Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

Конвертерные процессы производства стали

Страница 3 из 41234

4.2.3. Шихтовые материалы томасовской плавки

Томасовский чугун содержит, %: 1,6—2 Р; 0,2—0,6 Si; 0,8— 1,3 Mn; не более 0,08 S. В чугуне, выплавленном из керченских руд, находится 0,08—0,15 % V и 0,1—0,2 % As. В настоящее время в СССР по ГОСТ 805—80 выплавляют передельный фосфористый чугун марок ПФ1, ПФ2 и ПФЗ, содержащий соответственно 0,9— 1,2, 0,5—0,9, 0,5 % Si. Каждая марка чугуна делится на классы А, Б и В (0,3—0,7; 0,7—1,5; 1,5—2 % Р), группы I, II, III (не более 1; 1,5 и 2% Mn), категории I, II, III (не более 0,03; 0,05 и 0,07 %S). Уменьшение [Si]чуг способствует повышению основно­сти шлака и улучшению дефосфорации металла. Однако при очень малом [Si]металл в первом периоде продувки нагревается не­достаточно, шлакообразование протекает вяло и образуется мало шлака, который к тому же непригоден для удобрения почвы. Тем­пература чугуна может быть на 30—50 К ниже, чем в бессемеров­ском процессе, так как фосфор значительно снижает температуру ликвидуса чугуна. В качестве охлаждающих материалов применя­ют стальной лом, железную руду, окалину и брикеты из смеси окалины и извести.

В томасовском процессе весьма важным материалом является известь, которую присаживают, чтобы получить основной шлак. Известь должна быть хорошо обожженной и свежей, содержать незначительное количество CO2, H2O, SiO2 и S, так как двуокись кремния снижает флюсующую способность извести (содержание свободной CaO), а сера уменьшает десульфурирующую способ­ность шлака. В томасовском процессе применяют известь, имею­щую такой состав, %: 90—92 CaO; 0,5—2 SiO2; 1—1,5 MgO; 0,5— 1,2 Al2O3; 0,1—0,2 S; 3—5 (С02+Н20).

Томасовскую сталь раскисляют ферромарганцем, ферросилици­ем и алюминием. Если металл после продувки необходимо наугле — родить, то в ковш присаживают вместо ферромарганца зеркальный чугун, иногда для этой цели используют кокс, древесный уголь, антрацит или графит.

Устройтво конвертера. Дутье

В отличие от бессемеровских конвертеров, в которых днища в большинстве случаев приставные (см. рис. 4.1), а отверстия со­пел сделаны в шамотовых фурмах (вставляются в гнезда динасо — вых днищ), в томасовских конвертерах (рис. 4.3) доломитовые днища конические вставные, не имеют фурм, а сопла выполнены в самом их теле. Основная (доломитовая) футеровка стен и днища томасовского конвертера в 1,5—2 раза толще, чем бессемеровско­го (табл. 4.2), так как в первом случае образуется больше шлака,

Рис. 4.3. Томасовский конвертер садкой 45 т

В результате чего футеровка изнашивается быстрее. Кроме того, разрушение кладки вызывается тем, что в начале томасовской плавки шлак содержит много двуокиси кремния, химически агрес­сивного по отношению к основной футеровке.

Томасовские конвертеры отличаются от бессемеровских увели­ченными отношением их внутреннего объема к объему жидкого чугуна и площадью поперечного сечения сопел (табл. 4.2). Это обусловлено тем, что в томасовском процессе образуется большее количество шлака, выбросы во время обезуглероживания металла происходят чаще, концентрация примесей в чугуне и расход кис­лорода выше.

Выбросы по ходу томасовского процесса происходят по тем же причинам, что и в бессемеровском процессе. Мероприятия по их устранению описаны в подразд. 4.1.4.

Таблица 4.2. Размеры кладки и воздуходувный режим бессемеровских и томасовских конвертеров

Конвертеры


Показатель

Томасовский

Бессемеров­ский


Толщина футеровки, м:

Нижней части

Верхней части

Днища

Отношение рабочего объема конвертера к объему чу­гуна

Диаметр сопел в днище, мм

Удельная площадь поперечного сечения сопел, см2/т садки

Удельное внешнее циркуляционное сечение, м2/т садки

Удельный расход воздуха, м3/т садки Удельная интенсивность продувки, м3/(т-мин)

0,3-0,4 0,75-1,00 0,3-0,4 0,40-0,60 0,5-0,6 0,80—1,00

9_11 и—13

12-15

12-14 13—16

15-18

0,18-0,20 0,18-0,20 280—330 340 -400 18-25 20-30


Сущность процесса. История его развития

В томасовском процессе сталь получают путем продувки жид­кого фосфористого чугуна снизу воздухом в основном конвертере, футерованном смолодоломитовым кирпичом.

