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

Исследования, проведенные на опытном конвертере Кал-До, показали, что уменьшение окисленности шлака до весьма низких значений даже в период продувки (до 5—6% Feo6l4) не представ­ ляет никаких сложностей и требует поддержания скорости враще­ ния конвертера в пределах 35—40 об/мин. При большем числе оборотов количество' окислов железа практически не изменяется: шлаки получаются сухими, неактивными. Это связано с тем, что повышение скорости вращения приводит к росту скорости окисле­ ния углерода, улучшению перемешивания металла со шлаком й практически полному восстановлению железа из шлака. По всей вероятности, условия перемешивания в конвертере Ротоверт значительно хуже, чем в конвертере Кал-До.

По термическим характеристикам (прежде всего, степени дожигания СО до СО,) конвертер Ротоверт также уступает кон­ вертеру Кал-До: степень дожигания в конвертере Кал-До состав­ ляет не менее 60%. Однако нужно отметить, что применение ком­ бинированной фурмы, предусматривающей отдельные потоки кислорода на рафинирование ванны и на дожигание СО до С 02, позволило приблизить показатели процесса Ротоверт к показате­ лям процесса Кал-До (по степени дожигания СО).

Между тем увеличение тепловой мощности конвертера, как и в процессе Кал-До, приводит к усилению износа футеровки. Цилиндрическая часть конвертера в процессе плавки прикрыта металлом, поэтому ее износ не отличается от износа в обычных конвертерах. Наиболее значительный износ наблюдается в верх­ ней шлемовой части конвертера. Никаких данных по расходу фу­ теровки и стойкости ее не приводится. Это объясняется, по-види­ мому, как малой стойкостью футеровки, так и тем, что процесс Ротоверт все еще находится на опытной стадии. Сообщается, что в ближайшем будущем проверка этого процесса будет осуществлена на 50-т промышленном агрегате. Поэтому этот процесс еще нельзя рассматривать как промышленный, он нуждается в серьезной проверке.

Технологически более выгодным является процесс ЛД —Кал- До, опробованный фирмой «Кокериль-Угре» в Маршьене для пере­ дела высокофосфористого чугуна, содержащего 1,9% Р, 0,3% Si, 0,2% Мп и 0,05% S. Конвертер оборудован системой вращения, обычной для конвертеров Кал-До. Газоочистка имеет два ввода, позволяющих отводить отходящие газы из конвертера как в вер­ тикальном положении, так и в наклонном. Плавку в конвертере Л Д —Кал-До можно осуществлять различными методами, обеспе­ чивающими различные концентрации фосфора в конечном металле:

содним скачиванием шлака и восстановлением его перед скачива­ нием в результате вращения конвертера в наклонном положении,

сдвойным скачиванием шлака —*для получения сталей с содер­ жанием углерода 0,5—0,8%, с двойным скачиванием шлака —■

322

конвертера_не превышает 20% от общей длительности продувки. Наиболее серьезными преимуществами процесса ЛД —Кал-До при переделе фосфористых чугунов является возможность полу­ чения очень низких концентраций серы и фосфора (менее 0,020 — 0,015%), возможность увеличения количества лома на 15% при сравнительно малом времени работы конвертера в положении Кал-До, возможность регулирования окисленности шлака вра­ щением конвертера. Стойкость футеровки такого агрегата мало отличается от стойкости обычного стационарного конвертера. Процесс опробован на промышленном 50-т конвертере; фирма предполагает в ближайшее время пустить в эксплуатацию второй конвертер.

Недостатком такого метода производства стали являются срав­ нительно высокие капитальные затраты и сложность оборудова­ ния. Поэтому процесс ЛД —Кал-До вряд ли целесообразен при переделе обычного мартеновского чугуна несмотря на то,,что он выгодно отличается от процесса Ротоверт в технологическом отношении.

В последние годы некоторое развитие получили процессы про­ дувки чугуна в конвертерах донного дутья с подачей кислорода в смеси с другими газами, служащими охладителями или топливом. Отличительной особенностью этих процессов является применение металлических щелевых фурм, представляющих собой концентри­ чески установленные трубки; по центральной подают кислород, а по концентрической щели—газ, который служит для охлажде­ ния фурм и повышения их стойкости, а также является охлади­ телем (пар, двуокись углерода) или теплоносителем (природный газ, мазут, пропан). Кислород и газы подают через металличе­ ские щелевые фурмы под более высоким давлением, чем при обыч­ ном донном дутье.

