Конвертерное производство стали

Размещено на http://www.allbest.ru//

9

Размещено на http://www.allbest.ru//

Конвертерное производство стали

Краткая историческая справка

Первым способом массового производства жидкой стали был бессемеровский процесс (в конвертере с кислой футеровкой), предложенный и разработанный англичанином Г. Бессемером в 1856--1860 гг.; несколько позже -- в 1878 г. -- С. Томасом был разработан схожий процесс в конвертере с основной футеровкой (томасовский процесс).

Возникновение бессемеровского процесса имело исключительно важное значение для развития техники, поскольку до его появления не существовало способов производства литой стали в больших количествах, а применявшиеся в то время пудлинговый процесс получения железа в тестообразном состоянии и тигельный процесс получения жидкой стали в тиглях емкостью менее 50 кг не могли удовлетворить потребности развивающегося машиностроения.

Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье (бессемеровского и томасовского) заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом; кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь; при томасовском процессе, кроме того, в основной шлак удаляются фосфор и сера. Тепло, выделяющееся при окислении, обеспечивает нагрев стали до температуры выпуска (~ 1600 °С).

Кислородно-конвертерным процессом называют процесс выплавки стали из жидкого чугуна и добавляемого лома в конвертере с основной футеровкой и с продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму; за рубежом его называют процессом ЛД. За время существования процесса (с 1952--53гг.) было разработано несколько его разновидностей, из которых в настоящее время наряду с процессом ЛД промышленное применение находят кислородно-конвертерные процессы с донной продувкой и с комбинированной продувкой.

Первые опыты по продувке чугуна кислородом сверху были проведены в СССР в 1933 г. инж. Н.И.Мозговым. В дальнейшем в нашей и в ряде других стран велись исследования по разработке технологии нового процесса. В промышленном масштабе кислородно-конвертерный процесс был впервые осуществлен в 1952--1953 гг. в Австрии на заводах в г. Линце и Донавице.

Рис. 7.1. Разновидности кислородно-конвертсрных процессов: а -- продувка кислородом сверху; б -- продувка кислородом снизу (через дно); е- комбинированная продувка (кислородом сверху и различными газами через дно)

За короткий срок кислородно-конвертерный процесс получил широкое распространение во всех странах. Так, если в 1960 г. доля кислородно-конвертерной стали составила 4 % мировой выплавки стали, то в 2000 около 60%. Быстрое развитие кислородно-конвертерного процесса объясняется тем, что он, как и прочие конвертерные процессы, обладает рядом преимуществ по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным процессами. Основные:

1) более высокая производительность одного работающего сталеплавильного агрегата (часовая производительность мартеновских и электродуговых печей не превышает 140 т/ч, а у большегрузных конвертеров достигает 400--500 т/ч);

2)более низкие капитальные затраты, т.е. затраты на сооружение цеха, что объясняется простотой устройства конвертера и возможностью установки в цехе меньшего числа плавильных агрегатов;

3) меньше расходы по переделу, в число которых входит стоимость электроэнергии, топлива, огнеупоров, сменного оборудования, зарплаты и др.;

4) процесс более удобен для автоматизации управления ходом плавки;

5) благодаря четкому ритму выпуска плавок работа конвертеров легко сочетается с непрерывной разливкой.

Кроме того, по сравнению с мартеновским производством конвертерное характеризуется лучшими условиями труда и меньшим загрязнением окружающей природной среды.

Благодаря продувке чистым кислородом сталь содержит 0,002--0,005 % азота, т.е. не больше, чем мартеновская. Тепла, которое выделяется при окислении составляющих чугуна, с избытком хватает для нагрева стали до температуры выпуска. Имеющийся всегда избыток тепла позволяет перерабатывать в конвертере значительное количество лома (до 25--27 % от массы шихты), что обеспечивает снижение стоимости стали, так как стальной лом дешевле жидкого чугуна.

Устройство кислородных конвертеров с верхней продувкой

Кислородный конвертер представляет собой поворачивающийся на цапфах сосуд грушевидной формы (рис. 7.2), футерованный изнутри и снабженный леткой для выпуска стали и отверстием сверху для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна, загрузки лома и шлакообразующих и слива шлака. Вместимость существующих конвертеров составляет 50--400 т. В нашей стране установлен типовой ряд емкостей конвертеров (по массе жидкой стали): 50, 100, 130, 160, 200, 250, 300, 350 и 400т.

