7.6. Продувка фосфористих чавунів

Серед різних варіантів киснево-конвертерних процесів друге місце по питомій вазі посідає продувка зверху високофосфористого чавуну. Цей варіант свого часу отримав зна­чне розповсюдження в країнах Західної Європи і прийшов на зміну томасівському процесу.

Із виразу для константи рівноваги реакції дефосфорації випливає, що

Уразі переділу чавуну із звичайним вмістом фосфору для одержання [Р] < 0,010-0,020% достатньо мати в конвертері активний вапняно-залізистий шлак. При підвищенні у чавуні вмісту фосфору до 0,4-0,5% активність з'єднань фосфору у шлаку, що утворюється при продувці виявляється настільки високою, що для досягнення низьких значень [Р] необхідно мати досить велику масу вапняно-залізистого шлаку. Звичайні добавки вапна і окислювачів вже не забезпечують успіху. Раціональним є скачування шлаку, що містить фосфор, і наве­дення нового вапняно-залізистого шлаку. Тому скачування шлаку є необхідним технологіч­ним прийомом при переробці фосфористих чавунів (двостадійний або двошлаковий про­цес).

Оскільки шлак, який одержується при переробці фосфористих чавунів і містить 10-20% Р205, є цінним добривом, необхідно скачувати його в той момент, коли він представ­ляє максимальну цінність як добриво.

Плавку в конвертері при переробці високофосфористих чавунів можна умовно поділи­ти на два періоди: 1) до скачування шлаку; 2) після скачування шлаку. В деяких випадках його скачують двічі і продувка ділиться на три періоди.

В конвертерному процесі з продувкою чавуну зверху активний рідкотекучий шлак, в якому цілком розчинилися завантажені куски вапна, встигає сформуватися лише наприкін­ці продувки. При переробці фосфористих чавунів продувка переривається для скачування шлаку. Якщо не вжити спеціальних заходів, то на момент скачування шлаку вапно ще не встигне розчинитися і процес дефосфорації пройде недостатньо повно. Якщо зменшити інтенсивність подачі кисню і збільшити тривалість формування необхідного для дефосфо­рації шлаку, то продувка істотно подовжиться, погіршаться умови служби футеровки, збіль­шаться відносні втрати тепла. Тому необхідно забезпечити раннє формування активного залізисто-вапняного шлаку. Для вирішення цієї задачі існують різні методи. Частіше всього використовують два: 1) залишення в конвертері залізисто-вапняного шлаку попередньої плавки для швидкого наведення шлаку наступної плавки; 2) введення вапна в порошко­подібному стані, що дозволяє швидко прогріти і ошлакувати кожну частинку вапна і сфор­мувати шлак.

На заводі Клекнер Хюттенверк в Хаген-Хаспе (Німеччина) розробили метод продувки киснем зверху, який одержав назву буфер-шлакового процесу.

Особливістю цього методу є м'який режим подачі кисню, при якому протягом значної частини продувки він не вступає у безпосередній контакт з металом при зустрічі з ванною і практично цілком поглинається шлаком. Кисень із шлаку передається металу і витрачаєть­ся на окислення домішок. За таких умов продувки легко отримати рідкотекучий з досить високим вмістом оксидів заліза шлак, в якому порівняно швидко розчиняється вапно при додаванні його невеликими порціями. Це обумовлює порівняно швидке наростання фосфо-ропоглинальної здатності шлаку, швидкий перебіг знефосфорування разом із зневуглецьо-вуванням і отримання низького вмісту фосфору на момент досягнення кінцевого вмісту вуглецю.

Усунення безпосереднього контакту кисню, що вдувається, з металевою ванною до­сягається шляхом підбору форми кисневого сопла, відстані сопла від поверхні ванни і тис­ку кисню.