Успешная дефосфорация металла протекает в условиях повы­шенных содержания (FeO) и основности шлака, когда избыток окиси кальция в шлаке обеспечивает получение прочных фосфатов. Достаточную основность можно получить за счет присадок извести, но лишь при наличии основной футеровки.

В 1878 г. английский металлург С. Томас изготовил стойкую основную футеровку, заложив фундамент для реализации основ­ного конвертерного процесса. Заслугой Томаса является то, что ему впервые удалось осуществить так называемый «мертвый» об­жиг доломита, т. е. довести его зерна до состояния спекания и оплавления их поверхности. Намертво обожженный доломит не рассыпается в течение длительного времени. Он содержит, %: 52—56СаО; 32—37 MgO; 0,5—2,5 CO2; 4—10 (SiO2H-Al2O3H-Fe2O3). После обжига, дробления и сортировки по фракциям зерна доло­мита (размером 2—5 мм) смешивают с обезвоженной смолой (9—13% от массы доломита). Кирпичи прессуют при давлении 30—40 МПа и обжигают в самом конвертере во время его сушки и разогрева. Частицы углерода, образовавшиеся в результате кок­сования смолы, прочно связывают зерно доломита.

Промышленное применение томасовского процесса началось в 1879 г. в Англии и Германии. Вслед за тем он быстро распростра­нился во Франции, Бельгии, Люксембурге и других странах, обла­дающих значительными запасами фосфористых железных руд. В России томасовский процесс был освоен в начале 90-х гг. XIX в. на заводах Таганрогском, Керченском и «Русский Провиданс» в Мариуполе. В годы Советской власти томасовскую сталь вы­плавляли только на Керченском заводе. После Великой Отечест­венной войны томасовский цех на этом заводе не был восстановлен и томасовский процесс в СССР не применяют. В последние годы в связи с успешным внедрением передела высокофосфористых чу­гунов в кислородных конвертерах доля томасовского металла в ми­ровой выплавке стали резко сократилась.

4.1.11. Продувка природнолегированных и ванадиевых чугунов

Передел в мартеновских печах природнолегированных чугунов, получаемых из руд Халиловского и Малкинского месторождений и содержащих 2—2,5 Cr и 0,5—1,5 % Ni, отличается значительной сложностью, что объясняется отрицательным влиянием хромита железа на вязкость шлаков. Поэтому передел таких чугунов целе­сообразно вести в бессемеровских конвертерах с последующей ра — финировкой полупродукта в мартеновских печах или в кислород­ных конвертерах.

Хром окисляется наиболее интенсивно при высоком (FeO) и низких температурах, т. е. в первом периоде продувки. Так как в результате окисления кремния значительно повышается темпера­тура металла, а окисление самого хрома сопровождается дополни­тельным ее увеличением (около 50 К на 1 % Cr), то достаточно полное удаление хрома из металла обеспечивается лишь в случае продувки малокремнистого чугуна, температура которого при за­ливке в конвертер не превышает 1523 К (1250°С). Если в чугуне находится 2,5—3 % хрома, то кремния должно содержаться 0,3— 0,4 %, а марганца менее 0,5 %•

Экономическая эффективность передела природнолегированных чугунов обусловлена в основном использованием весьма ценного элемента — никеля (этот элемент не окисляется в сталеплавильных ваннах и полностью остается в готовом металле).

Чугуны, содержащие ванадий, выплавляются из уральских ти — таномагнетитовых и керченских руд. Продувка таких чугунов в бес­семеровском конвертере внедрена на Чусовском металлургиче­ском заводе. Основной задачей передела является получение шла­ка с высокой концентрацией ванадия (6—10 %)• По окончании первого периода продувки ванадиевые шлаки по возможности пол­нее скачиваются, а металл либо додувается в том же бессемеров­ском конвертере (после добавки ферросилиция для подъема тем­пературы ванны), либо передается в другой сталеплавильный агрегат.

В последние годы на Нижнетагильском металлургическом ком­бинате (HTMK) успешно внедрена продувка ванадиевых чугунов технически чистым кислородом в конвертерах с верхним дутьем.

