения энергии и минимизацию отходов за счет контроля процесса.

Экологический аспект

Выбросы включают CO, CO₂, NOₓ и частиц твердых веществ. Твердые отходы — шлак и пыль. Технологии экологического контроля охватывают очистку газов, сбор пыли и обработку шлака.

Соответствие нормативам подразумевает мониторинг выбросов, отчетность о уровнях загрязняющих веществ и внедрение лучших практик утилизации отходов. Системы постоянного мониторинга выбросов (CEMS) являются стандартом для соблюдения нормативов.

Экономические аспекты

Капитальные вложения

Затраты на строительство BOS-заводов зависит от размера конвертера, вспомогательного оборудования и систем автоматизации. Типичная установка с конвертером 150 тонн может стоить от 50 до 100 миллионов долларов.

Факторы стоимости включают огнеупорное покрытие, инфраструктуру подачи кислорода и системы экологического контроля. Региональные особенности влияют на стоимость материалов и труда.

Оценка инвестиций осуществляется с помощью методов, таких как чистая приведенная стоимость (NPV), внутренняя норма доходности (IRR) и анализ сроков окупаемости.

Эксплуатационные расходы

Расходы на эксплуатацию включают оплату труда, энергию, сырье, техническое обслуживание и расходные материалы. Энергетические затраты могут составлять до 40% от общих эксплуатационных затрат.

Стратегии снижения затрат включают автоматизацию процессов, рекуперацию энергии и эффективное управление огнеупорными материалами. Сравнение с отраслевыми стандартами помогает выявить возможности для улучшений.

Баланс между качеством, производительностью и затратами достигается за счет тщательного контроля процесса и стратегического планирования.

Рыночные аспекты

Процесс BOS влияет на конкурентоспособность продукции, позволяя быстро реагировать на рыночный спрос и производить широкий ассортимент марок стали. Постоянное совершенствование процесса снижает издержки и повышает качество, что укрепляет рыночные позиции.

Требования рынка, такие как низкое содержание примесей, высокая чистота и определенные микроструктуры, стимулируют внедрение инноваций. Экономические циклы влияют на инвестиционные решения: увеличение мощностей в периоды подъёма и обслуживание в периоды спада.

Историческое развитие и будущие тенденции

История эволюции

BOS был разработан в 1950-х годах как усовершенствование по сравнению с открытым обжигом и основными кислородными конвертерами. Важные инновации включают внедрение продувки кислородом высокого давления, улучшение огнеупорных материалов и автоматизации.

Технологические прорывы, такие как дизайн кислородной рукояти, современные огнеупорные материалы и системы экологического контроля, значительно повысили эффективность и безопасность.

Рыночные факторы, такие как спрос на более качественную сталь и требования охраны окружающей среды, формируют развитие технологии, ведущее к постоянной оптимизации процессов.

Текущее состояние технологий

На сегодняшний день BOS — это зрелая и высоко оптимизированная технология, широко внедрённая по всему миру. Региональные лидеры — Европа, Северная Америка и Азия с адаптацией под местное сырье и экологические стандарты.

Эффективные операции достигают коэффициентов использования кислорода ниже 10 Нм³/тонну и уровней удаления примесей свыше 95%. Автоматизация и цифровизация дополнительно улучшают показатели.

Новые разработки

Будущие инновации сосредоточены на цифровизации, внедрении концепции Industry 4.0 и автоматизации процессов для повышения контроля и снижения издержек. Исследования ведутся в области технологий мембранного кислорода, рекуперации тепла и альтернативных методов очистки.

Развитие сенсорных технологий, машинного обучения и аналитики данных в реальном времени обещает активизировать динамическое управление процессом, делая сталеплавку более умной и устойчивой.

Аспекты здоровья, безопасности и охраны окружающей среды

Опасности безопасности

Основные риски для безопасности включают ожоги от высоких температур, пожары или взрывы, связаны с кислородом, а также механические повреждения во время наклона конвертера. Соблюдение правил безопасности, использование защитного экипажа и обучение — обязательны.

Меры предотвращения несчастных случаев включают строгие процедуры безопасности, регулярные проверки и системы аварийного отключения. Защитные системы включают газо- и пожарную диагностику, системы подавления пожара и барьеры безопасности.

Процедуры реагирования при чрезвычайных ситуациях предусматривают планы эвакуации, подавление пожара и оказание первой медицинской помощи при ожогах или ингаляционных повреждениях.

Охрана труда

Работники подвергаются воздействию высокого уровня шума, пыли и газов, таких как NOₓ и CO. Длительное воздействие может привести к респираторным проблемам или потере слуха.

Мониторинг включает взятие проб воздуха, использование средств индивидуальной защиты (Респираторов, защитных наушников) и программы медицинского контроля. Важна правильная вентиляция и системы удаления пыли.

Долгосрочный контроль здоровья включает периодические медицинские осмотры и оценку условий воздействия для обеспечения обеспечения безопасности работников.

Соответствие экологическим нормативам

Нормативы устанавливают лимиты выбросов газов, твердых веществ и стоков. Необходим постоянный мониторинг выбросов и отчетность о уровнях загрязняющих веществ для подтверждения соответствия.

Лучшие практики включают установку очистных сооружений, фильтров и систем обработки шлака. Переработка шлака и пыли снижает отходы, а системы рекуперации энергии помогают уменьшить экологический след.

Соблюдение экологических норм обеспечивает устойчивую работу, способствует минимизации экологического воздействия и сохранению социального доверия к деятельности предприятия.