Перед початком продувки в конвертер досаджують одну третину всієї кількості вапна, що витрачається на плавку, і приблизно таку ж кількість залізної руди. Початок продувки -кілька хвилин - проводять при зменшеній відстані сопла від поверхні ванни і підвищеному тиску кисню, що обумовлює проникнення кисневого струменя у метал, швидке розігрівання ванни й утворення початкового рідкотекучого шлаку. Потім сопло піднімають, тиск кисню зменшують і при режимі, коли майже виключений контакт кисневого струменя з металом, продувку ведуть до моменту зупинки її для скачування шлаку або, якщо працюють без ска­чування шлаку, до кінця операції. В процесі продувки невеликими порціями присаджують вапно і залізну руду. Після скачування шлаку додають вапно і, якщо необхідно для охоло­дження операції, брухт.

При веденні продувки буфер-шлаковим процесом часто спостерігаються спінення і викиди. Тому питомий обсяг конвертерів для роботи таким процесом повинен бути біль­ший, ніж при інших методах продувки.

Оскільки при буфер-шлаковому процесі протягом значної частини продувки кисень не має безпосереднього контакту з металом і усувається утворення локальної високотемпе­ратурної зони, бурий дим виділяється лише протягом 20-25% тривалості продувки, коли працюють із введенням кисневого струменя в метал. Це позитивна особливість буфер-шлакового процесу.

Сталь, отримана буфер-шлаковим процесом із високофосфористих чавунів, за якістю не поступається мартенівській.

Головними особливостями розробленого в 1956 р. на заводі в Помпе (Франція) проце­су, названого Помпе-процесом, є використання сортового вапна для наведення високоос-новного шлаку (розмір кусків - від 10 до ЗО мм), скачування шлаку в середині продувки, наведення другого шлаку і залишення його в конвертері після випуску металу, опускання в

процесі продувки фурми. Кінцевий шлак, що залишається в конвертері, містить близько 50% СаО, 25-30% FеО, 6-10% Р205, що забезпечує прискорення шлакоутворення в першо­му періоді наступної продувки; зменшення втрат заліза, витрат вапна і кисню; збільшення маси кондиційного фосфат-шлаку з високим вмістом Р205; зниження собівартості сталі на 4% в порівнянні з роботою без використання кінцевого шлаку.

До заливки чавуну в конвертер завантажують кускове вапно в кількості 20-25% загаль­них витрат на плавку і повільно протягом 4-5 хв. зливають чавун, що містить 1,7% Р; 0,45% Sі; 0,4% Мn. Як і в буфер-шлаковому процесі, продувку починають при низькому положенні фурми і високому тиску кисню.

Після розігрівання металу для утворення рідкотекучого залізистого шлаку піднімають фурму і вводять порціями, 4-5% від маси чавуну, залізну руду. Потім повторно опускають фурму і невеликими порціями додають 3-4% вапна. Сипучі вводять без припинення продув­ки, використовуючи конвейєри, вібраційні жолоби і водоохолоджувані труби.

В кінці першого періоду до складу металу входить 1-1,5% С, менше 0,2% Р і 0,25% Мn. Температура металу перед скачуванням шлаку, що містить 20-25% Р205, до 50% СаО і близько 10% FеО, коливається в межах 1550-1600°С.

Після скачування першого шлаку в конвертер завантажують 10-15% брухту, продувку ве­дуть при високому положенні фурми і зниженому тиску кисню, досаджують порціями 1-1,5% руди і 6-7% вапна. Другий період приблизно удвічі коротший за перший. Загальна трива­лість продувки дорівнює 20-25 хв., цикл плавки триває 35-40 хв. Витрати кисню складають 50-60 м3/т сталі, вихід придатної сталі досягає 88,4%. При охолодженні металу лише брух­том його витрати становлять 30% від маси сталі, в разі охолодження лише рудою - 8,5%.

