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.
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
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.
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
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].
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]4yr0,1 %. 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 % •
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.
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.
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.
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).