Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции - 7 семестр.docx
Скачиваний:
31
Добавлен:
22.02.2015
Размер:
540.47 Кб
Скачать
  1. Развитие кислородно-конвертерного производства стали

  2. Конвертер — агрегат для новых процессов

  3. Созданная около 150 лет назад конст­рукция конвертера оказалась очень «живучей». Эта конструкция исполь­зуется в ряде технологий, разработан­ных в последние годы. Приведем не­сколько примеров.

  4. 15.10.1. Вакуумный конвертер. Про­блема сочетания конвертера с вакуум­ной установкой решена при вакуумном кислородном обезуглероживании в конвертере. Процесс назван VODK1. Конвертер (рис. 15.37) оборудован ва­куум-плотной крышкой, через ваку­умное уплотнение которой вводится кислородная фурма. В днище конвер­тера асимметрично установлено сопло для подачи аргона с целью дополни­тельного перемешивания. Вакуум-провод от конвертера вмонтирован непосредственно в камеру внепечного вакуумирования. После заливки полу­продукта наводят шлак (присадками извести и плавикового шпата). Во все периоды плавки через подовую фурму подают аргон. Подачу кислорода пре­кращают при концентрации углерода 0,1-0,2%, затем понижают давление. Кислород, необходимый для окисле­ния углерода, поступает в первую оче­редь из шлака. Снижается окислен-ность ванны, понижается концентра­ция газов в металле.

  5. Технологию и агрегат используют главным образом при производстве низкоуглеродистых марок нержавею­щей стали.

  6. 1 От нем. Vacuum-Oxygen-Decarburi-sation-Konverter, или VODC (от англ converter).

  7. 15.10.2. Конвертер-электропечь. Со­четание преимуществ конвертерного и

  8. электросталеплавильного производств получено при использовании Агсоп-процесса, разработанного фирмой Concast Standard AG, Швейцария. Arcon (Arc in converter) — двухкорпус-ный агрегат, состоящий из конвертера с верхней кислородной продувкой и одноэлектродной дуговой печи посто­янного тока (рис. 15.38). В каждом из корпусов кислородная фурма может быть заменена общим графитизиро- ' ванным электродом и наоборот. Раз­меры корпусов отвечают размерам ти­пового конвертера. Днище каждого корпуса выполнено из электропровод­ных периклазографитовых огнеупоров и имеет подовый пластинчатый мед­ный электрод. Для футеровки стен корпуса использованы периклазографитовые огнеупоры. Выпускное от­верстие расположено в периферийной части токопроводящей подины.

  9. Чугун заливают через горловину корпуса или через желоб в боковое окно в футеровке корпуса. Окно при работе корпуса по режиму дуговой печи используют как для ввода фурм (с целью вдувания извести, угля и кис­лорода), манипулятора, так и для спуска шлака. Общий для обоих кор­пусов графитизированный электрод крепится на электрододержателе, рас­положенном между корпусами со сто­роны выпускного отверстия. Кисло­родные фурмы, отдельные для каждо­го из корпусов, имеют дополнитель­ные боковые сопла для вдувания кислорода на дожигание СО техноло­гических газов.

  10. Рис. 15,37. Вакуумный конвертер

  11. Рис. 15.38. Конвертер-электропечь:

  12. о —схема двухкорпусного агрегата Arcon; б — технологические операции и их продолжительность по ходу плавки в агрегате Arcon (7 —отвод электрода; 2— выпуск плавки; 3 — текущий ремонт; 4— заливка чугуна; 5— кислородная продувка; б—дуговой нагрев; 7— рафинирование; 8— поворот электрода к корпусу № 2; '

  13. 9— поворот электрода к корпусу № I)

  14. Электрическое питание агрегата осуществляют с использованием шес-типульсного выпрямительного блока, обеспечивающего подвод тока силой до 80 кА. Подстанция с печным транс­форматором и выпрямительным бло­ком расположена рядом с агрегатом. Помещение для управления работой корпусов общее, однако каждый кор­пус оснащен самостоятельным комп­лексом контрольно-измерительных приборов.

  15. Агрегат Arcon имеет производи­тельность 1,6 млн. т/год. В качестве ме-таллошихты используют жидкий чугун (40 %), гранулированный чугун (5 %) и горячебрикетированное губчатое же­лезо (55 %). Масса выпускаемой плав­ки 170 т, продолжительность работы агрегата 7300ч в год (170т стали вы­пускают каждые 46 мин). Цикл работы агрегата составляет 92 мин. Согласно технологии в плавке используется ос­тавленный от предыдущей плавки жидкий расплав массой 50 т, т. е. вмес­тимость каждого корпуса 220 т жидкой стали. График одновременной работы корпусов показан на рис. 15.38, б.

