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

Кислородно-конвертерный

Мартеновский

ГОСТ 5058—65

■удовлетворяет всем требованиям ГОСТа и имеет лучшие свойства, ■чем мартеновская сталь. В табл. 95 приведены средние значения механических свойств листов толщиной 10—32 мм.

Несмотря на более высокие прочностные свойства, относитель­ ное удлинение кислородно-конвертерной стали находится в таких же пределах, что и мартеновской стали, а по относительному

•сужению и ударной вязкости при 20° С и —40° С конвертерная сталь несколько превосходит мартеновскую.

3 0 2

Т А Б Л И Ц А 95. М Е Х А Н И Ч Е С К И Е СВОЙСТВА СТАЛИ

Сталь

Свойства

конвертерная мартеновская

Трансформаторная сталь

Трансформаторная сталь, выплавленная в кислородных кон­ вертерах, имеет следующий химический состав: 0,04% С, 0,11—

ных испытаний. В соответст­ вии с требованиями ГОСТ 802—58 50% проб по удельным поте­

рям (при Р т/1б) отвечают показателям высшей марки трансфор­ маторной стали (343) и 50% проб — показателям средней марки

. 303

(ЭМ2). По магнитной индукции и удельным потерям (при P>°/ia) все пробы отвечают показателям высшей марки трансформатор­ ной стали. По механическим свойствам (гибам) конвертерная сталь имеет хорошие результаты, значительно превосходящие требования ГОСТов.

Динамная сталь

В табл. 98 сравниваются показатели магнитных свойств кис­ лородно-конвертерной горячекатаной и холоднокатаной динамной стали мартеновской Верх-Исетского завода, электростали завода «Днепроспецсталь» и ГОСТ 802—58. Вся кислородно­ конвертерная динамная сталь после различных вариантов про­ катки до толщины 0,5 мм и отжига обладает свойствами высшей малотекстурованной стали марки (ГОСТ 802—58).

Горячекатаная сталь

После изготовления стали по наиболее упрощенному варианту (однократная прокатка и отжиг в атмосфере защитного газа при 850° С) получены следующие показатели: Р 10 = 2,31 -н2,66 Вт/кг,.

Р и = 4,83-^5,75 Вт/кг, В гъ = 1,6050-5-1,6270 Т, В50= 1,7050-

304

предварительный обезуглероживающий отжиг и двукратная хо­ лодная прокатка с отжигом в вакууме при 1100° С. В этом случае магнитные свойства конвертерной динамной стали соответствуют свойствам динамной стали, выплавленной в электропечи (см.

табл. 98).

Магнитные свойства горячекатаной кислородно-конвертерной динамной стали соответствуют свойствам, указанным в ГОСТе, и магнитным свойствам мартеновской стали.

Г л а в а X

Передел ванадиевого чугуна

Ванадий широко применяют в сталеварении в качестве леги­ рующего элемента. Применение его основано на сильном влиянии ванадия на свойства стали. Так, при введении небольших его добавок в металл (как правило, не выше 0,25%) повышается предел прочности, ударная вязкость, сопротивление усталостным напряжениям, т. е. улучшаются важнейшие механические харак­ теристики. Причиной сильного влияния ванадия на механиче­ ские свойства является образование карбидов ванадия и сложных ванадийсодержащих карбидов, выпадающих из раствора в про­ цессе кристаллизации металла в мелкодисперсном состоянии. Карбидные включения вызывают измельчение структуры металла, что и определяет улучшение его механических свойств.

Для легирования стали применяют феррованадий, содержащий

■более 35% V, менее 2,0—3,5% Si, до 0,75—1,0% С и до 0,10— 0,25% Р. Сырьем для производства феррованадия служат шлаки, получаемые при переделе ванадиевых чугунов. В Советском Союзе передел ванадиевых чугунов в промышленном масштабе организован в 30-х годах на Чусовском металлургическом заводе вначале в мартеновских печах, а затем в конвертерах с донным воздушным дутьем и основной магнезитовой футеровкой.

На Чусовском металлургическом заводе ванадиевый чугун для переплава в конвертерах выплавляли из бедных титаномагнетитовых руд Кусинского и Первоуральского месторождений.

'Примерные составы кусинской и первоуральской руд приведены в табл. 99.

Чугун, получаемый на основе,руд этих месторождений, имел следующий состав: 4,5% С, 0,50—0,57% V, 0,3—-9,6% Si, 0,25—■ •0,30% Мп, 0,5—0,65% Сг, 0,07—0,100% Р и 0,12—0,20% Ti.

ного удаления ванадия присаживают руду, служащую одновре­ менно и охладителем и окислителем. Расход руды, присаживае­ мой в конвертер, составляет около 5—6 % от массы чугуна. Состав, получаемого полупродукта примерно следующий: 2,5%—3,5% С„

направляют в мартеновские печи. Шлак удерживается гребками и затем вываливается в шлаковню. Получаемый шлак перера­ батывают затем на ферросплавы.

