7.9. Продувка хромовмісних чавунів

При використанні руд деяких родовищ одержують хромонікелеві чавуни наступного складу, %: 3,8-4,5 С; 2-3,6 Сr; 0,5-1,5 Ni; 0,5-1,5 Si; 0,2-1 Mn; 0,3-0,4 Р; до 0,08 S. Найцін-

нішим компонентом у цих чавунах є нікель - дорогий легуючий елемент, що не окислюється у перебігу сталеплавильного процесу і практично повністю переходить у сталь.

У зв'язку з підвищеним вмістом фосфору такий чавун необхідно рафінувати в основ­них сталеплавильних агрегатах, і хром окислюється переважно до Сr203, який, з'єднуючись з FеО, утворює твердий (температура плавлення близько 2200°С) хроміт заліза FеО.Сr203, котрий підвищує в'язкість шлаку. Тому свого часу найдоцільнішою системою переділу хро­монікелевого чавуну вважався дуплекс-процес бесемерівський конвертер - основна мар­тенівська піч. В конвертері чавун звільняється від значної частини хрому, а отриманий вуг­лецевий напівпродукт доводиться до готової сталі в мартенівській печі.

Хром окислюється з утворенням хроміту заліза за наступною реакцією:

де f[Cr] - коефіцієнт активності хрому; а(feO) - активність оксидів заліза у шлаку.

Результати розрахунків показують, що хімічна спорідненість хрому до розчиненого в залізі кисню приблизно така ж, як і марганцю, і що для об'ємного окислення хрому необхід­но, щоб вміст кисню в металі був набагато більший за фактичний. Таке [О] можливе лише на поверхні розподілу метал-шлак (при порівняно високій а(FeO) і у вторинній реакційній зоні.

Рівноважні концентрації в металі хрому слід розраховувати за рівнянням (7.11). За цим же рівнянням можна визначити рівноважну а(Fе0) для даного [Сr]. Так, наприклад, при T=1873 К, [Сr]=1%, f[Cr]=1 хром на межі метал-шлак окислюватиметься, якщо а(FeO)=0,33 мольних часток (при а(FeO) =2,5 (FеО)=0,13 мольних часток).

У зв'язку з екзотермічністю реакції (7.10) КСr зростає зі зниженням температури, (оки­слення хрому відбувається одночасно з окисленням марганцю в першому періоді продувки.

На Новотульському металургійному заводі були проведені дослідження по дехромації чавуну в конвертері з основною футеровкою при подачі кисню зверху. Була випробувана технологія виплавки вуглецевого малофосфористого напівпродукту із чавуну, що містить 2,5-3,0% Сr, 1,2% Sі і близько 0,3% Р. Напівпродукт призначався для подальшого переділу в мартенівській печі.

У конвертер обсягом 8,14 м3 заливали 7-9 т чавуну. Перед зливанням чавуну заванта­жували вапно (5-6% від маси чавуну), залізну руду додавали в процесі продувки. На 5-6 хв. скачували шлак, що містить більше 12-13% Сr203 і 25% Fезаг Для наведення другого шлаку додатково присаджували вапно (5-6% від маси чавуну) і продовжували продувку. Отриман­ня низького вмісту фосфору в напівпродукті, не більше 0,08%, вимагало додаткового ска­чування шлаку. Для досягнення вмісту фосфору менше 0,05%, шлак необхідно було скачу­вати 2-3 рази.

Дослідні плавки дали наступні результати: питомі витрати вапна - 9-11%, залізної руди - 5,8-6,5%, скрапу - 1,8-3,5% від маси чавуну; середня тривалість продувки -19-20 хв., питомі витрати кисню - 60-65 м3/т чавуну; середній вихід рідкого напівпродукту - 81%.

У плавках із вмістом фосфору в напівпродукті менше 0,05% залишковий вміст хрому в металі склав в середньому 0,43%, а вміст заліза у шлаку (Fезаг) - 26,5%. У плавках із вміс­том фосфору більше 0,05% було отримано 0,89% Сr і 22,5% Fезаг.

Випробувана технологія дехромації чавуну (2,5-3,0% Сr; 0,7-0,9% Ni) для одержання низьколегованої сталі з 0,8-1,0% Ni. Кисень чистотою 92-96% подавали зверху через водо-охолоджувану фурму. Витрати кисню в процесі продувки при заливці чавуну 7-9 т змінюва­лися від 40-45 до 30-31 м3/хв. Половину необхідної кількості вапна давали перед зливом чавуну, другу половину - після проміжного скачування шлаку. Працювати без проміжного

скачування шлаку виявилось нераціонально внаслідок великої кількості шлаку, що утво­рюється в процесі плавки і значних втрат заліза у шлаку, обумовлених високим вмістом в ньому оксидів заліза. Охолоджуючі присадки (залізна руда, скрап) давали в процесі про­дувки.

