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

мартеновских чугунов в конвертерах соответствующей емкости

[около 3,0 м3/(т-мин)].

При обоих вариантах получен металл с низкими концентра­ циями фосфора: 0,013—0,030%. При этом окисленность первич­ ного скачиваемого шлака, как правило, не превышала 1 0 %, а содержание пятиокиси фосфора было достаточно высоким для использования шлака в качестве удобрения. Однако нужно отме­ тить, что такое содержание фосфора получено при весьма низкой концентрации и углерода в металле перед раскислением — не более 0,08% (табл. 55). Судя по содержаниям углерода и железа в конечном шлаке (до 30% Feo6u;), можно сказать, что для полу­ чения удовлетворительной концентрации фосфора требуется весьма значительная передувка и переокнсление шлака.

Опыты в Рейнахаузене показали, что по характеру протекания дефосфорацнн и содержанию фосфора в готовом металле варианты с использованием и без использования конечного шлака сущест­ венно не различаются. Нет также большого различия и в величи­ нах окисленностн конечного шлака.

При использовании конечного шлака несколько большее коли­ чество фосфора переходит в первичный шлак и увеличивается степень его извлечения. Об этом свидетельствуют более низкие концентрации Р 30 5 в конечном шлаке. Практически на конечное содержание фосфора в металле не влияет качество охладителей (руда, руда в сочетании со скрапом и скрап). Однако охлаждение только рудой нецелесообразно вследствие опасности выбросов металла и шлака и уменьшения выхода жидкой стали. В этом слу­ чае выход составляет 88—89% от массы металлошнхты. При охла­ ждении только рудой уменьшение выхода жидкой стали обуслов­ лено не только выбросами, но и переокислением конечного шлака. При применении в качестве охладителя скрапа его присаживают после заливки во избежание замораживания шлака.

Как и в ранее проведенных исследованиях, наиболее целесо­ образным признан вариант с оборотным шлаком. Авторы отме­ чают, что замедление слива чугуна приводит к увеличению дли­ тельности плавки на 7— 8 мин.

Обобщая сказанное выше о переделе фосфористого чугуна в ки­ слородных конвертерах с применением кусковой извести, можно заключить, что проведенными в опытном и промышленном мас­ штабе исследованиями доказана возможность получения стали со сравнительно невысоким содержанием фосфора и шлаков с высо­ ким содержанием Р 20 5. При этом использование конечного шлака предыдущей плавки позволяет осуществлять процесс с приемле­ мыми техническими и экономическими результатами. Однако сле­ дует учитывать, что передел фосфористого чугуна по таким вариан­ там имеет ряд существенных недостатков по сравнению с переде­ лом обычного чугуна: пониженную производительность конверте­ ров, пониженную стойкость футеровки, более низкий выход жидкого металла, выбросы металла и шлака. Характерные данные,

212

позволяющие оценить процесс переработки чугуна различного состава, приведены в табл. 56.

Из табл. 56 видно, что по всем показателям передел томасовского чугуна менее выгоден, чем мартеновского. Попытка прибли­ зить показатели передела фосфористого чугуна к показателям, характерным для мартеновского, была предпринята на заводе фирмы «Август-Тиссен» (ФРГ) [74]. В исследовании, проведен­ ном на 2 1 0 -т конвертере, ставилась задача: достичь максималь­ ной производительности конвертера (минимальной длительности продувки и плавки) при максимальном выходе жидкой стали и максимальной стойкости футеровки. Была проведена 21 опытная плавка на чугуне, содержащем 1,15— 1,9% Р (среднее 1,66%). Среднее содержание кремния в чугуне составляло 0,27% и мар­ ганца ;— 1,02%. Плавки подвергали продувке с присадками кус­ ковой классифицированной извести размером 10—30 мм; расход составлял 100,8— 144,5 кг на 1 т чугуна. Охлаждение осущест­ вляли стальным ломом: 45,1—81,2 т при садке чугуна 138,25— 177,2 т. Для максимального сокращения продувки плавки прово­ дили без промежуточного скачивания шлака. При этом задача получения шлака с высоким содержанием пятиокиси фосфора практически не ставилась; низкой же концентрации фосфора в металле на выпуске предполагали достичь в результате приме­ нения трехсопловой фурмы и мягко обожженной извести. Данные по составам металла и шлака опытных плавок приведены в табл. 57.

