книги из ГПНТБ / Квитко, М. П. Кислородно-конвертерный процесс

значительный разброс опытных данных относительно теорети­ ческой кривой. Разброс определяется многими факторами, не находящими отражения в выражении константы равновесия: основностью шлака, скоростью окисления углерода и его содержа­ нием, неточностью измерения температуры и др. Особенно велик разброс для плавок, проведенных с чугуном, содержащим менее 0,8% Мп, что объясняется очень небольшим содержанием марганца в металле перед раскислением (не более 0,09% для кипящих ста­ лей) и большими ошибками определения Кмп- Именно поэтому связь между /Смп .и температурой в этом случае отсутствует и из дальнейшего рассмотрения исключается.

^Мп

Рас. 47. Зависимость показателя распределения марганца между металлом и шлаком /СМп от температуры металла для чугуна различного состава и различ­

ных марок стали:

Во всех остальных случаях зависимость Кмп от температуры проявляется достаточно отчетливо, и фактические данные не слиш­ ком значительно отклоняются от теоретических. Хорошее совпаде­ ние фактических значений Хмп с расчетными наблюдается лишь при очень высоких температурах, весьма редких даже в условиях опытного конвертера. Практически можно считать, что в конце плавки фактические значения Кмп не соответствуют равновесным, хотя отклонения весьма невелики.

Интересно отметить, что при высоком содержании марганца в металле, малых концентрациях углерода и невысоких скоростях его окисления в конце плавки (передел высокомарганцовистых чугунов, кипящая сталь) во всем интервале температур фактиче­ ские значения К ш выше расчетных, что свидетельствует о наличии ярко выраженных окислительных условий. Более высокие кон­ центрации углерода отвечают менее резко выраженным окисли­ тельным условиям ([С] — более 0,18%, передел среднемарганцо­ вистого чугуна) и меньшим значениям. Кмп- Особенно эта законо­ мерность заметна при сравнении зависимостей Кмп от темпера­ туры для рельсовой и кипящей сталей; при выплавке рельсовой стали отклонения от равновесия особенно велики. .Исходя из этого,

можно сделать вывод, что расчет концентраций марганца по из­ вестным термодинамическим соотношениям возможен без значи­ тельных ошибок только при низком содержании углерода в ме­ талле, т. е. для кипящей стали.

Приведенные выше зависимости показывают, что распределе­ ние марганца в системе металл—шлак в кислородно-конвертерном процессе в конце плавки близко к равновесному. Наиболее отчет­ ливо степень приближения к равновесию проявляется при сопо­ ставлении расчетных и фактических концентраций марганца (рис. 48). Из рис. 48 следует, что для чугуна всех типов степень

Рис. 48. Соотношение фактических МпфаКт и расчетных Мпрасч концентраций марганца в конце продувки:

приближения к равновесному состоянию возрастает с падением концентрации. Интересно отметить, что совпадение расчетных и фактических данных при переделе высокомаргаицовистого чу­ гуна наблюдается уже при 0,5% Мп.Это объясняется, по-видимому, большим содержанием марганца в шлаке и низкой концентрацией углерода в стали, поэтому распределение марганца приближается к распределению при плавке под чистыми марганцево-железистыми шлаками.

Не менее интересным вопросом является выявление факторов, определяющих степень приближения распределения к равновес­ ному, которая зависит от многих показателей: основности шлака, степени его контакта с металлом, интенсивности перемешивания и др.

Степень приближения распределения к равновесному, выражен­ ная в виде отношения [Мп]равн/[Мп]факт, существенно зависит от основности (рис. 49). Найденная зависимость по характеру совер­ шенно аналогична зависимости, полученной ранее для мартенов­ ских шлаков [55]. Однако, значения основности, при которых расчетные концентрации совпадают с фактическими, намного выше.

