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

рефосфорации или (при получении тех же результатов по фосфору) к увеличению присадок извести в сталеразливочный ковш для загущения шлака. Если учесть, что от консистенции шлака зависит

в определенной мере и степень угара кремния, уменьшающаяся

сростом вязкости шлака, то необходимость скачивания проме­ жуточного шлака при выплавке стали с повышенным содержанием кремния становится очевидной.

Получению стали с низким конечным содержанием фосфора способствует применение плавикового шпата в качестве шлакооб­ разующего. Уменьшение вязкости шлака и ионной доли кремнекислоты в шлаке при присадке плавикового шпата способствует улучшению условий дефосфорации. Предпринята попытка дать количественную оценку влияния плавикового шпата на процесс дефосфорации [72]. Плавиковый шпат присаживали при вы­ плавке как низкоуглеродистых, так и высокоуглеродистых сталей, причем количество его изменяли в пределах 1,2—5,0 кг/т чугуна. Установлено, что растворение извести в первичных шлаках су­ щественно ускорялось: основность первых шлаков составляла 1,35— 1,4 в течение первых минут продувки, тогда как при при­ садке боксита такая основность наблюдалась лишь на шестой минуте продувки. Следствием ускорения шлакообразования яви­ лось и уменьшение содержания фосфора в готовом металле

(табл. 42).

Из данных табл. 42 следует, что при присадке плавикового шпата содержание фосфора в металле снижается. Увеличение количества плавикового шпата выше определенных пределов не­ целесообразно, так как дальнейших улучшений технологических условий не наблюдается. Для условий завода им. Петровского таким верхним пределом является 4,0 кг/т чугуна.

Серьезным резервом, не использованным'до сих пор ни в одном из конвертерных цехов в СССР и за рубежом, является применение извести, классифицированной по фракциям, и пылевидной. При­ менение классифицированной и пылевидной извести по сравнению с обычной кусковой, опробовано австрийскими металлургами. Исследования проведены на чугуне с содержанием фосфора 0,10%. Размеры кусков нормальной извести находились в пределах

181

О—80 мм, классифицированной — в пределах 5— 18 мм и пыле­ видной 0 — 1 мм.

Исследованием установлено, что для получения конечного содержания фосфора 0,01% требуется 48 кг классифицированной извести на 1 т стали; при расходе 33 кг/т среднее содержание фосфора в металле составляло 0,015%. При использовании ку­ сковой нормальной извести среднее содержание фосфора 0,015% достигалось при ее расходе 48 кг/т чугуна. Уменьшение расхода до 33 кг/т приводило к росту содержания фосфора до 0,025%. Применение пылевидной извести еще более снижает конечное содержание фосфора: при расходе пылевидной извести 33 кг/т стали в конечном металле обеспечивается 0,012% Р.

Таким * образом, исследованиями установлено, что исполь­ зование пылевидной или классифицированной извести обеспечи­ вает следующие преимущества: быстрое шлакообразование, воз­ можность понижения концентраций вредных примесей, экономию извести, минимальные количества шлака (и минимальные потери железа) и, наконец, возможность более гибкого регулирования основности шлака и содержания фосфора в металле.

Применение пылевидной извести при переделе чугуна с нор­ мальными содержаниями фосфора (менее 0,3% в действующих цехах) потребует значительных дополнительных затрат, услож­ нения технологической схемы и может оказаться экономически нецелесообразным. Возможность применения пылевидной извести должна определяться экономическими расчетами для конкретных заводов.

Что касается так называемой классифицированной извести с кусками размером 5— 18 мм (не содержащей мелочи и крупных кусков), затраты на ее подготовку при четкой организации работы в известковообжигательных цехах не должны существенно отли­ чаться от затрат при производстве обычной извести. Применение же ее может обеспечить значительный экономический эффект, который определяется экономией самой извести, меньшими по­ терями железа в шлак и с выбросами (в результате более бы­ строго и равномерного шлакообразования), меньшим количеством шлака и меньшими тепловыми потерями, что позволит увеличить в некоторой степени количество присаживаемых охладителей. Конечно, точную величину экономии при применении классифи­ цированной извести можно определить только прямыми экспери­ ментами, однако экономическая целесообразность использования очевидна. Немаловажной является и возможность получения при тех же расходах извести меньших концентраций серы и фосфора в конечном металле, что особенно ценно при выплавке стали с по­ ниженными содержаниями вредных примесей.