Особенности технологии передела ванадиевых чугунов опре­ деляются характером взаимодействия ванадия с окислительными шлаками. Для изучения взаимодействия растворенного в металле ванадия с кислородом фиксировали равновесные состояния между раствором ванадия и жидким железом й паро-водородной смесью,

Суммирование этой реакции с реакцией взаимодействия паро­ водородной смеси с жидким железом:

хН 2 + х [О ] = хН 20;

РНгО X

Н,

306

позволяет получить реакцию взаимодействия кислорода и вана­ дия в железе: .

[V] + х [О] = (VO,);

Используя коэффициент активности, можно перейти от актив­ ностей к концентрациям

Коэффициент активности кислорода в ванадиевых расплавах. № определен экспериментально:

f oV}( = 1 - 0 ,4 3 [% V].

В результате исследований установлено, что с изменением концентрации ванадия в металле изменяется и состав окислов.. Поэтому при различных концентрациях ванадия в металле в ра­ боте [109] сформулированы следующие реакции окисления:

1)при содержании ванадия в металле более 0,3%:

[V]+ 2 [О] = 4 - (VA);

К = [% V]/bv ,[%0];

]gJC = - 4 *№? + 5,24;

2) при концентрации ванадия в металле менее 0,3 и более 0,2 %»

IV] Ч—|- [О] = — (V20 3);

К '= [% V]/^V) ± [о /аО]~-

lgK' = - ^ ^ + 9,06;

3) при концентрации ванадия менее 0 ,2 %:

Анализ приведенных выше уравнений показал, что ванадий, растворенный в железе, имеет сравнительно небольшое сродство к кислороду. Окисление кремния при сопоставимых концентра­ циях должно предшествовать окислению ванадия, а окисление марганца должно идти одновременно с ванадием.

Окисление ванадия принадлежит к чисто гетерогенным реак­ циям, протекающим на поверхности раздела металл—шлак. Окисления ванадия в объеме металла, так же как марганца и фос­ фора, практически не может быть, поскольку содержание кисло­ рода в объеме металла, контролируемое при низкой температуре продувки кремнием, а при высокой — углеродом, во всем интер­ вале плавки ванадийсодержащего чугуна ниже значений, необ­ ходимых для окисления ванадия растворенным в металле кисло­ родом. Поэтому для окисления ванадия требуется наличие желе­ зистых шлаков, которые в конвертерах донного дутья могут обра­ зоваться лишь при температуре не выше 1400° С и присадках железной руды (выше этого температурного порога начинается быстрое окисление углерода и уменьшение окисленности шлака).

Ограничение температуры ванны приведенной величиной при продувке необходимо и с точки зрения получения шлаков нужной консистенции.

Ванадиевый шлак, получаемый при продувке в конвертерах,

с тем, что сухие шлаки состоят в основном из сложных шпинелей ванадия и хрома с температурами плавления около 1700° С. Ко­ личество шпинелндных составляющих в сухих шлаках достигает

70%;

2 ) тестообразный; эти шлаки образуются при снижении коли­ чества шпинелидной фазы в шлаках до 55—65%;

3) жидкий; образуется при более низком содержании шпине­ лидной фазы и высоком содержании железа в шлаках. Появлению жидких шлаков способствует повышение температуры металла'- («горячий ход» процесса).

Оптимальными с точки зрения отделения от металла являются сухие шлаки и тестообразные с максимально высокой вязкостью. Эти шлаки легко задерживаются гребками, что предусмотрено технологией плавки; при этом потери ванадия минимальны. Жид­ кие шлаки, образующиеся при повышенной температуре оконча­ ния продувки, плохо задерживаются гребками, удаляются ча­ стично вместе с полупродуктом,- и потери ванадия растут.

Полнота удаления ванадия и показатели процесса в известной мере определяются влиянием других примесей чугуна. Наиболее сильное влияние на окисление ванадия оказывают кремний и хром. При повышенной концентрации кремния в чугуне тормозится окисление ванадия, увеличивается количество необходимых же­ лезорудных присадок; это сопровождается уменьшением произ­ водительности конвертеров и ухудшением состава шлака в ре­

308

зультате разбавления его кремнекислотой и пустой породой железо­ рудных добавок. .

Аналогичным образом на показатели процесса влияет хром. При отношении концентраций хрома и ванадия в чугуне более 1,25 начинает проявляться затормаживающее воздействие хрома на окисление ванадия [1101. Увеличение содержания хрома в чу­ гуне на 0,5% приводит к увеличению длительности продувки {в условиях Чусовского завода на 5'— 6 мин) и повышению расхода твердого окислителя на 50*—60 кг на 1 т чугуна.

Увеличение длительности продувки приводит не только к умень­ шению производительности, но и к росту потерь металла с выно­ сами, а переход хрома в шлак сопровождается снижением в нем ванадия. Увеличение концентрации марганца в чугуне также нежелательно, поскольку это обусловливает получение шлаков пониженной вязкости. Поэтому в условиях Чусовского завода содержание кремния в чугуне не должно превышать 0,40%, хрома 0,65% и марганца 0,40-%.