За цією технологією із чавуну з 1,5-2% Р одержують як киплячу, так і спокійну мало-, середньо- і високовуглецеву і низьколеговану сталь, що містить 0,02-0,03% Р. Метал не поступається за якістю мартенівському аналогічних марок.

Процес Помпе має наступні недоліки: знижена продуктивність, підвищені втрати ме­талу з викидами і знос футеровки.

Одним з найпоширеніших варіантів переділу високофосфористих чавунів є процес із вдуванням у ванну в струмені кисню порошкового вапна і скачуванням проміжного шлаку, розроблений в кінці 50-х років науково-дослідним центром ІRSID (Франція) спільно з бельгій­ськими металургами. Цей процес одержав назву ЛД-АЦ.

У спеціальному бункері-диспергаторі мелене вапно підтримується в завислому стані. Із нижньої його частини воно ежектується струменем кисню у пилопровід, а потім - у фур­му. Тонкість помелу вапна складає 0,08-0,8 мм (в основному 0,08-0,14 мм). При таких ма­лих розмірах часток вапна різко інтенсифікується масоперенос в мікрогетерогенній систе­мі "шлак-тверді частки" через збільшену питому поверхню останніх, оскільки сумарна по­верхня часток зростає обернено пропорціонально їхньому розміру.

Для переділу фосфористих чавунів переваги застосування порошкоподібного вапна в порівнянні з кусковим безперечні. На відміну від Помпе-процесу ЛД-АЦ процес характери­зується значним зниженням питомих витрат вапна завдяки більш повному його засвоєнню у шлаку; збільшенням виходу придатної сталі у зв'язку з меншою кількістю шлаку; знижен­ням втрат металу з винесенням і викидами завдяки ранньому наведенню шлаку і спокійно­му перебігу продувки.

Основні особливості технології ЛД-АЦ. процесу полягають у наступному. На початку плавки, до зливання чавуну в конвертер, завантажують більшу частину брухту, близько 1 /З всього вапна, що витрачається (в кусках), 1% бокситу і 2% залізної руди (від маси сталі).

Протягом перших 4-5 хв. продувки порошкове вапно до кисню не додають, щоб уникнути посилених викидів металу, а також починають його вдування. Для збагачення шлаку оксидом заліза фурму піднімають, а якщо в подальшому розвиваються викиди шлаку (при надто високо­му вмісті оксиду заліза в ньому), фурму опускають. При досягненні приблизно 1% вуглецю

продувку зупиняють і скачують шлак. У цей момент [Р] < 0,2%. У шлаку, що скачали, міс­титься 20-24% Р205, 8-10% FеО, близько 48% СаО і 10% Sі02. Тривалість періоду від почат­ку продувки до моменту скачування складає в середньому 14 хв. Після скачування шлаку при високій температурі ванни присаджують брухт або руду, відновлюють продувку з подачею у струмені кисню пилоподібного вапна. Другий, заключний період триває 3-5 хв. Після закін­чення продувки, загальна тривалість якої скла­дає 16-20 хв., зливають шлак і випускають метал у ківш, де сталь розкислюють. Питомі витрати кисню складають 55 м3/т сталі, вапна при роботі без залишення кінцевого шлаку -120-160 кг/т, чавуну - 60-80 кг до спуску шла­ку, а в разі його залишення -100-130 кг/т, сталевого брухту - близько 250-270 кг/т чавуну. Серед­ній вміст у первинному шлаку, що спускається, Р205 дорівнює 22%.

Технологія ЛД-АЦ процесу дозволяє отримати низький вміст фосфору і зупинити про­дувку на заданому вмісті вуглецю, не вдаючись до передувки, не тільки при виплавці мало-вуглецевих, але й сталей з підвищеним [С] в готовому металі.

Іноді ЛД-АЦ процес ведуть із залишенням в конвертері кінцевого шлаку і використан­ням його в наступній плавці. При цьому забезпечується раннє утворення гомогенного, ак­тивного вапняного шлаку, що створює сприятливі умови і для видалення сірки з металу, ступінь його десульфурації досягає 60-70% від первинного вмісту сірки у чавуні.

