4.7. Шлакоутворення

Шлакоутворення є найважливішою складовою технології конвертерної плавки. Воно визначає процес дефосфорації, знесірчення металу, істотно впливає на стійкість футеровки. Раннє утворення активного основного шлаку, який на час інтенсивного окислювання вуглецю вкриває метал досить товстим шаром, супроводжується звичайно значним зменшенням виносу і викидів металу. У викидах міститься до 65% металевої фази. Повільне шлако­утворення викликає перевитрати вапна, хоча не завжди забезпечується необхідний рівень (глибина) десульфурації і дефосфорації металу. У звичайних умовах плавки шлакоутворення найчастіше проходить з недостатньою швидкістю, що приводить до неповного засвоєння вапна шлаком (60-90%) і затягування процесів видалення шкідливих домішок.

Актуальність питання поліпшення шлакоутворення зростає при збільшенні частки брухту в металошихті, що дещо погіршує умови формування шлаку внаслідок зниження температури ванни на більшій частині плавки (рис. 4.21). Швидкість шлакоутворення істотно залежить від якості застосовуваного брухту (розміру кусків, щільності, насипної ваги), а також від співвідношення різних видів брухту і їх взаємного розташування в конвертерній ванні. Умови шлакоутворення бувають найгіршими при використанні лише великовагового брухту і при завалці легковагого брухту під великоваговий, що часто відбувається на практиці.

Умови шлакоутворення останнім часом ускладнились у зв'язку зі зменшенням вмісту марганцю в чавуні, освоєнням переділу чавуну з підвищеним вмістом фосфору, дефіцитом плавикового шпату й інтенсифікацією продувки, при якій підвищення швидкості масопереносу і шлако­утворення (без вжиття спеціальних заходів) в деякій мірі відстає від зростання швидкості окислювання домішок (рис. 4.22). Проте найважливішою техноло­гічною метою процесу у всіх випадках є одержання до кінця плавки шлаків, насичених вапном і з до­статньою рідкотекучістю. При забезпеченні цього майже для всіх реакцій наприкінці плавки досягається стан рівноваги чи близький до неї, що особливо необхідно для одержання максимального ступеня видалення шкідливих домішок.

Механізм і закономірності шлакоутворення і розчинення вапна

Д жерелами утворення шлаку при киснево-конвертерному процесі є: процеси окислювання домішок чавуну, надходження оксидів із сипучих матеріалів, розчинення футеровки і, головним чином, розчинення вапна. Звичайна динаміка зміни у процесі плавки маси рідкої фази шлаку і розчиненого вапна при охолодженні плавок брухтом і рудою показана на рис. 4.23. Спочатку (до 20% тривалості плавки - при охолодженні рудою і до 30% і більше - при охолодженні брухтом) нагромадження шлакової фази відбувається, в основному, за рахунок окислювання складових чавуну (кремнію, марганцю, заліза), а потім домінуюча роль у збільшенні її кількості переходить до процесу розчинення вапна. Найбільш інтенсивний перехід вапна у рідку фазу і приріст основності шлаку спостерігаються на початку (особливо при охолодженні ванни лише рудою) і наприкінці плавки.

Перехід вапна у шлаковий розплав починається після закінчення пасивного періоду, пов'язаного з тим, що при внесенні кусочка непрогрітого вапна у шлак навколо нього спочатку наморожується кірка шлаку, і необ­хідний деякий час для ЇЇ прогріву і розплав-лення. Тривалість пасивного періоду відносно невелика і не перевищує 50 сек. для кусків вапна розміром близько 0,04 м при звичайних величинах теплових потоків у конвертерній ванні. Проте необхідно прагнути до скорочення зазначеного періоду, особливо при інтен­сифікації продувки, шляхом застосування вап­на з мінімально припустимими розмірами кусків (10-30 мм) або шляхом попереднього нагрівання його.

Мікроскопічне і петрографічне дослід­ження кусків вапна, добутих із гетерогенного (ще не сформованого) конвертерного шлаку, виявляє їх зональну структуру. Відразу за незайманою серцевиною з кристалічними решітками СаО розташовується зона, просо­чена оксидами заліза (іноді марганцю) з на­ростанням їх концентрації в напрямку до периферії, яка поступово переходить у зону

зі значним вмістом твердих розчинів FeO-MnO-CaO, евтектик і хімічних сполук (феритів, силікатів, у деяких випадках - фосфатів). Значення температури переходу в рідку фазу деяких з'єднань оксиду кальцію з іншими оксидами наведені в табл. 4.1. Найбільш легкоплавкі з'єднання одержуються в системах FeO-MnO-CaO, CaO-Fe2O3 і СаО-Р205. При наявності у первинному шлаку високої концентрації кремнезему на поверхні кусків вапна звичайно утворюється, суцільна чи ділянками, щільна оболонка ортосилікату кальцію з високою температурою плавлення (2130°С). Це значно гальмує подальше розчинення вапна у шлаку. Таким чином, процес асиміляції вапна шлаком складається із ланок: 1. Зовнішнього масопереносу, а саме, дифузійного підведення FeO, МnО та інших оксидів - розчинників зі шлаку до поверхні вапна і відведення розчиненого оксиду кальцію від міжфазної межі у глибинні шари шлаку. У деяких випадках (підвищена температура ванни,

утворення легкоплавких з'єднань) можливе просто оплавлення поверхневого шару кусків. Швидкість масопереносу в загальному випадку і для СаО визначається рівняннями

(4.27) (4.28)

де vдиф - швидкість дифузії компонента; β- коефіцієнт масопереносу; D - коефіцієнт дифузії; δ- товщина дифузійного граничного шару; Δ(MeO) - перепад концентрацій компонента; S - площа поверхні стикання вапна зі шлаком.

2. Внутрішнього масопереносу, а саме, проникнення рідкого шлаку у пори, тріщини і по межах зерен кусків вапна і наступної дифузії оксидів-розчинників (іонів) у решітку вапна з утворенням більш легкоплавких, ніж СаО, твердих розчинів і хімічних сполук у поверхневому шарі. Глибина проникнення шлаку у пори і капіляри l описується рівнянням:

(4.29)

де σ - поверхневий натяг рідкої фази; в - кут змочування; θ - динамічна в'язкість рідкої фази; r - радіус капіляра; τ - час контакту, с.

