2.2 Технология выплавки стали Дуплекс-процессом

Дуплекс-процесс – двухстадийный процесс переработки ванадиевого чугуна в сталь по технологической схеме «конвертер – конвертер».

Ванадиевый чугун, подлежащий переработке на ванадиевый шлак и металл-полупродукт, должен содержать, %:

кремний ………………………………………………………….. 0,05 – 0,10;

марганец, не более ……………………………………..……….. 0,30;

сера, не более .…………………………………………………… 0,030;

ванадия .……………………………………………………………0,35 – 0,50;

фосфор .…………………………………………………………… 0,050.

Важнейшей задачей передела ванадиевых чугунов является получение ванадиевых шлаков с максимально возможным содержанием V₂O₅ (14-20%) при возможно полном извлечении ванадия из металла.

Условия перехода ванадия в шлак при продувке в конвертере с основной футеровкой можно выяснить, рассмотрев реакцию:

2[V] + 5(FeO) = (V₂O₅) + 5Fe

∆H = - 331,0 кДж/моль

Ввиду экзотермичности этой реакции, для более полного перехода ванадия в шлак процесс должен идти при низкой температуре и повышенной окисленности шлака. Это соображение положено в основу технологии передела ванадиевых чугунов в конвертерах НТМК дуплекс-процессом: в первой стадии из чугуна получают ванадиевый шлак и металл-полупродукт, а во второй из полупродукта сталь. Первая стадия является самой ответственной, главной ее задачей является максимальный перевод ванадия в шлак с целью получения в нем возможно высокого V₂O₅. С этой целью необходимо выполнение следующих условий:

1. Использование ванадиевого чугуна с возможно низким содержанием кремния (0,2-0,3%), так как его высокое содержание снижает V₂O₅ в шлаке из-за увеличения его количества. Кроме того, повышенное содержание кремния способствует увеличению температуры процесса.

2. Недопущение использования стального скрапа, так как это приводит к снижению содержания ванадия в шихте и, следовательно, к уменьшению V₂O₅ в шлаке.

3. Ведение процесса без флюсующих добавок с целью уменьшения количества шлака и повышения в нем V₂O_5.

4. Использование в качестве охладителей только твердого ванадиевого чугуна и окалины.

5. Ведение процесса при низких температурах (1350-1400°С).

6. Проведение процесса деванадации только в одном каком-то конвертере, не допуская поочередного проведения в агрегате первой и второй стадий процесса.

Это связано со следующими обстоятельствами:

- оставшийся в конвертере после плавки на сталь шлак увеличивает выход товарного шлака после деванадации, что приводит к снижению V₂O₅ в нем;

- оксид кальция оставшегося шлака образует с V₂O₅ прочный ванадат кальция (3СаО* V₂O₅), что усложняет процесс извлечения ванадия при дальнейшей переработке шлака.

С учетом изложенного процесс ведения плавки предусматривает следующие этапы. В конвертер загружают чушковый ванадиевый чугун в количестве 12% от массы жидкого чугуна для обеспечения холодного начала плавки. В начале продувки присаживают около 5% окалины. Продувку ведут при высоком положении фурмы, продолжительность I стадии 7-10 мин; удельный расход кислорода 14 - 18 м3/т чугуна.

Состав полупродукта, %:

3,2-3,8 С,

0,02-0,04 V,

0,05-0,12 Р,

0,012 - 0,06 S;

температура < 1420°С.

Ванадиевый шлак имеет следующий состав, %:

14-20 V₂O₅,

15-20 SiO₂,

33-44 Fe_общ.

Степень извлечения ванадия из чугуна составляет 85-90%. Основными факторами, влияющими на степень извлечения ванадия являются температура ванны и окисленность шлака.

Ванадиевый шлак отделяют от полупродукта. Путем слива полупродукта в ковш через сталевыпускное отверстие и отправляют для получения феррованадия.

Десульфурация металла-полупродукта происходит на установке десульфурации металла в конвертерном отделении.

Хотя термодинамические условия для удаления серы из чугуна более благоприятны, чем металла-продукта, данная технология оказалась более предпочтительной в связи с меньшими капитальными затратами, более высокой производительностью процесса десульфурации и меньшими потерями ванадиевого шлака. Было показано, что эффективность десульфурации полупродукта зависит от скорости вдувания реагентов (флюидизированная известь и гранулированный магний) и продолжительности скачивания шлака из установки десульфурации на завершающей стадии процесса.