Данные табл. 57 показывают, что достигнуть низкой концен­ трации фосфора не удалось. Концентрация фосфора даже при очень низких концентрациях углерода в металле перед выпуском (не выше 0,07%) превышала 0,030% и в 50% случаев была выше 0,040%. Приемлемое содержание фосфора наблюдалось лишь при высокой концентрации железа в шлаке (23—30% FeO) и содер­ жании Р 20 5 в шлаке до 14% и, что еще важнее, при низкой кон­ центрации фосфора в чугуне.

213

Неудовлетворительные результаты по дефосфорации, оче­ видно, можно объяснить трудностью поддержания в течение всей плавки нужной окисленности шлака, большим его количеством и трудностями регулировки соотношений скоростей окисления углерода и фосфора. Косвенно это подтверждается и авторами исследования, которые сравнивали фактическую концентрацию фосфора с равновесной, используя для этого диаграмму шлаков системы СаО—FeO—Р 20 5. На диаграмму наносили фактические концентрации фосфора.

Исследования показали, что шлаки по составу располагаются между шлаками, характерными для продувки со скачиванием шлака, и томасовскими с высоким содержанием железа (рис. 82). Существует наиболее благоприятная область шлаков, распола­ гающаяся вдоль линии насыщения твердыми окислами кальция. Основность шлаков в этом случае должна-составлять Ф—5. В об­ ласти наиболее благоприятных составов шлака концентрация фос­ фора около 0,040% достигалась при 15% Fe в шлаке и 0,030% — при 18% (рис. 83). Однако требования по окисленности и основ­ ности шлака не выполняются, так как шлаки со сравнительно

214

небольшой концентрацией железа и очень высоким содержанием извести тугоплавки и получение их в конвертерах затруднительно. Кроме того, поддержание состава шлака в весьма узких пределах при отсутствии непосредственной связи с процессом как объектом регулирования пока практически неосуществимо.

Естественно,, что такая разновидность технологии может пред­ ставить какой-либо интерес лишь тогда, когда использование томасовского шлака в качестве удобрения нецелесообразно (напри­ мер, при соответствующем характере почв или высокой стоимости перевозок) и когда допускается выплавка металла с высоким

(около 0,040%) содержанием фосфора. Но и в этом случае эконо­ мическая целесообразность процесса вызывает сомнение, не­ смотря на высокую производительность конвертеров.

Нужно отметить также, что расчетные данные, приводимые авторами исследования (табл. 58), также сомнительны. Основа­ нием для этого служит несоответствие количества шлака и содер­ жания в нем окиси магния количеству шлака при томасовском

что выплавку стали в конвертерном цехе фирмы «Август-Тиссен» осуществляют с дополнительной обработкой металла в ковше на выпуске синтетическими дефосфорирующими смесями, о чем не упоминается в публикациях. Такое предположение, по-видимому, совершенно справедливо, поскольку фирмой «Август-Тиссен» получен патент на способ выплавки стали с обработкой ее в ковше смесями, состоящими из извести, кислородсодержащих соединений железа (окалины, плавильной пыли конвертеров) и плавикового шпата (патент ФРГ, № 19227308).