Із аналізу механізму процесу асиміляції вапна шлаком і рівнянь (4.27) і (4.29) випливає, що на швидкість цього процесу впливають як фактори, від яких залежить швидкість масопереносу компонентів у рідкій фазі шлаку, наприклад, її в'язкість, перемішування ванни, градієнт концентрацій, величина поверхні контакту вапно-шлак (перша ланка), так і фактори, що визначають умови змочування шлаком поверхні вапна і дифузії часток у решітці СаО (друга ланка).

Важливою особливістю умов розчинення вапна в кисневому конвертері є наявність у верхній частині ванни первинної реакційної зони, де вапно піддається комплексному впливу досить високих температур і шлаку з переважаючим вмістом оксидів заліза. Це сприяє порівняно швидкому формуванню активного основного шлаку. У протилежному напрямку на розчинення вапна впливає емульгування шлаку в процесі продувки, його змішування з металом, яке обумовлює наявність у ділянках розчинення вапна значних металевих прошарків. Склад шлаку, особливо первинного, значно впливає на процес розчинення вапна.

На рис. 4.24 показаний вплив на розчинення вапна концентрації окремих компонентів шлаку, за даними лабораторного дослідження, проведеного в температурних і гідродинамічних умовах, наближених до умов реальної ванни.

На рис. 4.25 наведені дані про в'язкість досліджених шлаків, виміряну методом коаксіальних циліндрів.

Залежність швидкості засвоєння шлаком вапна (IСа0) від вмісту окису кальцію у шлаку (рис. 4.24, г) носить екстремальний характер. Величина зростає з підвищенням основності шлаку і вмісту в ньому оксиду кальцію до визначених для кожного періоду плавки меж, а потім знижується. Це пов'язано зі зміною в'язкості шлаку, що зменшується з ростом концентрації СаО до 30-35% у зв'язку з утворенням значно менших одиниць плину (рис. 4.25, г) і, очевидно, у зв'язку з переходом, при вмісті СаО більше 35-40%, до гетерогенного стану шлаку.

Збільшення вмісту у шлаку кремнезему при незмінному співвідношенні інших його складових спочатку розріджує шлак (рис. 4.25, в), переміщуючи його склад із гетерогенної у гомогенну зону розплаву, і цим збільшує його активність відносно засвоєння вапна. Однак взаємодія шлаків, що містять кремнезем, з вапном протікає звичайно, як уже відзначалося, з утворенням щільних оболонок ортосилікату кальцію, що перешкоджають подальшому про­никненню розчинників усередину куска вапна. Тому збільшення концентрації кремнезему понад оптимальні значення досить негативно позначається на процесі розчинення у шлаку вап­на, що спостерігається по різкому спаду кривих справа (рис. 4.24, в). Цей негативний вплив посилюється при вмісті кремнезему у шлаку більш ~30% збільшенням в'язкості шлаку (рис. 4.25, в) в результаті укрупнення кремнекисневих аніонів.

Збільшення вмісту у шлаках оксидів заліза і марганцю сприятливо діє на процес розчинення вапна (рис. 4.23, а, б). Зв'язок в'язкості шлаку з концентрацією в ньому FeO і МnО має вигляд (рис. 4.25, а, б) типових ізотерм із мінімумами для систем, в яких енергія зв'язку часток змішаних компонентів нижча, ніж енергія зв'язку часток кожного із компонентів.

Введення у звичайні киснево-конвертерні шлаки до 6% оксиду магнію позитивно позна­чається на процесі розчинення вапна: зменшується в'язкість шлаків (знижується енергія зв'язування часток шлаку за рахунок підвищення числа різнойменних часток) і збільшується масопотік оксиду кальцію, що розчиняється, за одиницю часу (рис. 4.26). Загальний характер впливу на процес розчинення вапна магнезії й оксиду кальцію у звичайних межах зміни їх концентрацій досить близький.

Емпіричне рівняння зв'язку швидкості розчинення у шлаку вапна з його складом для шлакових систем, що зустрічаються на практиці, має вигляд:

(4.30)

де IСа0 - питомий масопотік СаО у шлаку, кг/м2 сек; k - коефіцієнт пропорційності.

Рівняння (4.30) підкреслює визначально позитивний вплив на асиміляцію шлаку вапна закису заліза і підвищення основності шлаку у звичайних межах її зміни. Оксиди марганцю менш ефективно впливають на розчинення вапна, ніж оксиди заліза і, очевидно, можуть активно брати участь у розчиненні вапна лише при достатньому вмісті закису заліза, що випливає з уповільнення розчинення вапна при збільшенні концентрації МnО вище 26%, у випадку незначного вмісту закису заліза у шлаку (рис. 4.23, а). У звичайних умовах киснево-конвертерного процесу головни­ми розчинниками вапна є оксиди заліза.

Активна розчинна дія на вапно оксидів заліза насамперед пов'язана з їх впливом на в'язкість шлаку; зменшення в'язкості шлаку, що прискорює зовнішній масоперенос, найбільш

значне по абсолютній величині при підвищенні його окисленості (рис. 4.25). При підви­щенні у шлаку концентрації оксидів FeO, Fe2O3, МnО істотно поліпшуються змочування шлаком вапна й умови проникнення шлаку в пори у зв'язку зі зменшенням крайового кута, утвореного шлаком на поверхні твердого вапна, і збільшенням поверхневого натягу шлаку. Іони, з яких складаються оксиди заліза (Fe2+, Fe3+, О2-), мають невеликі розміри (RFe2+. =0,83A, RFe3+ =0,67A, RO2+=1,32A) і кристалізуються так само, як і СаО, у кубічній системі. Це полегшує міграцію оксидів заліза у решітку вапна і їх дифузію з утворенням надто легкоплавких розчинів і феритів кальцію.