В крупном бессемеровском цехе обычно устанавливали три кон­вертера садкой 25—35 т. Цикл плавки, включающий время осмот­ра футеровки после слива металла, загрузки твердых материалов, заливки чугуна, продувки, отбора проб, выпуска металла и шлака, составлял 20—30 мин. Производительность цеха, имеющего три 20 или три 35-т конвертера, достигала 0,7—0,8 или 1,5—1,8 млн. т стали в год соответственно, производительность труда рабочего 1200—1800 т в год. Выход годных слитков составлял 87—90 % от массы металлической шихты, расход воздуха 300—350 м3/т чугуна. Интенсивность продувки при ее продолжительности 10—15 мин достигла 18—25 м3/(т-мин). Стойкость футеровки 1000—2000 пла­вок, набивных днищ 20—30, наборных 100—180 плавок. Расходы по переделу колебались в пределах 5—6 руб. на 1 т стали. Себе­стоимость стали в основном (88 %) зависит от количества исполь­зуемого чугуна.

Производительность бессемеровских конвертеров значительно выше, чем мартеновских печей. Недостатками бессемеровского процесса, которые обусловили его замену мартеновским (в конце XIX и первой половине XX в.) и кислородно-конвертерным (во вто­рой половине XX в.) процессами, являются: малый расход сталь­ного лома и железной руды, что приводит к повышению себестои­мости стали; низкое качество стали из-за повышенного содержания в ней азота, фосфора и серы; возможность передела чугуна лишь определенного состава (с достаточно высоким [Sil и низким ГР1

4.2. томасовский процесс

Качество и сортамент бессемеровской стали

При продувке металла воздухом снизу система металл — газ приближается к равновесию по азоту и водороду, так как поверх­ность контакта этих фаз огромна. Растворимость азота и водорода в железе, как уже отмечалось, определяется законом квадратного корня (Сивертса):

[N] = Kn Y Pn2- Ю-5 , lg/CN————————— ^—— 1,06; (4.5)

[Hi = ZChZph2-IO"5 , Ig Ku = - = 1,68, (4.6)

Где Pn2 и рн2 — парциальные давления азота и водорода в газе, Па. При 1873 К константа растворения Kn = 0,04; Кя = 0,0027. В слу­чае равновесия с воздухом (Pn2 = 0,79- IO5; ри2о = 0,02 • 105), T = = 1873 К и степени диссоциации H2O в контакте с железом а = = 0,9 [N] = 0,035 %; [Н] = 0,0004 % или 4,5 см3/100 г стали. Фактические содержания газов в бессемеровской стали несколько ниже указанных величин: [N] = 0,012—0,025 % (верхний предел достигается при низком [С]), а [Н] = 3—3,5 см3/100 г. Это обу­словлено тем, что выделение СО из ванны способствует частичной дегазации стали.

При одинаковом содержании основных элементов бессемеров­ская сталь отличается от мартеновской большими жесткостью и твердостью, пониженной пластичностью, хладноломкостью и плохой свариваемостью электросваркой. В то же время бессемеровский металл обладает повышенной износоустойчивостью, хорошими за­полнением калибров при прокатке и механической обрабатывае­мостью.

Бессемеровская сталь используется для изготовления болтов, гаек, проката сложного профиля, неответственных листов, прово­локи, рельсов. Рельсы из бессемеровской стали отличаются хоро — щей износоустойчивостью. Однако их применение ограничено (осо­бенно в северных районах), так как эта сталь хладноломка, что обусловлено повышенными [N] и [Р].

4.1.8. Варианты технологии бессемеровского процесса

В зависимости от содержания кремния в чугуне, температуры последнего и футеровки могут применяться различные варианты бессемерования. Оптимальные производительность конвертера и качество стали достигаются при сочетании высокой температуры чугуна (около 1450 °С) с низким содержанием в нем кремния (око­ло 0,7 %), что лежит в основе русского варианта бессемерования, разработанного Д. К — Черновым и К. П. Поленовым.

Близко по идее русскому современное1 (американское) бессеме­рование, в котором используется физически нормальный (t4yT~ «1300 °С), но химически холодный чугун ([Si]4yr<l %). Отличи­тельная его особенность — высокая температуа футеровки в на­чале продувки (/фут да 1500 °С, что на 700—800 0C больше, чем в дру­гих вариантах), которая обеспечивается в результате сокращения простоев между продувками. В этом случае ванна получает допол­нительно тепла столько же, сколько при повышении /чуг на IOO0C.

Наиболее старым методом определения момента повалки кон­вертера и окончания продувки является остановка по виду пламени. При [С] —0,1 % пламя резко укорачивается, по нему сверху вниз пробегает тень, что и служит визуальным сигналом для повалки конвертера. Этот метод нельзя применять, если [С] >0,1 %. Точ­ность метода невелика даже при низком [С].