Рис. 7.2. Кислородный конвертер с двухсторонним навесным многодвигательным механизмом поворота: 1 -- опорный подшипник; 2 -- цапфа, 3 -- защитный кожух; 4 -- ведомое зубчатое колесо; 5 -- вал-шестерня; 6 -- навесной электродвигатель с редуктором; 7 -- корпус ведомого колеса; 8, 9 -- демпфер; 10 -- опорная станина; 11 -- опорное кольцо

Форма конвертера. Профиль рабочего объема, образованный футеровкой, у отечественных конвертеров обычно имеет суживающуюсяся к верху горловину, примыкающую к цилиндрической части. Цилиндрическая часть заканчивается сферическим днищем. Сужение нижней части, и сферическая форма днища предотвращают образование застойных зон при циркуляции металла в конвертерах с верхней продувкой. У малых (<130т) конвертеров днище для упрощения кладки иногда делают плоским; плоское днище имеют конвертеры донной продувки. По конфигурации корпуса (кожуха) конвертеры различаются. Корпус может быть такой же формы, как рабочий объем, т.е. - с сужением внизу; быть без сужения внизу, когда к цилиндрической части примыкает сферическое

Корпус конвертера выполняют сварным из листовой стали толщиной от 20 до 110 мм и делают его либо цельносварным, либо с отъемным днищем, которое крепится болтами или клиновыми соединениями. Расположение горловины в конвертерах симметричное, .что позволяет вводить кислородную фурму строго по оси конвертера. При этом обеспечивается равное удаление кислородных струй от стенок конвертера и тем самым-- равномерный износ футеровки.

Конвертер цапфами опирается на роликовые опорные подшипники, закрепленные в опорных станинах. Подшипники обеспечивают возможность вращения конвертера вокруг оси цапф; при этом один подшипник фиксированный, а другой "плавающий", что дает возможность перемещения вдоль оси цапф на 15--30 мм.

В первых кислородных конвертерах цапфы крепились непосредственно к кожуху конвертера. При этом, как показала практика, вследствие нагрева кожуха и его деформации происходил перекос цапф (их отклонение от первоначального положения), что вызывало при вращении цапф удары по опорным подшипникам и шестерням механизма поворота конвертера и их повышенный износ.

Современные кислородные конвертеры снабжают отдельным опорным кольцом, к которому крепятся цапфы и в котором с зазором в 150-200 мм закреплен кожух. Механизм поворота обеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360° со скоростью от 0,1 до 1 об/мин. Поворот конвертера необходим для выполнения технологических операций: заливки чугуна, завалки лома, слива стали и шлака и др.

Механизм поворота может быть односторонним и двусторонним.

Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях, подвергаясь воздействию высоких температур; термических напряжений, возникающих при колебаниях температуры футеровки; ударов кусков шихты при загрузке и знакопеременных нагрузок, возникающих при вращении конвертера. Она изнашивается также в результате химического взаимодействия со шлаком и размывающего действия потоков металла и шлака.

Футеровку обычно делают из двух слоев: арматурного и рабочего. Примыкающий к корпусу арматурный слой (рис. 7.3) толщиной 110-250 мм уменьшает теплопотери и защищает кожух в случае прогара рабочего слоя. Арматурный слой выполняют из магнезитового или магнезитохромитового кирпича, он не требует замены очень длительное время (годы). Внутренний или рабочий слой изнашивается во время работы и его заменяют при ремонтах футеровки; его толщина в зависимости от емкости конвертера составляет 500-800 мм. Кислород подают в конвертер через вертикально расположенную водоохлаждаемую фурму, которую вводят в полость конвертера через горловину строго по его оси. Давление кислорода перед фурмой составляет 1, 0--1, 6 МПа. Высоту фурмы над ванной можно изменять по ходу плавки; обычно она увеличивается при росте емкости конвертера и находится в пределах 1, 0--4, 8 м от уровня ванны в спокойном состоянии. Поднимают и опускают фурму с помощью механизма, сблокированного с механизмом вращения конвертера.

Рис. 7.3. Футеровка кислородных конвертеров с приставными (а), неотъемными (б) и вставными (в) днищами: 1 -- отъемное днище; 2 -- кожух конвертера; 3 -- арматурный слой футеровки; 4 -- рабочий слой футеровки; 5 -- блоки из плавленого магнезита; 6 -- предарматурный слой (огнеупорная масса, асбест); 7 -- огнеупорная масса; 8 -- вставное днище

Фурма выполнена из трех концентрично расположенных стальных труб и снабжена снизу медной головкой с соплами (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Многосопловые кислородные фурмы с центральной подачей кислорода (а) и воды (б): 1--3 -- стальные трубы; 4 -- сальниковое уплотнение; 5 -- патрубки для подачи кислорода и воды; 6 -- компенсатор; 7 -- сменная часть наружной трубы; 8 -- медная головка фурмы; 9 -- сопло; 10 -- выемка

Полости, образованные трубами, служат для подачи кислорода, подвода и отвода охлаждающей воды. Наиболее часто применяют фурмы с центральной подачей кислорода (рис. 7.4, а). К верхней части труб прикреплены патрубки 5 для подвода кислорода, подвода и отвода воды. Длина фурмы 300-т конвертера достигает 27 м. Головка фурмы является сменной, ее соединяют с трубами сваркой или резьбой в сочетании со сваркой. В головке расположены сопла Лаваля через которые кислород поступает в полость конвертера и распределитель воды, направляющий ее вдоль поверхности головки. Головки выполняют сварными и иногда литыми. Всю головку или ее нижнюю часть с соплами, обращенную к зоне наибольших (до 2600 °С) температур в конвертере, выполняют из меди. Это делают потому, что, обладая высокой теплопроводностью, медь быстро передает тепло охлаждающей воде, и поэтому даже в зоне высоких температур головка не перегревается и сохраняет прочность. Стойкость головок фурм составляет 50--150 плавок.