Проникнення кремнезему і глинозему у вапно ускладнюється великими розмірами іонів, що утворюються при цьому: SiO4-4(R = 2,79А), АlO-2, АІ305-7.

На рис. 4.27 і 4.28 наведені лінії ізов'язкості шлаків та ізошвидкості розчинення вапна в умовах конвертерної плавки. їх зіставлення показує, що у верхній і нижній частинах діаграм конфігурація ізошвидкості розчинення вапна і ліній ізов'язкості майже збігається, зниження в'язкості шлаку супроводжується зростанням ICaO для всіх періодів плавки. Усі заходи, спрямовані на збільшення рідкорухомості шлаку в цих ділянках, підвищують швидкість розчинення у шлаку вапна у зв'язку зі сприятливою зміною умов протікання ланки зовнішнього масопереносу. У першу чергу це стосується росту основності рідкої фази шлаку (до опти­мальних величин).

У середній частині діаграм (в ділянці середніх концентрацій SiO2) спрямованість ліній ізошвидкості розчинення вапна і ліній ізов'язкості дещо відрізняється. У цій ділянці не всі заходи, вжиті для збільшення рідкорухомості шлаку, супроводжуються підвищенням ІСа0, тобто значна роль у розчиненні вапна ланки внутрішньої дифузії, умов змочування і проникнення рідких розчинників у пори і тріщини твердого вапна. Це ж підтверджується ослабленням впливу барботажу на розчинення вапна до кінця плавки. У той же час хід кривих швидкості розчинення вапна в цілому адіабатний ходу кривих в'язкості шлаку. У виробничих умовах встановлений значний вплив на швидкість розчинення вапна барботажу ванни на основній частині тривалості плавки. Усе це говорить про великий і, можливо, превалюючий

протягом майже всієї плавки вплив на процес розчинення вапна в'язкості шлаку і ланки зовнішнього масопереносу.

Допустивши, що процес розчинення вапна лімітується, в основному, масопереносом у рідкій фазі, використавши рівняння (4.27) і ряд відомих рівнянь гідродинаміки і масопереносу, у тому числі

(4.31)

(4.32)

де а = 0,7,

(4.33)

і врахувавши за допомогою виразу (4.30) вплив складу шлаку на швидкість розчинення вапна і, отже, на ланки зовнішнього і внутрішнього масопереносу, одержимо наближене рівняння швидкості розчинення вапна в умовах конвертерної плавки:

(4.34)

У рівняннях (4.31-4.34): χ- відстань від точки набігання шлакового потоку на куску вапна до місця визначення характеристик граничного шару рідини (пропорціональна розміру куска); υ- кінематична в'язкість шлаку; u - швидкість потоку шлаку; Vc- швидкість окислювання вуглецю; ED - енергія активації дифузії; R - універсальна газова постійна; Т-температура, К; k - коефіцієнт пропорційності; G - маса вапна.

Рівняння (4.34) може бути використане для якісного і кількісного аналізу динаміки процесу розчинення вапна. Початковому етапу плавки властива значна швидкість розчинення вапна (див. рис. 4.23), що пов'язано з високими значеннями вмістів у шлаку FeO, МnО, а також G,

тобто великою поверхнею контакту вапно-шлак, і визначальним їх впливом на VCaO в ре­зультаті прискорення обох ланок розчинення вапна. При подальшому перебігу плавки швидкість розчинення вапна знижується. Масоперенос і розчинення вапна у цей період гальмуються виділенням на поверхні кусків і зерен вапна ортосилікату кальцію, що збільшує густинність поверхневого шару, і невеликою концентрацією у шлаку оксидів заліза і марганцю.

В останній третині плавки швидкість розчинення вапна знову зростає у зв'язку з комплексним впливом на процес, у першу чергу, підвищення вмісту у шлаку оксидів заліза і температури. Розчиненню вапна в цей період також сприяє висока концентрація у шлаку основних оксидів (CaO+MgO) і низька - кремнезему, які звичайно близькі до оптимальної (див. рис. 4.23). Істотний вплив температури на процес шлакоутворення і розчинення вапна пов'язаний з її дією на в'язкість рідких фаз. Особливо відчутно температура впливає на асиміляцію вапна шлаком у тому випадку, якщо вона перевищує температуру плавлення фаз (розчинів, хімічних сполук), що утворюються в поверхневих шарах кусків вапна. Ймовірність виникнення такої ситуації в процесі плавки збільшується.

Залежності, наведені на рис. 4.24, підтверджують значний вплив температурного режиму плавки на кінетику асиміляції шлаком вапна: швидкість розчинення вапна і шлакоутворення при охолодженні ванни металобрухтом різко зростає лише після закінчення 80% тривалості продувки, тобто після розплавлення основної частини присадженого брухту.

У звичайних умовах промислових плавок швидкість окислювання вуглецю й окисленість шлаку тісно взаємозв'язані. Вплив цих факторів на швидкість розчинення у шлаку вапна носить складний характер. За інших рівних умов підвищення окисленості шлаку завжди позитивно позначається на розчиненні вапна (рис. 4.24). Але у виробничих умовах це під­вищення супроводжується звичайно зменшенням швидкості окислювання вуглецю і потужності перемішування ванни. Тому кожному періоду плавки відповідають свої опти­мальні співвідношення (FeO) і Vc, що забезпечують найбільшу швидкість розчинення вапна (рис. 4.29). На початку плавки при невисокій температурі ванни дуже часто вміст закису за­ліза перевищує оптимальний, а Vс не досягає оптимальних значень. Після закінчення 30-70% тривалості плавки при порівняно високій температурі ванни дійсні значення Vc звичайно перевищують оптимальні, а вміст (FeO) не досягає оптимальних величин з точки зору шлакоутворення.