132

Эти расхождения, по-видимому, обусловлены двумя обстоятель­ ствами: во-первых, различным способом выражения основности, несколько изменяющим ее значения, и, во-вторых, тем, что время, в течение которого активный шлак находится в конвертере, меньше времени для мартеновской печи. Поэтому для получения тех же результатов требуется большее пересыщение, шлака известью.

Увеличение основности конечных шлаков в конвертерах всегда связано с повышением окисленности шлака. Если считать, что для приближения к состоянию равновесия требуется значительное пересыщение шлака известью по сравнению с пересыщением в мар­ теновской печи, то увеличение окисленности шлака, термодинами-

чески не влияющее на степень приближения к равновесию, должно способствовать этому. Это подтверждается данными исследования, приведенными на рис. 50. Для кипящей стали зависимость имеет тот же характер, что и зависимость распределения марганца от основности шлака; для рельсового металла с высоким содержанием углерода эта зависимость имеет несколько иной характер.

Приближению фактических концентраций марганца к равновес­ ным должны способствовать увеличение времени взаимодействия металла и шлака и степень контакта между этими фазами. Иссле­ дованиями установлено, что время контакта металла и шлака в ус­ ловиях конвертерной плавки не имеет определяющего значения. Более того, увеличение времени взаимодействия шлака и металла приводит к увеличению степени отклонения от состояния равно­ весия. Если принять за время взаимодействия период от первого скачивания шлака до окончания плавки, то для 10-т конвертера эта зависимость выразится в виде

[Мп]факт/[Мп]равн = 1,360 - 0,085т + 0,006т2; R = 0,816.

Взаимосвязь на первый взгляд кажется парадоксальной. Это объясняется тем, что основную роль (с точки зрения достижения равновесия) играет интенсивность перемешивания, которая может

133

характеризоваться в первом приближении скоростью окисления углерода. Увеличение скорости окисления углерода должно при­ водить к более быстрому и полному равновесию между металлом и шлаком в результате увеличения поверхности контакта фаз. Это подтверждается линейной взаимосвязью степени отклонения от равновесия и скорости окисления углерода

[Мп]факт/[Мп]рав11 = 1,628 - 1,797iv, г = 0,649.

Увеличение же времени продувки ведет, как правило, к умень­ шению скорости окисления углерода и, следовательно, к увеличе­ нию степени отклонения от равновесия.

Результаты исследований, приведенные выше, позволили уста­ новить основные закономерности окисления и восстановления мар­ ганца: влияние его на скорость обезуглероживания; условия, опре­ деляющие концентрацию марганца в конце плавки и по ее ходу, и условия приближения концентрации марганца в металле к равно­ весию. Эти результаты дали возможность разработать технологию передела чугуна с различным содержанием марганца и способство­ вали успеху этих разработок.

Наибольшее практическое значение для заводов СССР имеет передел низкомарганцовистого чугуна. Возможный интервал кон­ центраций марганца в исходном чугуне довольно велик — от 0,1— 0,2% до 0,6—0,8%. Применение в сталеплавильном переделе низкомарганцовистого чугуна позволяет достигнуть значительной экономии в доменном производстве.

Сама по себе возможность передела в кислородных конвертерах чугуна с содержанием 0,5—0,8% Мп не вызывает каких-либо сом­ нений. Однако относительно целесообразности и экономической эффективности его передела существуют различные мнения. Неко­ торые советские металлурги убеждены, что низкомарганцовистый чугун мало пригоден для переработки в конвертерах с верхним дутьем. Это аргументируется тем, что при переделе чугуна с со­ держанием 0,5—0,8% Мп затрудняется шлакообразование в начале продувки, резко возрастает вынос мелких капель металла из поло­ сти конвертера, поскольку отсутствует жидкий шлак (что ухудшает выход годного металла и приводит к заметалливанию фурм) и, наконец, затруднено получение низких концентраций серы и фос­ фора в конечном металле.

Так, согласно исследованиям С. Т. Зайкова и С. И. Лифшица [56, с. 17—33], уменьшение содержания марганца в чугуне при­ водит к резкому росту концентрации серы в стали (табл. 32). Авторы отмечают, что особенно резкое влияние марганца на со­ держание серы в металле должно наблюдаться при охлаждении плавок, стальным ломом.