На рис. 7.55 показано зміну складу металу, виплавленого ЛД-АЦ процесом. Звертає на себе увагу швидке видалення фосфору і сірки з металу з самого початку продувки.

Продувка фосфористого чавуну в конвертерах з верхнім кисневим дуттям за резуль­татами знесірчування близька до роторного і Кал-До процесів і перевершує звичайний то­масівський переділ, оскільки спостерігаються більш раннє формування активного шлаку і велика інтенсивність видалення сірки в процесі продувки.

При продувці фосфористого чавуну найінтенсивніше окислення фосфору відбувається на початку плавки, коли основність шлаку і його кількість швидко зростають і вміст оксидів заліза у шлаку підвищений (рис. 7.56). В цей період зміна вмісту фосфору добре описуєть­ся рівнянням

В кінці плавки, особливо на низькову­глецеву сталь внаслідок швидкого зростан­ня кількості шлаку і його основності, вміст фосфору знижується. В середині продувки у зв'язку із зростанням температури, зни­женням окисленості шлаку і слабким зростанням основності вміст фосфору в металі істотно не змінюється або спостері­гається деяке відновлення фосфору при вмісті вуглецю 0,5-1,5%.

Із зростанням вмісту оксидів заліза у шлаку звичайно дефосфорація все більше випе­реджає зневуглецьовування і відповідно збільшується відношення АР/АС.

Для швидкого розчинення кускового вапна і забезпечення ранньої дефосфорації ба­жано мати в первинному шлаку ( Fеш > 20% ). Підйом фурми на початку продувки або після випуску проміжного шлаку, а також зниження тиску дуття до певних меж, обумовлюючи підвищення вмісту оксидів заліза у шлаку, сприяє розчиненню вапна і прискоренню дефос­форації. Однак при цьому сповільнюється зневуглецьовування і перемішування ванни, що може викликати огрудкування вапна і негативно вплинути на шлакоутворення і дефосфора­цію. Такий вплив перемішування ванни на вміст оксидів заліза у шлаку, шлакоутворення і дефосфорацію виявлено і в дослідах переділу фосфористого чавуну в конвертері з комбі­нованим дуттям: повітрям знизу і киснем зверху.

При підвищеному вмісті фосфору у чавуні для отримання низьких концентрацій фос­фору в сталі іноді скачують проміжний шлак і наводять новий в середині продувки, а також вживають заходів для забезпечення високого вмісту СаО в кінцевому шлаку. Скачування доцільно проводити при досягненні максимального коефіцієнта розподілу фосфору. Зви­чайно цей максимум Lр досягається при вмісті вуглецю у ванні близько 1,5-2.

Суттєвою кінетичною особливістю процесу переділу високофосфористого чавуну в по­рівнянні з продувкою передільного чавуну є більше віддалення розподілу фосфору в систе­мі шлак-метал від рівноваги в початковий період інтенсивного його окислення (а також, очевидно, і в кінці плавки на низьковуглецеву сталь), що обумовлено більшою швидкістю окислення фосфору і значною кількістю шлаку в конвертері. Це частково відноситься і до розподілу марганцю та кремнію.

Забезпечення ранньої дефосфорації, випереджаючої зневуглецьовування, при продувці зверху фосфористого чавуну необхідне не тільки для підвищення якості сталі, створення умов зупинки продувку на заданому вмісті вуглецю, але й для того, щоб не затягнути дефос­форацію до зони низького вмісту вуглецю [С]. Інакше створюються значні труднощі при видаленні фосфору, тому що в кінці плавки відбувається слабке перемішування ванни і повільне зневуглецьовування.

В конвертерах з донною продувкою киснем шлакоутворення і дефосфорація відбува­ються повільніше, ніж у конвертерах з верхнім підведенням дуття.