Для дальнейшего роста выпуска феррованадия и развития металлургии СССР, в частности Урала, большое значение имеет использование титаномагнетитовых руд Качканарского место­ рождения. Руды этого месторождения содержат ванадий, титан и хром; отличительной особенностью является низкое содержание фосфора и серы. Использование титаномагнетитовых руд Качка­ нарского месторождения экономически выгодно, несмотря на низкое содержание в них железа, поскольку они легко поддаются обогащению.

Передел чугуна, получаемого на базе этих руд, был намечен в конвертерном цехе Нижне-Тагильского металлургического ком­ бината. Ориентация нового конвертерного цеха на технологию, применяемую на Чусовском металлургическом заводе, представ­ лялась нецелесообразной, так как продувка с нижним воздушным дутьем имеет весьма существенные недостатки. К ним прежде всего относятся трудоемкость операции скачивания шлака, боль­ шие потери ванадия при отделении шлака от металла, практиче­ ская невозможность использования конвертеров большой емко­ сти, необходимость передачи полупродукта в мартеновские печи, что связано со значительными затратами тепла при транспорти­ ровке.

Кроме того, нужно отметить, что чугун, получаемый из руд Качканарского .месторождения, содержит значительно меньшее количество хрома (0,17% вместо 0,65*—0,55% на Чусовском металлургическом' заводе). Меньшее количество хрома создает предпосылки получения шлаков значительно меньшей вязкости,

'удаление которых при донной продувке связано с максимальными трудностями. В связи с этим ЦНИИЧМ и УралНИИМ разработана технология передела ванадиевого чугуна с верхним кислородным

икислородно-воздушным дутьём и' оптимальная технология полу­ чения ванадиевого шлака и полупродукта; работа проведена на

309

опытном конвертере НТМЗ [111, 112]. Предложена технология передела ванадиевых чугунов дуплекс-процессом конвертер1— конвертер. Ванадиевый чугун в конвертере продувают кислоро­ дом до полного окисления ванадия (остаточное содержание 0 ,0 2 — 0,04%). Для обеспечения охлаждения ванны и создания наиболее благоприятных условий окисления ванадия присаживают мало­ кремнистые железосодержащие охладители (окалину, ванадиевый концентрат, неофлюсованный агломерат и железорудный концен­ трат) или подают охладители в сочетании с водой в потоке кисло­ рода.

. Исследование различных методов охлаждения привело к вы­ воду, что наиболее рациональными охладителями являются ока­ лина или ванадиевый концентрат, а также эти охладители в сочетании с водой, подаваемой через фурму вместе с кисло­ родом.

Применение лома вызывает увеличение потерь ванадия с полу­ продуктом, так как последний разбавляется стальным ломом; ис­ пользование руды или железорудного концентрата сопровождается уменьшением содержания ванадия в шлаке вследствие разбавле­ ния шлака пустой породой охладителей. Уменьшение концентра­ ции ванадия в шлаке ведет к удорожанию последующей перера­ ботки шлака. Температура первого периода продувки, как и при донном воздушном дутье, должна быть не выше 1400° С.

Врезультате продувки получали товарный ванадиевый шлак

ссодержанием ванадия в пределах 13-—16% и углеродистый полу­ продукт, практически не содержащий других примесей (марганца

икремния). Полупродукт сливали из конвертера через стале­ выпускное отверстие, а шлак удаляли из конвертера в шлаковшо. Полупродукт в условиях исследования возвращали в тот же конвертер после удаления шлака, и подвергали дополнительной продувке после необходимых присадок шлакообразующих (изве­

сти, плавикового шпата, боксита).

Необходимо отметить, что использование кислородного дутья не повлияло отрицательно на процесс деванадации. Высокий кислородный потенциал дутья в сочетании с достаточно точным регулированием температуры ванны дает возможность удалять ванадий с высокой скоростью и достигать достаточно низких оста­ точных концентраций.

Поскольку основные характеристики стальной ванны после деванадации практически не отличались от характеристик при донном воздушном дутье (температура около 1400° С, содержа­ ние углерода 2,5*—3,5%, отсутствие других примесей), показатели деванадации (извлечение ванадия в шлак) остались приблизи­ тельно такими же. Идентичность показателей деванадации обу­ словила проблему выбора дутья ■— необходимо оценить преимуще­ ства и недостатки верхнего кислородного и воздушного дутья. Для решения этой проблемы проведены сравнительные опытные плавки (табл. 1 0 0 ).

310

Как следует из данных табл. 100, при переходе на воздушное дутье с подачей сверху показатели процесса резко ухудшаются по сравнению с показателями при кислородном дутье: умень­ шается общий выход ванадия и полупродукта. Уменьшение вы­ хода основных продуктов плавки объясняется увеличением дли­ тельности продувки, выносов и потерь металла и шлака при сливе их через горловину конвертера. Кроме того, применение воздуш­ ного дутья предполагает передачу полупродукта в мартеновские печи, так как установка в конвертерном цехе двух самостоятель­ ных газопроводов с соответствующими агрегатами вне цеха вряд ли экономически обоснована. Поэтому, хотя при верхнем кислород­ ном дутье и отпадают ограничения по емкости конвертеров, на Нижне-Тагильском комбинате рекомендуется применять про­ дувку кислородом..

311