215

При выплавке стали таким м'етодом нет необходимости проду­ вать плавку до очень низкого содержания фосфора; вполне допу­ стимо содержание фосфора в металле перед выпуском около 0,050% при одновременном содержании углерода примерно 0,05—07% и окисленности шлака не более 20%. При сливе металла в ковш и присадке на него от 2 до 1 2 кг на 1 т стали сухой дефосфорирующей смеси происходит существенная дефосфорация, позволяющая получать металл, содержащий менее 0,025% Р. При выплавке по такому методу можно ограничиться значительно меньшим ко­ личеством шлака и, соответственно, несколько меньшим расходом извести в процессе самой выплавки. Преимуществом метода-яв­ ляется высокая производительность, так как отсутствует операция скачивания шлака, и возможность переплава большего количе­ ства скрапа Недостатком метода являются ограниченный сор­ тамент выплавляемого металла (низкоуглеродистая кипящая сталь) и высокие требования к стандартности применяемых сы­ рых материалов и собственно конвертерному процессу.

3.Продувка высокофосфористого чугуна

сприменением пылевидной извести

Описанные выше процессы продувки с использованием куско­ вой извести не обеспечивают достаточно низкой концентрации фосфора, характеризуются низкой интенсивностью, наличием передувки (содержание углерода не вышё 0,05—0,08%) и боль­ шим содержанием железа в шлаке.

Полнота удаления фосфора определяется в основном усло­ виями шлакообразования, т. е. скоростью перехода извести в жид­ кую шлаковую-фазу. Скорость перехода извести в шлак и соответ­ ственно темп дефосфорации зависит от многих факторов, в част­ ности от содержания железа в первичных шлаках, интенсивности перемешивания металла и шлака, величины кусков извести и со­ держания в шлаке таких компонентов, как S i0 2 и Р 20 5. Исследо-

216

ваннями показано, что растворение извести происходит в резуль­ тате насыщения ее поверхностных слоев окислами железа, крем­ ния и фосфора, образования легкоплавких соединений и перехода их в жидкую фазу шлака. Такой характер растворения извести подтверждается зональным строением ее кусков, извлекаемых из гетерогенных шлаков.

Скорость растворения извести, по-видимому, прямо пропор­ циональна площади ее контакта с жидкой фазой шлака или абсо­ лютной величине поверхности кусков извести. Увеличение поверх­ ности контакта до максимума возможно при использовании пыле­ видной извести с величиной зерна не более 1 мм, вдуваемой на поверхность ванны струей кислорода. В этом случае скорость растворения извести должна возрасти не только вследствие уве­ личения площади контакта со шлаком, но и в результате резкого увеличения концентрации окислов железа, участвующих в раст­ ворении извести, так как вдуваемая известь поступает в высоко­ температурную реакционную зону, в которой концентрация окис­

терного передела высокофосфористого чугуна с вдуванием в струе кислорода тонкоизмельченной извести. Дополнительным обосно­ ванием перехода к продувке пылевидной известью послужило и другое немаловажное соображение. При кислородно-конвертер­ ном процессе, особенно в первые минуты продувки, как правило, образуются пенистые шлаки. При продувке мартеновских чугунов с обыйным содержанием примесей это явление выражено весьма слабо и может не учитываться, особенно если технологией про­ дувки не предусматривается промежуточное скачивание шлака (например, при выплавке стали рядового сортамента).

Шлаки же с высоким содержанием пятиокиси фосфора, полу­

и шлака, уменьшению выхода жидкого металла и затруднениям в организации процесса производства. Однако при переделе фос­ фористого чугуна, предусматривающем скачивание шлака, полу­ чение пенистых шлаков не только целесообразно, но и необхо­ димо, поскольку это позволяет скачивать первичный богатый пятиокисыо фосфора шлак с максимальной полнотой, при этом удается избежать больших потерь металла. Следовательно, необ­ ходимо контролировать вспенивание шлаков, чтобы поддержи­ вать его в определенных пределах, получать максимальное количество товарного томасовского шлака и одновременно устра­ нять выбросы.

Основной причиной вспенивания шлаков является замедление выделения пузырьков СО через слой шлака и вспучивание его под воздействием значительного количества газов. Но, с точки зрения сталеплавильщиков, наиболее важными факторами, вызы­ вающими пенообразование, являются те, которые обусловливают

217

стабилизацию пены, так как только при стабильной, устойчи­ вой пене возникают неприятные последствия. Факторы, которые вызывают вспенивание шлаков и стабилизацию пены, пока еще не изучены.