Шихтовые материалы кислородно-конвертерного процесса

Основными шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий чугун, стальной лом, шлакообразующие (известь, плавиковый шпат и др.), ферросплавы для раскисления и легирования. Постоянно используется также газообразный кислород.

Жидкий чугун. Состав чугунов, перерабатываемых на разных заводах, изменяется в широких пределах: 4,0--4,8% С; 0,1--2,6% Мп; 0,3-2,0% 81; 0,02-0,07% 8; < 0,3 % Р. Однако опыт показал, что для обеспечения высоких технико-экономических показателей процесса содержание составляющих чугуна целесообразно ограничивать в определенных узких пределах.

При излишне высоком содержании кремния возрастает расход извести для ошлакования образующейся и увеличивается количество шлака в конвертере, что ведет к росту потерь железа и теплопотерь со сливаемым шлаком; понижается также стойкость футеровки конвертера. Вместе с тем при очень низком (< 0,3 %) содержании кремния замедляется шлакообразование в связи с медленным растворением извести из-за слишком низкого содержания в первичных шлаках. Большинство отечественных заводов работают на чугунах с содержанием кремния 0,6--0,9 %, что, близко к оптимальной величине.

Оптимальной величиной содержания марганца в чугуне в течение многих лет считали 0,7--1,1 %. При более низком его содержании существенно замедляется шлакообразование, поскольку в первичных шлаках будет содержаться мало оксида МпО, ускоряющего растворение извести. Однако большая часть марганца при конвертерной плавке окисляется и безвозвратно теряется со шлаком в виде МпО.

Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,2-- 0,3 %, поскольку при большем его содержании необходим промежуточный слив шлака во время продувки и наведение нового, что снижает производительность конвертера.

Содержание серы в чугунах, предназначенных для выплавки качественных сталей, не должно превышать 0,035%, а рядовых сталей -- 0,05%. Такое ограничение объясняется тем, что из-за высокого содержания оксидов железа в конвертерных шлаках удаление в них серы при плавке происходит слабо; степень десульфурации не превышает 30 %. На многих заводах организована внедоменная десульфурация чугуна.

Температура жидкого чугуна обычно составляет 1300-- 1450 °С. Применять чугун с более низкой температурой нежелательно, так как это ведет к холодному началу продувки и замедлению шлакообразования.

Стальной лом. Стальной лом является охладителем конвертерной плавки, увеличение его расхода экономит чугун, снижая себестоимость стали. К лому, как и при прочих сталеплавильных процессах, предъявляется требование о недопустимости высокого содержания фосфора, серы, примесей цветных металлов и ржавчины. Количество меди и никеля, которые не окисляются в условиях конвертерной плавки, не должно превышать их допустимого содержания в выплавляемой стали (обычно < 0,2 %). Ограничивают максимальный размер кусков лома, поскольку слишком большие куски могут не успевать раствориться в металле за время продувки, а во время загрузки могут повредить футеровку конвертера. Толщина кусков лома не должна превышать 0,25--0,35 м, длина -- 0,8 м; размер пакетов не должен быть более 0,7x1x2 м.

Шлакообразующие. Основные шлакообразующие материалы -- это известь и плавиковый шпат, иногда в качестве шлакообразующих или охладителей используют боксит, железную руду, прокатную окалину (Fе3О4), агломерат, рудно-известковые окатыши. Известь должна быть свежеобожженной и содержать > 92 % СаО, <2% и <0,05-0,08 % S. При содержании серы в извести > 0,1 % возможен переход серы из шлака в металл во время плавки. Куски извести должны иметь размеры от 10 до 50 мм. Применение более мелких кусков извести не допускается, так как они будут вынесены из конвертера отходящими газами.

Плавиковый шпат-- эффективный разжижитель шлака. Он содержит 75--92 % СаF2, основной примесью является . Железная руда, агломерат и окатыши должны содержать не более 8 % и 0,1 % фосфора и серы (каждого), размер кусков руды должен быть 10-80 мм.

Боксит содержит 28-50% А12О3, 10-20% и 12--25 % Fе2О3; обычно в нем также много влаги (10-- 20 %), что требует предварительной просушки во избежание внесения в сталь водорода. Для ускорения шлакообразования и уменьшения расхода плавикового шпата применяют вводимые в конвертер в начале продувки шлаки производства силикомарганца, которые наряду с обычными составляющими конвертерных шлаков содержат 16-19 % МпО; шлаки от производства силумина, содержащие , А12О3, SiC и металлические А1 и Si; твердый конвертерный шлак предыдущих плавок и другие.