По данным С. И. Лифшица [56, 57], с уменьшением исходного марганца в чугуне, кроме увеличения концентрации серы в металле, происходит весьма резкое ухудшение стойкости футеровки кон­ вертеров (при увеличении концентрации марганца в чугуне с 1,0

134

до 1,6% стойкость футеровки конвертеров на заводе им. Петров­ ского увеличилась на 20 плавок. Ухудшение стойкости футеровки С. И. Лифшиц объясняет тем, что с уменьшением содержания мар­ ганца в чугуне основность первичных шлаков (в течение первых семи минут продувки) также уменьшается (от 1,7 до 0,5).

В то же время нельзя не учитывать то обстоятельство, что за рубежом во многих цехах используют чугун, содержащий менее 1,0% Мп, при этом не отмечается снижение стойкости футеровки и не указывается на трудности, связанные с ростом концентрации

Если целесообразность применения чугуна, содержащего 0,6— 0,8% Мп, встречает возражения, то дальнейшее уменьшение содержания марганца в чугуне до величин.порядка 0,20% может лишь усилить эти возражения, так как все отрицательные явления передела низкомарганцовистого чугуна должны проявиться в этом случае еще более резко. Необходимо отметить, что никакого опыта передела в конвертерах чугуна с таким содержанием марганца ни в СССР, ни за рубежом не было.

Какое-то представление о трудностях, связанных с выплавкой стали из такого чугуна, могут дать исследования, проведенные в США. В 1967 г. на заводе фирмы «Грейт Лейке Стил комп.» про­ ведено исследование по переделу чугуна, содержащего до 0,5% Мп

(на 6,2 кг из расчета на 1 т стали), возрастает содержание азота на 0,00019% и, что основное, увеличивается износ дутьевых фурм в три раза, что связано с заметалливанием фурм (по сравнению с переделом чугуна, содержащего 0,7% Мп).

135

Конечно, увеличение содержания азота вряд ли связано с содер­ жанием марганца в чугуне, так как изменение концентрации азота находится в пределах точности анализа азота по любому из извест­ ных методов. Ухудшение же стойкости дутьевых фурм является серьезным фактором. Никаких других данных о переделе в кон­ вертерах чугуна, содержащего менее 0,3—0,5% Мп, в литературе нет.

На опытном конвертере НТМЗ проведены исследования по раз­ работке основных положений технологии выплавки стали из чу­ гуна, содержащего до 0,2% Мп и 0,5—0,8% Мп. Условия прове­ дения плавок при переделе различных чугунов были в основном одинаковыми. Различались лишь типы применяемых фурм и ча­ стично методы охлаждения. При разработке технологических поло­ жений передела чугуна с 0,2% Мп применяли трехсопловые фурмы обычной конструкции, при содержании 0,5—0,8% Мп — фурму с соплом, снабженным винтовой нарезкой. Условия шлако­ образования при фурмах обеих конструкций различались незначи­ тельно. Технологию процесса при переходе от одной фурмы к дру­ гой практически не меняли (для условий 10-т конвертера).

При продувке чугуна с 0,20% Мп применяли различные методы охлаждения: стальной лом, лом в сочетании с рудой, только руду (агломерат); при продувке чугуна с более высоким содержанием марганца использовали практически только агломерат или желез­ ную руду с небольшими добавками лома для корректировки тем­ пературы металла на выпуске.

Из чугуна, содержащего 0,5—0,8% Мп, выплавляли сталь марки Ст. Зкп и рельсовую; из чугуна, содержащего 0,2% Мп — Ст. Зкп, Ст . 5, сталь 30, сталь 35 ГС.

Основные тр'удности при переделе низкомарганцовистого чу­ гуна связаны с процессом шлакообразования, особенно в начале плавки. По-видимому, при замедлении шлакообразования проис­ ходит заметалливание фурм (т. е. вынос капель жидкого металла из полости конвертера).