Для досліджень застосовувалися чавуни, що мали в середньому такий склад: 2,70% Сr; 1,18% Si; 0,60% Мn. Витрати вапна складали 11-13% від маси чавуну, а залізної руди і скрапу в перерахунку на руду - 9-10%, питомі витрати кисню - 70-85 м3/т чавуну, середня тривалість продувки - близько 17 хв., вихід рідкої сталі - 81,5%, вміст Сr203 у шлаку - 12-13%; середній вміст Fe3ar у шлаку - 20,0%; середній вміст азоту в сталі - 0,0070%.

Необхідну кількість нікелю, якого не вистачає, і мідь присаджували в конвертер перед продувкою. Ферохром і феросиліцій давали на дно сталерозливного ковша і заздалегідь там підігрівали. Феромарганець давали у ківш в процесі випуску металу з конвертера.

Для промислового застосування киснево-конвертерного переділу хромонікелевих ча­вунів з метою одержання низьколегованої сталі необхідні подальші дослідження з пошуку технологічного режиму, що забезпечує достатньо високі техніко-економічні показники.

7.10. Безперервний сталеплавильний процес 7.10.1. Теоретичні основи

Можливість використання безперервного сталеплавильного процесу давно цікавить дослідників і винахідників. Безперервний сталеплавильний процес повинен відповідати ряду теоретичних залежностей, які визначають, в тій чи іншій мірі, схему процесу.

Швидкість безперервного сталеплавильного процесу залежить від швидкості окислю­вального рафінування від домішок і визначається законами масопереносу. Чим швидше здійснюється масоперенос, тим вищою може бути продуктивність технології, що вивчаєть­ся.

Теорія масопереносу в безперервних технологічних агрегатах різного типу розроб­лена рядом учених - Steinmetz Е., Van der Lean, Tring N.W. та ін. Початок теорії масоперено­су в рідинах, що не змішуються, - металі і шлаку покладено в роботах В.А. Кравченка, В.І. Баптизманського, Ю.М. Яковлєва та ін. Об'єктом досліджень є взаємозалежність між ступенем рафінування металу, що досягається в агрегаті того чи іншого типу, продуктивні­стю агрегату і витратами рафінуючих матеоіалів.

де Сo - вміст домішок в початковому металі, г/см3; V* - об'єм шлаку в агрегаті, см3; L - тер­модинамічний коефіцієнт розподілу домішок; B - коефіцієнт масопереносу в металі, см/с; V - об'єм металу в агрегаті, см3; S - поверхня розподілу між металом і шлаком, см2; C - кон­центрація домішок в об'ємі металу; т - час, с.

Рівняння (7.12) може бути використано для визначення взаємозв'язку між досягнутим ступенем рафінування, продуктивністю і витратами рафінуючих матеріалів у періодичному конвертерному процесі.

При т = ткш (тш - час закінчення процесу) можна виразити формулами ступінь рафі­нування і продуктивності ппоцесу R.

Продуктивність процесу визначається двома групами чинників: гідродинамічними (B-S) і концентраційними (С-Сд) (Сд - концентрація домішок на межі метал-шлак). Гідро­динамічні чинники пов'язані з умовами перемішування металу і шлаку, а концентраційні -визначаються схемою процесу. Величина Я визначається лише концентраційними чинника­ми і, отже, може служити критерієм для оцінки ефективності різних схем процесу, в тому числі і для стаціонарної' стадії безперервного процесу, коли концентрація домішок у кожній точці ванни встановлюється на постійному рівні.

Для прикладу можна використати модель наступного безперервного сталеплавиль­ного процесу конвертерного типу: в реторту конвертера безперервно подають рідкий чавун і рідкий шлак, а продукти процесу безперервно виводять із реторти; концентрація домішок у всіх точках ванни залишається незмінною. Для такого процесу баланс за схемою можна представити у вигляді:

де m - vL/у.

Порівняння ефективності процесів ідеального зсуву періодичної і безперервної дії пред­ставлено на рис. 7.64. При будь-якій величині R ступінь рафінування металу в періодичному процесі вищий, ніж у безперервному.