7.6.1. Кал-До процес

Кал-До процес був розроблений з метою збільшення частки брухту в металошихті за рахунок допалювання СО->С02. Кал-До конвертер здатний обертатися зі швидкістю 0,5 с-1. Поздовжня вісь його під час обертання при продувці розташована під кутом 17-20° до гори­зонту (рис. 7.57). Процес розроблений у Швеції Б. Каллінгом на фірмі Домнаверт і призна­чався для переділу високофосфористих чавунів.

Конвертери Кал-До застосовувались у ряді країн Європи, Північної Америки і Японії. їх садка складає від ЗО до 160 тонн.

Футеровка конвертера Кал-До виконується із смолодоломітової і магнезитової цегли. Привід конвертера забезпечує його обертання і поворот відповідно навколо поздовжньої і горизонтальної осей.

Кисень чистотою не нижче 95% підтиском 0,3 МПа подається через горловину конвер­тера по водоохолоджуваній фурмі, встановлюваній над поверхнею ванни під кутом 26° до горизонту. Завантаження твердих присадок, випуск сталі і шлаку, а також відведення газів, що утворюються під час продувки, здійснюється через горловину.

При обертанні конвертера створюються сприятливі умови для перемішування ванни. Допалювання монооксиду вуглецю в конвертері сприяє інтенсивному нагріванню ванни і формуванню активного вапняно-залізистого шлаку і раннього швидкого окислення фосфо­ру (2[Р]+5(РеО)+3(СаО)->(ЗСаО.Р205)+5[Fе]). Швидке окислення фосфору на початку про­дувки в Кал-До конвертері пов'язане зі значною площею розподілу.

Співвідношення процесів окислення ву­глецю і фосфору при різних способах про­дувки фосфористого чавуну показане на рис. 7.58.

При процесі Кал-До (крива 4) з самого початку продувки створюються вельми сприятливі умови для формування шлаку з високою фосфоропоглинальною здатністю, що забезпечують швидку і повну дефосфо­рацію металу при підвищеному вмісті вуг­лецю. Процесом Кал-До переробляються як фосфористі (1,6-2,2% Р), такі малофосфо-ристі (-0,1% Р) чавуни.

Опишемо технологію переробки фосфо­ристого чавуну в конвертері Кал-До: до за­ливання чавуну завантажують брухт (50-70% загальної кількості) на залишений у конвер­

тері кінцевий шлак і вапно в кількості 55 кг/т сталі. Після заливки чавуну і продувки протя­гом 10-12 хв. додають залишок брухту. Первинний шлак, який містить 18-24% Р205, скачу­ють при вмісті 0,03-0,04% [Р] і 0,3-1% [С]. Після додавання на 1 т сталі по 8 кг вапна і руди ванну продувають до одержання заданого вмісту вуглецю і для загущення шлаку вводять 25 кг вапна.

Кал-До процес, на відміну від ЛД і ЛД-АЦ процесів, характеризується наступними особ­ливостями:

1. малий тиск дуття і подача його під кутом 26° до горизонту обумовлює невелику швидкість і глибину проникнення струменя кисню в метал. Тому домішки окислюються, в основному, через шлак;

2. монооксид вуглецю СО, що виділяється з ванни, допалюється незасвоєним ванною киснем до С02 у межах конвертера, внаслідок чого додаткове надходження тепла дозволяє збільшити кількість руди (до 17%) або брухту (до 48% від маси металевої шихти);

3. обертанням конвертера регулюється перемішування металу і шлаку, що забезпечує ефективне керування перебігом реакцій у ванні;

4. при обертанні конвертера футеровка нагрівається від спалювання СО->С02 вище рівня ванни, який знаходиться в зоні високих температур. Потрапляючи під метал і шлак, перегріта футеровка віддає їм тепло, що дещо знижує швидкість її зносу;

5. об'єм газів, що відходять, у 6-8 разів менший, ніж у звичайних конвертерах, що дозволяє спростити конструкцію і габарити очисних установок.