Выше дана оценка влияния состава шлака, температуры металла и сырых материалов, применяемых в конвертерном про­ изводстве, на дефосфорацию металла. Кроме этих параметров, на дефосфорацию оказывают большое (и по существу решающее)

182

влияние дутьевой режим продувки и конструкция фурм. Нужно отметить (см. гл. I), что для улучшения условий дефосфорации в течение плавки и получения минимальных конечных концен­ траций фосфора целесообразны изменения дутьевого режима, которые приводят к увеличению окисленности конвертерных шлаков, ускорению растворения извести в нем и способствуют перемешиванию ванны при условии наличия активных желези­ стых шлаков. К таким же результатам приводят изменения поло­ жения фурмы над уровнем металла и расхода кислорода в единицу времени.

Увеличение расстояния от поверхности спокойной ванны до фурмы и уменьшение расхода кислорода в единицу времени обеспечивают повышение окисленности шлака и уменьшение скорости окисления углерода и, тем самым, рост степени дефос­ форации. Естественно, что уменьшение расстояния от фурмы до металла и рост расхода кислорода приводят к увеличению скорости окисления углерода и уменьшению окисленности шлака, что сопровождается увеличением содержания фосфора в металле. Выразить взаимосвязь между параметрами дутья и дефосфорацией ванны (содержанием фосфора, коэффициентом распределения его между металлом и шлаком или степенью дефосфорации) в общем виде не представляется возможным, так как влияние параметров дутья не является прямым1— изменение их приводит к изменению состава и состояния шлака и интенсивности перемешивания. Зависимости же окисленности шлака, его основности и других факторов, влияющих на дефосфорацию, от параметров дутья также не однозначны, что приводит при попытках описания де­ фосфорации к очень большим неточностям. Поэтому зависимости дефосфорации от параметров дутья носят эмпирический характер.

Г л а в а V

Передел фосфористого чугуна

Исследование поведения фосфора в металлургических процессах приобретает особое значение при организации передела в конвер­ терах высокофосфористых чугунов (содержание фосфора в чугуне от 1 , 1 до 2 ,2 %). Наиболее известным до последнего времени про­ цессом передела фосфористого чугуна являлся томасовский с ис­ пользованием конвертеров донного дутья. В течение долгого времени томасовский процесс успешно конкурировал с марте­ новским, что объяснялось высокой производительностью конвер­

183

теров, малыми капитальными затратами при строительстве цехов и возможностью получения наряду с металлом фосфат-шлаков, применяемых в качествеудобрений в сельском хозяйстве.

Томасовский способ передела высокофосфористого чугуна полу­ чил широкое распространение во Франции, Бельгии и Западной Германии, где этим способом до самого недавнего времени произ­ водили от 40 до 80% стали от общей ее выплавки в этих странах.

О масштабах производства могут дать представление такие данные: к 1958 г. в Западной Германии работало 58 конвертеров емкостью до 70 т, приблизительно такое же число конвертеров работало в Бельгии и Франции.

Несмотря на известные преимущества томасовского процесса, классический его вариант — с продувкой чугуна воздухом — в последние годы утратил свое значение. Это объясняется прежде всего сравнительно низким качеством выплавляемого металла, содержащего повышенное количество азота, фосфора, серы и оксидных неметаллических включений. Причиной повышенных концентраций вредных примесей и неметаллических включений являются принципы технологии томасовского процесса (высокое содержание азота в дутье, окисление фосфора в конце продувки, необходимость длительной продувки плавок).

Повышенные требования промышленности к качеству металла (особенно за последние 2 0 лет) предопределили поиски путей и способов передела фосфористого чугуна, обеспечивающих полу­ чение металла высокого качества при одновременной высокой экономической эффективности. Поиски шли в основном по трем направлениям: усовершенствование существующего томасовского процесса с использованием имеющегося оборудования и цехов; применение для передела фосфористых чугунов кислородно­ конвертерного процесса в различных модификациях и использова­ ние сталеплавильных агрегатов, вращающихся вокруг продоль­ ной оси (Кал-До-конвертеры и роторные печи). При этом особое внимание на Западе уделяли проблеме повышения качества томасовского металла на основе показателей действующих томасовских'цехов.