У безперервному агрегаті весь час протікає заключна, найпродуктивніша стадія періо­дичного процесу. Для того, щоб за ефективністю безперервний процес був не нижчий від періодичного, необхідно різні стадії рафінування розділити у просторі. Це можна зробити,

організувавши рафінування під час протікання металу по жолобу або використавши з цією ме­тою кілька реакторів, за умови, що метал і шлак безперервно перетікають з одного в інший.

В моделі ідеального витіснення з вико­ристанням схеми жолобного типу дифузія компо­нентів уздовж напряму руху реагуючих фаз відсут­ня, а в напрямку, нормальному до їхнього руху, градієнти концентрацій в кожній із фаз дорівню­ють нулю. З деяким наближенням процесами іде­ального витіснення можна вважати і такі, в яких дифузійне переміщення існує, але швидкість його набагато менша за швидкість руху металу або шлаку. Метал і шлак можуть рухатися в одному напрямі або в протилежних.

Загальний аналіз рівнянь (7.19) і (7.21) показує принципову відмінність між процесами з протитечією і паралельним рухом металу і шлаку. Ясно, що максимальний рівень рафіну­вання досягається при мінімальній продуктивності. Із рівняння (7.19) випливає, що при R=0 величина (ф обмежена рівнянням:

і може дорівнювати нулю лише при m = 8. Для випадку протитечії з рівняння (7.21) випли­ває, що при R=0; (ф = фmin = 0 при будь-якому m , тобто в цьому випадку можливе досягнен­ня будь-яких низьких концентрацій домішок, що видаляються. Переваги протиточного про­цесу суттєві у всьому діапазоні змін аналізованих величин і збільшуються при зменшенні R.

Протиточний режим руху металу і шлаку можна організувати лише при безперервному процесі, і ця умова є однією з найважливіших переваг безперервних процесів перед періо­дичними.

При протиточному режимі руху металу і шлаку рафінуючий обсяг шлаку різко зростає в порівнянні з прямоточним рухом. Шлак, що видаляється з агрегатів безперервної дії, за інших однакових умов в першому випадку виносить набагато більше домішок, які видаля­ються. Це пояснюється тим, що в міру просування шлаку до випускного отвору одночасно зі збільшенням вмісту домішок, що видаляються, у шлаку збільшується вміст цих домішок в металі. Тому швидкість переходу домішок з металу у шлак не знижується або знижується в меншій мірі, ніж у разі паралельного руху металу і шлаку. При протитечії металу і шлаку можна одержувати досить низький вміст шкідливих домішок у рафінованому металі, а та­кож низький вміст оксидів заліза у шлаку, що досить важливо для показників ефективності безперервного процесу.

При сильному перемішуванні градієнти концентрацій домішок у напрямі руху металу і шлаку можуть стати рівними нулю, а процес, незважаючи на те, що він проходить на жолобі

в умовах протитечії металу і шлаку, нічим не відрізнятиметься від процесу ідеального пе­ремішування.

Реальні безперервні сталеплавильні протиточні процеси жолобного типу найбільш близькі до моделі дифузійного переміщення домішок в металі і шлаку уздовж жолоба.

Баланс швидкостей потоків домішок у виділеному Об'ємі металу (рис. 7.66) вже не описується рівнянням

Спосіб розв'язання системи рівнянь (7.26) залежить від значення безрозмірних вели­чин р і р^S.

При будь-яких значеннях цих величин розв'язання системи (7.26) можна одержати чи­сельно.

В результаті розв'язання цієї системи виходить рівняння (7.21), тобто в цьому випадку ми маємо систему ідеального витіснення з протитечією.

При зменшенні величин рS або р, що рівнозначно підвищенню ступеня перемішування відповідної фази, ефективність процесу знижується, причому тим більше, чим менша вели­чина р.

При великих значеннях pS або р безперервний процес ефективніший від періодичного процесу ідеального перемішування. При деяких середніх значеннях рS або р, коли ефектив­ності порівнюваних безперервного і періодичного процесів близькі, безперервний процес ефективніший від періодичного при малих R і, навпаки, періодичний процес ефективніший за безперервний при великих R. При малих значеннях р або ps періодичний процес ефектив­ніший за безперервний, незалежно від значення R.

Ефективність порівнюваних безперервних процесів залежить від значень р і рS.

Математичні вирази, наведені вище, дозволяють чисельно, хоча й приблизно, оцінити ефективність різних варіантів безперервних процесів. Найбільш повно на сьогоднішній день вивчений процес видалення сірки з металу при безперервних сталеплавильних процесах. Ефективність усіх безперервних процесів, за винятком процесів з протитечією металу і шлаку, нижча за ефективність періодичного процесу ідеального перемішування.