Впервые такой процесс был разработан и опробован в СССР

[116]. В этих исследованиях конструкция фурм была выполнена следующим образом: медную трубку для подачи кислорода вста­ вили в наружную трубку из жаропрочной сталиГширина зазора между трубками составляла 0,75 мм, диаметр внутреннего ка­ нала 16 мм. В качестве среды для охлаждения фурмы и защиты околофурменной зоны от воздействия кислородной струи и реак­ ционной зоны с высокой температурой и большой окисленностью металла и шлака применяли двуокись углерода, расход которой составлял 10—30% от общего расхода кислорода. Избыточное давление кислорода в коллекторе перед фурмами составляло 5 ат, двуокиси углерода — до 10 ат. Благодаря отрыву зоны взаи­ модействия струи с металлом от огнеупоров днища и охлажда­ ющему действию двуокиси углерода прогара фурм не происхо­ дило — вокруг фурм образовывались небольшие металлические настыли.

В ФРГ подобный процесс, разработанный фирмой «Эйзенве- ркгезельшафт-Максхютте» совместно с канадской фирмой «Л’эйр

Ликид», получил название ОБМ. Процесс осуществлен в 24-т томасовском конвертере заводов Зульцбах-Розенберге, оборудо­ ванном днищем эллиптической формы. На одной из половин днища размещены 10—>13 металлических щелевых фурм, через которые подают кислород и топливо (природный газ, пропан). Стойкость днищ возросла с 50 до 200 плавок по сравнению со стойкостью при томасовском процессе передела фосфористого чугуна; стойкость футеровки составляла 400 плавок. Доля лома

вконвертере ОБМ доведена до 28% (при томасовском процессе даже при обогащенном дутье доля лома не превышает 7—10%). Спокойный ход процесса позволил на 20% увеличить массу садки конвертера. Наблюдалась также несколько меньшая окисленность шлака при содержании фосфора, соответствующем томасовскому процессу. Большое количество лома в шихте позволило увеличить выход годного металла с 86% при томасовском процессе до 89,5%

впроцессе ОБМ.

Во Франции подобный процесс разработан совместно фир­ мами «Кафл» и «Вендель-Сиделор» и получил название ЛВС. В днище 18-т конвертера вставляют 16 фурм. Фурма состоит из внутренней медной трубки диаметром 11—13 мм и внешней нержа­ веющей трубки диаметром 20—23 мм. По центральной трубке

(избыточное давление до 11 ат, расход пара до ПО м3/мин, дву­ окиси углерода до 72 м3/мин). Стойкость днищ конвертеров до­ стигает 110 плавок, длительность продувки равна 8—9 мин.

Использование метода продувки снизу через щелевые фурмы в действующих томасовских цехах при наличии в них кислород­ ных станций безусловно целесообразно, поскольку позволяет на тех же агрегатах без значительных капиталовложений получить металл высокого качества. Именно поэтому процессы ОБМ и ЛВС вызвали значительный интерес ряда фирм. Конвертеры с подачей кислорода и других газов снизу работают в Бельгии, ФРГ, Фран­ ции.

Весьма интересно то, что процесс ОБМ исследован фирмой «Юнайтед Стейтс Стил» в США. После переработки и модернизации фирмой разработан новый процесс, названный КУ-БОП. На базе этого процесса намечено сооружение двух 200-т конвертеров

на заводах фирмы будет выплавляться процессом КУ-БОП. Фирма объявила о продаже лицензии на новый процесс.

Американская машиностроительная фирма «Пекор» заключила соглашение с фирмой «Максхютте», по которому будет сооружать конвертеры для процесса КУ-БОП в США, Канаде и др.

