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

Г л а в а I

Шлакообразование в кислородно-конвертерном процессе.

Сырые материалы и требования, предъявляемые к ним

1. Общая характеристика шлакообразования

По характеру шлакообразования кислородно-конвертерный процесс занимает промежуточное положение между классиче­ скими методами сталеварения (томасовским и мартеновским). Известно, что при продувке металла в томасовских конвертерах усвоение извести шлаком происходит лишь в конце плавки, когда практически полностью окислился углерод. При снижении содер­ жания углерода в шлаке накапливается достаточное для раство­ рения извести количество окислов железа. При высокой скорости окисления углерода в начале и по ходу продувки растворение извести не происходит. В мартеновском процессе шлак является переносчиком кислорода от атмосферы печи к металлу, окисленность шлака весьма высока как в начале плавки, так и по ходу ее, поэтому скорость растворения извести довольно высокая.

В кислородно-конвертерном процессе струя создает на поверх­ ности металла высокотемпературную реакционную зону с высо­ ким содержанием кислорода и окислы железа разносятся по всему объему ванны. В зависимости от интенсивности массопереноса (положения сопла, скорости окисления углерода, расхода ки­ слорода) интенсивность расхода струи кислорода на окисление углерода и шлака может быть различной, поэтому как в начале продувки, так и по ходу ее может поддерживаться или достаточно высокая окисленность шлака, или высокая скорость окисления углерода, т. е. процесс по типу может приближаться либо к мар­ теновскому, либо к ■томасовскому. Причины различного уровня окисленности шлака и скорости окисления углерода подробно рассмотрены ниже. Следует лишь отметить, что в кнелородно-

11

конвертерном процессе практически в любой период продувки может быть создан достаточно окисленный шлак, способный к ассимиляции извести. Важно отметить, что в первый период

Роль шлака в кислородно-конвертерном процессе очень ве­ лика. Наряду с функциями, характерными для любого сталепла­ вильного процесса (удаление вредных примесей и неметалличе­ ских включений, защита металла от поглощения газов п осты­ вания), в кислородных конвертерах жидкие шлаки предотвращают вынос металла. При ударе струи окислительного газа о поверх­ ность ванны образуется значительное количество брызг металла, подхватываемых отходящими газами. Активные жидкоподвиж­ ные шлаки, находящиеся на поверхности ванны в достаточном количестве, удерживают мелкие капли металла, что полностью пли частично устраняет вынос металла.

Вынос металла, уменьшающий выход жидкой стали и затруд­ няющий обслуживание конвертера, происходит, как правило, в первый период процесса. Поэтому основной задачей сталепла­ вильщиков в первый период плавки является создание жидко­ подвижных и достаточно гомогенных шлаков. В качестве шлакообразующих в кислородно-конвертерном производстве приме­ няют известь, плавиковый шпат, железную руду (агломерат, ока­ лину), боксит. В некоторых случаях используют известняк и марганцевую руду.

Характер кислородно-конвертерного процесса (высокие ско­ рости рафинирования, малое время плавки, неравномерность окисления углерода и изменения окисленностн шлака по ходу продувки) определяет характер шлакообразования. Кроме того, на процесс шлакообразования оказывает влияние качество сырых материалов, температура чугуна, соотношение чугуна н лома

взавалке, присадки по ходу продувки извести, плавикового шпата

ижелезной руды.

Неравномерность окисления углерода по ходу продувки и неравномерность изменения окисленностн шлака определяют прежде всего неравномерность шлакообразования по ходу плавки. Практически при любых методах присадки извести (основного количества в начале продувки, отдельных присадок по ходу продувки, даже при подаче пылевидной извести) основность пер­ вичных шлаков остается весьма невысокой. Характер шлако­ образования по ходу продувки в конвертерах различной емкости иллюстрируется рис. 1. При любой емкости конвертера основность первичных шлаков практически не превышает 2,0 и до момента полного окисления кремния (около 25% времени плавки) нахо­ дится обычно в пределах 1,2—1,5. Лишь при очень высокой окисленностн шлаков или присадке больших количеств плавико­ вого шпата удается получить более высокую основность.

12

Скорость шлакообразования в конвертерах зависит от скорости растворения в шлаке извести, которая в свою очередь определяется составом первичных шлаков и температурой ванны в начале плавки. Влияние составов первичных шлаков на скорость раство­ рения извести можно установить по анализу фазового состава конвертерных шлаков [2, 3].

