Proces konwertorowy cz.2
Przygotowanie urządzenia do wytopu – po dokonaniu spustu z poprzedniego wytopu, konwertor przechylany jest do płaszczyzny poziomej, a obsługa dokonuje przeglądu wszystkich urządzeń, a szczególnie wyłożenia ogniotrwałego wnętrza pieca. Czynność ta jest ważna ze względu na bezpieczeństwo, w razie uszkodzeń wyłożenia podczas procesu mogłyby nastąpić przeciek lub wylanie się ciekłego metalu z konwertora, a skutkiem tego znaczące zniszczenia w hali. W przypadku nie zauważenia jakichkolwiek usterek, przystępuję się do ładowania wsadu, natomiast w przypadku zauważenia, nadmiernego zużycia, pęknięć itd. przystępuję się do naprawy. Naprawa polega na narzuceniu uszkodzonego miejsca warstwy drobno zmielonego dolomitu (czynność taką należy przeprowadzić sprawnie, wtedy gdy temperatura wyłożenia jest jak najwyższa, umożliwia to bowiem „dobre związanie” narzuconego materiału z podłożem materiału ogniotrwałego). Narzucanie to realizuje się poprzez wprowadzanie do wnętrza lancy, która pod ciśnieniem wdmuchuje żądany materiał (torkretowanie).
Przygotowanie i załadowanie wsadu – wsadem do konwertora jest ciekła surówka, złom stalowy, materiały żużlotwórcze oraz materiały nawęglające. Kolejność ładowania jest następująca : na dno konwertora wsypuję się złom w ilości 25% masy wytopu, następnie materiał nawęglający i żużlotwórczy, ostatnim etapem jest zalanie ciekłej surówki. Wszystkie materiały stałe ładuje się poprzez zsypanie ze stalowego koryta (na którym materiały są wcześniej przygotowane w odpowiednich ilościach) ciekłą surówkę zalewa się z kadzi surówkowej umieszczonej na suwnicy.
Wynikają z komputerowego bilansowania procesu – proces stalowniczy przebiega w temperaturach rzędu 1600°C wymagając dużej energii. Źródłem energii fizycznej jest ciepło fizyczne surówki (Cf = m Δ T cw) oraz energii chemicznej powstającej w wyniku reakcji utleniającej. Aby zbilansować energetycznie proces, należy dokonać obliczeń, materiałowo-cieplnych procesu. Stosowane są różne modele jak: statystyczny, dynamiczny, sieci neuronowe, systemy ekspertowe itd.
Model fizyczny procesu obejmuje – zbilansowanie strumienia materiałów wchodzących i wychodzących z procesu oraz zbilansowanie strumieni ciepła wchodzących i wychodzących z procesu. W bilansie materiałowym po stronie wejściowej uwzględniamy: masę ciekłej surówki (na suwnicy znajduję się waga tensometryczna która w dosyć dokładny sposób wskazuje masę ciekłej surówki), podobnie masa materiałów na „korycie zasypowym” w sposób dość dokładny jest ważona, ważymy dokładnie masę uzyskanej ciekłej stali, natomiast są problemy z dokładnym ważeniem: ilości gazów wejściowych i wyjściowych biorących udział w procesie (piec nie jest szczelny i zasysa powietrza) oraz masę materiałów ogniotrwałych z wyłożenia pieca które również biorą udział w procesie, z reguły nie waży się również ilości żużla. Wprawdzie masa ważonych materiałów stanowi około 90% całkowitej masy w procesie, ale nie jest możliwym bardzo dokładne zmierzenie wszystkich wartości. W praktyce model bilansu masy realizowany jest następująco:
Zapisuje się bilans masy każdego pierwiastka biorącego udział w procesie, przykładowo dla węgla równanie wygląda następująco
Csur + Czł + Cnw= Cst + Cgazu
C sur – to masa węgla zawarta w surówce (jeśli zalewamy 100t surówki mającej w składzie chemicznym 4% węgla to masa węgla wynosi 4t)
C zł – obliczane jest jako procent węgla zawartego w złomie razy masa złomu
C nw – podobnie C nawęglacza
Do takiego bilansowania potrzeba znać masy materiałów i skład chemiczny. Podobnie z pozostałymi pierwiastkami chociaż równania są inne (mangan np utlenia się a produkt przechodzi do żużla). Na podstawie równań chemicznych w bilansie masy materiałowej obliczamy ilości materiałów generowanych w procesie (nie ważonych) w oparciu o równania reakcji chemicznych i zważone masy materiałów wejściowych. Te równania służą również do obliczenia zapotrzebowania na tlen, ale w procesie zachodzą również zjawiska rozpuszczania wyłożenia ogniotrwałego. Nie ma fizycznej możliwości zważenia tych materiałów bezpośrednio podczas procesu zazwyczaj stosuje się metodę ważenia tych materiałów przed tzw. kampanią produkcyjną oraz po kampanii (kampania to czas pracy wyłożenia pomiędzy remontami dla konwertora to kilka tysięcy wytopów).