А наліз динаміки шлакоутворення у виробничих умовах показує також, що для прискорення процесу розчинення вапна звичайний шлях зміни складу шлаку в промислових конвертерах (лінія а, рис. 4.28) слід зрушувати в зону більш високих основностей (і величин VCa0 ) на всіх етапах плавки. Збільшення основності шлаку майже завжди супроводжується зростанням швидкості розчинення вапна. Дійсний стан шлаку в конвертері можна наближено зафіксувати шляхом заморожування його при короткочасному зануренні у шлак холодної залізної штанги. За допомогою мікроскопічних і пе­трографічних досліджень (у прохідному і відображеному світлі) шліфів шлакових проб, відібраних із ванни таким способом, отримані наближені дані про стан насичення шлаку твердими фазами і про структуру рідкої фази. Результати цих досліджень представлені й узагальнені на рис. 4.30, по яких можна судити про склад твердих шла­ків з перевагою окремих мінералогічних складових. Межа переваги у твердих шлаках C2S (C2S - умовне позначення з'єднання 2CaO•Si02, C3S-3CaO•Si02), як встановлено експериментально, одночасно є межею на-

сичення шлаку C2S (або близького до насичення стану) у температурних умовах другої половини плавки. Зона переважання у застиглих шлаках трикальцієвого силікату, розташована ліворуч від лінії а, є зоною насичення шлаків C3S у процесі плавки.

Комплексний вплив змін структури і хімічного складу шлаку на розподіл сірки між шла­ком і металом у температурних умовах другої половини плавки (1500-1650°С) відображений на рис. 4.30 лініями рівних фактичних ηs = (S)/S.

Склад і стан шлаку в процесі продувки безперервно змінюються (рис. 4.31) і, в залежності від особливостей технології, можуть послідовно проходити через зону існування (при середніх температурах ванни) олівінів, виділень дво- і трикальцієвого силікату (C2S і C3S), оксиду кальцію і легкоплавких (стосовно температур виплавки сталі) розчинів системи (CaO+MgO) - (SiO2+Al2O3) - (FeO +MnO).

При звичайній технології плавки у великих промислових конвертерах (охолодження брухтом чи комбіноване брухтом і рудою) на початковій стадії процесу рідка шлакова фаза являє собою мікрооднорідний розплав. У затверділих зразках це фіксується шляхом виявлення у шлаку олівінів чи монтичелліта із загальною формулою (Fe, Mn, Mg, Са)2 SiO4 (чи R2 SiO4). В процесі продувки, в міру поглинання шлаком вапна, катіони марганцю і заліза в силікатних групуваннях легко заміщуються іонами кальцію, і в затверділих зразках з'являються нові фази: C2S і так звана RO-фаза (Fe, Мn)0. Вивільнені закис марганцю і закис заліза і нові порції, що надходять у шлак із зони струменя, тільки частково з'являються як самостійна мікрофаза у зв'язку з їх перебуванням у рідкому розплаві і тим, що при подальшому веденні плавки все в більшій мірі витрачаються на утворення твердих розчинів з вапном, що залишилося, чим забезпечують його подальшу асиміляцію. У шлаках кінця продувки виявляються первинні виділення кристалів C2S і C3S, ферити кальцію (в ос­новному, 2СаО Fe2O3) і деяка кількість фази RO; не виключається, за певних умов, насичення їх вапном.

Кінцевою метою процесу шлакоутворення повинне бути, як уже відзначалося, наси­чення (чи наближення до стану, близького до насичення) шлаків вапном або C3S. Це забезпечує глибоке видалення із металевого розплаву шкідливих домішок (максимальні коефіцієнти розподілу фосфору між шлаком і металом також знаходяться на лінії наси­чення шлаку вапном при 1600-1650°С). Однак шлаки промислових плавок до кінця продувки звичайно не досягають стану, близького до насичення вапном (крива І, рис. 4.31), а рівень

засвоєння введеного в конвертер вапна рідко перевищує 80-85% (без спеціальних додувок). Усе це свідчить, що швидкості розчинення вапна, які мають місце в звичайних умовах практики, явно недостатні.

Однією з причин уповільнення розчинення вапна є "згортання" шлаку в середині плавки (увігнутість кривих а, рис. 4.28 і І - рис. 4.31, у бік, протилежний вершині кута Fe), що особливо часто розвивається при роботі з високими витратами брухту чи низьким вмістом марганцю в чавуні. При проходженні шлакоутворення по звичайному залізосилікатному шляху шлак у цей період, внаслідок значного розкислення і зниження вмісту в ньому оксидів заліза, перенасичується ортосилікатом кальцію, стає густим і малоактивним, а в ряді випадків переходить у напівтвердий стан і віддувається кисневим струменем та оксидом вуглецю, що виділяється з реакційної зони, до стінок конвертера. Кисневий струмінь у цьому випадку взаємодіє безпосередньо з металом, що супроводжується підвищеними втратами заліза з димом і виносами, заметалюванням фурми і простоями конвертера для її очищення, погіршенням десульфурації металу.

На рис. 4.28 у напрямку до вершини кута СаО і одночасно в ділянках великих швид­костей розчинення у шлаках вапна нанесена лінія б. її слід вважати бажаним шляхом процесу шлакоутворення і вважати за бажану зміну складу, а також властивостей і структури шлаків у процесі плавки, що забезпечує максимальну швидкість розчинення у шлаку вапна і виключає згортання шлаку. Задачею будь-якої технології плавки, спрямованої на удосконалення шлакоутворення, повинне бути як можна більше наближення складу шлаку в процесі плавки до бажаного шляху при одночасному запобіганні викидів та інших розладів плавки через більш високу в деякі її періоди окисленість шлаку. Зміна складу шлаку по бажаному шляху цілком виключає його "згортання", оскільки шлакоутворення проходить, в основному, через зону легкоплавких розчинів (рис. 4.28; 4.30).

З метою поліпшення шлакоутворення слід усувати чи обмежувати грудкування кусків вапна, що розвивається іноді на початку та в процесі плавки і зменшує поверхню контакту вапно - шлак. Великі грудки вапна потім надто повільно розчиняються у шлаку. Склеюванню кусків вапна й утворенню грудок сприяють: мала кількість рідкого шлаку, його значна в'язкість, недостатнє і нерівномірне перемішування ванни. Звідси випливають основні напрямки боротьби з грудкуванням: забезпечення досить інтенсивного і рівномірного перемішування ванни, зменшення в'язкості шлаку, забезпечення достатньої кількості рідкої фази шлаку на початку плавки.