Шлаки первого периода продувки [2] представляют собой мономинеральные марганцовисто-монтичеллитовые шлаки с круп­

полиминеральные марганцовисто-монтичеллитовые кристалли­ ческие образования с включениями игольчатых кристаллов ме­ лилита.

В третьей фазе продувки (середина плавки) в результате более

периклаз, ферриты кальция и браунмиллерит). Наличие в шлаке ларнита (2Ca0-Si02) в (5-модификации предопределяет крупно­ зернистое строение с включениями дендритов и зернистых агре­ гатов £>0-фазы.

В конце продувки шлаки обогащаются не только ларнитом, но и алитом (3Ca0-Si02), что характеризует их уже как высоко­ основные. В конечных шлаках также присутствуют ферриты

13

I

кальция н кристаллическая известь — остатки непрореагировавшей твердой фазы.

Основными растворяющими известь компонентами в шлаке являются окислы железа и кремнекнслота. Полученные резуль­ таты [31 показывают, что скорость растворения извести опре­ деляется прежде всего окислами железа: при переходе от железо­ марганцевых оливиновых расплавов к шлакам, содержащим известь, скорость растворения извести резко уменьшается. Резко уменьшается также скорость растворения извести при переходе от железистых к марганцовистым шлакам: при замене FeO на МпО скорость растворения извести уменьшается в два с поло­ виной раза. Данные [2] также свидетельствуют о том, что основ­ ным окислом, способствующим растворению извести, является закись железа. При недостаточно окисленном шлаке на поверх­ ности извести может образовываться сплошная пленка орто­ силиката 2СаО SiOs с высокой температурой плавления. Раство­ рение такой пленки требует значительного перегрева или высоких концентраций окислов железа в шлаке.

Анализ растворения извести [4—6] показывает, что этот про­ цесс протекает в два этапа: пропитывание куска извести жидким шлаком и растворение пропитанного слоя в шлаке. И скорость,

иглубина слоя проникновения шлака в известь определяются вязкостью шлака, количеством и размерами пор, временем воз­ действия шлака на известь и степенью смачивания извести шла­ ками. При одном и том же качестве скорость растворения извести зависит от вязкости шлака, смачиваемости куска извести шлаком

ивремени выдержки. И вязкость шлака, и смачиваемость извести шлаком при постоянной температуре определяются содержанием

вшлаке основных окислов. Так, по данным В. И. Явойского [6], степень смачивания определяется содержаниями в шлаке окислов FeO, Fe20 3 и МпО: увеличение концентраций этих окислов приводит к улучшению смачиваемости. Следовательно, для увели­ чения скорости ассимиляции извести необходимо, чтобы в первич­ ном расплаве было максимальное количество окислов металлов.

Для увеличения содержания окислов железа (при постоянном составе чугуна) в кислородно-конвертерном процессе: а) изменяют положение фурмы и расход кислорода, б) изменяют конструкцию сопел фурм и в) вводят в конвертер в начале продувки кислород­ содержащие добавки (руду, окалину, агломерат).

Увеличение расстояния между фурмой и зеркалом спокойного металла при постоянном расходе кислорода или уменьшение расхода кислорода при постоянном положении фурмы приводит

кнекоторому повышению окисленностн шлака. Это обусловлено падением энергии струи в месте встречи с металлом и уменьшением массопереноса от реакционной зоны в глубь ванны. Вследствие

этого происходит обогащение кислородом верхних слоев ванны и шлака. Большие расстояния от сопел фурм до металла и мень­ шие расходы кислорода позволяют несколько затормозить оки­

14

сление углерода и увеличить время контакта извести с окислен­ ными первичными шлаками. К такому же результату приводит и увеличение числа сопел в фурмах.1.

Увеличение числа сопел сопровождается ростом потерь энер­ гии струи кислорода на турбулентное перемешивание отдельных струй и потерь на внутреннее трение. В результате этого энергия струи в месте встречи с металлом уменьшается и сокращается массоперенос в реакционной зоне, следствием этого является увеличение окисленностн верхних слоев металла и шлака. Все эти методы успешно применяют на практике, причем наиболее часто используемым приемом является изменение положения фурмы над уровнем металла.