  16. После выпуска плавки (по времени занимает 5 мин) корпуса № 1 предус­мотрено время на осмотр и текущий ремонт шиберного затвора, выпускно­го отверстия и т. п. На оставшуюся от предыдущей плавки жидкую массу стали и шлака загружают ферроалю-

  17. миний или ферросилиций для предот­вращения вскипания ванны при пос­ледующей заливке чугуна. Затем через желоб заливают 75 т чугуна, выводят желоб, закрывают боковое окно, по­ворачивают кислородную фурму, опускают ее в рабочее пространство и начинают продувку кислородом с ин­тенсивностью 12 тыс. м3/ч.

  18. По ходу продувки (в течение 27 мин) через горловину непрерывно загружают горячебрикетированное губчатое железо (35 т), гранулирован­ный чугун (Ют), известь и доломит. По окончании продувки фурму под­нимают, отворачивают в сторону и на •ее место подводят электрод от корпуса № 2. Электрод опускают в рабочее пространство, зажигают дугу и прово­дят дуговой нагрев ванны в течение 37 мин при подводимой мощности 60 МВт. По ходу дугового нагрева не­прерывно загружают 70 т горячебри-кетированного губчатого железа. Че­рез боковое окно с помощью фурм ма­нипулятора вдувают порошкообраз­ные известь, доломит и уголь для формирования вспененного шлака. Затем на 7 мин снижают подводимую мощность до 10 МВт и скачивают шлак. Перед выпуском плавки элект­род поднимают и переводят на корпус № 2, где в это время заканчивается продувка ванны кислородом.

  19. При такой работе на производство 1 т стали расходуется Электроэнергии 225 кВт • ч, кислорода 45 м3, электро­дов 0,7 кг.

  20. 15.10.3. Конвертер-газогенератор. В конвертер вводят (вдувают в струе природного газа) угольную пыль. От­ходящие газы содержат значительное количество СО и некоторое количе­ство Н2. Газы улавливают и использу­ют главным образом в качестве топли­ва. Подробнее материал изложен в гл. 25.

  21. 15.10.4. Конвертер — агрегат жидко-фазного восстановления. В конвертер вместе с жидким чугуном загружают руды, содержащие оксиды ценных ме­таллов (хрома, никеля и др.) или желе­зосодержащие отходы металлургичес­кого производства. Процесс организу­ют таким образом, что происходит восстановление оксидов. В России процесс жидкофазного восстановле­ния железа в конвертере используют на Западно-Сибирском металлурги­ческом комбинате. Так, например, в 160-т конвертер загружают 145,3т чу­гуна (жидкого), 15т окалины, 3 т кок­са. Получают 150,3т жидкой стали. Масса металлического расплава воз­росла в результате жидкофазного вос­становления железа, содержавшегося в окалине.

  1. Разновидности кислородно-конвертерного процесса

  1. Основные физико-химические закономерности

  1. Физико-химические константы элементов при выплавке стали

  1. Закон постоянства состава

  1. Закон действующих масс

Закон дей­ствующих масс, согласно которому скорость реакции веществ А, В, С,... пропорциональна произведению их концентраций.

  • Закон действующих масс. Известно, что скорость протекания реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ.

Рассмотрим реакцию: A + BC +D.

Скорость прямой реакции определяется следующим соотношением:

V1 = K1CACB,

где K1 — константа скорости реакции;

CA и CB — концентрации реагирующих веществ А и В.

Скорость обратной реакции определяется

V2 = K2CCCD,

где К2 — константа скорости обратной реакции;

СС и СD — концентрации продуктов реакции С и D.

Равновесие данной реакции наступает в том случае, когда V1 = V2 или

K1CACB = K2CCCD

K1 / K2 = CCCD / (CACB) = К,

где К — константа равновесия реакции, зависящая от природы исходных веществ и продуктов реакции, температуры и не зависящая от концентрации реагирующих веществ.

Если в реакциях участвуют несколько молекул веществ, то в общем виде константу равновесия реакции mA + nBpC + qD можно написать в следующем виде:

KC = [С]р [D]q / [А]m [В]n.

В состоянии равновесия отношение произведения концентрации продуктов реакции к произведению концентраций исходных веществ есть величина постоянная при данной температуре. В этом заключается содержание закона действующих масс, справедливого для однородных систем.