Ухудшение шлакообразования в первом периоде может быть обусловлено тем, что уменьшение содержания марганца в чугуне, как указывалось выше, сопровождается более ранним развитием обезуглероживания, более высокими скоростями окисления угле­ рода в начале продувки и, как следствие, более низким уровнем окисленности шлака. Уменьшение содержания железа в шлаке, естественно, должно приводить к замедлению растворения извести. Кроме того, количество жидкой фазы шлака при переходе от высо­ комарганцовистого чугуна к низкомарганцовистому уменьшается, так как уменьшается количество закиси марганца, переходящей в шлак. Уменьшение количества закиси марганца означает, кроме того, и уменьшение объема шлака, что при одной и той же энергии струи, направляемой на поверхность ванны, может привести к уве­ личению разбрызгивания. Естественно, все перечисленные выше явления возможны только в том случае, если при продувке низко­

136

марганцовистого чугуна сохраняется тот же дутьевой режим, что и при переделе чугуна с обычным содержанием марганца.

Для облегчения шлакообразования следует прежде всего замед­ лить окисленность шлака в начале продувки и несколько затор­ мозить окисление углерода. Наиболее просто этот вопрос можно решить увеличением удельного сечения сопел, поскольку при увеличении сечения сопел скорость потока кислорода при постоян­ ном его расходе снижается и снижается величина поверхности газ—металл, что, как указывалось выше, сопровождается увеличе­ нием окисленности шлака и замедлением скорости окисления угле­

става. Характер изменения окисленности шлака при продувке чугуна различного состава показан на рис. 51.

Из рис. 51 можно видеть, что характер изменения окисленности хотя в принципе и не отличается от обычного, все же имеет свои особенности, заключающиеся в более резком падении концентра­ ций окислов железа в начале продувки и более резком увеличении в конце продувки. Сопоставление кривых, характеризующих содер­ жание окислов железа при использовании средне- и низкомарган­ цовистого чугуна, показывает, что изменением режима дутья можно компенсировать недостаток марганца в чугуне.

Сравнение рис. 51 с рис. 41 показывает, что кривые, характери­ зующие окисленность шлака, точно отражают изменение ско­ рости окисления углерода с учетом особенностей, характерных для передела чугуна.

В соответствии с нескольксг различным характером изменения окисленности изменение основности шлака по ходу продувки, тоже самое, различается для низко- и среднемарганцовистого чугунов. Более быстрое уменьшение окисленности шлака в начале продувки несмотря на более высокие начальные значения обусловливает не­

137

сколько меньшую основность шлака в начале продувки, хотя к се­ редине продувки основности шлака выравниваются, а к концу продувки основность шлака при переделе низкомарганцовистого чугуна несколько выше. Уменьшение основности в начале процесса по сравнению с основностью при переделе обычного чугуна можно устранить, если увеличить окисленность шлака в начале опе­ рации или ввести шлакообразующие (плавиковый шпат).

Практически одни и те же значения основности шлака по ходу продувки и в конце ее для чугуна различного состава позволяют предположить, что и стойкость футеровки при достаточно тщатель­

кость футеровки в виде зависимости между числом плавок кампа­ нии и концентрацией марганца. Однако стойкость футеровки конвертера можно оценить по содержанию в шлаке окиси магния, основной составляющей магнезиальной футеровки конвертера.

На рис. 52. приведены усредненные кривые изменения концен­ трации компонентов шлака при продувке низкомарганцовистого

иобычного чугуна. Как видно из рис. 52, концентрация окиси ма­ гния при переделе низкомарганцовистого чугуна в течение всей продувки ниже соответствующих значений для обычного чугуна. Это свидетельствует о том, что при переделе низкомарганцовистого чугуна стойкость футеровки не должна существенно отличаться от стойкости, получаемой при использовании чугуна с более высо­ ким содержанием марганца.