Наиболее распространенным охладителем в кислородно-кон­ вертерном процессе служит стальной лом. Количество присажи­ ваемого лома на отечественных заводах колеблется, как правило, в пределах 13—18% от массы металлошихты. Присадки лома не улучшают шлакообразования. Это объясняется прежде всего тем, что при присадках лома температура стальной ванны в начале продувки на 50—60° С ниже, чем при охлаждении рудой. Как правило, при присадках лома несколько ниже и содержание окислов железа в шлаке. Но даже при высоком содержании окислов железа в шлаке понижение температуры металла и шлака замедляет растворение извести. Кроме того, понижение температурй ванны тормозит окисление углерода, что ведет к слабому перемешиванию ванны и слипанию кусков извести в агрегаты вплоть до образования монолитов, весьма трудно растворяющихся до конца продувки.

Следствием понижения температуры, уменьшения поверхности контакта между известью и жидким шлаком и уменьшения окисленности шлака является падение основности как первичных, так и конечных шлаков. Работами, проведенными ЦНИИЧМ на Криворожском металлургическом заводе, показано, что основ­ ность первичных и конечных шлаков практически линейно убы­ вает с увеличением доли лома в шихте, причем получить в первич­ ных шлаках основность выше 1,4 не удается.

Следовательно, для облегчения шлакообразования при охла­ ждении ломом следует вводить и небольшие присадки руды в пер­ вом периоде процесса (2—3% от массы чугуна). Увеличение со­ держания окислов железа в шлаке и некоторый рост начальной температуры плавки способствуют ускорению шлакообразования. Однако следует отметить, что применение сырой руды в конвер­ терной плавке нежелательно. Железная руда отличается весьма высоким содержанием кремнезема (до 12%), в присутствии кото­ рого благоприятное воздействие окислов железа может свестись к нулю. Поэтому наиболее целесообразны присадки окалины,

1 При сохранении неизменным положения фурмы над уровнем металла. При изменении расстояния от сопла до металла действуют иные соотношения, подробно разбираемые ниже.

15

агломерата, окатышей или специально подготовленной шихты, в состав которой входят кислородсодержащие окислы. Перспек­ тивность применения специально подготовленной шихты пока­ зана работами, проведенными УкрНИИМ на заводе им. Петров­ ского еще в 1957 г. [7, с. ПО—118]. Применение известковорудных брикетов приводит к повышению основности первых

с а О - С а О - З О О к г

Рис. 2. Изменение состава металла и шлака без добавок плавикового шпата и других разжнжи-

телей

Расход кислорода, м3/т

и конечных шлаков по сравнению с основностью плавок, охла­ ждаемых железной рудой. Однако вопрос о производстве в про­ мышленных масштабах специально подготовленной шихты еще не решен.

Кардинальным способом улучшения шлакообразования в ре­ зультате увеличения окисленности и основности конечного шлака является метод, при котором на шлак предыдущей плавки зали­ вают чугун последующей, т. е. работа с оборотным шлаком. Такой метод повсеместно применяют для кислородных конвер­ теров при переделе фосфористого чугуна. При переделе марте­ новского чугуна этот метод опробован на заводах им. Петров­ ского и Криворожском. Плавку начинают при наличии в конвер­

16

и конечного шлака на 0,2—0,3 (по отношению CaO/Si02), сокра­ тить расход извести и несколько увеличить выход годного металла.

так как иначе возможны выбросы. При организации работы по такому методу требуется знать массу шлака, оставляемого в кон­ вертере, т. е. необходимо оборудовать сталеразлнвочные и шла­ ковые ковши специальными весовыми устройствами.

Улучшить шлакообразование можно также присадками плави­ кового шпата и распределением присадок извести по ходу продув­ ки, что не связано с увеличением окисленности первичного шлака.

Присадки плавикового шпата, поскольку вводятся ионы Са2+, не снижают активности извести в расплаве. При введении плави­ кового шпата резко снижаются температура плавления и вяз­ кость шлака, тем самым улучшаются условия смачивания кусков извести жидкой фазой шлака. Уменьшение вязкости шлака

Расход кислорода,м3/т

позволяет резко интенсифицировать растворение извести. При значительных присадках плавикового шпата основность первич­ ного шлака может достигать весьма высоких значений с первых минут продувки.

На рис. 2 и 3 приведены кривые окисления элементов и изме­ нения состава шлаков при плавке без присадок плавикового шпата

и с присадками (1,5% от массы металлошпхты). Как видно из рис. 2, при отсутствии плавикового шпата основность первичного шлака достигает 2 лишь по истечении 50% времени продувки, причем нарастание основности происходит постепенно, с резким подъемом в конце операции. При присадке плавикового шпата основность выше 4 наблюдается в первые же минуты продувки, затем происходит некоторое снижение, что обусловлено разба­ влением богатого известковистого шлака кремнеземом при оки­ слении кремния. Такой ход изменения основности, по сути дела, является идеальным для кислородно-конвертерного процесса, однако требует больших присадок плавикового шпата, который является дефицитным материалом.