Для контроля окончания продувки раньше широко использова­ли спектроскоп. Об изменении [С] судили по появлению и исчезно­вению в правой части спектра пламени зеленых линий. Момент окончания продувки можно определить более точно, визируя на пламя фотоэлемент. В последнем возбуждается электродвижущая сила (э. д. е.), которая с помощью самопишущего гальванометра фиксируется в виде «кривой изменения яркости пламени». Зазуб­рины на нисходящей ветви кривой э. д. с. соответствуют определен­ным содержаниям углерода в стали.

В последнее время состав продутого металла контролируют с помощью прибора ТЭДС. Этот метод основан на зависимости тер — мо — э. д. с. от содержания углерода в металле. Для быстрого опре­деления полного состава металла в конвертерной практике широко используются также карбометры и квантометры.

В бессемеровском процессе наиболее часто применяют осажда­ющее раскисление — присадку в металл сплавов, содержащих эле­менты, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо.

Раскисляют металл в конвертере и в ковше. Легкие раскисли — тели (45 и 75 %-ный ферросилиций и алюминий) вводят только в ковш на струю металла до появления шлака. Обладая малой плот­ностью, такие материалы в случае их ввода в конвертер плавают в шлаке, что вызывает большой угар элементов-раскислителей.

Кипящую сталь раскисляют одним марганцем. Ферромарганец вводят в конвертер перед сливом стали в ковш (угар марганца 30— 40 %) или на струю. Спокойную сталь раскисляют жидким ферро­марганцем, ферросилицием и алюминием в ковше.

Если масса ферросплавов составляет более 2 % от массы ме­талла, то во избежание резкого охлаждения последнего (более чем на 30—40 К) в ковш вводят расплавленные раскислители.

Металл в ковше науглероживают (при [С] в конце продувки ни­же заданного в готовой стали), заменяя ферромарганец зеркальным чугуном, в котором отношение [С]/[Mn] =0,25—0,5, т. е. в три-пять раз больше, чем в FeMn, либо присаживая в ковш молотый кокс или антрацит. Усвояемость твердого углерода в металле составляет 65-75 % •

4.1.6. Тепловая сторона бессемеровского процесса

По ходу продувки температура металла повышается на 300— 400 °С. Приходная часть баланса тепла бессемеровской плавки име­ет три источника: химическое — экзотермических реакций, физи­ческое — тепло чугуна и футеровки конвертера. Расходная часть баланса тепла включает его затраты на нагрев металла, шлака, фу­теровки и отходящих газов.

Чугун с ^чуг^Э= 1350 0C называют физически горячим, а с Цт^ ^1250°С — физически холодным; при [Si]4>-r^ 1,5 % и [Si]4yr=?S =SC 1 такой чугун является соответственно химически горячим и хи­мически холодным. По балансу тепла физически горячий, но хи­мически холодный чугун равноценен физически холодному, но хими­чески горячему. Однако в первом случае степень использования кислорода дутья, производительность и качество стали выше, а угар металла меньше. При очень низкой температуре чугуна про­цесс вообще неосуществим, примеси металлической ванны медлен­но окисляются, горит в основном железо, даже в случае, когда сум­ма физического и химического тепла достаточна.

Для расчета используемого ванной тепла химических реакций необходимы суммарные схемы взаимодействия кислорода воздуха с элементами металла. В приведенные ниже схемы включен и азот дутья. В химических реакциях он не участвует, но уносит из ванны конвертера огромное количество тепла. Коэффициент 3,762 л; ^ 79 : 21 означает отношение молярных (или объемных) концент­раций азота и кислорода в воздухе. При продувке чугуна воздухом протекают следующие суммарные реакции (справа указаны теп­ловые эффекты, МДж/кмоль O2, при 7 = 298 К):

Si + O2 + 3,762N2 = SiO2 + 3,762N2 + 864,6;

2Mn + O2 + 3,762N2 = 2Mn0 + 3,762N2 + 774,2; 2Fe + O2 + 3,762N2 = 2Fe0 + 3,762N2 + 539,9; 2C + O2 4- 3,762N2 = 2C0 — f 3,762N2 + 221 ; C + O2 + 3,762N2 = CO2 + 3,762N2 + 393,6.

Известное уравнение Кирхгофа, по которому определяется теп­ловой эффект реакции, применимо лишь при одинаковой темпера­туре ее исходных веществ и продуктов. Для условий реакции в бессемеровской ванне передаваемое ей количество тепла находит­ся по другому уравнению. В последнем учитывается равенство ре­зультативного теплового эффекта окисления элемента кислородом воздуха Qt алгебраической сумме теплового эффекта при комнат­ной температуре Q2g8, теплосодержания исходных веществ с учетом тепла, затраченного +QpacTE или выделенного —QpacTB в процессе растворения элемента в железе, тепла шлакообразования Qm и теп­лосодержания (со знаком минус) продуктов реакции при темпера­туре ванны T:

TOC \o "1-3" \h \z T 340

Qr = Q298 + J псе DT ± Qpacxfl + J (Co2 + 3,762сIVJdT +

298 298

T T

+ Qm — I псео dT — 3,762 J Cn2 dТ, (4.1)

298 298

Где Ce, Co2, Cn2 и сЕо — атомная теплоемкость окисляемого элемен­та, молярная теплоемкость О2, N2 и полученного окисла EO соот­ветственно; п — стехиометрический коэффициент в уравнении ре­акции.