Проблема передела фосфористого чугуна для СССР имеет довольно серьезное значение, поскольку наша страна распола­ гает значительными запасами фосфористых руд с самым различ­ ным содержанием фосфора. Естественно, что для организации передела фосфористых чугунов на базе Керченского, Лисаковского и других месторождений должен быть выбран наиболее современный и целесообразный метод конвертерного передела. Поэтому, хотя данная книга посвящена кислородно-конвертер­ ному процессу, авторы считали необходимым осветить и другие методы выплавки стали из фосфористого чугуна, что должно в известной мере облегчить выбор оптимального метода выплавки стали на заводах СССР.

184

1. Усовершенствование томасовского процесса

Совершенствование томасовского процесса в основном шло по линии снижения концентрации азота в дутье. Известно, что растворимость азота в жидком железе в любом интервале темпе­ ратур характеризуется зависимостью, известной как закон Си-

в дутье является обогащение его кислородом. Способ продувки чугуна воздухом, обогащенным до 30—35% кислородом, широко вошел в практику работы цехов Западной Европы, поскольку он позволяет без значительных конструктивных изменений агре­ гатов и оборудования получать сталь с содержанием азота 0,008*— 0,012% вместо 0,012—0,018% при продувке воздухом. Содержание кислорода в дутье при таком методе работы не превышает, как правило, 40%, так как дальнейшее повышение содержания кис­ лорода ведет к резкому снижению стойкости днищ и дутьевых фурм. Кислород поступал в дутье томасовских конвертеров от кислородных станций через специальные газгольдеры, позволя­ ющие поддерживать определенные соотношения воздуха и кис­ лорода в дутье.

Для обогащения дутья, естественно, может применяться кис­ лород практически весьма низких концентраций, что позволяло снизить стоимость его производства. Обогащенное кислородом дутье целесообразно подавать не в течение всего периода про­ дувки, а лишь с определенного момента (обычно после окисления кремния) с тем, чтобы избежать выбросов и резкого перегрева плавки в начале продувки. Наиболее удобным оказался метод постепенного повышения концентрации кислорода в дутье до определенного момента и поддержания ее затем (во второй по­ ловине продувки) на постоянном уровне.

Применение дутья, обогащенного кислородом, наряду со снижением концентрации азота, обеспечило и некоторые другие преимущества: увеличение производительности конвертеров в ре­ зультате снижения длительности продувки на 10—15%, умень­ шение длительности периода обесфосфоривания, возможность увеличения присадки в конвертер охладителей (руды, скрапа или' окалины) и, наконец, возможность продувки химически холодных чугунов.

185

Наиболее существенным из перечисленных выше преимуществ являлась возможность присадки значительных количеств охлади­ телей, что придавало процессу известную гибкость с точки зрения выбора вариантов шихтовки плавок. Увеличение доли переплав­ ляемого лома было весьма резким. Так, для обычного воздушного дутья была характерна присадка лома в количестве не более 3—5%. При обогащении дутья кислородом до 35—37% количество перерабатываемого скрапа возрастало до 15— 18%. Кроме из­ вестной «свободы выбора» в шихтовке плавок, увеличение доли лома позволяло более точно регулировать тепловой режим плавки. Однако, несмотря на все перечисленные выше преимущества, продувка дутьем, обогащенным кислородом, без применения дру­ гих специальных приемов почти нигде не использовалась. Это объяснялось прежде всего тем, что применение только обогащен­ ного дутья практически не сказывалось на конечных концентра­ циях серы, фосфора и содержании в стали неметаллических включений. Поэтому наряду с обогащением дутья давали при­ садки руды по ходу продувки, заменяли частично известь извест­ няком, осуществляли двойное скачивание шлака и продували металл в определенные периоды плавки при наклонном поло­ жении конвертера.

Использование присадок руды при увеличении «теплозапаса» плавки в результате обогащения дутья давало возможность уменьшить количество дутьевого кислорода, что вело к умень­ шению содержания азота в металле. Кроме того, добавка руды в конце процесса (при содержании фосфора в начале передувки около 0 , 1 %) позволяла уменьшить длительность передувки, способствовала более раннему шлакообразованию и, как след­ ствие, уменьшению конечных содержаний фосфора в металле перед раскислением.

