4.5. Шихтові матеріали і вимоги до них
Технологія і показники конвертерної плавки в значній мірі залежать від хімічного складу і температури чавуну, що визначаються, крім перебігу доменного процесу, умовами транспортування чавуну і його позадоменної обробки. Для киснево-конвертерного процесу застосовують чавун такого складу, %: 3,9-4,5 С; 0,5-1,0 Зі; 0-1,5 Мn; 0,03-0,06 5; 0,05-0,15 P; (15-140). 10-4азот; (0,5-3). 10-4 водень; (4-100). 10-4 кисень.
Концентрація вуглецю у чавуні в умовах доменної плавки практично не піддається регулюванню. Для практичних цілей її можна визначити за вмістом інших елементів (за даними В.Г. Воскобойникова):
(4.21)
За інших рівних умов концентрація [С] у чавуні, що заливається в конвертер, відповідає стану насичення і зростає з підвищенням його температури. Остання збільшує надходження тепла на конвертерну плавку по двох лініях: за рахунок наступного окислювання С росте її фізичний і хімічний потенціал.
Вміст кремнію у чавуні впливає на масу шлаку Мш і діоксиду кремнію у шлаку МSі02. Якщо в якості охолоджувача застосовується залізна руда, то з підвищенням [Sі]чав значення МSі02 і Мш додатково збільшується за рахунок Sі02, що вводиться з рудою. Це обумовлює зростання витрат вапна для забезпечення заданої основності шлаку В=(Са0)/(SiO2), втрат заліза зі шлаком і викидами, зниження стійкості футеровки і виходу рідкої сталі. При незмінних витратах вапна підвищення [Sі]чав приводить до зниження В, що погіршує дефосфорацію і десульфурацію металу.
Якщо [Sі]чав нижче оптимальної величини, то шлакоутворення на початку продувки сповільнюється, тому що швидкість розчинення вапна при низькій температурі шлаку і незначній МSiO2 мала. У випадку тонкого шару шлаку збільшується час продувки оголеного металу, подовжується "безшлаковий період", що сприяє заметалюванню і прогару фурм, збільшенню пиловиділення і виносу крапель металу. При невеликій Мш шкідливі домішки з металу усуваються гірше. За умовами доменного процесу, зниження [Sі]чав непрямо приводить до зростання [S]чав, що обумовлено відносно холодним перебігом доменної плавки. Існує оптимальне [Sі]чав, що складає при охолодженні ванни рудою 0,3-0,5%, а при охолодженні брухтом - 0,5-0,6%. В останньому випадку визначене підвищення [Sі]чав корисне, тому що забезпечує збільшення частки брухту в металевій шихті.
При високому вмісті марганцю у чавуні істотно поліпшуються шлакоутворення і десуль-фурація металу, але посилюється його угар. Якщо [Мп]чав дуже низький, спостерігається заметалювання фурм, оскільки шлак на початку продувки густий. Виплавка маломарган-цевистих чавунів досить економічна. Сукупна максимальна ефективність у процесах виплавки чавуну і конвертерної сталі досягається при [Мп]чав=0,5-0,6%.
Ступінь десульфурації металу в кисневому конвертері близько 30%. Тому припустимий вміст сірки у чавуні [S]чав=0,04-0,05%.
Вміст фосфору у чавуні [Р]чав>0,2% значно ускладнює технологію плавки. Для одержання високоякісної сталі, в якій [Р]<0,02%, необхідно в середині продувки скачувати шлак і наводити новий, що знижує продуктивність конвертера, вихід рідкої сталі і стійкість футеровки. У ряді випадків виплавка чавуну з підвищеним [Р] виправдовує себе необхідністю розширення сировинної бази доменних печей (використовуються фосфористі руди) і одержанням фосфатшлаків для удобрювання полів.