Подъем температуры при окислении 1 % элемента можно рас­считать по уравнению

A T= qyJ{ IOOch — j — TTlxslCm — f — tfZa. фут ^a. фут • (4.2)

Здесь qyn — удельное количество тепла реакции, используемого на нагрев ванны, кДж/кг окисляемого элемента; mm и та. фут — масса шлака и активного слоя футеровки, кг/100 кг металла (в бессеме­ровском процессе тш = 6—8 %; та. фут = 8—10 %); см, Cm и Са-фут — средняя теплоемкость металла, шлака и футеровки при температуре ванны, кДж/(кг-К).

Из табл. 4.1 видно, что главным источником химического тепла в бессемеровском процессе является тепло окисления кремния. Роль тепла других реакций значительно меньше, но все же существенна. При окислении углерода с образованием CO2 и кремния получается почти одинаковое qyR. Однако по термодинамическим условиям при [С] ^0,05 % окисление углерода протекает преимущественно с об­разованием СО.

С повышением температуры qyjl и АТ\% снижаются, что объяс­няется в основном увеличением потерь тепла на нагрев азота дутья и частично — ростом теплоемкости шлака и футеровки. В случае окисления 1 % Si, 1 % Mn, 3,5 % С и 2 % Fe обеспечивается А Г»

Таблица 4.1. Удельное количество тепла реакций, используемого на нагрев ме­талла, кДж/кг, и подъем температуры при окислении 1 % элемента

Реакция

Температура

Ванны, К

1473

1673

18′

’3

Д г

?уд

AT

1уж

AT

[SiJ-v(SiO2)

20500

190

19300

180

18100

170

Мп]->(МпО)

6000

56

5800

54

5600

52

Fe]-v(FeO)

4000

37

3450

32

29С0

27

С]-^{СО}

3400

37

2200

24

1050

11

С]-v(CO2)

19200

177

16200

154

13200

131

«400 К, т. е. без подачи топлива можно нагреть металл от 1500 до 1900 К.

Роль физического тепла чугуна и футеровки в тепловом балан — Qe плавки значительна. Расчеты свидетельствуют, что подъем тем­пературы чугуна на 100 К (за счет уменьшения потерь тепла в ков­шах и миксере) или футеровки на 600 К (за счет сокращения дли­тельности простоев между плавками) эквивалентно дополнитель­ному приходу тепла при возрастании содержания кремния в чугу­не на 0,5 %.

В случае избытка тепла в ванне, применяют три способа охлаж­дения металла: присадку стального лома, добавку железной руды или окалины, вдувание пара.

Снижение температуры после присадки лома можно рассчитать с помощью следующего уравнения, полученного на основе теплово­го баланса ванны:

ДT = Ti-T2 = тл(а + Ь. Т^ЩШ + тл)Ьх + Ь2(тш + та. Фут)],

(4.3)

Где Ti и T2 — температура во время присадки и усвоения ванной лома, К; тл, тш и та. фут — масса присаженного лома, шлака и активного слоя футеровки, % к массе металла; а и Ь\ — коэффици­енты в уравнении теплосодержания жидкого металла

1м. п-= a — YbiTi, (4.4)

А = —124 и —176 соответственно для чугуна и стали; ^1 = = 0,837 кДж/(кг-К) —теплоемкость жидкой стали; Ь2 — 1,82 кДж/ (кг-К)—средняя теплоемкость шлака и футеровки в интервале T= 1437—1873 К-

Результаты расчетов по уравнениям (4.3) и (4.4), согласующи­еся с опытными данными, свидетельствуют о том, что после усвое­ния ванной присаженного лома в количестве 1 % к массе металла температура снижается на 10—12,5 К (в интервале T1 = 1473— 1873 К). Расход лома не превышает 3—6 % (от массы чугуна).

Охлаждение рудой или окалиной часто называют химическим, так как в результате расхода тепла на диссоциацию окислов же­леза (около 5 МДж на 1 кг Fe2O3) резко падает тепловой эффект реакций окисления примесей металла по сравнению с эффектом при их окислении свободным кислородом. Охлаждающий эффект твер­дых окислителей примерно в четыре раза больше охлаждающего эффекта лома.

