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

дается понижением активности и жидкотекучести шлака. В это время в шлаке может находиться некоторое количество извести, не перешедшей в шлаковую фазу, но вследствие малого размера частиц учитываемой валовым химическим анализом шлака. Это приводит к получению заниженных расчетных концентраций фосфора и увеличению величины [Р ]факт/ [Р ]расч. Высказанное предположение частично подтверждается данными рис. 65, из

к плавкам со сравнительно высоким содержанием углерода в ме­ талле). Минимальные значения отношения [Р ]факт/ [ Р ]раВн наблю­ даются при малых скоростях окисления углерода, не превыша­

стоянию равновесия должно происходить при умеренной окисленности шлака и сравнительно невысокой скорости окисления угле­ рода.

Кроме того, достижению состояния равновесия должно способствовать тщательное перемешивание металла со шлаком, но не сопровождаемое значительным окислением углерода и вос­ становлением марганца из шлака. Простейшим типом такого пере­ мешивания является совместный выпуск металла и шлака из конвертера в сталеразливочный ковш. Известно, что при выплавке низкоуглеродистых сталей в томасовских конвертерах (без при­ менения науглероживания и присадок ферросилиция) при сливе металла в ковш происходит дополнительная дефосфорация металла. Еще более отчетливо это проявляется при выплавке мягкого металла из мартеновского чугуна. Однако такой метод работы нельзя рекомендовать, так как одновременно с уменьшением содержания фосфора при выплавке кипящей стали резко падает температура металла в ковше вследствие протекания эндотерми­ ческих реакций окисления углерода окислами 'железа шлака. Падение температуры послужило одной из причин оборудования конвертеров с верхним кислородным дутьем летками.

Уменьшение отношения [Р ]факт/ [Р ]расч, т. е. приближение к равновесному распределению, должно происходить также и при увеличении жидкотекучести шлака. Жидкотекучесть конвер­ терных конечных шлаков можно повысить, увеличивая их окисленность, уменьшая основность и повышая температуру. Но

дается при повышении концентрации кремнекислоты. Так, но данным плавок, проведенных в 1 0 0 -т конвертерах на заводе им. Ильича, при выплавке стали, содержащей менее 0,11% С, увеличение содержания кремнекислоты в шлаке способствовало сближению значений фактических и равновесных концентраций фосфора (рис. 6 6 ), хотя и приводило к увеличению содержания фосфора в металле.

171

Необходимо отметить, что существующие методы расчета позволяют оценить равновесные концентрации и степени прибли­ жения к равновесию в лучшем случае полуколичественно. В то же время определение термодинамических и кинетических характе­ ристик дефосфорацип в кислородных конвертерах необходимо как по соображениям полной автоматизации управления процессом (поскольку конечная цель и шлакового, и дутьевого режимов — снижение содержания фосфора до определенных границ), так и с точки зрения разработки технологических, приемов, обеспе

чивающих выплавку стали с минимальным содержанием фосфора в стали. Поэтому представляется необходимым исследовать рас­ пределение фосфора между металлом и шлаком, характерное для конвертерного процесса.

Необходимость получения в конвертерном металле низких концентраций фосфора предполагает изучение влияния состава чугуна и шлаков на процесс дефосфорации и разработку специаль­ ных технологических приемов.

Из примесей, содержащихся в чугуне, наибольшее влияние на характер окисления фосфора оказывает кремний и марганец. При увеличении концентрации кремния в чугуне окисление фос­ фора тормозится не только вследствие перераспределения кисло­ рода в системе окислительный газ—металл—шлак в пользу кремния, но и вследствие повышения содержания кремнекислоты

172

ваннем анионов SiOl| , поэтому равновесие дефосфорации сме­ щается влево:

2 [Р] + 5 [О] + 3 (О2-) = 2 (PQS").

Анионы SiO^- вытесняют ионы Са2_ из окружения РО!- , ослабляя связи фосфора в шлаке и способствуя тем самым вос­ становлению фосфора из шлака. Уменьшение скорости дефосфорацни с увеличением концентрации кремнекислоты в первом периоде процесса характеризуется данными рис. 67. Уменьшение

обескремниванию чугуна на желобе доменной печи и в миксерах показали, что эти методы сопряжены со значительными трудно­ стями и малоэффективны. Более эффективной оказалась продувка в чугуновозном ковше. Исследования, проведенные как в СССР, так и за рубежом, показали, что при продувке кислородом в ков­ шах степень удалениякремния при сравнительно небольшом расходе кислорода достигает 40—60%. В опытах на Кузнецком металлургическом заводе степень удаления кремния при про­ дувке в ковшах составила 71—95%, правда, при весьма высоком расходе кислорода (до 55 м3/т чугуна). При этом происходило также значительное окисление углерода и марганца чугуна, который после продувки представлял собой полупродукт, содер­ жащий около 2,6—2,0% С.

