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

преимуществ кислородно-конвертерного процесса по сравнению с другими методами сталеварения. Действительно, в мировой практике кислородного сталеварения используются чугуны прак­ тически любого состава. Колебания по содержанию отдельных элементов в чугунах, перерабатываемых в кислородных конвер­ терах, приведены ниже,1 %:

Различный уровень концентраций примесей в чугуне в зна­ чительной степени определяет выход годного, продолжитель­ ность плавки, расход сырых материалов, скорость шлакообра­ зования и др. Поэтому несмотря на широкие возможности кон­

в которой приведены данные расчетов для чугуна постоянного состава (за исключением концентрации кремния).

Как следует из табл. 3, увеличение концентрации кремния на 0,6% приводит к уменьшению выхода жидкого металла на 1,4% и увеличению расхода извести на 4,0%. Резкое увеличение объема шлака при росте концентрации кремния в чугуне не может не сказаться отрицательно на стойкости футеровки конвертеров даже при одной и той же основности промежуточных и конечных шлаков, так как рост количества шлака при определенных равно­ весных (или близких к равновесным) концентрациях MgO сопро­ вождается переходом этого окисла из футеровки и, следовательно, вызывает усиленный износ последней.

Необходимо отметить, что данные расчетов табл. 3 не учиты­ вают роста потерь металла с корольками при увеличении коли­ чества шлака. Результаты опытов показывают, что содержание

1 Рассматривают лишь те вопросы, которые относятся к переделу мартенов­ ского чугуна. Характерные составы фосфористых, хромистых и других чугунов будут приведены в соответствующих главах.

20

корольков в конечном конвертерном шлаке при его основности 2,5—3,5 не меньше 1,5—2% от массы шлака, а в отдельных шла­ ковых пробах, по данным работы опытного конвертера НТМЗ, достигает 4%. Следовательно, при увеличении количества шлака практически вдвое (при росте содержания кремния от 0,5 до 1,1 %) потери с корольками могут достигать 3% от массы металлошихты при нормальной величине этих потерь 1,0—1,5%. Рост концентрации кремния наряду с ухудшением показателей про­ цесса приводит к росту количества охладителей, в частности скрапа, что, казалось бы, должно компенсировать уменьшение выхода стали (поскольку увеличивается концентрация кремния), так как с увеличением доли лома в шихте выход жидкого металла повышается. Однако эта компенсация является кажущейся: переработку лома в кислородных конвертерах следует рассма­ тривать как простои переплав и потери, обусловленные увеличе­ нием содержания кремния в чугуне, нужно относить на 1 т ис­ пользуемого в конвертерных цехах чугуна. Другими словами, повышение концентрации кремния в чугуне ведет к росту необра­ тимых потерь железа на каждую тонну чугуна, перерабатывае­ мого в конвертерных цехах.

Стальной лом в условиях планового хозяйства и при большом количестве мартеновских и электропечей можно при необходи­ мости переплавить в этих агрегатах. Увеличение доли лома в шихте кислородных конвертеров, вызванное увеличением содер­ жания кремния в чугуне, экономически нецелесообразно и может быть оправдано только в особых условиях (необходимость транс­ портировки лома на большие расстояния, отсутствие другой шихты на заводе и др.). Для отечественных заводов не может, по-види­ мому, служить примером опыт заводов США, работающих в по­ давляющем большинстве на чугунах с повышенным содержанием кремния и использующих до 25—30% лома в шихте. Основанием для такой работы заводов отдельных фирм могут служить конъ­ юнктурные соображения (соотношение цен чугуна и лома в дан­ ном районе, избыток собственного возвратного лома на заводах фирмы и др.), неприемлемые для условий планового хозяйства.