Согласно исследованиям М. С. Сапиро [75], склонность шлака к вспениванию и стабилизации пены определяется его составом (особенно содержанием в нем поверхностно-активных крупных

ионов SiO^- и РО®- ), гетерогенностью, поверхностной вязкостью, интенсивностью газовых потоков, пронизывающих шлак, и давле­ нием газовой фазы над шлаком.

Для конвертерного процесса основное значение, с точки зре­ ния вспенивания шлаков, имеет, по-видимому, содержание в шлаке поверхностно активных компонентов и гетерогенность шлака. Такую точку зрения можно объяснить тем, что визуальные наблю­ дения большого числа плавок показывают, что шлаки второго периода продувки фосфористого' чугуна склонны к вспениванию гораздо в меньшей степени, чем шлаки первого периода продувки, несмотря на то, что.интенсивность газовыделения через шлаковый слой и давление газовой фазы над слоем шлака во втором периоде продувки, как правило, значительно выше в соответствии с более высокими скоростями обезуглероживания. Вязкость первичных и конечных шлаков при продувке высокофосфористых чугунов (с учетом температуры соответствующих периодов) также практи­ чески не должна различаться.

Влияние концентрации поверхностно активных ионов (SiO;J_ и РО|~) хотя и обнаруживается, но не является, по-видимому,

определяющим. Эффект вспенивания и стабилизации пены при наличии в поверхностных слоях шлака крупных одноименных по заряду ионов объясняется расклиниванием шлаковых пленок и эффектом Маренгони. Влияние ионов фосфора и кремния доста­ точно подробно описано В. И. Явойским [21]. Но концентрации

ионов POf~ и SiC>4- в поверхностных пленках вряд ли сильно различаются для первичного и конечного шлаков, получаемых при продувке высокофосфористых чугунов, поскольку объемные концентрации этих компонентов имеют практически один.порядок.

Основной причиной стабилизации пены в конвертерном про­ цессе следует считать гетерогенность шлака, которая может созда­ ваться присутствием в шлаке кусочков нерастворившейся извести, выпаданием в объеме шлака твердых фаз того или иного состава

иналичием значительного количества капель металла в шлаке. Применение пылевидной извести позволяет более точно

регулировать основность шлака по ходу продувки и переход извести в раствор и существенно уменьшать количество нерастворившихся в шлаке частищ извести, устранять до некоторой сте­ пени стабилизацию пены. К этим же результатам приводит и бо­ лее быстрое шлакообразование в первом периоде продувки, по­ скольку сокращается период пенообразования.

218

Перспективы применения пылевидной извести послужили причиной широкого распространения передела фосфористого чу­ гуна в различных странах, особенно во Франции и Германии. Около 50 конвертеров (во всем мире) работают (или находятся на стадии строительства) с подачей пылевидной извести в струе ки­ слорода. Емкость конвертеров составляет 25—150 т. Однако нужно отметить, что все вновь строящиеся цехи имеют конвертеры ем­ костью не менее 90—100 т. Краткий перечень конвертеров боль­ шой емкости, рассчитанных на передел фосфористого чугуна с подачей пылевидной извести, приведен в табл. 59.

Т А Б Л И Ц А 59. К О Н В Е Р Т Е Р Ы , РА БО Т А Ю Щ И Е С П О Д А Ч Е Й П Ы Л Е В И Д Н О Й И ЗВ ЕС ТИ

*Пока еще работают на мартеновском чугуне.

**Емкость конвертеров фирмы «Август-Тиссен» на фосфористом чугуне составляет

154 т.

Значительное число и большая емкость конвертеров указывают на эффективность такого метода передела и достаточную отрабо­ танность технологии и конструктивных решений пылеподачи.

