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

скачивание шлака незначительно влияет на показатели процесса, так как повышенное содержание корольков в скачиваемом про­ межуточном шлаке частично компенсируется меньшей его окисленностью.

Содержание серы в чугуне выше 0,050% вообще недопустимо, так как в этом случае нельзя гарантировать достаточно низкие концентрации серы в металле.

Скачивание шлака, в отличие от дефосфорации, не оказывает благоприятного воздействия на удаление серы, поскольку в ки­ слородно-конвертерном процессе основное количество серы уда­ ляется в конце операции. Единственным методом снижения концентрации серы при повышенном ее содержании в чугуне (при выдержке оптимального шлакового режима) является уве­ личение количества шлака, а это оказывает серьезное влияние на показатели процесса.

Расчеты, основанные на предположении, что распределение серы между металлом и шлаком приближается к равновесному, показывают, что снижение концентрации серы в металле на каждые 0,001% приводит к потерям примерно 0,17% металла от массы металлошихты и увеличению расхода извести на 0,2%. Из приведенных данных следует, что увеличение концентрации серы в чугуне ведет к прямым экономическим потерям (этому же способствует, естественно, стремление снизить содержание серы в готовом металле при постоянном ее содержании в чугуне, что необходимо учитывать при определении отпускных цен на металл).

Обобщая данные, можно сказать, что оптимальным чугуном по составу для кислородно-конвертерного процесса является чугун, содержащий 0,6—0,7% Si, не более 0,6% Мп (при раз­ ливке стали в слитки и более 1,0% Мп при использовании УНРС), не более 0,20—0,25% Р и не более 0,045% S. Состав чугуна, близко отвечающий приведенному, заложен в технологические инструкции для действующих кислородно-конвертерных цехов. Однако нужно отметить, что практически ни в одном кислородно­ конвертерном цехе требования технологических инструкций по составу чугуна не выдерживаются. Колебания по содержанию примесей, особенно кремнию и сере, очень велики.

3. Влияние охладителей и шлакообразующих на показатели процесса

Стальной лом. Так же как и к составу чугуна, к стальному лому должны предъявляться требования максимального соответ­ ствия его условиям кислородно-конвертерного передела. К этим требованиям относятся прежде всего компактность, большая масса при не слишком больших размерах, высокая чистота, отсут­ ствие влаги и демли и т. д. Особые требования к скрапу опреде­ ляются тем, что длительность завалки скрапа является одной из самых значительных в цикле плавки и ее уменьшение предста-

40 -

вляет собой первоочередную задачу. Скрап в кислородные кон­ вертеры подают, как правило, кранами или завалочными маши­ нами. В обоих случаях скрап падает с большой высоты и сильно разрушает футеровку. Наконец, малое время плавки предопреде­ ляет габариты лома и пакетов стального лома, так как крупный лом может не проплавиться за время плавки.

Требования к лому в конвертерных цехах практически не выполняются, так как стандарты на лом (или технические усло­ вия) отсутствуют. В цехах пользуются лишь технологическими инструкциями по выплавке стали, не действующими за пределами конвертерных цехов.

Технологическими инструкциями допускается применение скрапа в виде кусков размером 600x200x200 мм, блюмов сече­ нием 380X380x500 мм и пакетов размером 2000x1000x700 мм массой до 3,0—3,5 т. Фактически же в конвертерных цехах при­ меняют, как правило, неподготовленный лом самой различной степени чистоты и различных размеров. Применение неподгото­ вленного скрапа приводит не только к ухудшению показателей

значение. Имеются сведения, что в,США практически весь лом, применяемый в конвертерных цехах, проходит подготовку резкой и пакетированием [12]. Для конвертерной плавки стальной лом разрезают на куски длиной до 1,5 м. Легковесный лом прессуют в пакеты массой до 1800 кг. Подготовке скрапа уделяют не мень­ шее внимание и в других странах. Скорость завалки лома очень высока, что является следствием качества его подготовки и при­ менения завалочных машин высокой производительности. Так,

Один из самых важных вопросов конвертерного производства — качество извести. Необходимость применения в кислородных конвертерах извести высокого качества не требует особых дока­ зательств, так как качество извести определяет шлакообразова­ ние, стойкость футеровки конвертеров, выход жидкого металла и, наконец, качество стали. Как известно, при низком качестве извести затрудняются процессы удаления вредных примесей. Качество извести определяется следующими показателями: а) хи­ мическим составом; б) фракционным составом; в) реакционной способностью; г) наличием механических примесей и пушонки.