Дополнительное снижение содержания азота достигалось также использованием известняка. Двуокись углерода, образующаяся при разложении известняка, снижает парциальное давление азота в полости конвертера и приводит к падению концентрации азота в стали. При этом известняком заменяли не всю известь, требуемую для проведения плавки, а только 30—50% ее. Извест­ няк добавляли во второй половине продувки. Снижение концен­ трации азота при таком методе работы было довольно большим и достигало 50—60% по сравнению с концентрацией азота в кон­ трольных плавках. Пря использовании известняка в комбинации с рудой происходило также и уменьшение концентрации фосфора (на 10— 15% от первоначального содержания).

Дополнительно снизить содержание фосфора в металле можно, если ввести в технологию промежуточное скачивание шлака. Сущность этой операции при томасовском процессе состоит в том, что продувку прерывают при содержании фосфора в металле около 0 ,1 %, когда шлак уже приобретает достаточную подвиж­ ность, имеет очень высокое содержание пятиокиси фосфора (как

186

правило, более 2 2 ,0 %) и сравнительно небольшую окисленность (содержание железа не более 11%). После возможно более пол­ ного скачивания такого шлака присаживают свежую порцию извести и продувку осуществляют под шлаком сравнительно высокой основности. В табл. 43 приводятся усредненные данные, позволяющие судить о преимуществах описанных методов.

и двойным скачиванием шлака в томасовских конвертерах можно получить металл, по сере, фосфору и азоту не отличающийся практически от обычного мартеновского. Однако следует отме­ тить, что присадки руды, известняка и двойное скачивание шлака усложняют технологию плавки и, что важнее, практически сво­ дят на нет преимущества, полученные в результате применения обогащенного дутья, так как присадки известняка требуют зна­ чительных затрат тепла, а введение двукратного скачивания при­ водит к потерям тепла и значительным затратам времени.

Кроме того, введение дутья, обогащенного кислородом, способ­ ствует резкому росту запыленности газов, отходящих из конвер­ теров. При современных жестких требованиях к запыленности воздушных бассейнов переход на обогащенное кислородом дутье требует установки газоочисток, что делает томасовский процесс с донным дутьем экономически неоправданным даже в действую­ щих цехах, не говоря уже об организации подобного процесса во вновь строящихся. Поэтому такой вариант томасирования вряд ли представляет интерес для советской металлургии.

Гораздо целесообразнее продувать томасовский чугун смесями, не содержащими азота, — паро-кислородной и кислородно-угле­ кислотной смесями. Первые опыты по использованию паро-ки­ слородного дутья проведены в Швеции в 1947 г., хотя идея про­ дувки ванны паром была предложена Бессемером в 1856 г. Широ­ кие эксперименты по применению пара проводили в 1950— 1952 гг. в Бельгии и Западной Германии. Эти работы позволили установить, что использование паро-кислородной смеси в качестве дутья

187

позволяет снизить содержание азота до 0,002—0,004%. Примене­ ние пара и двуокиси углерода в качестве дутья имеет существенные особенности, обусловленные тем, что и пар, и двуокись углерода являются очень сильными охладителями. При диссоциации грамммолекулы пара и двуокиси углерода затрачивается соответственно

57 800 и 67 680 кал.

Исследованиями установлено, что средняя степень диссоциа­ ции пара при продувке составляет около 70%, а степень диссоциа­ ции двуокиси углерода — около 80%. Тепловыми расчетами можно показать, что при таких степенях диссоциации тепловой эффект паро-кислородного и углекислотно-кислородного дутья будет соответствовать тепловому эффекту обычного воздушного дутья в том случае, если соотношение между паром и кислородом или двуокисью углерода и кислородом в дутье будет составлять 1 : 1 . Тогда содержание кислорода в объеме дутья будет весьма высо­ ким — количество активного кислорода будет составлять 67,5— 70% от объема дутья.