Технология плавки в конвертере с верхним дутьем

конвертерный сталь дутье

Шихтовку, т.е. определение расхода на плавку чугуна и лома, шлакообразуюших, ферросплавов и других материалов, в современных цехах проводят с помощью ЭВМ (АСУТП) на основании вводимых в нее данных о составе чугуна и других шихтовых материалов, температуре чугуна, параметрах выплавляемой стали и некоторых других. При этом расход лома, являющегося охладителем плавки, определяют на основании расчета теплового баланса плавки, увеличивая или уменьшая расход так, чтобы обеспечивалась заданная температура металла в конце продувки, а расход извести - так, чтобы обеспечивалась требуемая основность шлака (2,7-3,6).

Лом загружают в конвертер совками объемом 20-110 м3; их заполняют ломом в шихтовом отделении цеха и доставляют к конвертерам рельсовыми тележками. Загрузку ведут (рис.7.5, а) через отверстие горловины конвертера, опрокидывая совок 3 с помощью полупортальной машины 2, либо мостового крана, либо напольной (перемещающейся по рабочей площадке цеха) машины. Конвертер при загрузке наклонен примерно на 45 ° с тем, чтобы загружаемые куски лома скользили по футеровке, а не падали бы сверху, разрушая ее.

Рис. 7,5. Технологические операции конвертерной, плавки: загрузка лома (а), заливка чугуна (6), начало продувки (в), замер температуры (г), слив металла (д), слив шлака (е): 1 -- газоотвод; 2 -- полупортальная загрузочная машина; 3 -- совок; 4 -- мостовой кран; 5 -- заливочный ковш; 6 -- бункер; 7 -- течка; 8 -- термопара; 9 -- бункер для ферросплавов; 10 -- сталеразливочный ковш; 11 -- шлаковая чаша (ковш)

Жидкий чугун заливают (рис. 7,5, б) в наклоненный конвертер через отверстие горловины с помощью мостового крана 4 из заливочного ковша 5, который обычно вмещает всю порцию заливаемого чугуна (до 300 т и более). Заливочные ковши с чугуном доставляют к конвертерам из миксерного или переливного отделений.

Для загрузки сыпучих шлакообразуюших материалов конвертер оборудован индивидуальной автоматизированной системой. Из расположенных над конвертером расходных бункеров, где хранится запас материалов, их с помощью электровибрационных питателей и весовых дозаторов выдают в промежуточный бункер 6, а из него материалы по наклонной течке (трубе) 7 ссыпаются в конвертер через горловину. При этом система обеспечивает загрузку сыпучих без остановки продувки по программе, которая разработана заранее или задается оператором из пульта управления конвертером.

Периоды плавки

Плавка в кислородном конвертере включает следующие периоды.

Загрузка лома. Стальной лом в количестве до 25-27 % от массы металлической шихты загружают в наклоненный конвертер совками. Объем рассчитывают так, чтобы загрузка обеспечивалась одним-двумя совками. Загрузка длится 2-4 мин. Иногда с целью ускорения шлакообразования после загрузки лома или перед ней в конвертер вводят часть расходуемой на плавку извести.

Заливка чугуна. Жидкий чугун при температуре от 1300 до 1450 °С заливают в течение 2-3 мин.

Продувка. После заливки чугуна конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение, вводят сверху фурму и включают подачу кислорода, начиная продувку. Фурму в начале продувки для ускорения шлакообразования устанавливают в повышенном положении (на расстоянии до 4,8 м от уровня ванны в спокойном состоянии), а через 2-4 мин ее опускают до оптимального уровня (1,0-2,5 м в зависимости от вместимости конвертера и особенностей технологии).

Перемешивание ванны, возникающее при продувке в результате воздействия кислородных струй и потока выделяющихся из ванны пузырьков окиси углерода, интенсифицирует массо- и теплообмен, ускоряя процессы окисления, рафинирования и нагрева металла и расплавления стального лома.

Характер взаимодействия кислородных струй с ванной и возникающей при этом циркуляции металла показан на рис. 7.6. Под соплами фурмы расположены направленные вниз высокоскоростные потоки кислорода с увлекаемыми в них каплями металла; это первичные реакционные зоны, где весь кислород расходуется на окисление железа. По границам первичной зоны вследствие высокой концентрации кислорода окисляется много углерода с образованием СО и формируется мощный поток всплывающих пузырей СО, увлекающих за собой металл, поэтому циркуляционные потоки направлены здесь вверх.

Рис. 7.6. Структура ванны при продувке сверху: 1 - зона продувки (прямого окисления);2 - зона циркуляции; 3 -- пузыри СО; 4 --крупные газовые полости; 5 -- металл; 6 --шлак

В течение первой трети длительности продувки в конвертер двумя--тремя порциями загружают известь; вместе с первой порцией извести, вводимой после начала продувки, дают плавиковый шпат и иногда другие флюсы (железную руду, окатыши, боксит и др.). Расход извести рассчитывают так, чтобы шлак получался с основностью от 2,7 до 3,6; обычно расход составляет 6-8 % от массы стали.