Техническими условиями на известь для конвертерных цехов

* П. п. п. потери при прокаливании.

Реакционная способность извести определяется гашением

вводе. Для этого пробу извести, измельченную н просеянную через сито с сеткой 068 (ГОСТ 3584—58), массой 50 г помещают

визолированный стакан с пробкой, в который установлен термо­

метр со шкалой до 150° С, и наливают 20 мл воды при 20° С. Через 30 с после приливания воды начинают замерять темпера­ туру до достижения ее максимальной величины. За скорость гашения принимают время от момента заливки извести водой до начала снижения максимальной температуры. По техническим условиям это время не должно превышать 5,0 мин.

Известь, применяемая в конвертерных цехах, согласно тех­ ническим условиям, должна быть фракции 20—60 мм (фракции ниже 20 и выше 60 мм допускаются не более 5% каждой); кроме того, не допускаются посторонние примеси, пережог и пушонка. Известь должна поставляться только в свежеобожжениом состоя­ нии. Ни на одном заводе, имеющем кислородно-конвертерные цехи, известь полностью не отвечает приведенным выше требо­ ваниям. Характеристика извести, применяемой на заводах Совет­

Как следует из табл. 11, только при обжиге во вращающихся печах химический состав извести почти соответствует техниче­ ским условиям. При обжиге в шахтных печах содержание СаО намного ниже предусматриваемых норм.

По фракционному составу известь, обжигаемая во вращаю­ щихся печах, отличается от извести, обжигаемой в шахтных печах, значительно большим количеством мелочи. Если в извести шахт­ ных печей преобладает фракция 20—-60 мм, то в извести вращаю­ щихся печей — фракция 10—40 мм. Более высокое содержание СаО и меньший размер кусков извести обусловливают более быстрое шлакообразование.

42

Преимущество вращающихся печей заключается еще и в том, что в них возможен так называемый мягкий обжиг извести. Сте­ пени обжига извести придают очень большое значение.

Процесс обжига известняка представляет собой кристалло­ химическое превращение, при котором ромбоэдрическая решетка известняка перестраивается в кубическую решетку извести. Идеальный обжиг известняка характеризуется образованием мел­ кокристаллической извести с большим количеством дефектов кри­ сталлической решетки. В этом случае поверхность реакции из­ вести с расплавами шлака будет максимальной. Мелкокристал­ лическая структура извести с разрывами и искажениями кристал­ лической решетки получается при быстром нагреве и обжиге известняка без длительной выдержки при высоких температурах.

Длительная выдержка при высоких температурах приводит к рекристаллизации извести, укрупнению кристалла и исправле­ ниям дефектов кристаллической решетки. Температура обжига известняка, длительность выдержки его в реакционной зоне с вы­ сокими температурами и, следовательно, характеристика полу­ чаемой извести зависят от конструкции печей и их 'теплового режима.

Многочисленные зарубежные исследования показывают, что максимальная реакционная способность при мягком обжиге ха­ рактерна для извести, получаемой во вращающихся печах, при­ чем показатели качества извести различаются весьма резко. Так, если для твердообожженной извести характерны объемная масса 2,0 г/см3 и пористость 37,9%, то для мягкообожженной извести эти величины соответственно равны 1,5—1,7 г/см3 и 50% [13]. Еще более резкие различия получены при разной

Различия пористости и поверхности извести, характеризуемые данными табл. 12, заставляют предполагать, что при увеличении пористости и поверхности скорость растворения извести.мягкого обжига должна увеличиться минимум в 2 раза, что в свою очередь ■должно сопровождаться повышением основности первичных и конечных шлаков, увеличением выхода годного металла (поскольку устраняются выбросы и выносы) и увеличением стойкости футе­

43

ровки. Данные зарубежной практики очень хорошо подтверждают эти положения. В конвертерном цехе фирмы «Август Тнесен» в 180-т конвертеры для технологического сравнения вводили известь различного качества (табл. 13) [133.