Важно отметить, что речь идет о переделе обычного мартенов­ ского чугуна, а не томасовского. Поскольку никаких технологи­ ческих данных по новому процессу не приводится (указано лишь,

324

что в качестве топлива через концентрические фурмы будут по­ давать тяжелые углеводороды и мазут), представляет значитель­ ный интерес оценить применимость нового процесса для народ­ ного хозяйства СССР. Такая оценка дается ниже, причем приме­ нительно лишь к подаче одновременно с кислородом топлива, поскольку малая перспективность углекислотно-кислородной и паро-кислородной продувки в условиях СССР уже была показана выше.

При оценке процесса учитывали емкость конвертеров, изме­ нения выхода годного и количества переплавляемого лома при переходе от верхнего кислородного дутья к нижнему топливно­ кислородному, изменение выхода газов, их запыленность, возмож­ ность остановки процесса при нужном содержании углерода и другие показатели.

При строительстве обычных томасовских конвертеров на воз­ душном и обогащенном кислородом дутье ограничивали емкость конвертеров. Это объяснялось тем, что для подачи дутья в кон­ вертеры применяли воздуходувные машины, обеспечивающие избы­ точное давление перед соплами в дутьевой коробке не более 1,5 ат. Поэтому глубина ванн томасовских конвертеров, определяющая величину противодавления металла и шлака, не должна была превышать 0,7—0,8 м. Переход на более высокие давления тре­ бовал уже применения не воздуходувок, а компрессоров, что, во-первых, резко увеличивало стоимость дутья, а во-вторых, практически исключало обогащение дутья кислородом, поскольку воздух, поступающий из компрессоров высокого давления, за­ грязнен маслами, что создает опасность взрыва при применении кислорода.

Переход на продувку снизу чистым кислородом и топливом (или кислородом и паром, кислородом и двуокисью углерода) снимает эти ограничения, поскольку в коллекторах перед фур­ мами можно создать любые практически необходимые давления. Если глубина ванн конвертеров большой емкости (130—=250 т) составляет 1,4—=1,8 м, то минимально допустимое избыточное дав­ ление кислорода перед фурмами при подаче дутья снизу равно примерно 4—5,0 ат. Избыточное давление газа (топлива) должно быть на 1—=2 ат выше для создания достаточно надежной защиты околофурменной зоны на начальном участке струи. Создание давления порядка 5—=7 ат и более при современном уровне тех­ ники подачи промышленных газов и кислорода не представляет трудности. Поэтому емкость конвертеров при использовании ще­ левых фурм не ограничивают и ее можно выбирать такой же, как и при верхнем кислородном дутье.

Продувка жидкой ванны снизу независимо от состава чугуна предопределяет необходимость передувки, поскольку при содер­ жании углерода в ванне более 0,05—=0,07% количества окислов же­ леза в шлаке недостаточно для получения активных известково­ железистых шлаков, способных связывать вредные примеси.

325

Именно поэтому продувку в конвертерах донного дутья всегда ведут с передувкой (при высоком содержании углерода получение необходимых концентраций фосфора и серы не гарантируется). Поскольку при верхнем кислородном дутье остановка процесса происходит при заданном содержании углерода, окисленность шлаков значительно ниже. Оценить различие окисленностей шлаков можно на основании общих закономерностей распределе­ ния кислорода между металлом и шлаком.

Такая оценка показывает, что выход жидкого металла при

выплавляемого металла. Однако при введении в дутье топлива положение несколько меняется. Поскольку газовая фаза конвер­ тера при подаче топлива содержит значительные количества воды, водорода, двуокиси углерода, парциальное давление в ней окиси углерода резко снижается. Следовательно, для окисления угле­ рода потребуется значительно меньшая концентрация кислорода в шлаке. Эти изменения можноопределить, учитывая опыт работы конвертеров большой емкости. Скорость окисления углерода

вконце процесса продувки невысока. Характер изменения ско­ рости окисления углерода для 250-т конвертера показан на рис. 124. Из рис. 124 следует, что при приближении к содержанию углерода 0,04% скорость окисления углерода не превышает 0,1 т/мин или

впересчете на садку —^0,04%/мин. Если в качестве топлива принять пропан с расходом 40% от количества кислорода, необ­

ходимого для рафинирования [при интенсивности подачи 4 м3/(т-мин)], то с учетом диссоциации продуктов сгорания состав газовой фазы будет примерно следующим (на 1 т в мин): 0,255 м3 СО; 0,153 м3 С 02; 0,133 м3 Н 20; 0,303 м3 Н 2, а парциальные давления составят соответственно 0,302; 0,181; 0,157 и 0,359 ат (изб.). Сле­ довательно, парциальное давление окиси углерода составляет