Очень небольшие объемы дутья с весьма высокими концентра­ циями кислорода позволяют при продувке металла паро-кислород­ ными и углекислотно-кислородными смесями работать практи­ чески без выбросов при высокой интенсивности продувки (до 8 м3 дутья на т/мин). Уменьшение количества отходящих газов и сни­ жение степени опасности выбросов позволяют перерабатывать при этом даже томасовские чугуны с очень высоким содержанием кремния (до 0,75—0,80%), продувка которых сопровождается, как правило, выбросами при обычном воздушном дутье. В соот­ ветствии с возможностью резкого повышения интенсивности по­ дачи дутья при использовании паро-кислородных и углекислот­ ных смесей уменьшается и длительность продувки.

Продувка паро-кислородной смесью требует специальных уст­ ройств для подогрева пара и кислорода. Продувка обычным насы­ щенным паром не представляется возможной потому, что при про­ хождении через трубопроводы пар конденсируется и конденсат может попасть в конвертер. Поэтому для осуществления паро-ки­ слородного дутья необходимо в конвертерном цехе предусматривать перегреватели для перегрева пара до —350° С и подогрева кисло­ рода до —150° С. Установки по перегреву пара и кислорода для цехов большой производительности являются довольно сложными и -дорогими; это — один из недостатков метода продувки паро­ кислородной смесью.

Технологические особенности паро-кислородной продувки томасовского чугуна в зарубежной литературе освещены недо­ статочно. В СССР также выполнено исследование передела высоко­ фосфористого чугуна на донном паро-кислородном дутье. Опыты проведены ЦНИИЧМ и Ново-Тульским металлургическим заво^ дом. Для перегрева пара на НТМЗ использовали пароперегрева­

188

зами 1 0 -т мартеновской печи, для чего к перегревателю провели дополнительный отвод от дымохода.

Насыщенный пар, подаваемый от ЦЭС, после перегревателя имел температуру около 400° С. Для нагрева кислорода исполь­ зовали четырехходовые бойлера площадью нагрева 10,2 м2. Кисло­ род подогревали сырым паром до 40—90° С. Поскольку предусмат­ ривали исследование комбинированной продувки (первого пе­ риода плавки на обогащенном кислородом дутье и второго — на паро-кислородном), дополнительно подогревали воздух, который также пропускали через пароперегреватель. Температура воз­

кислородом до 38—45%, во втором периоде (2—5 мин) — паро­ кислородной смесью. Соотношение пара и кислорода поддерживали постоянным (1 : 1). Расход воздуха в первом периоде в большин­ стве плавок составлял 70—90 м3/мин, расход кислорода 30— 40 м3/мин. Во втором периоде расход кислорода и пара составлял по 50—70 м3/мин каждого компонента. Примерный график дутье­ вого режима приведен на рис. 77. При указанных параметрах дутья расход реакционно способного кислорода при продувке

т. е. возрастал на 25—60% в зависимости от концентрации кисло­ рода в дутье первого периода.

При проведении плавок со скачиванием шлака и присадкой скрапа или соды для последующей продувки использовали смеси воздуха и кислорода или кислорода и пара. Последующая про­ дувка на графике не показана.

.189

Опытные плавки проводили по четырем технологическим вариантам:

I — без скачивания шлака и без применения скрапа и соды;

II — с применением скрапа в период передувки и с додувкой после присадки в течение 20—35 с;

III — со скачиванием шлака и присадкой соды в период пере­ дувки с додувкой после присадки в течение 20—35 с;

IV — со скачиванием шлака и применением скрапа и соды в пе­ риод передувки с додувкой после присадки в течение 20—35 с.

Для присадки скрапа или соды в период передувки конвер­ тер кантовали в горизонтальное положение. Вместе с содой приса­ живали известь в соотношении 1: 1. Скрап присаживали в коли­ честве 0,68—4,10% и соду — в количестве 0,27—0,54%.

Указанные четыре варианта исследовали с точки зрения вы­ бора метода, обеспечивающего получение минимального количе­ ства фосфора в стали при максимальном содержании Р 20 5 в шлаке и минимальных потерях железа. Присадки скрапа, даваемые в конце продувки, понижая температуру металла, сдвигали равно­ весие окисления фосфора в сторону перехода его в шлак. Такое же действие оказывала сода, способствовавшая увеличению окисленностн шлака (общее содержание О2- в шлаке). Средние техноло­ гические данные по плавкам, проведенным по различным вариан­ там технологии, приведены в табл. 44.

190