Таким образом, повышение концентрации кремния в чугуне для передела в кислородных конвертерах нецелесообразно. Однако нецелесообразно и уменьшение этого содержания ниже опреде­ ленных границ. Определить эти границы можно следующим образом. Для удаления вредных примесей из металла в кислородно­ конвертерном процессе, как в любом другом сталеплавильном переделе, необходимо вполне определенное количество шлака. Поскольку растворителем извести в шлаке кислородных конвер­ теров является кремнекислота шлака, поставщиком которой служит кремний чугуна, определенные минимальные концен­ трации кремния необходимы в процессе.

Существуют, таким образом, минимальные концентрации этого элемента, не оказывающие отрицательного воздействия на про­

21

цесс; более того, до перехода через эти концентрации повышение содержания кремния можно рассматривать как положительное явление, поскольку возрастает доля перерабатываемого скрапа и увеличивается выход годного. Минимальные концентрации кремния могут быть легко определены из данных о распределении серы и фосфора между металлом и шлаком в кислородных кон­ вертерах.

Опыт работы конвертеров различной емкости показывает, что при обычных температурах выпуска стали и составах шлака, характерных для передела мартеновского чугуна, максимально достижимые величины показателя распределения фосфора между

этом используются практически полностью, и для достижения более высоких коэффициентов распределения фосфора требуется уменьшать содержание кремнекпслоты в шлаках до очень низких пределов (порядка 4%) и принудительно разжижать конечные шлаки добавками, например плавиковым шпатом.

Коэффициент распределения фосфора можно выразить весьма простым соотношением, включающим массы металла и шлака, соответствующие концентрации в них фосфора:

шлака, необходимого для успешной дефосфорации, и при опре­ деленной основности шлака — концентрацию кремния в чугуне. Так, при начальной концентрации фосфора в чугуне 0,20%, конечном его содержании в металле 0,025%, т]р = 150 и расхо­ дах чугуна и скрапа соответственно 80 и 20 кг на 100 кг металла шихты минимальное количество шлака составит около 8,5— 8,0 кг на 100 кг металлошихты.

При основности 3,0 концентрация кремния, при которой не ухудшаются показатели процесса, составит 0,7%. При макси­ мальных значениях коэффициента распределения порядка 170— 180 минимальная концентрация кремния снижается до 0,5—0,6%. Разумеется, эти данные характерны только для случая охлажде­ ния плавок стальным ломом, так как при охлаждении рудой меняется количество шлака в процессе. Но существенного изме­ нения минимальных концентраций кремния не происходит и в этом случае, так как при абсолютном повышении содержания кремнекислоты в шлаке снижаются значения коэффициентов рас­ пределения фосфора.

22.

Аналогичные данные получаются и при оценке распределения серы между металлом п шлаком. Максимальные значения коэф­ фициентов распределения серы в кислородных конвертерах нахо­ дятся, как правило, в пределах % = 7н-9 и в среднем составляют около 5. Так же, как и в случае с фосфором (см. гл. V), распреде­ ление серы между металлом и шлаком достаточно точно соот­ ветствует равновесию. При этом расчеты количеств шлака и минимальных концентраций кремния по значениям коэффициента распределения серы дают те же результаты, что и результаты при расчетах с использованием коэффициента распределения фосфора.

Таким образом, минимальные концентрации кремния, не ока­ зывающие отрицательного влияния на процесс, определяются в интервале 0,6—0,7%, поэтому повышение концентрации крем­ ния выше указанного предела нецелесообразно; эти концентрации, по-видимому, следует считать оптимальными.

Не меньшее, если не большее, значение по сравнению с абсо­ лютными концентрациями кремния в чугуне имеет стандартность содержания кремния в чугуне от плавки к плавке (или от выпуска к выпуску на доменных печах). Содержания кремния даже от плавки к плавке, не говоря уже от выпуска к выпуску на домен­ ных печах, могут составлять широкий диапазон, достигая нередко величин порядка 0,20%.

В табл. 4 приведены анализы содержания кремния в чугуне серии подряд следующих выпусков из миксера одного из наших конвертерных цехов.