Концентрации газообразных веществ могут заменяться соответствующими парциальными давлениями.

  1. Принцип смещения равновесия.

Принцип смещения равновесия. Если система, находящаяся в равновесии, будет подвергнута внешнему воздействию, то в ней произойдут изменения, противодействующие этому воздействию, и система будет стремиться восстановить первоначальные условия. Внешними воздействиями могут быть изменения температуры, давления или концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции.

При повышении температуры равновесие реакции, протекающей с поглощением тепла, сдвигается в сторону увеличения продуктов реакции. Понижение температуры сдвигает равновесие реакции в сторону увеличения реагирующих веществ. Сдвиг равновесия в обоих случаях будет происходить до тех пор, пока не установится новое равновесие при данной температуре.

При протекании реакции между газообразными веществами повышение давления при постоянной температуре способствует сдвигу равновесия в сторону уменьшения объема реагирующих веществ или продуктов реакции. Понижение давления способствует увеличению объема продуктов реакции или реагирующих веществ. Например, равновесная реакция 2СО + О2 ↔ 2СО2 при повышении давления сдвигается вправо (т.е. в сторону уменьшения объема), а при понижении давления — влево (т.е. в сторону увеличения объема).

Если в реакции реагирующие вещества и продукты реакции занимают одинаковые объемы, то изменение давления не вызывает сдвига равновесия. Увеличение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции сдвигает равновесие в противоположную сторону.

  1. Химическое сродство в металлургических процессах

Спо­собность веществ вступать в химичес­кое взаимодействие называют хими­ческим сродством. Изменение энергии Гиббса используют для определения меры химического сродства веществ. Константа равновесия Кр характеризу­ет степень протекания реакции в ту или иную сторону. Поскольку Δ G° = o -T ° иΔ G° = -RTlnKp, то -RT\nKp = kH°-TAS°, откуда RlnKp = о°/Т. Отсюда видно, что чем больше величина ° и чем меньше°/Т, тем полнее идет реакция. Из уравнения видно также, что чем выше температура, тем большее значение имеет величина ° (энтропийный фактор) и меньшее°/Т(энтальпийный фактор).

При производстве стали протекают процессы окисления железа и его при­месей (углерода, кремния, марганца) с образованием соответствующих окси­дов (СО, SiO2, MnO). Способность железа и его примесей окисляться, т. е. химическое сродство к кислороду, часто выражают при помощи давле­ния диссоциации оксидов. Давление диссоциации1 в данном случае пред­ставляет собой давление кислорода РО2 при равновесии системы кисло­род—оксид:

Me + О2 = МеО2,

Kp = aMeO2 /(aMePо2 ).

В случае чистых металла и оксида а Mе02=l и аМе= 1,т. е.

Кр=1/р О2 и ΔG º=RТlnPo2.

Таким образом, давление диссоци­ации является мерой прочности окси­да: чем меньше эта величина, тем прочнее оксид. Процессы окисления примесей в сталеплавильной ванне с использованием понятия давления диссоциации их оксидов исследованы акад. М. М. Карнауховым. Вычислен­ные им давления диссоциации окси­дов в зависимости от изменения тем­пературы при различных концентра­циях того или иного компонента широко используют в металлургичес­кой литературе. Если металлы и их ок­сиды находятся в растворе, а не в сво­бодном состоянии, то давление диссо­циации зависит от активности растворенных веществ:

Если металл и его оксид находятся в стандартном состоянии, т. е. актив­ности их могут быть приняты равны­ми единице, то ро2p = рo. Таким образом, в общем случае

т. е. давление диссоциации прямо пропорционально активности данного оксида в растворе и обратно пропор­ционально активности растворенного компонента.

  1. Процессы шлакообразования

Процесс образования шлака протекает во времени. С определенной скорос­тью идут процессы окисления приме­сей шихты и образования соответ­ствующих оксидов; продолжительны процессы прогрева и расплавления загруженных в агрегат кусков желез­ной руды, извести и т. д.; процессам расплавления предшествуют процессы разложения карбонатов и гидратов, из которых часто состоят шлакообразующие материалы, и т. д. Расход шлакообразующих материалов определяют расчетом, выполняемым с учетом со­става шихтовых материалов, самих шлакообразующих добавок и того шлака, который желательно получить в процессе шлакообразования.