Охлаждение ванны водяным паром технологически удобно и лег­ко управляемо. Пар подают вместе с воздухом через воздушную коробку. На диссоциацию 1 кг пара расходуется около 13 МДж тепла. Охлаждающий эффект пара примерно в 2,5 раза больше, чем руды, и в 10 раз больше, чем лома (при одинаковой массе вве­денного в ванну вещества).

Наиболее выгодный способ охлаждения — присадка стального лома. Некоторые преимущества от восстановления железа из руды и окалины обесцениваются большим расходом тепла на диссоциа­цию его окислов и потерями за счет увеличения количества шлака и выбросов металла.

Существенными недостатками охлаждения паром являются бес­полезный расход избыточного тепла ванны и опасность повышения содержания водорода в жидкой стали.

При холодном ходе бессемеровской операции применяют следу­ющие методы дополнительного нагрева металла. Когда темпера­тура чугуна и футеровки нормальная, но чугун химически холод­ный, добавляют в ванну 45 %-ный ферросилиций. Если же чугун химически горячий, но физически холодный, ванну кратковременно продувают воздухом при наклонном (45° к вертикали) положении конвертера. На поверхности ванны железо дополнительно окисля­ется струями воздуха, поступающими в полость конвертера через сопла, находящиеся над металлом. Подъем температуры металла в период наклонной продувки составляет около 300C на 1 % окис­ленного железа.

Выбросы и борьба с ними

Теоретический расход воздуха составляет 280—300 м3/т чугуна. Фактически воздуха расходуется несколько больше (300—330 м3/т) из-за потерь в магистрали и неполного использования O2 дутья на окисление примесей чугуна.

Продолжительность продувки определяется ее интенсивностью 1′возд, оптимальное значение которой составляет около 20 м3 (т-мин). Увеличение tB0Зд лимитируется выбросами металла и шлака из конвертера, которые возникают в результате вспучивания ванны при прохождении дутья и СО, подъема волн и их удара о стены конвертера. Выбросы чаще всего образуются в начале второго пе­риода во время резкого ускорения реакции окисления углерода, которое наблюдается при холодном ходе первого периода и накоп­лении в шлаке большого количества FeO, интенсивно реагирующей затем с углеродом металла в случае повышения температуры.

Для преодоления ферростатического давления столба металла высотой 0,4—0,7 м (предотвращения заливания сопел) избыточное давление должно составлять рИзб = 0,03—0,05 МПа. Фактическое Ризб значительно больше (0,2—0,25 МПа). Оно необходимо для дробления воздуха и металла на мелкие пузырьки и капли. При этом резко увеличивается суммарная поверхность контакта жид­кости и воздуха; Sz = 3V’/r, где V — объем пузырей воздуха в ме­талле или капель в струе воздуха; г — их радиус.

В случае продувки снизу повышение давления дутья эффектив­но лишь до оптимального предела. Чрезмерно высокое давление способствует возрастанию массы эмульгированного в металле шлака, что приводит к частым выбросам, необходимости сокраще­ния интенсивности продувки и к загрязнению металла неметалли­ческими включениями. Это в свою очередь обусловливает сниже­ние производительности конвертера и ухудшение качества стали.

В. А. Каменский установил, что продуваемая жидкость совер­шает вращательные и колебательные движения, резонанс которых является одной из причин выбросов. По мнению других исследова­телей, более существенно на выбросы влияют периодические, иног­да взрывообразные ускорения окисления углерода.

При донной продувке развивается циркуляционное движение жидкого металла, направленное снизу вверх в зоне дутья (в объ­еме, ограниченном цилиндром, проходящим через крайние сопла) и сверху вниз в зоне циркуляции (в объеме, ограниченном зоной дутья и кладкой конвертера). Поперечное сечение зоны циркуля­ции называется циркуляционным. Оптимальное его значение со­ставляет 0,18—0,2 м2/т садки. При малых значениях удельного циркуляционного сечения снижаются степень усвоения металлом кислорода вдуваемого воздуха, стойкость футеровки и производи­тельность конвертера; при больших уменьшаются размеры зоны продувки, сближаются сопла, что приводит к слиянию струй и вы­бросам. Существует оптимальное живое сечение сопел, составля­ющее 13 см2/т садки.