23

Как следует из данных, взятых без специального выбора, число выпадов величины ASi больше 0,10% довольно велико. Нужно отметить, что данные взяты в период устойчивой работы цеха по достаточно отработанной технологии, так как в период пуска цехов такие колебания намного выше. При отсутствии достаточно точной коррекции такие колебания приводят или к перерасходу, пли к недостатку извести (~10 кг на 1 т металлошихты), перегреву или переохлаждению плавки (~10 град),

кислорода обусловливает необходимость додувки плавки, что резко увеличивает окисленность шлака и самым отрицательным образом влияет на стойкость футеровки, или коррекции плавки по углероду, что ведет к потере производительности и ухудшению качества металла. Естественно, что при более резких колебаниях концентрации кремния (довольно нередкое явление в практике отечественных заводов) потери еще более возрастают. Нужно учесть также, что большие перепады содержания кремния при­ водят к нарушению технологического ритма процесса, что не может не сказаться на производительности цехов.

Высокие потерн в кислородно-конвертерном процессе обусловли­ вают необходимость более строгой регламентации содержания крем­ ния в конкретных условиях каждого конвертерного цеха. По-види­ мому, целесообразна специальная подготовка шихты для доменных печей, выпускающих чугун для конвертерных цехов. Повышен­ ные затраты на подготовку доменной шихты и ведение самого доменного процесса будут окуплены увеличением производитель­ ности конвертеров и ростом технико-экономических показателей.

Как известно, концентрацией кремния в чугуне в основном определяются количества присаживаемой извести и скрапа (или руды и скрапа). Количества руды и скрапа в большей части отечественных цехов определяют по номограммам, учитывающим соотношения масс заваливаемых чугуна, лома и скрапа и состав чугуна. Примеры таких номограмм для определения количеств извести и скрапа приведены на рис. 4 и 5. В некоторых цехах

СССР, а за рубежом в подавляющем большинстве цехов, расчет шихты и количества извести выполняется с применением вычи­ слительных устройств.

Как видно из данных табл. 3 и рис. 4, даже при весьма высоких концентрациях кремния в чугуне требуемое количество извести на плавку при нормальном ее качестве не превышает 80 кг на 1 т чугуна. Именно такие расходы и характерны для зарубежных

с резко повышенным относительно необходимого по содержанию кремния и фосфора количеством извести — до 114 кг на 1 т стали. Частично это объясняется крайне низким качеством извести, о чем будет сказано ниже.

24

Кроме того, наметилась четкая тенденция к повышению основ­ ности шлака в конвертерах отечественных заводов до 4 и даже более. Исходя из очевидного факта влияния кремнекислоты на стойкость футеровки конвертеров и удаление вредных примесей, считают, что максимальная стойкость футеровки конвертеров

Расход извести, кг на 1т чугуна Со скачиванием шлака

Рис. 4. Номограмма для определения расхода извести в за­ висимости от содержания кремния и фосфора в чугуне

и минимальные концентрации вредных примесей могут быть достигнуты только при очень высокой основности.

Повышение основности шлаков в кислородно-конвертерном производстве нельзя считать оправданным. Исследование распре­ деления конечных концентраций окиси кальция в конечных шла­ ках конвертеров показываёт, что даже при выплавке низкоугле­ родистых сталей со сравнительно высокими концентрациями железа практически весьма трудно повысить содержание СаО

v 25

вшлаке более 45%. Более высокие содержания СаО относятся

кшлакам, имеющим куски нерастворившейся извести.

Согласно исследованиям Т. Тремеля и Э. Герля [9], макси­ мальное содержание связанного и растворенного в шлаке СаО отвечает трехкальциевому силикату (основность около трех).

Рис. 5. Номограмма для определения расхода лома в зави­ симости от состава чугуна

Получение шлака такого состава в обычных условиях конвер­ терной плавки уже затруднительно, так как выделяется свобод­ ная фаза СаО в твердом состоянии вследствие недостатка жидкой фазы в конечных шлаках. Поэтому при высоком содержании СаО в шлаках практически всегда присутствует свободная из-

26

весть. Однако присутствие свободной извести в составе шлаков уже говорит о насыщении-шлака СаО и дает основание утвер­ ждать, что дальнейшее увеличение основности не имеет смысла, так как это может привести лишь к росту относительного и абсо­ лютного количества нерастворившейся извести, не участвующей в процессе.