Т А Б Л И Ц А 13. КАЧЕСТВО ИЗВЕСТИ , ИСП О ЛЬЗО В А Н Н О Й

ВИ С С Л ЕД О В А Н И Я Х ФИРМЫ «АВГУСТ ТИССЕН»

Использование мягкообожженной извести сопровождалось уве­ личением выхода годного на 1%, уменьшением расхода извести на 10 кг на 1 т стали, уменьшением расхода плавикового шпата на 2 кг на 1 т стали.

Еще более интересные данные приводятся в публикациях аме­ риканских авторов, согласно которым с использованием в кон­ вертерах мягкообожженной извести выход жидкого металла уве­ личивается на 5—6%, что практически невероятно.

Из приведенных данных следует, что в конвертерных цехах должна применяться только известь мягкого обжига.

Вопрос выбора агрегатов для обжига извести по-видимому, сводится к выбору той или иной конструкции агрегата и тепловых режимов, поскольку и в шахтных, и во вращающихся печах можно получить высококачественную известь мягкого обжига. Так, в ФРГ предпочтение отдают шахтным печам [15]. Нужно отметить, что производство извести в шахтных печах несколько дешевле. Кроме того, при производстве извести во вращающихся печах повышается выход мелкой фракции.

Целесообразно отметить, что размер куска извести, минимально допустимый для конвертерной плавки, составляет около 5 мм (при принятых интенсивностях продувки). Вынос извести из зоны подачи в газовый тракт определяется скоростями выхода газов,- которые в свою очередь зависят от садки конвертера (соотношения площади горловины к садке конвертера).

44

Скорости выхода конвертерных газов для конвертеров различ­ ной емкости приведены в табл. 14.

При увеличении интенсивности продувки (а следовательно, и скорости выхода газов) возрастает и минимально допустимый размер куска извести. Так, при интенсивности продувки около 5 м3/(т-мин) минимальный размер кусйа извести будет составлять около 8— 10 мм. Поскольку во вращающихся печах выход мелкой фракции выше, это обусловливает дополнительную трудность применения вращающихся печей, так как несколько' снижается производительность их по извести требуемого качества.

Следует сказать несколько слов о применении известняка для полной или частичной замены извести. В некоторых цехах СССР

и за рубежом часть извести заменяют известняком, присаживае­ мым по ходу продувки мелкими порциями. Использование из­

температуры продувки. Нужно отметить, что применение из­ вестняка в кислородно-конвертерном производстве нецелесооб­ разно. Это показано опытами и трехлетней практикой работы завода им. Петровского [16]. Присадки известняка понижают выход жидкой стали и увеличивают длительность продувки (по сравнению с работой на руде). Данные по уменьшению выхода жидкого металла приведены ниже:

При применении известняка выход годной стали уменьшается на 0,8— 1,0% и время продувки увеличивается на 7—10%. Из при­ веденных данных следует, что нельзя применять известняк в шихте конвертерной плавки.

К железной руде, окалине, бокситу и другим материалам кон­ вертерной плавки предъявляют такие же требования по чистоте, кусковатости, максимальному содержанию железа, глинозема, как и в мартеновском процессе. Следует отметить, что применение сырой железной руды должно быть исключено из практики работы

45

конвертерных цехов. Это объясняется высоким содержанием крем­ незема в руде. Несмотря на то что ГОСТом на руду 21-го класса оговаривается содержание кремнекнслотьг не более 8%, фактиче­ ское содержание кремнекислоты достигает 12% и более. С увели­ чением содержания кремнезема довольно резко ухудшаются пока­ затели процесса (табл. 15). В таблице приведены расчетные дан­

мератом или окалиной вместо руды (присаживаемой, как пра­ вило, в сравнительно небольших количествах — не более 4%).