326

лишь около 0,3 ат (изб.). Принимая в выражении

т = [С] [О]

Рсо

зависимость условной константы равновесия т от давления ли­ нейной, нетрудно-определить для каждой концентрации углерода равновесные с ним значения кислорода и отсюда — окисленность шлака. Расчеты показывают, что при расходе пропана —40% от количества дутьевого кислорода окисленность шлака при любом содержании углерода отвечает окисленности шлаков при верх­ нем кислородном дутье. При изменении типа топлива результаты расчетов принципиально не меняются. Но по мере уменьшения расхода топлива (для низкоуглеродистой стали) окисленность шлака будет возрастать. Принимая этот рост в первом прибли­ жении линейным, находим, что потери железа растут с уменьше­ нием расхода пропана практически линейно.

Однако изменение окисленности шлака не определяет собой полное изменение потерь железа. При подаче топлива в реакцион­ ную зону изменяется пылевыделение. Механизм пылевыделения при донном кислородном дутье, по-видимому, аналогичен меха­ низму при верхнем дутье. Струя кислорода, внедряющаяся в ме­ талл, дробится на пузыри, температура металлической оболочки которых в момент образования максимальна и равна температуре реакционной зоны (при продувке чистым кислородом составляет

чество паров железа, соответствующее равновесному состоянию паров железа и жидкого железа при данной температуре. По мере всплывания пузыря его температура уменьшается в результате теплообмена с окружающим металлом, что сопровождается кон­ денсацией пыли в объеме пузыря. Как отмечалось, конечная кон­ центрация пыли в газе в момент разрыва пузыря над поверхно­ стью ванны определяется временем пребывания пузыря в металле.

При подаче топлива механизм пылеобразования несколько меняется. В момент образования пузыря температура оболочки его мало отличается от температуры, характерной для верхнего кислородного дутья, так как охлаждающий эффект вводимого топлива полностью компенсируется тепловым эффектом его сжи­ гания. Температура горения тяжелых углеводородов в чистом кислороде равна —2500° С. Однако, если при чисто кислородном дутье в объеме пузыря содержится кислород, окись углерода и в небольшом количестве двуокись углерода, то при введении топлива количество двуокиси углерода увеличивается и появляется значительный процент паров воды. При температурах пузыря продукты сгорания топлива сильно диссоциированы.

Данные работ по углекислотно-кислородной и паро-кислород­ ной продувке показывают, что степень диссоциации двуокиси

327

углерода в среднем составляет 80%, а пара 70% (см. гл. IV). Потери тепла на диссоциацию приводят к резкому снижению температуры оболочки пузыря по мере его всплывания, что спо­ собствует увеличению степени конденсации паров железа в объеме пузыря и как следствие —.уменьшению пылевыделения и потерь железа с пылыо. Качественно изменение температуры пузыря определяется различием тепловых эффектов окисления примесей

сти при подаче топлива можно по экспериментальным данным, полученным ЦНИИЧМ на опытном конвертере НТМЗ. Характер изменения запыленности с подачей топлива в конвертер приведен на рис. 17. Принимая начальный уровень запыленности при по­ даче чистого кислорода 120 г/м3 отходящего газа и учитывая раз­ личие теплот сгорания мазута и пропана (высшая теплота сгора­ ния пропана составляет 12032 ккал/кг, низшая теплота сгорания равна 11057 ккал/кг), можно рассчитать, что при расходе про­ пана от 10 до 40% от количества дутьевого кислорода уменьшение потерь с пылью составит 0,2—0,8% по отношению к металлошихте.

Как отмечалось выше, полного устранения пылеобразования при подаче топлива не происходит, даже при соотношении рас­ хода кислорода и топлива, соответствующем полному сгоранию топлива. Количество пыли не удается снизить до величин менее 2,5—4 г на 1 м3 отходящего газа. Следовательно, при продувке снизу кислородом и топливом также нельзя избежать устройств для охлаждения и очистки газов.

