Технология конвертерного процесса с донной подачей кислородного дутья
Плавка в конвертере с донной продувкой кислородом при использовании обычного низкофосфористого (<0,2 % Р) чугуна и порошкообразной извести протекает следующим образом. В наклоненный конвертер загружают стальной лом и заливают жидкий чугун. При заливке конвертер поворачивают в почти горизонтальное положение, чтобы жидкий чугун не заливал фурм; для защиты фурм от попадания брызг чугуна и шлака через них продувают азот или воздух. Далее подают дутье и конвертер поворачивают в рабочее вертикальное положение.
Дутьевой режим при донной подаче окислителя является наи более благоприятным для взаимодействия кислорода с металлом, металла со шлаком, поскольку дутье поступает в ванну снизу и рассредоточено. В этих условиях перемешивание ванны более интенсивно и равномерно, т. е. процесс протекает более спокойно. Это позволяет повысить интенсивность подачи кислорода без образования выносов и выбросов, способствует уменьшению дымовыделения и окисления железа, улучшению и стабилизации усвоения кислорода и извести. Так, при верхней подаче дутья через одну фурму в крупные конвертеры удельная интенсивность продувки 5-6 м3/т-мин вызывает значительные выносы и выбросы, а при донной подаче можно довести до 7-8 м3/т-мин) и даже выше, не вызывая их.
Для исключения образования струями кислорода каналов, пронизывающих всю толщу металла и шлака (канальный ход продувки), повышение интенсивности продувки должно сопровождаться увеличением числа фурм.
Шлакообразование при донной подаче дутья и использовании кусковой извести ухудшается вследствие снижения температуры шлака и содержания в нем оксидов железа. Снижение температуры шлака вызвано перенесением высокотемпературной реакционной зоны из верхних горизонтов ванны в объем металла. В этих условиях температура шлака близка к температуре металла, которая в первой половине плавки < 1500°С.
Уменьшение содержания оксидов железа связано с интенсификацией перемешивания металла и шлака и более восстановительным характером газовой фазы (содержание СО2 в газовой фазе при верхнем дутье - 10 %, а при донной не более 3-4%). В этих условиях шлак по содержанию оксидов железа приближается к равновесию с углеродом металла, и концентрация этих оксидов при содержании углерода в металле > 0,1% обычно не превышает 5-6%. При снижении концентрации углерода до <0,1% (особенно 40%, а в случае донной подачи дутья (ΣFeO) < 20%.
Вследствие низкого содержания оксидов железа наведение удовлетворительного шлака с применением кусковой извести возможно только в конце продувки при выплавке стали с содержанием углерода < 0,05%. Это означает, что конвертерный процесс с донной подачей кислорода и применением кусковой извести по условиям шлакообразования исключает прекращение продувки (окончание плавки) при > 0,05% вследствие задержки формирования нормального шлака, обеспечивающего необходимую степень дефосфорации и десульфурации металла. Поэтому нормальная (без передува) выплавка углеродистой стали в конвертерах с донной подачей кислорода возможна только при использовании порошкообразной извести, вдувая ее также снизу в струе кислорода. В этом случае создаются благоприятные условия для шлакообразования, особенно в начальной стадии этого процесса.
В течение первой 1/2—2/3 длительности продувки вдувают порошкообразную известь с добавкой плавикового шпата. Размер частиц извести должен быть менее 0,15 мм, ее расход составляет 40—70 кг/т, возрастая при увеличении содержания кремния в чугуне; расход плавикового шпата достигает 4 кг/т.
Начало шлакообразования переносится в первичную реакционную зону, имеющую максимальную температуру (2000-2500°С) и содержащую достаточное количество шлакообразующих оксидов, продуктов полного окисления примесей металла (FeO, SiО2, MnO и др.). Частицы извести, имея малые диаметры (до 1,5-2 мм) и обладая огромной реакционной поверхностью, уже в пределах первичной реакционной зоны в успевают растворяться в имеющемся оксидном расплаве с высоким содержанием FeO. Таким образом, в реакционной зоне формируется первичный известково-железистый шлак.
Первичный шлак, сливаясь с основной массой шлака, теряет часть оксидов железа вследствие восстановительного действия углерода металла и СО. Однако постоянный приток первичного шлака обеспечивает достаточно высокое содержание оксидов железа в шлаке (до 10-15% в зависимости от содержания углерода в металле), которое обеспечивает дефосфорацию и десульфурацию металла примерно как при верхнем дутье - с самого начала продувки.