Якщо [Р]чав < 0,15%, то можна працювати без спуску первинного шлаку, тому що навіть при порівняно невеликому коефіцієнті розподілу Lр =(Р205)/[Р] = 100 і кількості шлаку 10% від цієї маси металу залишкова концентрація [Р] < 0,02%.
Десульфурацію чавуну раніше застосовували для зниження вмісту сірки у чавуні до необхідного рівня при розладі ходу доменної печі. В останні 10-15 років у зв'язку з підвищенням вимог до якості сталі і поліпшенням технології доменної плавки основною задачею десульфурації чавуну стало забезпечення можливості виробництва низькосірчистих сталей. Якщо для вирішення першої задачі доцільно було проводити десульфурацію в чавуновозних ковшах, то для вирішення другої - раціональніше використовувати заливальні ковші конвертерного цеху чи ковші міксерного типу. У цьому випадку легко забезпечити заданий вміст сірки у чавуні на визначену плавку.
Як реагенти для десульфурації чавуну використовують магній - гранульований, чушковий і пасивований, змішаний з доломітом чи коксом, карбід кальцію, вапно, соду, їх суміші. Зіставлення різних реагентів показує, що найбільш поширеним є гранульований магній. При його використанні можна досягти концентрацій сірки до 0,002% при мінімальних витратах на десульфурацію реагенту, без зниження температури чавуну. Крім того, застосовувати магній краще, з погляду екології і техніки безпеки (застосування карбіду кальцію, соди, вапна супроводжується значними шкідливими виділеннями), при цьому не відбувається істотного зносу футеровки чавуновозних ковшів, що спостерігається при використанні соди.
За кордоном активно ведуться роботи з комплексної обробки чавуну з одночасним видаленням кремнію, фосфору і сірки.
Десиліконізація чавуну здійснюється або на жолобі доменної печі, або у чавуновозному ковші вдуванням кисню, присадкою флюсів чи комбінацією цих способів, причому витрати флюсів (агломерат, окалина) складає 30-50 кг/т чавуну. Ціль такої обробки - зниження вмісту кремнію до 0,10-0,15%. Одночасно зменшується концентрація вуглецю на 0,05-0,20% і марганцю - на 0,10-0,30%. Температура чавуну після обробки флюсами знижується, а після обробки киснем - дещо підвищується.
Дефосфорацію і десульфурацію чавуну проводять після видалення шлаку (від десиліконізації) у чавуновозних, заливальних ковшах чи ковшах міксерного типу або вдуванням флюсів одночасно із вдуванням кисню зверху і (чи) вдуванням азоту знизу та механічним перемішуванням чавуну. Як флюси використовують СаО, FеО, СаF2, СаСl2, Nа2СO3. Витрати флюсів складають 30-50 кг/т чавуну. Вміст фосфору в процесі обробки зменшується з 0,10-0,15 до 0,01-0,02%, сірки - з 0,01-0,06 до 0,002-0,02%, кремнію - до 0,01-0,05%, марганцю - на 0,08-0,10%, вуглецю - на 0,2-0,4%, температура чавуну знижується на 40-120°С.
При обробці такого чавуну в конвертерах істотно поліпшуються показники конвертерної плавки - скорочуються витрати вапна, кисню, металошихти, підвищується продуктивність,
поліпшується якість сталі (більш низький вміст сірки, фосфору, азоту, водню), однак витрати рідкого чавуну при цьому збільшуються на 100-150 кг/т сталі.
Технологія повинна забезпечувати мінімальне вилучення доменного шлаку з чавуновозного ковша, обов'язкове скачування шлаку після позадоменноі обробки чавуну.
Надходження доменного шлаку в конвертер змушує витрачати додаткову кількість
вапна, приводить до збільшення витрат чавуну і металошихти в цілому, підвищення маси
кінцевого конвертерного шлаку і зростання вмісту сірки в сталі, а надходження шлаку після позадоменноі обробки чавуну позбавляє її сенсу.