Проведенными исследованиями установлена возможность та­ кого обескремнивания, но одновременно выявлены и серьезные недостатки: трудность скачивания шлака из чугуновозных ковшей перед сливом в миксер, необходимость строительства специаль­ ных газоочистных сооружений и высокие (сравнительно) потери металла при обескремнивании. Так, общие потери железа при продувке чугуна в ковше составили 2,75%, что находится в пре­ делах значений потерь железа со шлаком в кислородно-конвер­

173

терном процессе. Указанные недостатки привели к тому, что ни на одном заводе СССР и, насколько известно из публикаций, за рубежом не введены в постоянную эксплуатацию установки по обескремниванию чугуна.

Вгл. I указывалось, что для нормального хода процесса необ­ ходимо, чтобы в чугуне было 0,5—0,7% Si. Следовательно, пред­ варительное обескремнивание целесообразно лишь при очень вы­ соких концентрациях кремния или при переделе чугунов спе­ циального состава.

Вэтих случаях более целесообразным методом обескремнивания является предварительная продувка чугуна в специально устанавливаемых конвертерах с донным воздушным (или паро­ кислородным дутьем). При этом не требуются специальные газоочистные устройства, а стойкость агрегата при сравнительно низ­

ких температурах плавки и малой окисленности шлака и металла будет весьма высокой; необходимую степень удаления кремния, марганца и углерода можно легко регулировать.

Недостатком при такой системе обескремнивания является не­ обходимость дополнительных переливов, приводящих к потерям металла. Однако эти потери можно компенсировать меньшими потерями железа в шлак и окислы железа, уносимые газами. Если в чугуне имеются ценные примеси (например, примеси вана­ дия в чугунах, выплавляемых из руд Керченского месторождения), то их можно перевести в конвертерный шлак и использовать для выплавки ферросплавов. Разумеется, в каждом конкретном случае введение в технологическую схему обескремнивания (в том или ином варианте) требует детальных экономических расчетов.

Считают, что при работе со значительным количеством скрапа

вшихте (линейно увеличивающимся с ростом концентрации кремния в чугуне) вредное воздействие кремния на дефосфорацию и другие показатели процесса устраняется. С этим вряд ли можно согласиться: окисление кремния происходит в первые же минуты продувки, в то время как расплавление лома требует довольно длительного времени. Поэтому торможение дефосфорации и воз­ действие кремния на шлакообразование и футеровку конвертера происходит значительно раньше снижения содержания кремния

вметалле, обусловленного расплавлением лома. Таким образом, увеличение количества лома в шихте конвертеров вряд ли позво­ ляет избежать необходимости промежуточного скачивания шлака при содержании кремния более 0,8—0,9%.

Марганец чугуна влияет на дефосфорацию несколько сложнее,

чем кремний. Анализ распределения фосфора между металлом и шлаком показывает, что повышение концентрации МпО в шлаке может способствовать дефосфорации. При аре = 1 и ар — const и частичной замене FeO на МпО из выражения коэффициента распределения, фосфора

11р = ^ 5 ^ 0 2_М Fe‘ + yb* - yp'e‘ +

174

можно заключить, что активность ионов кислорода должна воз­ растать, так как радиус иона марганца больше радиуса иона железа (0,91 и 0,83 А соответственно) и взаимодействие аниона О2- с ионом марганца слабее, чем с ионом железа. Это должно сопро­ вождаться ростом 1 1 Р. Однако с увеличением у0,_ уменьшается

величина N2'e52+, что приводит к уменьшению коэффициента распре­

деления.

Таким образом, рост коэффициента распределения фосфора с ростом концентрации МпО. и отношения МпО к FeO должен происходить до определенного предела. Исследование показало [71 ], что коэффициент распределения фосфора увеличивается при

содержании МпО в шлаке в пределах 1,5—3,5%, затем он резко уменьшается. Поскольку в реальном конвертерном процессе концентрация МпО по ходу продувки (особенно в начале плавки) намного выше приведенных величин, следует ожидать ухудшения дефосфорации во всем диапазоне концентраций марганца в шлаке. Опытные данные, полученные при переделе, чугуна различного состава, полностью подтверждают приведенные выше соображения.

