Конвертерные процессы с комбинированной продувкой

Комбинированная продувка, т.е. продувка кислородом через фурму сверху в сочетании с подачей нейтральных газов через днище снизу получает все более широкое распространение. Широкое распространение сравнительно недавно возникшего способа продувки объясняется тем, что в рамках одной технологии одновременно реализуются основные преимущества как верхней, так и донной продувки.

Основные достоинства комбинированной продувки при по­даче нейтральных газов через дно в сравнении с верхней продувкой:

§ уменьшение вспенивания ванны и отсутствие выбросов;

§ более низкая окисленность шлака и металла в течение всей продувки;

§ более высокий выход годного металла из-за уменьшения выбросов и потерь железа со шлаком в виде оксидов;

§ более полное удаление в шлак фосфора и серы, что по­зволяет снизить расход шлакообразующих; кроме того, улуч­шается усвоение шлаком извести;

§ возможность выплавлять низкоуглеродистую сталь без по­лучения переокисленного шлака и больших при этом потерь железа;

§ некоторое уменьшение количества окисляющегося при про­дувке марганца;

Недостатком процесса считают необходимость снижения расхода лома (или увеличения расхода чугуна на 5-10 кг/т стали) в связи с тем, что уменьшается приход тепла от окисления железа в шлак и расходуется тепло на нагрев по­даваемых в конвертер холодных нейтральных газов.

На сегодняшнее время наиболее широко распространен процесс ЛБЕ - продувка кислородом сверху и нейтральными газами снизу через пористые огнеупорные блоки в днище. Это объясняется тем, что из-за малого диаметра (1-1,5 мм) газопроводящих каналов (пор) в пористых блоках, жидкий металл не затекает в них даже при прекращении подачи газа. Поэтому в любой момент можно изменить расход нейтрального газа или прекратить его подачу, гибко варьируя технологию продувки.

 

 

Рис.1 Конвертер с верхней продувкой                   Рис.2 Конвертер с комбинированной продувкой

Технология плавки

Лом загружают в конвертер совками объемом 20-110 м³; их заполняют ломом в шихтовом отделении цеха и доставляют к конвертерам рельсовыми тележками. Загрузку ведут через отверстие горловины конвертера, опрокидывая совок с помощью полупортальной машины, 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.

Жидкий чугун заливают в наклоненный кон­вертер через отверстие горловины с помощью мостового кра­на из заливочного ковша, который обычно вмещает всю порцию заливаемого чугуна. Заливочные ковши с чугуном доставляют к конвертерам из миксерного или переливного отделений.

Для загрузки сыпучих шлакообразующих 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, а из него материалы по наклонной течке (трубе) ссыпаются в конвертер через горловину.

Периоды плавки

Плавка в кислородном конвертере включает следующие перио­ды.

Загрузка лома. Стальной лом заг­ружают в наклоненный конвертер совками. Объем совков достигает 110 м³, его рассчитывают так, чтобы заг­рузка обеспечивалась одним-двумя совками, поскольку при большем числе возрастает длительность загрузки и плавки в целом. 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 заливают в наклоненный кон­вертер одним ковшом 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, а через 2-4 мин ее опускают до оптимального уровня (1,0-2,5 м в зависимости от вместимости конвертера и осо­бенностей технологии). В течение первой трети длительности продувки в конвер­тер двумя-тремя порциями загружают известь; вместе с пер­вой порцией извести, вводимой после начала продувки. Продувка до получения заданного содержания углерода в металле длится 12-18 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, MnO, FeO) и растворяющей­ся в них извести (СаО), а также из оксидов, вносимых миксерным шлаком, ржавчиной стального лома и растворяющейся футеровкой;

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

г) нагрев металла до требуемой перед выпуском темпера­туры за счет тепла, выделяющегося при про­текании экзотермических реакций окисления составляющих жидкого металла;

д) расплавление стального лома за счет тепла экзотер­мических реакций окисления;

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

После окончания продувки кислородом предусматривают дополнительный период - проду­вку аргоном длительностью до 3-6 мин. Режим подачи кисло­рода через верхнюю фурму (интенсивность продувки, измене­ние высоты положения фурмы по ходу продувки) примерно та­кой же, как и при верхней продувке. Режим подачи нейт­ральных газов через донные фурмы рекомендуется следующий. Иногда после окончания кисло­родной продувки проводят дополнительную продувку аргоном снизу в течение 1-3 мин с расходом до 0,3 м³/т *мин; при этом снижается окисленность шлака и содержание угле­рода в металле в результате протекания реакции (FeO) + [С] = Fe + СО и в металле снижается содержание фосфора (примерно на 20-30%) и серы (примерно на 10-25%). При выплавке особо низкоуглеродистых сталей кислородную про­дувку прекращают при содержании углерода в металле 0,03-0,04% и затем ведут перемешивающую продувку аргоном в течение 3-6 мин, получая низкоуглеродистый (до 0,01% С) металл при невысоком содержании FeO в шлаке, т.е. без по­вышенного угара железа.