Найбільш простим способом наближення до бажаного шляху шлакоутворення і боротьби з грудкуванням, як витікає з вищевикладеного, є забезпечення в процесі плавки оптимальних співвідношень окисленості шлаку і швидкості зневуглецьовування.

Технологія наведення шлаку

Процес шлакоутворення на практиці визначається дуттєвим режимом і режимом присадок шлакоутворюючих матеріалів, що передбачає вид і кількість шлакоутворюючих матеріалів, порядок і черговість їх введення у конвертер.

Звичайно в процесі продувки вміст оксидів заліза, в міру наростання швидкості зневуглецьовування, зменшується, а в другій половині плавки починає збільшуватись. У середині продувки при максимальних швидкостях зневуглецьовування шлак може згортатися, що вимагає вжиття спеціальних заходів по підтримці його у гомогенному стані. Вміст оксидів кальцію і магнію в процесі плавки безперервно збільшується, а кремнезему й оксиду мар­ганцю - зменшується. Основність шлаку повільно, але неухильно, зростає, досягаючи най­більших значень наприкінці продувки.

Швидкість шлакоутворення значною мірою визначається режимом введення вапна у конвертер. Здавалося б, для прискорення розчинення вапна доцільно вводити всю його кількість на початку продувки, однак такий спосіб присадки вапна приводить до холодного початку процесу, грудкування вапна й уповільнення процесу розчинення його у шлаку.

Найбільш доцільна розосереджена присадка вапна; присаджуване дрібними порціями в процесі продувки вапно швидко асимілюється шлаком, однак час його введення затягується і основність підвищується повільно.

Швидкість введення вапна повинна бути погоджена з підвищенням температури ванни. Основним теплоносієм у перший період конвертерної плавки є кремній. Не можна допускати, щоб надходження тепла у ванну (за одиницю часу) від окислювання кремнію QSi було меншим, ніж витрати його на нагрівання вапна Qвап, тобто швидкість окислювання кремнію повинна відповідати швидкості введення вапна:

(4.35)

На нагрівання вапна до температури ванни необхідно тепла:

(4.36)

Від окислювання кремнію виділяється тепла

(4.37)

Отже, повинна зберігатися рівність

(4.38)

де Ср - теплоємність вапна; Gвап, Gчав - відповідно маса вапна і чавуну; q - тепловий ефект окислювання кремнію.

Одержала поширення практика присадки частини вапна у завалку, тобто до заливання чавуну. У цьому випадку вапно раніше прогрівається і раніше досягається більш висока основність шлаку. Однак збільшення кількості вапна, яке присаджують у завалку, приводить до переохолодження розплаву, збільшення тривалості запалювання плавки, при цьому спостерігається підвищена схильність до викидів, характерна для холодного початку процесу.

Добавки, що підвищують реакційну здатність шлаку, вводять у різні періоди плавки разом з вапном або окремо.

Найбільш сильним і розповсюдженим розріджувачем у киснево-конвертерному виробництві є плавиковий шпат (CaF2) - навіть при невеликих його добавках (2-3 кг/т сталі) різко зростає реакційна здатність шлаку. Плавиковий шпат не знижує вмісту оксиду кальцію у шлаку, оскільки містить іон Са2+.

Введення у шлак плавикового шпату підвищує активність оксидів заліза у шлаку в результаті відтиснення слабким по електростатичному впливу іоном F1- (для F1- відношення електричного заряду до квадрата радіуса n = 0,56, що близько до значення n для комплекс­ного іона SiO4- - 0,51) сильного аніона О2- (n = 1,14) у напрямку до сильного катіона Fe2+, сприяючи тим самим мікророзшаруванню шлаку і прискоренню розчинення вапна.

Присадки плавикового шпату дозволяють вести процес при меншій концентрації оксидів заліза у шлаку. Підвищуючи рідкотекучість шлаку й активність оксидів заліза, ці присадки порушують динамічну рівновагу між киснем дуття, шлаком і металом, тим самим звільняється надлишок оксиду заліза, який відразу вступає у реакцію з вуглецем, про що свідчить короткочасне збільшення вмісту CO (СO2) у газах, що відходять після присадки шпату. Далі процес відбувається в нових умовах динамічної рівноваги уже з меншою кількістю оксидів заліза, причому дія плавикового шпату проявляється до кінця плавки; баланси CaF2 пока­зують, що це з'єднання практично не звітрюється у процесі продувки.

Витрати плавикового шпату на плавку звичайно не перевищують 0,5% маси метало-шихти. Присаджують його в основному на самому початку продувки або під час згортання шлаку при інтенсивному зневуглецьовуванні.

У зв'язку зі зростаючим дефіцитом плавикового шпату і високою його вартістю (одержання якісного металургійного плавикового шпату вимагає великих витрат) досить інтенсивно ведуться пошуки його замінників. Випробувано порошкові суміші і брикети плавикового шпату з різними матеріалами - прокатною окалиною, бокситом, колошниковим і конвертерним пилом у різних співвідношеннях, ільменітовою рудою (основний компонент ТіO2); дослідження не виявили їхніх переваг перед чистим шпатом.

Широко ведуться дослідження можливості використання в конвертерній плавці різних мінеральних речовин і відходів виробництв кольорової металургії. Позитивні результати отримані при застосуванні боровмісних речовин.

У системі СаО - В2O3 є ряд з'єднань, температури плавлення яких складають від 990°С (СаО•В2O3) до 1310°С (2СаО•В2O3), що сприяє ранньому розрідженню шлаку. Лабораторні дослідження, що виконали Родопман і Джуржей, показали, що боровмісні речовини -колеманіт, улексит, бура (табл. 4.2) знижують температуру плавлення киснево-конвертерних шлаків, які містять 9,9-13,7% МnО, 16,0-17,8% SiO2, 36,5-48,2% СаО, 2,5-4,0% МgО, 19,3-28,0 FeO, до 1340-1370 С. За рівнем впливу на температуру плавлення шлаку зазначені мінерали розташовуються таким чином: колеманіт, бура, плавиковий шпат, улексит. Рідко­текучість і основність шлаків, отриманих при використанні колеманіту, вищі, ніж у шлаків із

плавиковим шпатом. Однак при вмісті у шлаку В2O3 вище 2,5%, на відміну від плавикового шпату, значно погіршуються процеси десульфурації і дефосфорації.