Поскольку контур циркуляции должен быть замкнутым, у стенок конвертера металл движется вниз. Выше зоны циркуляции металл и шлак перемешиваются всплывающими пузырями СО. Под первичными реакционными зонами, где всплывание пузырей СО затруднено, периодически формируются крупные газовые полости 4. Их объем при движении вверх возрастает в результате поглощения встречных пузырей СО, и при выходе крупных газовых объемов из ванны образуются всплески металла и шлака.

Уровень ванны изменяется по ходу продувки. В начале и конце продувки, когда скорость окисления углерода невелика, т.е. образуется мало пузырей СО, металл вспенивается незначительно, и фурма находится над ванной. В середине продувки, когда скорость обезуглероживания сильно возрастает, большое количество выделяющихся пузырей СО вспенивают верхнюю часть ванны, и фурма оказывается погруженной в газошлакометаллическую эмульсию, а уровень ванны может достигать верха горловины конвертера. В этот период могут возникать выбросы.

Изменение высоты положения фурмы во время продувки используют для регулирования окисленности шлака и ускорения его формирования. При этом учитывают, что в подфурменной зоне вдуваемый кислород расходуется преимущественно на прямое окисление железа, а образующиеся оксиды могут растворяться как в металле, так и в шлаке.

Продувка до получения заданного содержания углерода в металле длится 12-18 мин; она тем больше, чем меньше принятая в том или ином цехе интенсивность подачи кислорода в пределах 2,5--5 м3/(т?мин). Удельный расход кислорода обычно изменяется в пределах 47-57 м3/т стали. Минутный расход кислорода (м3/мин) увеличивается с ростом вместимости конвертера. Достигая для большегрузных конвертеров 1600-2000 м3/мин.

В течение продувки протекают следующие основные металлургические процессы:

а) окисление составляющих жидкого металла вдуваемым кислородом; окисляется избыточный углерод, а также весь кремний, около 70 % марганца и немного (1--2 %) железа. Газообразные продукты окисления углерода (СО и немного СО2) удаляются из конвертера через горловину (отходящие конвертерные газы), другие оксиды переходят в шлак;

б) шлакообразование. С первых секунд продувки начинает формироваться основной шлак из продуктов окисления составляющих металла (SiO2, МпО, FеО, Fе2О3) и растворяющейся в них извести (СаО), а также из оксидов, вносимых миксерным шлаком, ржавчиной стального лома и растворяющейся футеровкой. Основность шлака по ходу продувки возрастает по мере растворения извести, достигая 2,7-3,6;

в) дефосфорация и десульфурация. В образующийся основной шлак удаляется часть содержащихся в шихте вредных примесей -- большая часть (до 90 %) фосфора и немного (до 30%) серы;

г) нагрев металла до требуемой перед выпуском температуры (1600-1660 °С) за счет тепла, выделяющегося при протекании экзотермических реакций окисления составляющих жидкого металла;

л) расплавление стального лома за счет тепла экзотермических реакций окисления; обычно оно заканчивается в течение первых 2/3 длительности продувки;

к) побочный и нежелательный процесс испарения железа в подфурменной зоне из-за высоких здесь температур (2000-2600 °С) и унос окисляющихся паров отходящими из конвертера газами, что вызывает потери железа и требует очистки конвертерных газов от пыли.

Отбор проб, замер температуры, ожидание анализа, корректировка. Продувку необходимо закончить в тот момент, когда углерод будет окислен до нужного в выплавляемой марке стали содержания; к этому времени металл должен быть нагрет до требуемой температуры, а фосфор и сера удалены до допустимых для данной марки стали пределов.

Окончив продувку, из конвертера выводят фурму, а конвертер поворачивают в горизонтальное положение. Через горловину конвертера отбирают пробу металла, посылая ее на анализ, и замеряют температуру термопарой. На отбор и анализ проб затрачивается 2-3 мин; корректировочные операции вызывают дополнительные простои конвертера и поэтому нежелательны.

Выпуск. Металл выпускают в сталеразливочный ковш через летку без шлака; это достигается благодаря тому, что в наклоненном конвертере у летки располагается более тяжелый металл, препятствующий попаданию в нее находящегося сверху шлака. Выпуск длится 3-7 мин.

В процессе выпуска в ковш из бункеров 9 вводят ферросплавы для раскисления и легирования. В конце выпуска в ковш попадает немного (1-2 %) шлака, который предохраняет металл от быстрого охлаждения. В новых цехах, где проводят внепечную обработку, в ковш вводят сплавы, содержащие слабоокисляющиеся элементы (Мп, Сr), после чего ковш транспортируют на установку внепечной обработки, где в процессе усредняющей продувки аргоном вводят элементы, обладающие высоким сродством к кислороду (Si, А1, Тi, Са и др.), что уменьшает их угар. В ковше для защиты металла от охлаждения и окисления создают шлаковый покров.-

Слив шлака в шлаковый ковш (чашу) 11 ведут через горловину, наклоняя конвертер в противоположную от летки сторону (слив через летку недопустим, так как шлак будет растворять футеровку летки). Слив шлака длится 2-3 мин. Общая продолжительность плавки в 100--350-т конвертерах составляет 40--50 мин.