Найбільш раціональний спосіб скачування шлаку - двостадійний: з чавуновозних ковшів
відразу ж після позадоменноі обробки чавуну і з заливальних ковшів перед зливанням чавуну в конвертер.
У доменних і міксерних шлаках при постачанні чавуну без обробки міститься 44-50% Sі02, 5-7% АІ203, 19-23% СаО, 2-8% МgО, 0,30-0,45% S.
Конвертерні цехи забезпечуються рідким чавуном за двома схемами:
доменний цех - міксерне відділення - конвертер;
доменний цех - ділянка переливання чавуну в заливальний ківш - конвертер.
За першою схемою чавун подають у міксерне відділення у відкритих чавуновозних ковшах ємкістю, що не перевищує 140 т. З них чавун зливають у міксери ємкістю 600, 1300 і 2500 т, які служать для усереднення чавуну по домішках і температурі перед заливанням у конвертер. Міксери опалюються, але тільки для компенсації в них теплових втрат. За другою схемою чавун із доменного цеху в конвертерний надходить у закритих ковшах міксерного типу ("пересувні міксери") ємкістю від 150 до 600 т. Зниження температури чавуну при його транспортуванні в значній мірі визначається ємкістю ковшів і ступенем їх заповнення. При заміні 140-тонних чавуновозних ковшів 400-тонними ковшами міксерного типу температура чавуну в заливальному ковші конвертерного цеху зростає на 70-100°С, тому другий спосіб подачі чавуну кращий. Тим більше, що наявні міксери часто не виконують основної своєї задачі - усереднення складу чавуну, і коливання вмісту кремнію, марганцю і сірки в чавуні після міксера такі ж, як і в чавуні, що заливається у міксер. Слід зазначити, що успішна робота конвертерного цеху вимагає забезпечення рівного ходу доменних печей і мінімальних коливань складу і температури чавуну.
Сталевий брухт служить охолоджувачем ванни. Кількість присаджуваного брухту визначається надлишком тепла у процесі і коливається в межах 23-27% від маси металевої шихти. У брухті не повинно бути кусків товщиною понад 300 мм, кольорових металів, сміття і вибухонебезпечних матеріалів, великої кількості іржі. Великі куски слід подрібнювати, щоб вони не ушкоджували футеровку при завантаженні і встигали розчинитися в рідкому металі до кінця продувки. Легковаговий брухт і стружку необхідно завалювати в конвертер не більше 20% від загальної кількості, а решту - пакетувати, тому що при використанні непакетованого брухту збільшується час завалки і значно знижується температура ванни на початку продувки через швидке нагрівання брухту в чавуні. Розміри пакетів не повинні перевищувати 2000x1000x700 мм при щільності не нижче 1800 кг/м3. Брухт іноді замінюють металізованими окотишами, крицею чи губчастим залізом. їх можна вводити (безперервно чи порціями) в процесі плавки без припинення продувки через тракт надходження неметалевої шихти.
Таким же способом і з зазначеними перевагами можна вводити в конвертер здрібнену стружку і фрагментований брухт.
Залізну руду, агломерат, окотиші (чи брикети) із руди (чи концентрату) і прокатну окалину використовують у якості сипучих охолоджувачів - "твердих окислювачів". їх можна завантажувати в конвертер без припинення продувки (цикл плавки скорочується на 5-10%), вони поліпшують шлакоутворення (оксиди заліза допомагають розчиненню вапна), усувають різке охолодження ванни на початку плавки (спостерігається при охолодженні брухтом, що завантажується однією порцією), забезпечують пригар металу в результаті відновлення заліза з його оксидів.
У той же час сипучі охолоджувачі створюють не досить постійний охолоджувальний ефект, що знижує точність регулювання температури металу; сприяють бурхливому розвитку процесу розчинення, збільшуючи викиди і знижуючи вихід рідкої сталі; підвищують частку чавуну в шихті, вміст Sі02 і Р205 у шлаку, витрати вапна та інших флюсів, кількість шлаку, втрати заліза зі шлаком і знос футеровки.