Досліди, проведені в 400-тонних конвертерах при переділі чавуну із вмістом фосфору 0,20-0,25%, підтвердили ефективність використання колеманіту замість плавикового шпату в якості флюсуючої добавки в кількості, що забезпечує вміст В2O3 у кінцевому шлаку в межах 0,5-1%. Витрати колеманіту склали 20 кг/т вапна (витрати плавикового шпату -29 кг/т). Доцільність використання колеманіту зростає при переділі фосфористих чавунів, оскільки фтор, що міститься у плавиковому шпаті, знижує розчинність п'ятиокису фосфору в лимонній кислоті, а це є показником придатності фосфат-шлаків для використання в якості добрив у сільському господарстві.

Задовільні результати отримані при використанні замість плавикового шпату нефелінової руди - уртиту, що містить 39,6-46,0% SiO2, 17,1-28,7% Аl2O3, 4,3-12,5% Fe2O3, 7,4-14,4% СаО, 0,08-0,14% S, 0,52-0,96% Р2O5, 8,3-17,3% Na2O+K2O, 0,6-1,9% Н2O. Температура плавлення уртиту знаходиться в інтервалі 1255-1375°С. Технологічні показники плавок, проведених із не­феліновою рудою, не гірші, ніж при роботі з плавиковим шпатом. В даний час уртит успішно застосовують у конвертерах ємкістю 160 і 350 т на Західно-Сибірському металургійному комбінаті.

В якості можливих замінників плавикового шпату можуть розглядатися такі природні мінерали, як флюоритизований вапняк (36-40% СаО; 12-13% SiO2, 11,5-12,5% CaF2; 22-24% в п.п.) і флюоритова руда (25% CaF2), при випробовуванні яких у 250-350-тонних конвертерах одержані задовільні результати.

Для керування шлакоутворенням змінюють параметри дуттєвого режиму. До пара­метрів дуттєвого режиму при верхній продувці слід віднести, насамперед, число сопел у фурмі, кут їх нахилу до вертикальної осі, висоту фурми над ванною, витрати кисню. Ці параметри визначають так звану жорсткість дуття, що характеризується енергією взаємодії кисневого струменя з ванною. М'яка продувка досягається розосередженням подачі дуття у ванну - збільшенням числа сопел, кута їх нахилу, діаметра окружності розташування осей сопел у торці наконечника, а також більш високим підйомом фурми над ванною і зменшенням інтенсивності продувки і забезпечує значні витрати кисню на окислювання заліза і, тим самим, прискорення переходу вапна у шлаковий розплав.

Найбільш гнучко й оперативно керувати процесом шлакоутворення під час продувки дозволяють зміна висоти фурми над ванною і регулювання хвилинних витрат кисню. Вивчено вплив цих параметрів на кількість кисню , затраченого на окислювання заліза у шлак:

(4.39)

(4.40)

де h - відстань між фурмою і рівнем спокійної ванни, mm; Q - витрати кисню, м3/хв; а1, а2, b1, b2 - постійні коефіцієнти.

Із розглянутих рівнянь випливаэ, що кількість кисню, затрачувана на окислювання заліза, що переходить з металевої ванни у шлак, є функцією вмісту вуглецю в металі, витрат кисню і положення фурми над рівнем ванни. Рівняння, що враховує дію всіх трьох незалежних перемінних, має такий вигляд:

(4.41)

Чисельні значення коефіцієнтів а1, а2, а3 рівняння можуть бути знайдені для будь-якого конкретного конвертера.

На практиці продувку починають при високому положенні фурми, збільшуючи тим са­мим не тільки вміст оксидів заліза у шлаку, але й надходження тепла у ванну внаслідок його окислювання, оскільки реакція [Fe]+1/2{O2} = (FeO) супроводжується виділенням 4800 кДж

на 1 кг заліза, що також сприяє прискоренню шлакоутворення. Аналіз практики роботи конвертерів показує, що зі збільшенням діаметра ванни конвертера Dв початкова висота фурми Нпоч повинна зростати приблизно за наступною залежністю:

Нпоч=0,560,-0,06. (4.42)

При збільшенні діаметра ванни зростає площа її поверхні і для того, щоб струмені кисню охоплювали велику поверхню, необхідне більш високе положення фурми.

Тривалість періоду наведення шлаку складає звичайно 3-4 хв., після чого фурму опускають у робоче положення. При збільшенні тривалості цього періоду виникають викиди, пов'язані з різким зростанням швидкості зневуглецьовування. В процесі продувки для підтримання шлаку у гомогенному стані і попередження викидів збільшують висоту фурми або знижують витрати кисню.

При комбінованій продувці з'являються додаткові можливості керування шлакоутво-

ренням. Збільшення витрат донного дуття в 1,5-2 рази дозволяє досить швидко знизити окисленість шлаку і рівень спінення ванни, оскільки в цьому випадку інтенсифікується процес перемішування, і тим самим уникнути викидів. Зменшення ж витрат донного дуття знижує інтенсивність перемішування, зростає частка кисню, що йде на окислювання заліза у шлак. Тому в конвертері з комбінованим дуттям продувку можна зробити більш "м'якою" або шля­хом збільшення висоти верхньої фурми при постійних витратах донного дуття, або шляхом зниження інтенсивності подачі газу через днище при постійному положенні кисневої фурми.

У процесі з донною кисневою продувкою регулювання шлакоутворення дуже обмежене, оскільки можливе лише шляхом зміни витрат кисню через днище. Для формування реакційноздатного шлаку в цьому випадку застосовують, як правило, порошкоподібне вапно.