Скорость шлакообразования, т. е. скорость перехода всех составляющих шлака в жидкий гомогенный раствор, зависит от многих факторов: темпера­туры ванны, состава первичного (об­разующегося в начале плавки) шлака, интенсивности перемешивания ван­ны, размеров кусков шлакообразую­щих материалов, порядка их загрузки и т. д. Производительность современ­ных сталеплавильных агрегатов очень велика (> 500 т/ч); продолжительность собственно продувки в современном конвертере < 20 мин; на 1 т стали об­разуется -0,15 т шлака. Это означает, что в считанные минуты формируется шлак массой в несколько десятков тонн. Если не принять специальных мер, то может оказаться, что операция плавки закончилась, а шлак требуемо­го состава сформироваться не успел, вредные примеси удалены не полнос­тью и т. д.

Для ускорения шлакообра­зования прибегают к специальным приемам:

  • оставляют в агрегате жидкий конечный шлак предыдущей плавки;

  • используют предварительное смеше­ние или спекание шлакообразующих;

  • искус­ственно перемешивают шлак с метал­лом;

  • вдувают в металл шлакообразующие в порошкообразном состоянии;

  • вводят добавочные материалы,

  • снижа­ющие температуру плавления шлако­образующих материалов,

  • и т. п.

  1. Источники шлака в конвертерном процессе

  1. Шлакообразующие оксиды

Оксиды, образующие шлак, в соответствии с их химическими свойствами, могут быть разделены на три группы:

  • кислотные: SiO2, Р2О5, TiO2, V2O5;

  • основные: СаО, МgО, FеО, МnО, К2О, Nа2О;

  • амфотерные*: Аl2О3, Fе2О3, Сr2О3.

Оксиды, которые ведут себя в основной среде как кислотные, а в кислотной − как осноаные, называются амфотерными.

В состав шлака могут входить оксиды в свободном состоянии и оксиды в химически связанном состоянии. Основные оксиды соединяются с кислотными и амфотерными оксидами, образуя соответствующие соединения, главными из которых являются:

  • силикаты: СаОSiO2, FеОSiO2, (FеО)2SiO2, (СаО)2SiO2, МnОSiO2, МgOSiO2;

  • фосфориты: (FеО)3Р2O5, (CaО)3Р2O5, (МnО)3Р2О5, (СаО)4Р2O5;

  • алюминаты: FеОАl2О3, СаОАl2О4, МgОАl2O3;

  • ферриты: СаОFе2О3, FеОFе2О3.

  1. Состав шлака

В состав шлака могут входить оксиды в свободном состоянии и оксиды в химически связанном состоянии. Основные оксиды соединяются с кислотными и амфотерными оксидами, образуя соответствующие соединения, главными из которых являются:

  • силикаты: СаОSiO2, FеОSiO2, (FеО)2SiO2, (СаО)2SiO2, МnОSiO2, МgOSiO2;

  • фосфориты: (FеО)3Р2O5, (CaО)3Р2O5, (МnО)3Р2О5, (СаО)4Р2O5;

  • алюминаты: FеОАl2О3, СаОАl2О4, МgОАl2O3;

  • ферриты: СаОFе2О3, FеОFе2О3.

Кроме оксидов, в состав шлака входят сульфиды СаS, МnS, FeS.

В зависимости от преимущественного содержания основных или кислотных оксидов, шлаки сталеплавильных процессов делятся на основные и кислые. Шлаки, в которых преобладают основные оксиды (СаО, МgО, МnО, FеО) называют основными; шлаки, в которых преобладают кислотные оксиды (SiO2), — кислыми.

Шлаки в среднем содержат:

  • основные: 35-60% (СаО + МgО); 10-25% FеО; 15-30% SiO2; 5-20% МnО;

  • кислые: 45-60% SiO2; 35-45% (FeO + MnO).

Шлаки с содержанием:

СаО=35−40% и SiO2=25−30% называются низкоосновными ;

СаО=40−35% и SiO2=20−25% называются шлаками средней основности;

СаО=45−50% и SiO2=15−20% называют высокоосновными.

  1. Основность шлака

Основность шлака определяет важнейшее свойство шлака — способность извлекать из металла такие вредные примеси, как сера и фосфор, и удерживать их в шлаке.

  1. Окисленность шлака

Под окисленностью шлака понимают способность шлака передавать металлу кислород. В одних случаях этот кислород необходим для окисления примесей ванны (например, углерода), в других, наоборот, переход кислорода из шлака в металл не допускается, поэтому окисленность шлака тщательно контролируют. Основным окислителем при взаимодействии металла со шлаком является монооксид железа (FеО).