Исследования И. Г. Казанцева позволили установить законы из­менения осевой скорости струи воздуха в жидкости при верхней и донной продувках. С увеличением расстояния от сопла х и умень­шением диаметра сопла do, т. е. с ростом числа калибров струи x!/d0, снижается ее безразмерная скорость wjw0, где W0 — скорость на выходе из сопла. Экспериментально установлено, что wx/w0 умень­шается по гиперболическому закону и пологая ветвь гиперболы до­стигается при л:/с? о~40, wx/wo~0,2 и относительной кинетической энергии струи, равной 0,04. Следовательно, если отношение глуби­ны металла Am к диаметру сопла d0 превышает 40, то вынос капель металла и шлака из конвертера должен быть незначительным.

Обычно Am = 0,4—0,5 м, отношение fa/dо = 40 достигается при Cf0 = 10—12 мм, что не всегда осуществимо, так как изготовить со­пла с do^.\2 мм трудно. Повышение hM/d0 за счет Am снижает вы­нос, но усиливает выбросы из-за приближения ванны к горловине,, увеличение диаметра сопел dc вызывает вынос и выбросы. Установ­лено, что уменьшению выноса металла способствует увеличение от­носительного объема рабочего пространства конвертера до 1,2—• 1,4 м3/т садки.

4.1.4. Технология процесса. Периоды продувки

Окисление примесей чугуна кислородом подаваемого снизу воз­духа и выделяемое при этом тепло обеспечивают превращение чу­гуна, нагретого до 1250—1350 °С, в жидкую сталь с температурой 1590—1650 0C.

Плавка состоит из следующих этапов: заливки чугуна через горловину (при горизонтальном положении конвертера, чтобы не залить сопла металлом); пуска дутья и одновременного поворота конвертера в вертикальное положение; продувки металла воздухом, состоящей в общем случае из трех периодов (шлакообразования, обезуглероживания, передувки); повалки конвертера (установ­ки его в горизонтальное положение) и прекращения дутья; слива металла в ковш и его раскисления (в конвертере или в ковше).

На рис. 4.2 показано изменение состава металла, шлака, отхо­дящих газов и температуры по ходу нормальной бессемеровской

Рис. 4.2. Ход нормальной бессемеров­ской плавки:

Тнр — время продувки, мин; Одут — ин­тенсивность подачн кислорода дутья в ванну, м3»(т. мин); Onl и Oc — расход кис­лорода на окисление шлакообразующих элементов (Si, Mn, Fe) и углерода, м3/(т-мин); tM и ^llllts — температура ме­талла и ликвидуса, °С; I. II, III — перио­ды продувки ванны

Плавки, проведенной практи­чески без присадок материалов, корректирующих нагрев ванны. При обычной плавке с опти­мальной температурой футе­ровки в начале продувки (око­ло IOOO0C) и чугуна (около 13000C), нормальным его со­ставом тепло, выделяемое в процессе окисления примесей, обеспечивает необходимую тем­пературу готовой жидкой ста­ли (около 16000C).

В первом периоде продувки интенсивно окисляются кремний и марганец и сравнительно медленно (или практически не окисляется) углерод. Это обу­словлено тем, что при низких температурах и соответствую­щих концентрациях элементов в металле максимальная рабо­та реакции окисления углерода значительно меньше, чем реак­ций окисления кремния и мар­ганца. На интенсивность и по­следовательность окисления примесей металла влияют не только термодинамические фак­торы, но и факторы массопере­носа кислорода к местам проте­кания реакции, скорость кото­рого в первом периоде относи­тельно мала на поверхности раздела металл — пузырьки СО. В начале процесса окисленное в первичных реакционных зонах (вблизи струй воздуха) железо не полностью восстанавливается во вторичных зонах, так как при низких температурах скорость массопереноса кислорода и вторичных реакций несколько отстает от скорости окисления железа в области продувки. По этой причи­не часть железа необратимо окисляется, и в шлаке увеличивается

Содержание FeO (оно снижается лишь к концу первого периода).

Первый период назван периодом шлакообразования, так как в это время формируется кислый шлак, насыщенный кремнеземом. Длительность периода растет с повышением [Si]чуг и с уменьше­нием начальной температуры чугуна и составляет 2—5 мин. Вдува­емый в ванну кислород воздуха в основном расходуется на окисле­ние шлакообразующих элементов Si, Mn и Fe (см. рис. 4.2), что обусловливает резкий подъем температуры металла (до 1450— 1500 0C) и его перегрев выше линии ликвидус (до 300 °С).

В первом периоде основной составляющей отходящих газов яв­ляется азот, так как количество окисленного углерода и образовав­шихся СО и CO2 невелико. Большое значение суммы {02 + С02} в отходящих газах (иногда превышает 10 %) свидетельствует о хо­лодном ходе плавки. Эта сумма является своеобразным химическим термометром процесса.