Поведение составляющих чугуна при продувке

Все примеси в процессе продувки кислородам окисляются одновременно, но скорости их окисления различны: с наибольшей скоростью протекают реакции, максимально удаленные от равновесия. Мерой отклонения реакции от равновесия в общем случае является нестандартное изменение изобарно-изотермического потенциала , которое тем больше, чем выше химическое сродство элемента к кислороду в стандартных условиях. В начальный момент рафинирования с наибольшей скоростью окисляются примеси, имеющие максимальное химическое сродство к кислороду в стандартных условиях. Другие примеси окисляются одновременно, но с меньшими различными скоростями, в соответствии с химическим сродством к кислороду.

По ходу рафинирования концентрация в металле примеси, которая имеет максимальное химическое сродство к кислороду (например, кремний), быстро снижается, что приводит к уменьшению , снижению скорости окисления и, наконец, полному прекращению реакции. В дальнейшем поступающий в ванну кислород на эту реакцию больше не расходуется, а расходуется на другие реакции, одна из которых начинает играть ведущую роль.

Реакции окисления. В течение продувки за счет подаваемого в конвертер кислорода окисляется избыточный углерод, а также кремний, большая часть марганца и некоторое количество железа. Окисление примесей жидкого чугуна -- углерода, кремния и марганца можно представить следующими итоговыми реакциями:

За счет непосредственного взаимодействия с газообразным кислородом окисляется лишь незначительная часть примесей. Окисление большей части примесей протекает по более сложной схеме:

-- первоначально в зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо его окисление объясняется тем, что концентрация железа в несколько десятков раз больше концентрации других элементов, и поэтому с вдуваемым кислородом прежде всего контактируют атомы железа. Образующийся оксид FеО растворяется частично в металле и частично в шлаке .

- за счет этого растворенного в металле и шлаке кислорода окисляются прочие составляющие жидкого чугуна.

Таким образом, при продувке в конвертере характерно прямое окисление железа в зоне контакта кислородной струи с металлом (в первичной реакционной зоне) и окисление прочих составляющих металла за счет вторичных реакций на границе с первичной реакционной зоной и в остальном объеме ванны.

Окисление кремния и марганца, так же как и углерода, начинается с момента подачи кислорода, причем весь кремний и большая часть марганца выгорают в первые минуты продувки. Более быстрое их окисление по сравнению c углеродом объясняется различием в химическом сродстве разных элементов к кислороду при различных температурах.

На рис. 7.7 приведена зависимость химического сродства ряда элементов к кислороду от температуры; при этом величина химического сродства тем больше, чем больше по абсолютной величине отрицательное значение ДG. Из рис. 7.7 следует, что при температурах ниже 1450-1500 °С кремний и марганец обладают более высоким сродством к кислороду, чем углерод; при более же высоких температурах сродство углерода к кислороду превышает сродство марганца и кремния. В соответствии с этим марганец и кремний окисляются в начале продувки, когда температура в конвертере сравнительно невысока.

Рис. 7.7. Химическое сродство элементов к кислороду при различных температурах

Окисление кремния заканчивается в первые 3--5 мин продувки и в дальнейшем по ходу плавки жидкий металл кремния не содержит. Реакция окисления кремния протекает до его полного израсходования и является необратимой, поскольку продукт окисления -- кислотный оксид SiO2, связывается в основном шлаке в прочное соединение 2СаО*SiO2.

Интенсивное окисление марганца наблюдается в начале продувки, когда при низких температурах его химическое сродство к кислороду велико; к 3--5 мин продувки окисляется около 70% марганца, содержащегося в чугуне.

Рис. 7.8. Изменение состава металла (а) и шлака (б) по ходу продувки в кислородном конвертере

Марганец восстанавливается из шлака; в конце продувки, когда вследствие усиливающегося окисления железа содержание оксидов железа в шлаке возрастает. Конечное содержание обычно находится в пределах от 0,2--0,3 до 0,03--0,05 %, нижний предел-- при переработке маломарганцовистых чугунов.

Окисление углерода в кислородном конвертере происходит преимущественно до СО; до СО2 окисляется около 10% углерода, содержащегося в чугуне. В начале продувки скорость окисления углерода невелика (0,1--0,15 %/мин), поскольку много кислорода расходуется на окисление кремния и марганца, имеющих высокое химическое сродство к кислороду при низких температурах. В дальнейшем, вследствие повышения сродства углерода к кислороду при росте температуры и уменьшения расхода кислорода на окисление марганца и кремния, скорость окисления углерода возрастает и затем остается в течение длительного времени почти постоянной. В этот период весь вдуваемый кислород идет на окисление углерода, и достигаемая скорость (до 0,5 %/мин) обезуглероживания определяется интенсивностью подачи кислорода. В конце продувки скорость обезуглероживания вновь снижается потому, что в металле остается мало углерода.