Установка десульфурации металла. Позволяет снизить содержание серы в металле-полупродукте до 0.001-0.002%. Металл-полупродукт загружается в продувочную камеру и закрывается колпаковой тележкой. Фурма опускается в ковш и начинается продувка Ar и N. Газ несет с собой различные десульфурирующиеэлементы такие как гранулированный магний и флюодезированную известь. Эта известь обработана специальными маслами и придает металлу жидкотекучесть. Также известь выполняет функцию защиты от возгорания или взрыва магния. Десульфурация идет по следующей реакции:

[Mg] + [S] = (MgS)

Вторая стадия начинается с того что обессеренный металл-полупродукт вновь поступает в конвертер, жидкий полупродукт заливают в наклоненный конвертер через отверстие горловины с помощью мостового крана из заливочного ковша. Количество заливаемого полупродукта 167,57т.

Закончив заливку полупродукта конвертер устанавливается в вертикальное положение и полость конвертера вводится кислородная фурма. При достижении горловины конвертера автоматически включается подача кислорода до 400 м³/мин. Положение фурмы по ходу продувки меняется. Фурму вначале продувки для ускорения шлакообразования устанавливают в повышенном положении (4,8м). Это необходимо для быстрого образования первичного железистого шлака. Такой состав шлака способствует быстрому растворению извести и удалению фосфора, т.к. обеспечиваются все благоприятные условия (↑FeO, ↑CaO,↓t). Через 2-4 мин. Фурму опускают до оптимального уровня (1,0-2,5м). Расход кислорода на продувку составляет 5009м³, а продолжительность продувки 13,32 мин.

Момент окончания продувки определяется по количеству израсходованного кислорода и визуально по виду пламени.

С началом продувки производятся присадки шлакообразующих материалов:

1 порция: извести 2408 кг, АглMn502 кг. ОКД 902кг, ФОМИ 502;

2 порция: известь 1200кг, доломит 557кг;

3 порция: ВМФ 2105кг.

После отдачи последней порции шлакообразующих материалов через донные фурмы подается инертный газ(аргон) в течение 3-5 мин.

Окончив продувку, из конвертера выводят фурму, а конвертер наклоняют в горизонтальное положение, через Головину конвертера отбирают пробу металла, посылая ее на анализ, и замеряют температуру термопарой погружения. На отбор и анализ затрачивается 2-3 мин.

Получены результаты анализа. В случае не соответствия химсостава производят присадку материалов и корректирующие операции, при избыточном содержании углерода проводят кратковременную додувку при повышенном положении фурмы, что вызывает окисление железа с выделением тепла, нагревающего ванну, при излишне высокой температуре в конвертер вводят охладители: легковесный лом руду, известняк, известь, делая выдержку после их ввода в течении 3-4 мин. Температура металла перед сливом 1600-1650⁰С. Додувка крайне не желательна т.к. это дополнительные затраты.

Выпуск плавки производится только при наличии свободного крана и готовности ВОС и МНЛЗ. Металл выпускают в сталеразливочный ковш через летку без шлака. Это достигается благодаря тому, что в наклоненном конверторе у летки располагается более тяжелый металл, препятствующий попадание в нее находящегося сверху шлака. Такой выпуск исключает перемешивание металла с шлаком в ковше и переход из шлака в металл фосфора и FeO. На струю металла при наполнении ¼ или 1/3 ковша отдают ферросплавы: FeSi – 182кг, SiMn - 1201кг. Для быстрого растворения ферросплавов и уравнивания химсостава производят продувку инертным газом (аргон). Заканчивается отдача ферросплавов при наполнении ковша на 2/3, затем на зеркало металла в ковш присаживаются утепляющие смеси (перлито-углеродистая смесь или смесь извести и плавикового шпата). Выпуск длится 3-7 мин.

Основной задачей раскисления и легирования является удаление избыточного кислорода и получение заданного химического состава, а также для получения физико-химических и механических свойств. Легирующие элементы помещают в ковш, заполненный на 2/3 или на струю металла при его выпуске.

Слив шлака в шлаковый ковш ведут через горловину, наклоняя конвертер в противоположную от летки сторону (слив через летку не допустим т.к. шлак будет растворять футеровку летки). Слив шлака длится 2-3 мин, общая продолжительность плавки 40-50 мин.