Таким образом, продувка с применением топлива позволяетснизить запыленность отходящих газов и увеличить выход ме-

3 2 8

талла. Однако полная компенсация потерь железа со шлаком в ре­ зультате уменьшения пылевыделения возможна при расходе про­ пана более 30% от необходимого для рафинирования количества кислорода (по массе). Только при более высоком расходе топлива увеличивается выход железа по сравнению с выходом при верхней кислородной продувке (при 40% пропана максимально на 0,6%).

Переход на продувку до более низкого содержания углерода при донном дутье приводит к увеличению расхода лома. При ис­ пользовании чистого кислорода (без учета влияния топлива) увеличение угара железа на ~2% обусловливают увеличение расхода лома на —5% по отношению к массе чугуна или на —3,8% по отношению к массе металлошихты. Применение топлива ведет

329

к резкому увеличению расхода стального лома. Технологические данные, полученные на основании расчетов материальных и тепловых балансов процесса с различным расходом пропана, при­ ведены в табл. 106.

При расчетах принято, что степень диссоциации пара и дву­ окиси углерода составляет соответственно. 70 и 80%; отходящие газы нагреваются до средней температуры ванны; тепло, расходуе-

Рис. 125. Влияние расхода

с учетом изменения окнсленностн шлака

мое на плавление лома, равно разности теплоты сгорания топлива и суммы потерь тепла на нагрев и диссоциацию продуктов сго­ рания.

Из -данных табл. 106 следует, что увеличение расхода лома составляет 9—34% от массы чугуна при расходе пропана 10— 40%. Увеличение расхода лома на 1 т стали показано на рис. 125. На рис. 125 приведены две кривые изменения расхода скрапа —

Рис. 126. Изменение выхода стали при продувке с добав­ ками топлива в зависимости от его количества (обозначе­

с учетом изменения парциального давления СО (кривая 1) и без учета изменений парциального давления СО (кривая 2). Необ­ ходимо отметить, что реальные значения изменения расхода скрапа будут располагаться между этими двумя кривыми, приближаясь либо к верхним, либо к нижним значениям в зависимости от условий ведения процесса, прежде всего от степени точности остановки процесса при определенном содержании углерода. При излишней передувке окисленность шлаков будет возрастать независимо от парциального давления окиси углерода.

С увеличением расхода лома растет выход жидкого металла (рис. 126). Следует отметить, что увеличение выхода годного

330

только при повышении расхода лома нельзя рассматривать как преимущество, поскольку при цене лома, равной цене чугуна, это не дает экономического эффекта. Поэтому увеличение выхода

врезультате повышенного расхода лома нельзя рассматривать как компенсацию потерь железа в шлак (увеличение потерь железа

вшлак представляет собой величину абсолютных потерь на каждую 1 т перерабатываемого в конвертерных цехах чугуна). Повышен­

ный расход лома увеличивает лишь гибкость конвертерного про­ цесса в отношении использования металлошихты.

Применение большого количества скрапа при донной продувке требует разработки конструкции конвертеров специальной формы.

Это связано с тем, что при загрузке конвертера скрапом необходимо обеспечить сохранность дутьевых фурм, что затруднительно при существующих системах завалки большого количества лома и конструкциях конвертеров.

Ранее (см. гл. I) уже указывалось, что теплотехнически нагрев жидкой ванны с применением топлива менее выгоден, чем нагрев холодного скрапа перед плавкой. Так, в упомянутых ранее иссле­ дованиях по нагреву лома перед плавкой коэффициент использо­ вания, топлива составлял при сжигании природного газа около 50% (в оптимальных условиях), при сжигании мазута —-от 30 до 80%. При подаче топлива в жидкую ванну коэффициент исполь­ зования топлива не превышал 30%. Следовательно, с теплотехни­ ческой точки зрения подача топлива снизу не имеет преимуществ по сравнению с подогревом холодного скрапа с подачей кисло- родно-топливного факела сверху.

Расход кислорода при применении топлива значительно увели­ чивается, несмотря на высокую степень диссоциации продуктов

емкости конвертера и интенсивности подачи кислорода, например 4 м3/(т-мин), сопровождается увеличением длительности продувки (рис. 128), а при одной и той же длительности вспомогательных

331