Снижение стойкости футеровки в упоминавшихся ранее иссле­ дованиях связано, по-видимому, с тем, что изменение стойкости анализировали в условиях меняющейся концентрации марганца

ипри постоянном дутьевом режиме. Поэтому падение стойкости

138

футеровки могло быть вызвано общим ухудшением шлакообразо­ вания, поскольку передел низкомарганцовистого чугуна требует, как показано выше, изменения дутьевого режима с таким расчетом, чтобы увеличивалась окисленность шлака.

Характер изменения остальных компонентов шлака по ходу продувки не меняется при переходе от одного типа чугуна к дру­ гому. Более высокие концентрации пятиокиси фосфора и окиси марганца (см. рис 52) объясняются более высркими концентрациями марганца и фосфора в чугуне. При описанном выше характере шлакообразования с продувкой низкомарганцовистого чугуна вынос капель металла из полости конвертера был полностью устра­ нен. Выход жидкой стали в условиях опытного конвертера был аналогичен выходу стали при обычном чугуне, лишь в отдельных случаях превышая последний на 0,1—0,2%.

При переделе чугуна, содержащего до 0,20% Мп, увеличение удельного сечения сопел фурмы до 0,9—1,02 см2/т (даже при ис­ пользовании трехсопловой фурмы, дающей более рассредоточен­ ный поток дутья) не дало желаемого эффекта. Первая серия иссле­ дований (12 плавок) преследовала цель определения возможности работы на таком чугуне при обычной технологии продувки. Про­ дувку вели с расходом кислорода 40 м3/мин; фурма находилась на расстоянии 550—850 мм над уровнем спокойного металла; рас­ ход извести составлял около 8% от массы чугуна. Охлаждение осуществляли ломом и агломератом, для облегчения шлакообра­ зования присаживали плавиковый шпат (50 кг на плавку). Про­ дувку прекращали при содержании углерода 0,05—0,38%. Дан­ ные по предварительным плавкам приведены в табл. 33.

139

Первая серия опытов показала, что при описанных выше усло­ виях в начале плавки наблюдался вынос капель металла из кон­ вертера, что свидетельствовало о замедлении шлакообразования. На чугунах .обычного состава выноса капель металла при таких режимах продувки не наблюдалось. Поэтому дальнейшую разра­ ботку вели в направлении изменения дутьевого режима (изменяли положение фурмы над уровнем ванны) и подбора наиболее рацио­ нального типа охлаждения и порядка присадки шлакообразующих по ходу продувки. Пробовали также оставлять в конвертере конеч­ ный шлак предыдущей плавки с заливкой на него чугуна после­ дующей, поскольку это является кардинальным способом ускоре­ ния шлакообразования в начале процесса.

Сначала испытали два варианта (наиболее простых) — с пере­ менным и постоянным положением фурмы при постоянных прочих факторах. Установлено, что при постоянном положении фурмы поддерживать необходимую степень окисления шлака в течение всей плавки затруднительно вследствие выбросов во второй поло­ вине продувки. Более целесообразно изменять положение фурмы от 20—30 калибров в начале продувки до 22—23 калибров после 5 минут дутья. При постоянном положении фурмы окисленность шлака на первой повалке (через 4—5 мин) составляла 9,75%, при переменном 15,6%; основность первичного шлака была равна 1,23 и 1,45 соответственно.

Установлено, что'положение фурмы в первом периоде не должно быть менее 25—26 калибров, так как иначе содержание FeO в пер­ вичных шлаках уменьшается до 8—9% и даже меньше, что недо­ пустимо с точки зрения шлакообразования. Для исследования влияния других факторов был выбран наиболее рациональный дутьевой режим.

При исследовании влияния типа и характера присадки охла­ дителей на шлакообразование последнее контролировали по основ­ ности первичного шлака и по массе настылей, образовавшихся на фурме в течение одной плавки.

Основность первичных и конечных шлаков и содержание в них окислов железа указаны в табл. 34.

140