На рис. 6 8 представлена зависимость конечной концентрации фосфора в металле перед раскислением от концентрации марганца при постоянной температуре. Содержание фосфора в металле линейно возрастает с ростом концентрации марганца. Исследо­ вание распределения фосфора от содержания закиси марганца

вшлаке выявило аналогичную зависимость: коэффициент распре­ деления фосфора линейно уменьшается с ростом концентрации МпО

вшлаке (рис. 69). Поскольку рост концентрации марганца в шлаке предопределяет уменьшение концентрации железа в нем, зависи­ мость коэффициента распределения фосфора от отношения кон­

центраций МпО и FeO аналогична зависимости его от МпО (рис. 70). Таким образом, можно считать доказанный, что увели­ чение концентрации марганца в металле и шлаке сопровождается ростом концентрации фосфора в металле (в пределах реальных

175

содержаний марганца в металле и закиси марганца в шлаке). Поэтому при выплавке сталей с низкими конечными содержаниями фосфора необходимо ограничивать пределы содержания марганца в чугуне.

На конечное содержание фосфора в металле перед раскисле­ нием существенное влияние оказывает, естественно, содержание фосфора в исходном чугуне. При выплавке стали в промышленных конвертерах, когда содержание фосфора в исходном чугуне весьма невелико (не превышает 0 ,1 1 —0 ,1 2 %), влияние исходной кон­ центрации фосфора практически не заметно. При выплавке обыч­

на дефосфорацию. При правильно организованном дутьевом и и шлаковом режимах повышение концентрации углерода в чугуне

шлаками и может даже способствовать получению низких кон­ центраций фосфора в конечном металле. Однако какие-либо кон­ кретные данные относительно влияния углерода чугуна на дефос­ форацию отсутствуют. В конце плавки содержание углерода в ванне, определяя степень раскисленности металла и, в некото­ рой степени, шлака, оказывает влияние на концентрацию фосфора: рост содержания углерода при постоянных условиях продувки приводит к некоторому росту концентрации фосфора.

Конечное содержание фосфора в металле определяется, в основ­ ном, температурным и шлаковым режимами процесса. Поэтому выбор шлакового режима и определенных температур выпуска металла для каждой марки стали имеет решающее значение.

176

и концентрация фосфора в металле минимальна. Как уже указы­ валось, оптимальные соотношения основности и окисленности шлака различны для конвертеров различной емкости и различных технологических условий и должны определяться опытным путем в каждом конкретном случае.

Концентрация фосфора в металле перед выпуском в значитель­ ной мере определяется температурой металла. Характер зависи­ мости концентрации фосфора от температуры металла иллюстри­ руется рис. 73. Рост температуры металла, как правило, приводит к весьма резкому увеличению концентрации фосфора, так как при повышении температуры происходит не только термодинами­

затратами времени на разливку и необходимостью перелива ме­ талла из основного в промежуточный ковш.

Увеличение температуры в конце продувки, естественно, тре­ бует более высоких температур в течение всего времени процесса (~ на 40 град). Повышение температуры приводит к ухудшению условий дефосфорации и требует изменения дутьевого и шлакового режимов. Необходимо повысить окисленность шлака и, в некото­ рой степени, основность его с тем, чтобы ликвидировать послед­ ствия повышения температуры.

Увеличение окисленности шлака может достигаться или уменьшением интенсивности продувки, или увеличением расстоя­ ния от сопла до уровня спокойной ванны. Поскольку уменьшение интенсивности продувки равнозначно уменьшению производи­ тельности конвертеров, этот метод в заводской практике приме­ няют весьма редко. Обычно увеличивают расстояние от сопла до уровня спокойной ванны. Как показали исследования, увеличе­ ние температуры металла на выпуске на 30—40 град требует повышения содержания окислов железа в шлаке на 4-^-5% (по Feo6l4). Необходимо отметить, что все зависимости при увеличе­ нии температуры металла сохраняют свой характер, изменяются лишь количественные показатели распределения фосфора.

Одним из основных технологических приемов снижения кон­ центрации фосфора в металле перед выпуском является скачива­

178

С увеличением угара кремния возрастает и степень рефосфорации. Как показали исследования на конвертере малой емкости, при увеличении угара кремния.выше 1 0 — 1 2 % степень рефосфорации в 50% случаев увеличивается выше допустимых пределов. Естественно, что с увеличением содержания пятнокиси фосфора

в шлаке при прочих равных условиях (при технологии без скачи­ вания шлака), количество восстанавливающегося фосфора будет большим.

Необходимо отметить также, что при отсутствии скачивания

ция определяется содержанием извести в шлаке).

При увеличении вязкости шлака восстановление окислов железа и степень рефосфорации уменьшаются, что подтверждается данными рис. 76. Увеличение окисленности шлака при работе без скачивания ведет к уменьшению вязкости конечных шлаков, что обусловлено уменьшением концентрации СаО и росту степени

180