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. Если по результатам анализа и замера температуры параметры металла соответствуют заданным, плавку выпускают. В случае не­соответствия проводят корректирующие операции: при избы­точном содержании углерода проводят кратковременную додувку для его окисления; при недостаточной температуре делают додувку при повышенном положении фурмы, что вызы­вает окисление железа с выделением тепла, нагревающего ванну; при излишне высокой температуре в конвертер вводят охладители - легковесный лом и т.п., делая выдержку после их ввода в течение 3-4 мин. По окончании корректировочных операций плавку выпускают. 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. Такой выпуск исключает перемешивание металла со шлаком в ковше и переход из шла­ка в металл фосфора и FeO. Выпуск длится 3-7 мин. В процессе выпуска в ковш из бункеров вводят ферро­сплавы для раскисления и легирования. При этом в старых цехах загружают все ферросплавы так, чтобы обеспечивалось раскисление и получение в стали требуемого содержания вводимых. В момент слива из кон­вертера последних порций металла делают "отсечку" шлака, препятствуя попаданию в ковш конвертерного шлака, содер­жащего фосфор, который может переходить в металл, и окси­ды железа, которые будут окислять вводимые в металл в процессе внепечной обработки элементы.

Слив шлака в шлаковый ковш (чашу) 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.

Поведение примесей:

В течение продувки за счет подаваемого в конвертер кислорода окисляется избыточный углерод, а также кремний, большая часть марганца и некоторое количество железа.

Но 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: Fe + 1/2 O₂ = FeO; это связано с тем, что концентрация железа во много раз больше концентрации других элементов. Образующаяся закись железа растворяется частично в металле: FeO ® [O] + Fe и частично в шлаке: FeO ® (FeO) и уже за счет этого растворенного в металле и шлаке кислорода окисляются прочие составляющие чугуна. Соответственно окисление, например, углерода идет по следующей схеме:

Fe + 1/2 O₂ = FeO;       Fe + 1/2 O₂ = FeO;

FeO ® [O] + Fe; FeO ® (FeO);

[C] + [O] = CO; [C] + (FeO) = CO + Fe.

Если просуммировать уравнения реакций правого или левого столбцов, то в обеих случаях получим итоговую реакцию окисления углерода: [C] + 1/2 O₂ = CO, которая таким образом, отражает лишь начальное и конечное состояние процесса окисления.

Таким образом, для продувки 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.

Из-за этого фактора повышенная интенсивность перемешивания при комбинированном дутье повышает скорость вторичных реакций окисления.

Окисление углерода в кислородном конвертере происходит преимущественно до СО; до СО₂ окисляется менее 10-15% углерода, содержащегося в чугуне. В начале продувки, когда интенсивно окисляются углерод и марганец, а температура ванны мала, скорость окисления углерода сравнительно невелика (0,10-0,15%/мин). В дальнейшем, вследствие повышения сродства углерода к кислороду при росте температуры и уменьшения расхода кислорода на окисление марганца и кремния, скорость окисления углерода возрастает, достигая к середине продувки максимума (0,35-0,45%/мин). В конце продувки она вновь снижается вследствие уменьшения содержания углерода в металле. Роль реакции обезуглероживания в кислородно-конвертерной плавке велика, поскольку длительность окисления углерода определяет продолжительность продувки, а также потому, что выделяющиеся пузырьки СО обеспечивают удаление из металла азота и водорода и интенсивное перемешивание металла и шлака.

Cера и фосфор:

Дефосфорация — удаление из металла в шлак фосфора протекает по экзотермической реакции

2 [P] + 5 (FeO) + 3 (CaO) = (3CaO·P2O5) + 5 Fe + 767290 Дж/моль,

для успешного протекания которой необходимо повышенные основность и окисленность шлака и невысокая температура. В кислородном конвертере благоприятные условия для удаления в шлак фосфора — наличие основных шлаков со сравнительно высоким содержанием окислов железа и хорошее перемешивание ванны (что как раз обеспечивает комбинированный процесс).

Сера в конвертере практически не удаляется, поэтому график ее содержания по ходу плавки представляет прямую линию.

Изменение состава шлака:

Параметры шлакового режима — состав, вязкость, количество шлака и скорость его формирования оказывают сильное влияние на качество стали, выход годного металла, стойкость футеровки и ряд технологических особенностей продувки.

Основные источники шлакообразования — это загружаемая в конвертер известь (СаО) и продукты окисления составляющих чугуна (SiO₂, MnO, FeO, P₂O₅). Кроме того в шлак поступают окислы растворяющейся футеровки (CaO, MgO); некоторое количество миксерного шлака; окислы железа из ржавчины стального лома и составляющие флюсов (плавиковый шпат, вносящий CaF₂).