Роль реакции обезуглероживания велика: окисление углерода дает большую часть тепла для нагрева ванны; длительность окисления углерода определяет длительность продувки; выделяющиеся пузыри СО обеспечивают6

- перемешивание ванны, благодаря чему выравниваются состав и температура;

-ускоряется нагрев металла;

- вследствие перемешивания металла и шлака ускоряются дефосфорация и десульфурация;

- с пузырями СО удаляются растворенные в металле вредные газы -- водород и азот;

- пузыри СО вспенивают ванну, благодаря чему могут возникать выбросы.

Дефосфорация. Основными источниками попадания фосфора в конвертер являются жидкий чугун, а также стальной лом. Для успешного протекания экзотермической реакции удаления из металла в шлак фосфора:

необходимы повышенные основность и окисленность шлака и невысокая температура.

В конвертере с верхней продувкой создаются благоприятные условия для удаления фосфора:

быстрое формирование основных шлаков с высокой окислен-ностью (высоким содержанием оксидов железа) и неплохое перемешивание металла со шлаком.

Поскольку реакция удаления фосфора сопровождается выделением тепла, дефосфорация наиболее интенсивно протекает в первой половине продувки при сравнительно низкой температуре.

Конечное содержание фосфора в металле зависит от количества шлака и полноты протекания реакции дефосфорации, которую обычно характеризуют величиной коэффициента распределения фосфора между шлаком и металлом (Р2О5)/[Р]. Эта величина в условиях кислородно-конвертерного процесса изменяется от 40 до 100--120 и в этих пределах обычно тем выше, чем выше основность и окисленность шлака и чем ниже температура металла в конце продувки. Кроме того, повышению значения (Р2О5)/[Р] способствует улучшение перемешивания металла со шлаком, что достигается при снижении вязкости шлака и при более раннем шлакообразовании, поскольку в этом случае увеличивается продолжительность контакта металла со шлаком. Целесообразно также увеличение количества шлака, поскольку при одной и той же достигнутой величине коэффициента распределения количество фосфора, перешедшего в шлак, будет тем больше, чем больше масса шлака.

Обычно при содержании фосфора в чугуне менее 0,15-- 0,20 % металл в конце продувки содержит 0,02--0,04 % фосфора; степень дефосфорации достигает 75--90 %.

Десульфурация. Сера поступает в кислородный конвертер с жидким чугуном, стальным ломом, шлаком из заливочного ковша с известью. Чугун может содержать до 0,035--0,5 % S.

В процессе продувки немного серы (5--10 %) окисляется кислородом дутья и удаляется в виде SO2 c отходящими газами. Остальная сера распределяется между шлаком и металлом. Для успешного удаления серы необходимы высокая основность шлака и низкое содержание в нем окислов железа. Конвертерный шлак содержит значительное количество FеО (8--20 % и более), поэтому десульфурация получает ограниченное развитие. Степень десульфурации обычно не превышает 30 %, а коэффициент распределения серы между шлаком и металлом невелик (от 2 до 6).

В реальных условиях конвертерной плавки десульфурацию стали проводят на установках внепечной обработки стали путем вдувания порошкообразных десульфураторов в ковш после выпуска в него металла из конвертера.

Шлаковый режим. Основные источники шлакообразования служат:

- загружаемая в конвертер известь (СаО);

- продукты окисления составляющих чугуна (, МпО, FеО, Fе2О3, Р2О5);

- оксиды растворяющейся футеровки (СаО, МgО);

- миксерный шлак (, СаО, МпО, МgО, FеО, А12О3, S);

- оксиды железа из ржавчины стального лома и составляющие флюсов.

Флюсом служит:

- плавиковый шпат или флюоритовые руды (СаF2), вносящие СаF2 и немного ;

- боксит (А12О3, , Fе2О3);

- железная руда или агломерат или окатыши, вносящие оксиды железа и немного и А12О3;

- различные отходы производств.

Формирование основного шлака сводится к растворению загружаемой в конвертер кусковой извести в образующейся с первых секунд продувки жидкой шлаковой фазе -- продуктах окисления составляющих чугуна (, МпО, FеО). Известь тугоплавка (температура плавления СаО составляет 2570 °С), поэтому для ее растворения необходимо взаимодействие СаО с окислами окружающей шлаковой фазы с образованием легкоплавких химических соединений, которые расплавлялись бы при температурах конвертерной ванны.

Практика показала, что без принятия специальных мер растворение извести происходит медленно. Это объясняется тем, что в образующейся в первые секунды продувки шлаковой фазе содержится большое количество и, реагируя с этим оксидом, куски извести покрываются тугоплавкой оболочкой из двухкалышевого силиката 2СаО * (температура плавления 2130 °С), препятствующей дальнейшему растворению. Поэтому необходимо добавлять компоненты, понижающие температуру плавления этого силиката, а также самой извести.