На отечественных заводах расход плавикового шпата обычно не превышает 0,5% от массы металлошпхты, причем его приса­ живают вместе с первой порцией извести до начала продувки или в момент начала подачи кислорода. При расходе плавикового шпата в пределах 0,3—0,5% от массы металлошпхты основность первичных шлаков по истечении 30—35% времени продувки обычно колеблется в пределах 1,3—1,8. Необходимо отметить, что рекомендовать увеличение количества плавикового шпата для улучшения шлакообразования нецелесообразно; это связано не только с тем, что плавиковый шпат является дефицитным материалом, но также и с тем, что при больших его присадках и очень малой вязкости шлаков может размываться футеровка и уменьшаться стойкость футеровки, если шлаки имеют высокую основность. Поэтому количество плавикового шпата не должно превышать 1,0% от массы садки.

Одним из основных факторов, определяющих интенсивность растворения извести в металлургических шлаках, является время взаимодействия извести с жидкой фазой. Малая продолжитель­ ность кислородно-конвертерного процесса предопределяет малое время контакта извести со шлаком. С этой точки зрения наиболее выгодно подавать требуемое количество извести на плавку до начала продувки. Такой метод применяют на некоторых зарубеж­ ных заводах, например в Австрии и США. Однако практика ра­ боты конвертерных цехов СССР показывает, что этот метод при­ садки извести нецелесообразен. При большом количестве извести и незначительном количестве жидкого шлака в начале продувки происходит обволакивание кусков извести жидким шлаком, рез­ кое повышение вязкости последнего и, наконец, слипание отдель­

Более целесообразно распределять известь на отдельные пор­ ции, ' присаживаемые по ходу продувки. Присадки извести мел­ кими порциями, опробованные ЦНИИЧМ на заводе им. Петров­ ского, позволили устранить вынос и выбросы металла, повысить выход годного на 0,2—0,5%, увеличить основность конечных и первичных шлаков. Однако распределение извести на мелкие

18

порции с присадками их в течение всего времени плавки (с окон­ чанием подачи не позднее, чем за 3 мин до конца продувки) имеет и некоторые недостатки, заключающиеся прежде всего в том, что последние порции извести не успевают раствориться в шлаке. Кроме того, при большом количестве мелких фракций извести присадки мелкими порциями приводят к выносу ее в газовый тракт.

Во всех конвертерных цехах СССР принята практически еди­ ная методика присадки извести: первую порцию извести 1—3 т присаживают на скрап, остальную известь подают порциями по 1—2 т по ходу продувки с прекращением на 9— 12-й минуте про­ дувки (при общей продолжительностн продувки 22—29 мин). С первой порцией извести, как правило, присаживают плавико­ вый шпат (300—350 кг); в отдельных случаях плавиковый шпат присаживают и с последующими порциями извести, главным образом со второй присадкой. Этот метод подачи обеспечивает достаточно равномерное растворение извести в шлаке.

Приведенные выше методы улучшения шлакообразования

вкислородных конвертерах при правильном их применении позволяют получать с самого начала продувки достаточно основ­ ные шлаки. Однако действенность этих мер нельзя переоценивать

втом смысле, что применение их эффективно только при достаточно высоком качестве исходных сырых материалов — чугуна, лома, извести, кислородсодержащих охладителей. Особенности кисло­ родно-конвертерного процесса (малое время плавки, отсутствие

дополнительного нагрева, трудность вмешательства в процесс по ходу продувки, очень высокие скорости окисления примесей) обусловливают использование сырых материалов очень высокого качества.

При -исходных материалах низкого качества и с большими колебаниями химического состава и физических свойств не только резко нарушается режим шлакообразования, но и сни­ жаются экономические показатели кислородно-конвертерного про­ цесса. Опыт работы конвертерных цехов в СССР показывает, что качество и стандартность состава и свойств сырых материалов являются основным и определяющим требованием, нарушение которого приводит к тому, что практически невозможно органи­ зовать кислородно-конвертерный процесс на современном уровне. Характеристика исходных материалов конвертерной плавки при­ ведена ниже.

2.Влияние состава чугуна на показатели кислородно-конвертерного процесса

Основную составляющую шихты кислородных конвертеров представляет чугун, на долю которого в металлошихте в конвер­ терных цехах СССР приходится 78—90%. Возможность пере­ работки чугуна самого различного состава является одним из