Шляхи поліпшення шлакоутворення

БІЛЬШ повному і швидкому розчиненню вапна й утворенню шлаку необхідного складу сприяють:

1) Оптимальний склад чавуну, що переробляється. Збільшення вмісту кремнезему у шлаку понад визначену норму при підвищенні концентрації кремнію в чавуні утруднює розчинення вапна, зменшує активність закису заліза у шлаку в першій половині плавки (при основності менше 1,7), знижує активність оксиду кальцію і цим погіршує кінетичні термодинамічні умови видалення з металу сірки і фосфору. З іншого боку, при надмірно низькому вмісті кремнію у чавуні і кремнезему у шлаку погіршуються процеси шлакоутво­рення, видалення сірки і фосфору у зв'язку зі зменшенням кількості шлаку і з несприятливими змінами його фізико-хімічних властивостей. Для одержання в останній третині плавки шлаку, який активно розчиняє вапно і порівняно рідкотекучий, із в'язкістю не більше 0,4 пз, що дозволяє проводити добір проб без його роздування, замір температури металу, зливання шлаку і виключає заметалювання фурми, вміст кремнезему у шлаку повинен дорівнювати 17-18%. Враховуючи це і необхідність забезпечення достатньої кількості шлаку для видалення сірки ([S]чaв = 0,05-0,06%) і фосфору, можна рекомендувати такі оптимальні вмісти кремнію в чавуні: при охолодженні плавки брухтом (24-26% від ваги садки) - 0,7-0,8%, при охолодженні рудою - 0,3-0,45%. При такому вмісті кремнію в чавуні у зв'язку зі швидким його окислюванням концентрація SiO2 у шлаку на початку і в середині плавки буде дещо вище оптимальної, і тому слід вживати заходів, що прискорюють розчинення вапна.

При підвищенні вмісту марганцю у чавуні збільшується кількість його оксидів у шлаку, прискорюється розчинення вапна, хоча при високій його концентрації істотно збільшується угар металу. Доцільно мати у чавуні 0,7-0,8% марганцю. Цілком можлива переробка чавунів і зі зниженим вмістом марганцю (0,3%). Однак при цьому, якщо не вжити відповідних заходів, зростають винос і втрати металу, збільшується ймовірність заметалювання фурми, горловини конвертера і поверхні кесона, і для поліпшення шлакоутворення необхідні спеціальні заходи -збільшення витрат плавикового шпату, зміна положення фурми в процесі плавки та ін.

2. Присадки оксидів марганцю у шлак у вигляді марганцевистого вапняку, марганце­вистого вапна, а також марганцевої руди. В останньому випадку у шлак вноситься значна кількість кремнезему. Введення оксидів марганцю у шлак найбільш доцільне при переділі низькомарганцевистого чавуну.

3. Підтримання в процесі продувки оптимальних співвідношень окисленості шлаку і швидкості окислювання вуглецю, при яких досягається найбільша швидкість розчинення вапна. Величини цих оптимальних співвідношень залежать від температури ванни і для різних періодів плавки різні. Тому доцільно змінювати положення фурми чи витрати дуттєвого кисню за визначеною програмою, що забезпечує оптимізацію процесу.

4. Підвищення вмісту у шлаку МgО до оптимальної межі - близько 6%. Це сприяє зменшенню в'язкості шлаку і швидкому розчиненню вапна, а також збільшенню стійкості футеровки конвертерів. Дослідження вітчизняних і закордонних заводів свідчать про позитивні результати роботи при використанні магнезіального вапна і доломітизованого вапняку.

5. Підвищення температури ванни і перегріву шлаку відносно температури його плав­лення. При гарячому перебігу операцій шлакоутворення прискорюється, збільшується ймовір­ність оплавлення поверхневих шарів ошлакованих кусків вапна, але наприкінці плавки над­то висока температура шкідлива, тому що при цьому зменшується повнота окислювання фосфору, що негативно позначається на якості сталі. Тому найбільш доцільним вважається такий температурний режим: гарячий початок операції і нормальна температура ванни наприкінці продувки.

При роботі з високими витратами брухту і введенні його однією порцією початок плавки, як уже відзначалося, проходить холодно, формування шлаку погіршується, і на це необхідно звертати особливу увагу.

6. Введення у шлак спеціальних флюсів, які розріджують його і сприяють розчиненню вапна.

7. Застосування м'яковипаленого швидко реагуючого вапна. М'яковипалене вапно має розвинену дрібнокристалічну структуру, значну пористість, що визначає її високу реакційну здатність. При цьому на деяких заводах воліють мати в центрі кусків вапна розміром понад 35 мм невелике ядро вапняку, що запобігає перевитраті вапна в печах і сприяє швидкому його розчиненню внаслідок розтріскування при попаданні у шлак. Перспективне застосування вапна з обмеженим розміром кусків (10-40 мм) і вапна, отриманого в печах "киплячого" шару, яке має досить високу реакційну здатність. При розмірі часток вапна менше 5-10 мм різко збільшується його винос. Вдування пилоподібного вапна пов'язане з ускладненням виробництва, тому при переділі звичайного мартенівського чавуну в кисневих конвертерах навряд чи доцільне.

Підвищення якості вапна є одним із дієвих і ще недостатньо використаних важелів (резервів) поліпшення шлакоутворення. Необхідні безперервний контроль реакційної здатності вапна на заводах і негайне усунення причин, що зменшують її.

8) Попередня підготовка шлакоутворюючих матеріалів. Перспективність цього напрямку підтверджується успішними дослідами застосування синтетичного вапна, що містить до 10% оксидів заліза, а також вапна, "забрудненого" до 20% оксидами Fe2O3, MgO і Аl2O3. Застосування такого вапна прискорює його перехід у шлак, підвищує вихід придатного і збільшує ступінь видалення з металу шкідливих домішок - сірки і фосфору. Позитивні результати дає також застосування вапна, насиченого оксидами марганцю. Однак організація виробництва зазначених вище видів вапна пов'язана зі значними труднощами.