Вміст оксидів заліза в сипучих охолоджувачах повинен бути високим, а кремнезему (менше 8%), вологи, сірки і дрібних фракцій - низьким. Порошкоподібну руду необхідно вдувати в метал, оскільки при звичайному методі введення вона виноситься газами із порожнини конвертера. Окалина, а також виготовлені з високоякісних рудних концентратів агломерат, окотиші і брикети містять менше 2,5% Sі02, тому їх застосовують частіше, ніж непідготовлену руду. Крім перерахованих вище охолоджувачів, іноді використовують вапняк і водяну пару. Однак вони знижують вихід рідкої сталі, підсилюючи викиди, і приводять до деякого збільшення [Н] (при введенні пари).
В якості шлакоутворюючих матеріалів у киснево-конвертерному процесі застосовують вапно (іноді вапняк), боксит, плавиковий шпат.
Вапно впливає на шлакоутворення, дефосфорацію, десульфурацію металу і, в остаточному підсумку, на його якість. Воно повинне бути свіжообпаленим, містити мінімальну кількість сірки (не більше 0,1%) і мати високу здатність флюсування (SiO2<3%). Оптимальні розміри кусків - 10-40 мм. Великі куски повільно розчиняються у шлаку, дрібні частки виносяться при продувці ванни. Найвища реакційна здатність вапна досягається при м'якому випалі вапняку, в результаті якого утворюються дрібні кристали розміром менше 2 мкм з дефектами ґрати, забезпечує значну пористість кусків. При порівняно високотемпературному твердому ("мертвому") випалі значної тривалості пористість вапна незначна, тому що зрощені кристали мають великі розміри. Величина втрат при прожарюванні повинна бути невеликою, тому що вона характеризує кількість недисоційованого вапняку у вапні і поглиненої ним вологи з атмосфери й обумовлює додаткові витрати тепла у ванні. Втрати при прожарюванні в межах 3-5% корисні. У цьому випадку підсилюється барботаж шлаку бульбами СО, що сприяє кращому розтріскуванню кусків вапна і прискоренню його розчинення у шлаку.
Висока якість вапна (рівномірні сполука і структура, великі пористість і реакційна здатність) забезпечується при випалюванні вапняку в обертових печах чи в агрегатах киплячого шару. Мінімальне Sвап досягається при випалюванні вапняку природним газом, максимальне (0,3% і більше) - при використанні для випалу коксу, антрациту і не очищеного від сірки коксового газу в шахтних печах.
Боксит і плавиковий шпат застосовують для прискорення розчинення оксиду кальцію
у шлаку і зменшення його в'язкості. Головна складова бокситу - глинозем (близько 50%).
Недоліком бокситу є наявність у ньому вологи і кремнезему (іноді понад 20%). Останній знижує основність шлаку і стійкість футеровки. Витрати бокситу складають 0,5-1% від маси металевої шихти.
В даний час у всіх киснево-конвертерних цехах країни замість бокситу застосовують плавиковий шпат (основна складова - СаF2), що містить не більше 5% SiO2. При порівняно малих витратах цього разріджувача шлаку (не більше 0,3% від маси металу) вапно швидко розчиняється і формується рідкорухомий високоосновний шлак.
Синтетичні комплексні шлакоутворюючі матеріали особливо перспективні в киснево-конвертерному процесі. Вони виготовляються у вигляді "озалізненого" вапна, вкритого кіркою оксидів заліза під час випалу в обертовій печі, брикетів, окотишів, високоосновного агломерату з порошкоподібних сумішей рудного концентрату і вапна чи вапняку, іноді -вугільного пилу. Присадка таких матеріалів, що мають низьку температуру плавлення (нижче 1250°С), в якості охолоджувачів і замість частини вапна дозволяє прискорити шлакоутворення, дефосфорацію і десульфурацію сталі.