Из изложенного следует, что увеличение основности шлака выше 4,0 с металлургической точки зрения нецелесообразно. С экономической точки зрения это тем более нецелесообразно, так как приводит к росту количества шлака и уменьшению выхода стали, не говоря уже о повышении расхода извести. Простой расчет показывает, что для увеличения основнос-ти шлака с 3 до 4 при постоянном содержании в нем кремнекислоты необхо­ димо увеличить количество шлака на 40—50 кг на 1 т металлошихты, следствием чего явятся дополнительные потери железа (18—20 кг на 1 т металлошихты). При повышенном расходе изве­ сти и уменьшении выхода экономичность процесса может умень­ шиться на —2,0 руб. на 1 т стали.

Необходимо отметить, что четкие доказательства повышения стойкости футеровки с ростом основности более 4,0 отсутствуют (при более низкой основности шлака эта связь прослеживается достаточно отчетливо). Что же касается проблем удаления серы и фосфора, то чрезмерное повышение основности, как будет пока­ зано ниже, лишь тормозит удаление этих элементов из металла. Из сказанного можно сделать вывод, что на практике не следует выходить за пределы основности 3,5—4. При оценке влияния перерасхода извести на показатели процесса не учитывали и такой фактор, как снижение возможного количества перерабатываемого лома.

Расход лома, определяемый также концентрацией кремния

вчугуне, является весьма важным фактором в конвертерном производстве. Величины' расхода лома в кислородных конвертерах

взависимости от концентрации кремния можно установить по данным рис. 5 и табл. 3. Данные расчетов, а также опытных балансовых плавок, проведенных ЦНИИЧМ на различных заво­ дах, показывают, что максимальное количество скрапа, которое может быть переплавлено в кислородных конвертерах, соста­ вляет около 28% от массы чугуна или ~24—25% от массы ме­ таллошихты. Ниже приведены результаты балансовых плавок,

проведенных ЦНИИЧМ, ДонНИИЧМ и заводом им. Ильича в период сравнительно устойчивой работы цеха.(в пересчете на 100 кг чугуна):

27

Материальный и тепловой балансы плавок приведены соот­ ветственно в табл. 5 и 6.

Анализ данных материального и теплового балансов позво­ ляет установить, что количество лома, составившее на плавках 20,5% от массы чугуна, можно увеличить:

1) за счет тепла, затраченного на разложение руды: 1006 : 341 = 2,94 кг,

где 341 — тепло, необходимое для расплавления 1 кг лома, ккал;

28

2) за счет уменьшения тепла, затрачиваемого на разложение извести при ее недопале.

Содержание недопала в извести при балансовых плавках составляло 14%. При приведении к нормальному составу (по тех­ ническим условиям 5%) экономия тепла при разложении извест­ няка составит

(8,3.0,1.923 + 988.0,6) : 341 = 4,0,

где 923 — тепло разложения известняка, ккал/кг; 988-0,6 — уменьшение потерь с отходящими газами, ккал/кг.

Для дальнейшего повышения доли лома в кислородно-конвер­ терном процессе необходимо:

1)уменьшить простои между плавками и длительность цикла плавки; увеличить интенсивность продувки (сократить длитель­ ность продувки);

2)применить дополнительные теплоносители (вводить в кон­ вертер топливо в том или ином варианте).

Влияние уменьшения простоев между плавками и уменьшения

длительности цикла плавки ясно из сопоставления данных табл. 6 и показателей балансовых плавок. Потери через кладку при длительности цикла 47 мин составляют 4,21% от общего количества тепла. Приняв без большой ошибки теплопотери через кладку постоянными, получим в случае уменьшения цикла плавки до, например, 35 мин

(2017 — 35/47,5.2017) : 341 = 1,5 кг,

29