Переваги Кал-До процесу полягають у наступному:

1. значна частка брухту в металевій шихті (до 45-48%);

2. більш високий вихід рідкої сталі (91-93%);

3. можливість регулювання перебігу реакцій за рахунок поєднання змін швидкості обер­тання, положення фурми і інтенсивності продувки;

4. високий коефіцієнт використання тепла в агрегаті, обумовлений допалюванням СО до С02 в конвертері;

5. глибока десульфурація металу, обумовлена значною кількістю шлаку в конвертер­ній ванні, високим коефіцієнтом розподілу LS;

6) менші капітальні витрати.

Суттєвими недоліками Кал-До процесу є: велика тривалість продувки і циклу плавки, складність конструкцій механізмів обертання конвертера масою 500 т, високі питомі витра­ти вогнетривів, значні питомі капітальні витрати.

7.6.2. Роторний процес

З метою успішного проведення попередніх дефосфорації і десиліконізації чавуну за­стосовують роторний процес. Проте в роторі можна одержувати і сталь. Роторний процес здійснюється в горизонтально розташованому циліндричному агрегаті, що обертається зі швидкістю -0,07 с-1 (рис. 7.59).

Роторні печі використовуються у ряді країн світу. При ємності 60 і 90 т ротори мають відповідно наступні розміри, м: довжину - 14,6 і 14,7; зовнішній діаметр - 3,7 і 4,0; внутріш­ній діаметр - 2,7 і 3,0.

В обох торцевих стінках кожного ротора зроблені отвори діаметром 0,6-0,8 м. Через передній отвір завантажують тверді матеріали і заливають чавун. У цей же отвір вводять водоохолоджувальні кисневі фурми. Через інший отвір, з боку зливу металу і шлаку, відво­дяться гази. У цій же торцевій стінці є сталевипускний отвір і шлакова льотка. Футеровка складається із двох шарів: робочого набивного із смолодоломітової маси і постійного шару з магнезитової цегли.

Перед продувкою в ротор завантажують вапно і залізну руду і заливають рідкий чавун. Потім його повертають у положення продувки, при якому поздовжня вісь розташовується на одній лінії з каретками, які переміщують дві кисневі фурми і димовловлюючий камін.

Через нижню фурму, занурену в метал на глибину близько 250 мм, вводять первинний кисень чистотою 95-99% під надмірним тиском 0,6 МПа з інтенсивністю 4000 м3/год. Через верхню фурму в робочий простір подають розведений азотом вторинний кисень чистотою 70-75% 02 під надмірним тиском 0,3 МПа з інтенсивністю 6000 м3/год. Первинний кисень окислює домішки металу, а верхнє дуття служить, в основному, для допалювання моновуг-лецю СО до С02. Продувка звичайно триває 40-50 хвилин. Завдяки цьому утилізується теп­ло від реакції

При роторному процесі фосфор інтенсивно окислюється, випереджаючи окисленні вуглецю при [С]=2%, [Р]>0,1%. При концентрації вуглецю [С]=2% спускають шлак, пот додають вапно і руду для наведення повторного шлаку.

Після закінчення продувки фосфористого чавуну кінцевий шлак залишають у роторі і використовують в наступній плавці. Шлак, що випускається, містить 18-20% Р205 і викори­стовується як сільськогосподарське добриво.

Раннє окислення фосфору дозволяє виплавляти в роторах високовуглецеві сталі. В них також освоєна виплавка якісних сталей.

У порівнянні з Кал-До процесом роторний процес має наступні недоліки: велику три­валість продувки і плавки (близько 2 год.), громіздке устаткування і нижчі техніко-економіч-ні показники.

Для використання роторного процесу необхідно вирішити питання про значне підви­щення стійкості агрегату, його охолодження.