За время продувки окисляется избыточный углерод, кремний, часть марганца; формируется шлак, в который удаляются фосфор и сера; расплавляется стальной лом; за счет тепла реакций окисления нагревается металл. Вначале, как и при продувке сверху, преимущественно окисляются кремний и марганец. Вместе с тем для процесса характерен ряд отличий:
Интенсивное перемешивание, подача дутья через несколько фурм и появление газообразных продуктов диссоциации углеводородов существенно увеличивают поверхность контакта металл-газ, что облегчает образование и выделение пузырьков окиси углерода т. е, протекание реакции [С] + 1/2О2= CO. Более полному ее протеканию способствует и уменьшение парциального давления продукта реакции СО в газовой фазе вследствие появления водорода. По этим причинам возрастает скорость и полнота окисления углерода; без принятия дополнительных мер легко получить металл с содержанием углерода 0,01 %. При этом из-за более активного окисления углерода, окисленность металла по ходу продувки ниже, чем при верхней продувке. Содержание FeO в шлаке по ходу продувки не превышает 5—6 %; лишь при содержании углерода менее 0,1 % вследствие начинающегося окисления железа содержание FeO в шлаке возрастает до 10-15%.
Из-за низкого содержания FeO в шлаке реакция окисления марганца [Мп] + (FeO) = (MnO) + Fe получает ограниченное развитие и количество окисляющегося за время продувки марганца (30— 40 %) меньше, чем при верхней продувке (~70 %). Лишь при продувке до содержаний углерода в металле менее 0,1-0,05 %, когда в шлаке возрастает концентрация FeO, окисление марганца усиливается.
Окисление фосфора по ходу продувки имеет принципиальное различие в зависимости от того, применяется кусковая или порошкообразная известь. При ведении плавки на кусковой извести вследствие возможности формирования активного известково-железистого шлака только при [С] < 0,05% концентрация фосфора в металле в течение ~ 80% времени продувки почти не изменяется, начинает снижаться лишь при [С]<0,1% и получает полное развитие при [С] 0,1% применение кусковой извести недопустимо.
При использовании порошкообразной извести нормальный известково-железистый шлак формируется уже в начале продувки, что обеспечивает дефосфорацию при любых концентрациях углерода, как при верхней подаче дутья. При донной подаче дутья с применением порошкообразной извести дефосфорация протекает несколько полнее, чем при верхней подаче дутья.
Удаление серы из металла в сталеплавильных процессах в основном достигается путем перевода ее в шлак, поэтому при использовании кусковой извести заметная десульфурация металла наблюдается только по достижении [С] < 0,05%. В случае ведения плавки на порошкообразной извести десульфурация происходит как при верхней подаче дутья, т.е. практически в течение всей продувки. Благодаря интенсивному перемешиванию ванны реакции между шлаком и металлом в большей степени приближаются к равновесию, что проявляется в снижении окисленности шлака и в том, что при одинаковой основности шлака обеспечивается более полный, чем при продувке сверху, переход в шлак фосфора и серы. При донной подаче дутья с порошкообразной известью возрастает коэффициент распределения серы между шлаком и металлом (при В= 3-3,5 Lg= 6-8, может достигать 10), и доля серы, переходящей в газовую фазу (15-20%), поэтому общая степень десульфурации (переход в шлак и газовую фазу) увеличивается и обычно составляет 50-60% (при верхней подаче дутья 30-50%).
Продувку заканчивают при заданном содержании углерода в металле. При выплавке стали с очень низким содержанием углерода продувку кислородом заканчивают при [С] = 0,035-0,045%, затем в течение 1-2 мин продувают нейтральным газом через те же фурмы (аргоном или азотом). При этом достигается снижение концентрации углерода до значений < 0,02%, одновременно происходит некоторое уменьшение содержания оксидов железа в шлаке.
Особенностью процесса является то, что водород, образующийся в результате термического разложения вдуваемых углеводородов, растворяется в металле и в конце продувки содержание водорода достигает 6—9 см3 на 100 г металла, что недопустимо для сталей многих марок. Для удаления избыточного водорода перед выпуском проводят кратковременную (в течение 10—60 с) продувку металл а аргоном или азотом; содержание водорода при этом снижается до 2—4 см3 на 100 г.металла.
Длительность продувки в зависимости от интенсивности подачи кислорода изменяется от 8 до 14 мин, удельный расход кислорода 45-55 м3/т, природного газа 4—5 м3/т, пропана 1,5 м3/т, жидкого топлива 2—3 л/т. Расход азота на продувку металла и на подачу в межплавочные периоды через фурмы с целью их охлаждения достигает 15—20 м3/т.
Тепловой баланс плавки при донной подаче дутья, несмотря на введение некоторого количества топлива, ухудшается. Это связано в основном с тем, что сжигание топлива происходит неполно, выделяющееся тепло обычно не компенсирует затраты тепла на разложение углеводородов; кроме того, уменьшается окисление железа. Вследствие этого доля лома в шихте при донной подаче дутья снижается на 2-5% по сравнению с верхней подачей.