Оборудование кислородно-конвертерных цехов, рассчитанных на применение пылевидной извести, сложнее, чем при переделе чугуна с использованием кусковой извести, поскольку необходимо отделение для подготовки пыли и оборудование для ее транспорта. Дробление и помол извести осуществляют на молотковых дробил­ ках и шаровых мельницах обычной конструкции. Требования к из­ вести как по химическому, так и по фракционному составу до­ вольно жестки. Известь не должна содержать масел, металличес­

219

ких включений и крупных кусков, не должна контактировать с атмосферой при передаче от помольных установок к цеховым бункерам.

Помол извести должен осуществляться таким образом, чтобы основное количество извести характеризовалось размером зерна не более 0 , 1 мм, так как исследованиями, проведенными, в част­ ности, ЦНИИЧМ, установлено, что увеличение количества круп­ ных, фракций в извести (размером более 0 , 1 мм) приводит к рез­ кому падению стойкости трубопроводов и медных сопел дутьевых фурм. Характерный фракционный состав извести приведен ниже:

Пылевидная известь подается в конвертеры через дозаторы, соединенные с фурмами конвертеров гибкими металлическими трубопроводами. Гибкие шланги, используемые обычно при по­ даче кислорода, не применяют во избежание загорания шлангов и трубопроводов. Дозаторы для подачи пылевидной извести вклю­ чают обычно в общий кислородопровод, где они находятся под дав­ лением 10— 14 ат.

Для улучшения условий подачи извести дозаторы, представ­ ляющие собой цилиндрические или шарообразные сосуды, снаб­ жаются форсунками, через которые поступает кислород и взму­ чивает пылевидную известь. Известь в дозаторах находится во взвешенном состоянии. За рубежом, как правило, применяют игольчатые дозаторы. Принцип работы игольчатого дозатора осно­ ван на пропуске пылевидной извести через калиброванное отвер­ стие в нижней части дозатора, перекрываемое игольчатым сто­ пором. При перемещении стопор изменяет сечение проходного отверстия, регулируя таким образом расход извести. Принци­ пиальная схема игольчатого дозатора приведена на рис. 84.

Точность выдачи извести по массе составляет около 2%. Пределы регулирования подачи извести в единицу времени весьма широки и различны для конвертеров различной емкости. Так, для конвертеров емкостью 50 т в Денене концентрация извести в 1 м3 кислорода может изменяться в пределах 0,32—8,0 кг, т. е. более, чем в 20 раз. Емкость применяемых дозаторов в зависимости от садки конвертеров колеблется от 4 м3 (30-т конвертеры) до 18,3 м3 (1 0 0 -т конвертеры).

Для подачи пылевидной извести на поверхность ванны приме­ няют фурмы обычной конструкции с цилиндрическими соплами или с соплами Лаваля. Однако не исключается и применение многосопловых фурм.

Известь и кислород при использовании односопловых дутьевых фурм смешиваются полностью на выходе из дозаторов, смесь поступает в фурму единым потоком. Однако такая конструкция

220

фурм, наряду с достоинствами, к которым относятся простота из­ готовления и достаточно высокая однородность смешивания, имеет и недостатки, заключающиеся в трудности регулирования соотношения кислорода и извести в желаемых пределах при сохра­ нении более или менее постоянных значений параметров воздей­ ствия струи на металл.

Проводятся исследования по разработке наиболее рациональ­ ных для подачи пыли конструкций фурм. Так, фирмой «Арбед»

(Бельгия) разработана и применена фурма, в которой пылевидная известь с определенной частью несущего кислорода поступает по внутреннему каналу, а по внешнему кольцеобразному каналу по­ дается чистый кислород. Особенностью таких фурм является за­ щита канала вторичного кислорода от загорания и закозления потоком первичного кислорода. Конструкция показала хорошие результаты с технологической точки зрения, но отмечается низкая стойкость вследствиеплохого охлаждения канала центрального подвода кислорода. Кроме того, одноканальные и двухканальные фурмы не дают возможности достаточно точного регулировать дав­ ление и скорость струи за соплом в процессе плавки, что необхо­ димо для создания попеременно благоприятных условий для дефосфорации и обезуглероживания.

221