При випалюванні такого вапна відбувається злипання його кусків, налипання вапна на футеровку випалювальних печей з утворенням охолодей, часткове руйнування кірки на

шматочках вапна, збагаченого оксидами заліза чи марганцю, втрати цих оксидів на холо­дильниках обертових печей.

Заслуговують на увагу пропозиції застосовувати огрудковані матеріали, що складаються з конвертерного пилу, окалини чи інших речовин, що містять оксиди заліза, а також плавиковий шпат (або соду і вапно).

У цьому напрямку особливо перспективне застосування синтетичних матеріалів, виготовлених із порошкоподібних сумішей, що мають велику поверхню контакту фаз, і містять значну кількість легкоплавких (~1200°С) феритів кальцію. До числа таких матеріалів відносяться, в першу чергу, високоосновні обпалені окотиші й агломерат (основність більше З і з вмістом СаО понад 25%). Дослідженнями встановлено, що при використанні високоосновного агломерату в кількості 20-60 кг на 1 т сталі шлакоутворення значно поліпшується і йде по шляху, що прискорює асиміляцію вапна шлаком і зростання його основності. Застосування високоосновного агломерату значно наближає шлях зміни складу шлаку в конвертері до бажаного шляху шлакоутворення, розташованого в зоні найбільших швидкостей розчинення шлаком вапна, а при високих витратах агломерату приводить до їх майже повного збігу.

При використанні високоосновного агломерату шлак значно швидше наближається до стану насичення вапном і трикальцієвим силікатом, чим забезпечується надійне видалення шкідливих домішок.

Прискорене формування шлаку на всіх етапах продувки при застосуванні високо-основного агломерату обумовлює істотне поліпшення умов служби вогнетривів і підвищення всіх техніко-економічних показників киснево-конвертерного процесу.

9) Усунення грудкування вапна:

а) розосередження дуття у зв'язку з більш рівномірним в обсязі ванни виділенням оксиду вуглецю і перемішуванням значно зменшує імовірність грудкування вапна, особливо в периферійних ділянках ванни. При одноструминній фурмі спостерігається бурхливе виділення CO і фонтанування в центрі ванни, слабке перемішування на її периферії, що сприяє злипанню кусків і грудкуванню вапна в цій зоні.

Для запобігання і зменшення грудкування вапна число сопел у кисневій фурмі n, очевидно, слід збільшувати пропорційно до зростання площі ванни (Sв)¹:

(4.43)

де Q - ємкість конвертера, т; Н0 - глибина спокійної ванни; k, k1 – коефіцієнти пропорційності;

б) залишення в конвертері частини шлаку і застосування кінцевих сталеплавильних шлаків поліпшують шлакоутворення, збільшують кількість шлаку на початку плавки і знижують імовірність грудкування вапна, але мають і недоліки: труднощі заливання чавуну і підвищення тривалості циклу плавки у випадку застосування рідких шлаків, збільшення імовірності викидів та ін. Оптимальні результати досягаються при залишку близько 1/3 шлаку;

в) введення вапна "під чавун" скорочує пасивний період розчинення вапна в процесі продувки і прискорює процес шлакоутворення, однак може приводити до заростання днища конвертера і дещо збільшує цикл плавки. Доцільно збільшувати до деякої межі число порцій вапна, що вводиться в процесі продувки, розосереджуючи у часі введення кожної порції. Зосереджене введення у ванну значної кількості вапна сприяє її грудкуванню. З підвищенням інтенсивності продувки з'являється необхідність і можливість, у зв'язку з ростом потужності перемішування ванни, більш зосередженого і раннього введення вапна без його грудкування.

10) Поліпшення шлакоутворення при інтенсифікації продувки. Коефіцієнт масопереносу β у конвертерній ванні визначається потужністю її перемішування і швидкістю окислювання вуглецю

(4.44)

де I02 - інтенсивність продувки, м3/т хв; Т- температура ванни, К; а= 0,7-0,8 - показник ступеня. З рівняння (4.44) випливає, що при інтенсифікації продувки має місце деяке відставання в рості швидкості масопереносу і, отже, розчинення вапна від росту I02 і скорочення тривалості плавки, обернено пропорціональної I02, що уже відзначалося вище. Підвищення інтенсивності продувки повинне супроводжуватись розосередженням дуття (збільшенням числа сопел у фурмі), що впливає на шлакоутворення протилежно I02 у зв'язку зі зменшенням грудкування вапна і деяким підвищенням окисленості шлаку в цьому випадку. Збільшення числа сопел у фурмі впливає протилежно підвищенню інтенсивності продувки і на рівень ванни, який визначає імовірність викидів металу і шлаку. Тому для усунення викидів і поліпшення шлакоутворення при підвищенні інтенсивності продувки слід збільшувати число сопел у фурмі відповідно до наближеного рівняння

(4.45)

Величина показника χ за розрахунками авторів, складає близько 1,2. Із рівнянь (4.43) і (4.45) знаходимо:

(4.46)

Більш точний аналіз, що враховує вплив глибини ванни на її спучування і характер газовиділення, приводить до виразу

(4.47)

де y<1. Із рівнянь (4.46) і (4.47) видно, що зростання садки й інтенсифікація продувки для забезпечення нормального перебігу плавки повинні супроводжуватись збільшенням ступеня розосередження дуття. При підвищенні інтенсивності продувки підсилюється перемішування ванни і прискорюється розчинення вапна з перших хвилин плавки, скорочується тривалість плавки. На Криворізькому металургійному заводі визначений найбільш раціональний, з точки зору поліпшення процесу шлакоутворення і показників плавки, режим присадки вапна у 150-тонний конвертер при підвищеній до 4,2 м3/т.хв. інтенсивності продувки: присадка 40-50% усього вапна на початку продувки, 20-30% - на 2-ій хв. і 20-30% - не пізніше 4-ї хвилини від початку продувки (при її тривалості 12 хв.). У цьому випадку усуваються від­значені вище недоліки процесу шлакоутворення, пов'язані з ростом інтенсивності продувки, підвищується основність, сірко- і фосфоропоглинаюча здатність шлаків, збільшується стійкість футеровки.