Во втором периоде продувки при температуре металла, превы­шающей 1400—1450 0C, и соответствующих концентрациях в нем Si, Mn и С создаются благоприятные термодинамические и кинетиче­ские условия для преимущественного окисления С. В этом периоде из горловины конвертера вырывается ослепительно яркое пла­мя (его температура превышает 2000 0C), что обусловлено догора­нием СО до CO2 за пределами горловины. В конце периода тем­пература металла близка к 1600 0C. Длительность периода зависит от интенсивности продувки и составляет 8—13 мин.

Как видно из рис. 4.2, на окисление углерода расходуется прак­тически весь кислород вдуваемого в ванну воздуха и часть кисло­рода ранее накопившейся в шлаке закиси железа (область Oc уходит ниже оси абсцисс, так как Ос>Од). В шлаке увеличивается концентрация SiO2 в результате размыва футеровки. Содержание в шлаке FeO и MnO уменьшается, так как эти окислы разбавляются кремнеземом и расходуются па окисление углерода. В конце пери­ода формируется характерный для бессемеровского процесса ко­нечный шлак следующего состава, %: 50—65 SiO2, 20—25 FeO; 6— 10 MnO; 6—10 других окислов. Количество шлака составляет 6— 8 % от массы металла.

Во втором периоде температура металла повышается медлен­нее, чем в первом, так как при продувке воздухом количество тепла реакции окисления углерода, идущего на нагрев металла, сущест­венно меньше используемого тепла реакции окисления кремния (на единицу массы окисленного элемента).

Третий период продувки отличается интенсивным, необратимым окислением железа и выделением бурого дыма. Начинается пери­од при [С] менее 0,1 %. В это время резко растут (FeO)1 темпера­тура металла и содержание азота в газах и металле, увеличивается окисленность стали.

Продувку заканчивают во втором периоде, так как при передув — ке металла ухудшается его качество (повышаются содержание [О], [N], угар раскислителей и количество неметаллических вклю­чений в стали) и снижается выход годного за счет дополнительного угара железа.

4.1.3. Шихтовые материалы и требования к ним

Исходным материалом, используемом при бессемеровском про­цессе, является чугун. Так как футеровка конвертера кислая (дина — совая), шлак получается тоже кислым, что обусловливает невоз­можность удаления фосфора и серы из металла в шлак. Поэтому содержание PhSb чугуне должно быть ограниченным. Оптималь­ная концентрация кремния и марганца в чугуне определяется теп­ловым балансом плавки и условиями службы футеровки.

В СССР применяли чугун следующего состава, %: 0,7—1,25 Si; 0,5—0,8 Mn; не более 0,07 Р; не более 0,06 S, 3,8—4,5 С.

Для бессемеровского процесса имеет значение не только абсо­лютное содержание [SiJ4yr и [Мп]ЧуГ, но и отношение [Si]4yr/ [Мп]чуг: если оно ниже оптимальной величины 1,8—2, то получа­ются марганцовистые шлаки, разъедающие огнеупоры, при высо­ких его значениях вязкость кремнеземистых шлаков повышается, что приводит к зарастанию футеровки.

К шихтовым материалам относятся также охладители металла (стальной лом, железная руда и прокатная окалина), раскислители и легирующие ферропласты. В стальном ломе должно быть мини­мальное количество серы и фосфора (меньше, чем в готовой стали), ржавчины, земли и цветных металлов. Предпочтительнее мелкий лом, полностью расплавляющийся до конца продувки.

Необходимо, чтобы железная руда была кусковой и содержала минимум влаги. Примерный состав криворожской бессемеровской руды, %: 77—89 Fe2O3; 7—10 SiO2; 2—3 Al2O3; 0,02—0,04 S; 0,03— 0,05 Р. Прокатная окалина содержит около 70 % Fe06i4 и 2—3 SiO2, а ферромарганец, которым раскисляют кипящую сталь, имеет та­кой состав, %: 70—80 Mn; 6—7 С; до 1 Si; 0,3—0,4 Р; не более 0,03 S. Для раскисления и одновременного науглероживания стали при­меняют зеркальный чугун, который используют только в расплав­ленном виде. Этот сплав содержит, %: 10—25 Mn; 4—5 С; не более 2 Si; 0,18—0,22 Р; не более 0,03 S.

Спокойную и полуспокойную сталь раскисляют1 ферромарганцем и 45 %-ным ферросилицием (40—50 % Si). Силикомарганцем (60— 65 % Mn; 14—20 % Si; 1—2,5 %С; 0,1—0,2 % Р) раскисляют спо­койную бессемеровскую сталь повышенного качества. Для глубо­кого раскисления спокойной стали используют вторичный алюминий в чушках (87—96 % Al).

Страница 3 из 41234