Bilans cieplny – w zakresie bilansowania fizycznego dokonuję się obliczeń energii fizycznej wnoszonej przez każdy materiał wejściowy zgodnie z równaniem Cf w którym masy poszczególnych pierwiastków obliczone są w bilansie materiałowym, ciepła właściwe – z tablic (baz danych), natomiast temperatura jest mierzona lub szacowana. Temperatura ciekłej surówki jest dokładnie mierzona przez zalaniem (1400°C), temperatura złomu jest trudna do zmierzenia (przyjmowana temperatura otoczenia) jak i temperatura nawęglacza (otoczenie). W miarę dokładnie możemy zmierzyć temperaturę gazów. Natomiast bardzo trudno zmierzyć jest ilość tzw. strat cieplnych. Ilość strat związana jest z :
Promieniowaniem powierzchni konwertora – prawo Stefana Boldsmana opisuję tą ilość zależną od powierzchni i temperatury. Powierzchnia konwertora jest dokładnie znana, natomiast temperatura jest różna w różnych miejscach powierzchni stąd trudna do opisuj matematycznego.
Straty z gazami uchodzącymi z konwertora – również bardzo trudne do oszacowania w związku z zasysaniem zimnego powietrza i brakiem możliwości dokładnego zmierzenia gazów uchodzących z procesu, stąd w bilansie cieplnym oblicza się wszystkie możliwe do zmierzenia wielkości a różnicę w ilości ciepła po stronie wejścia i wyjścia traktuje się jako straty ciepła.
Ciepło chemiczne – powstające w wyniku utleniania pierwiastków chemicznych, zwykle egzotermiczne (wydzielanie ciepła), czasem endotermiczne (pochłanianie ciepła).
Dysponując opracowanymi modelami bilansu materiału cieplnego w danych warunkach (taki model musi być opracowany indywidualnie dla danego konwertora oraz musi być uaktualniany na bieżąco w związku z modyfikowaniem konstrukcji technologii lub materiałów używanych w procesie).
Model służy do obliczenia zapotrzebowania na masę surówki i złomu w procesie tak, aby uzyskać żądaną masę, temperaturę i skład chemiczny stali. Upraszczając, celem obliczeń bilansowych jest wykonanie odpowiedniej masy, odpowiedniego składu chemicznego i odpowiedniej temperatury stali. Model oblicza nam ile należy wziąć surówki, nawęglacza itd. aby takie obliczenia wykonać należy znać te parametry. W praktyce obliczenia modelowe wykonywane są trzykrotnie podczas procesu (30-40min).
Pierwsze obliczenia wykonywane są w momencie w którym należy wsypać na koryto złom i inne materiały oraz wlać surówkę do kadzi w oparciu o dane dotyczące składu chemicznego, temperatury z poprzedniego wytopu. Na tej podstawie przygotowujemy te materiały, wówczas mierzymy temperaturę i analizujemy skład chemiczny tej surówki która będzie zalana do konwertora, czyli prowadzimy obliczenia na rzeczywistych wartościach, wówczas korygujemy ewentualnie masę złomu lub nawęglacza z punktu widzenia zbilansowania materiału potrzebnego do procesu. Na tej bazie prowadzimy …… po wykonaniu procesu kiedy znamy już masę, temperaturę i skład chemiczny wyprodukowanej stali, obliczenia modelowe prowadzimy trzeci raz aby zweryfikować ich poprawność (wszystkie potrzebne dane rzeczywiste są dostępne). Obliczenia te mają na celu korektę pewnych współczynników występujących w modelu.
Bezpośrednio po wlaniu ciekłej surówki konwertor ustawia się w pozycji pionowej, od góry wprowadza się lancę tlenową i rozpoczyna się wdmuchiwanie tlenu. W tym momencie wdmuchiwana naddźwiękowa struga tlenu powoduje intensywne tworzenie emulsji metalowo-żużlowo-gazowej w której gwałtownie zachodzą reakcję utleniania. Struga powoduje również intensywne mieszanie, ułatwiając wymianę ciepła i energii. Proces wdmuchiwania tlenu trwa ok. 20-25min w tym czasie następuje utlenienie: w pierwszej kolejności krzemu do zera, następnie manganu z trochę mniejszą prędkością (ok. 80%) następnie węgla prawie do zera (ok.3,8% do 0,01%) oraz siarki i innych składników, jednocześnie tworzy się żużel, z wapna, produktów utleniania oraz rozpuszczalnego wyłożenia ogniotrwałego, powstają także gazy, głównie z utleniania węgla. Po tym następuje przerwanie dmuchu, pobranie próbki na skład chemiczny stali oraz zmierzenie temperatury. Jeżeli wszystko jest OK. następuje spust metalu do kadzi, jeśli nie pojawia się tzw. dodmuch , czyli korekta składu chemicznego stali.