Наиболее эффективны в этом отношении СаF2 и оксиды железа, в несколько меньшей степени МпО. С учетом изложеного в конвертер в начале продувки обычно присаживают плавиковый шпат (СаF2), а обогащение шлака окислами железа достигают, начиная продувку при повышенном положении фурмы, и иногда за счет присадок железной руды, агломерата, окатышей, боксита.

Общий расход извести составляет 6-8% от массы плавки; его определяют расчетом так, чтобы обеспечивалась требуемая основность шлака (СаО/ = 2,7-3,6). Расход плавикового шпата составляет 0,15--0,3 % и иногда более.

В результате растворения извести содержание СаО в шлаке возрастает, а содержание , МпО и FеО снижается. Заметно уменьшается содержание FеО в период наиболее интенсивного окисления углерода (середина продувки), когда сильное развитие получает реакция окисления углерода за счет окислов железа шлака. В конце продувки, когда углерода в металле мало, начинает окисляться железо и содержание FеО в шлаках возрастает, причем тем значительнее, чем до более низкого содержания углерода в металле ведут продувку.

Состав конечного шлака следующий: 43-52 % СаО; 14-22 % ; 8-25% FеО; 2-6% Fе2О3; 3-12% МпО; 3-7% А12О3; 1,5-4% МgО; 0,5-4,0% Р2O5; < 3 % СаF2; < 1 % СаS. Соотношение между содержанием СаО и определяется основностью шлака, которой задаются и которую регулируют, изменяя расход извести. Количество оксидов железа, как отмечалось, будет тем выше, чем ниже содержание углерода в металле в конце продувки.

Раскисление и легирование

Раскисление стали. Раскисление кислородно-конвертерной стали производят осаждающим методом в ковше во время выпуска. В конвертер раскислители не вводят во избежание их большого угара.

Спокойные стали обычно раскисляют марганцем, кремнием и алюминием, на отдельных марках стали дополнительно применяют титан, кальций и другие сильные раскислители. Кипящую сталь раскисляют одним марганцем.

Последовательность ввода в ковш широко применяемых сплавов раскислителей следующая: вначале вводят ферромарганец или силикомарганец, затем ферросилиций и в последнюю очередь алюминий. Кипящую сталь раскисляют одним ферромарганцем. Подачу раскислителей начинают после наполнения ковша жидким металлом примерно на 1/4--1/3, а заканчивают, когда заполнен металлом на 2/3, что позволяет избежать попадания раскислителей в шлак и их повышенного угара. Расход алюминия на раскисление в зависимости от содержания углерода в выплавляемой стали составляет 0,15--1,20 кг на 1т стали, увеличиваясь при снижении содержания углерода; большая часть вводимого алюминия (60--90 %) угорает.

Легирование стали. Выплавка легированных сталей в кислородных конвертерах сопряжена со значительными трудностями, поскольку большинство легирующих элементов нельзя вводить в конвертер из-за возможности их полного или частичного окисления, а в случае ввода в ковш количество добавок ограничено, так как возможно чрезмерное охлаждение жидкой стали и неравномерное распределение вводимых элементов в объеме жидкого металла

Легирование твердыми ферросплавами. Это наиболее широко применяемый и простой метод. В цехах, где нет установок внепечной обработки стали, все легирующие вводят в ковш во время выпуска металла. При этом ферросплавы с элементами, обладающими высоким химическим сродством к кислороду (Ті, Zr, Са, Се и т.д.), а также с ванадием и ниобием вводят в ковш после дачи всех раскислителей. Часто применяемый для легирования хром вводят в виде феррохрома или в виде экзотермического феррохрома, растворение которого в жидком металле идет без затраты тепла. Из-за возможного охлаждения жидкой стали и неравномерного при этом распределения элементов количество вводимых добавок ограничено и этим методом получают низколегированные стали с общим содержанием легирующих элементов не выше 2-3%.

Легирование жидкими ферросплавами. Способ заключается в том, что при выпуске стали из конвертера в ковш заливают легирующие добавки, предварительно расплавленные в индукционной или дуговой электропечи. Метод позволяет вводить в сталь большое количество легирующих, но обладает существенным недостатком -- необходимо иметь в цехе дополнительный плавильный агрегат, что усложняет организацию работ в цехе.

Легирование экзотермическими ферросплавами. Ферросплавы в виде брикетов вводят в ковш перед выпуском в него стали. В состав брикетов, помимо измельченных легирующих (феррохрома, ферромарганца и др.), входят окислитель (например, натриевая селитра), восстановитель (например, алюминиевый порошок) и связующие (каменноугольный пек и т.д.). При растворении брикетов в стали алюминий окисляется за счет кислорода, содержащегося в натриевой селитре; выделяющееся тепло расходуется на расплавление легирующих. Подобным методом с успехом вводят в сталь до 4% легирующих элементов. Способ не нашел широкого применения из-за трудностей в организации производства брикетов.

Размещено на Allbest.ru