В заключение можно сказать, что показатели работы кисло­ родно-конвертерных цехов в первую очередь определяются ка­ чеством сырых материалов. Особенно это относится к качеству чугуна и извести. На основании данных этой главы можно опре­ делить оптимальный состав мартеновского чугуна для передела в кислородных конвертерах: 0,6—0,7% Si, не более 0,6% * Мп, 0,3% Р и 0,045% S. Отклонение от состава чугуна в сторону боль­ ших концентраций элементов сопровождается уменьшением вы­ хода стали.

Г л а в а II

Взаимодействие газовой струи с'металлом и шлаком Окисление углерода

1. Взаимодействие струи дутья с металлом

Основным и решающим фактором продувки в кислородных конвертерах является взаимодействие струи кислорода с жидким металлом и шлаком. Характер этого взаимодействия определяет практически все процессы, протекающие в ванне конвертера —

* За исключением тех случаев, когда используются УНРС.

46

скорость окисления отдельных элементов, уровень окисленности металла и шлака, соотношение компонентов в составе отходящих газов и тепловые процессы продувки.

Дутьевой режим — основная причина выбросов и выносов ме­ талла и шлака, что в значительной мере определяет экономику процесса, так как неудачный выбор дутьевого режима сопрово­ ждается уменьшением выхода жидкого металла. В ряде случаев неправильный выбор параметров дутья обусловливает заметалливание фурм и увеличение времени простоев конвертеров.

Управление дутьевым режимом (изменением расхода и давле­ ния дутья, положением фурм над уровнем спокойного металла, а также изменением диаметра, числа и конструкции сопел) позво­ ляет в определенных пределах регулировать ход процесса рафи­ нирования и в конечном итоге получать металл широкого сорта­ мента и высокого качества.

Важное значение взаимодействия струи подаваемого дутья с металлической ванной и связанных с ним перемешивания ванны

иобезуглероживания предопределяет интерес металлургов к этим вопросам. В то же время необходимо отметить, что эти вопросы являются наиболее сложными и наименее изученными в теории

ипрактике сталеплавильных процессов. Сложность их опреде­ ляется, во-первых, тем, что взаимодействие струи с металлом

сявлениями, подчиняющимися различным закономерностям. Подавляющее число исследований направлено на определение аэродинамических характеристик струи и формы реакционной зоны в месте встречи струи с металлом. При этом схема взаимо­ действия струи с металлом принимается следующей.

Струя кислорода, вытекающая из сопла при определенных давлении и расходе с весьма высокими скоростями, при встрече

сметаллом образует на его поверхности полость (кратер), размеры которой, а также характер перемешивания металла с газом опре­ деляются характеристиками струи. В полости кратера (его метал­ лическими «стенками» и брызгами, возникающими при ударе струи о металл) воспринимается кислород струи металлом и в даль­ нейшем осуществляется перенос кислорода от реакционной зоны в объем ванны.

Параметры струи, выходящей из сопла, могут быть определены из условия адиабатического расширения струи [17]

k — показатель адиабаты, представляющий собой отно­ шение теплоемкостей при постоянном давлении и объеме ср/с и равный для кислорода 1,4.

47

Из уравнения (1)

k - \

ш2 2i

Заменяя Pxvi = R T !, получаем бол'ее удобное выражение

(5)

При определенных давлениях скорость газа на выходе из сопла приобретает критические значения, равные скорости звука:

При продувке через сопла двухатомных газов (в том числе и кислорода) критическая скорость достигается при отношении p j p — 0,528. Дальнейшее повышение давления для цилиндриче­ ских и суживающихся сопел не приводит к увеличению скорости выхода газов из сопла. Для давлений, характерных при продувке металла в конвертерах и применении цилиндрических сопел или сопел с расширяющимся диффузором, но не отвечающих характе­ ристикам сопел Лаваля, скорости истечения практически равны звуковым (для кислорода 298—300 м/с).

Приведенные уравнения классической аэродинамики справед­ ливы лишь для определения скорости на основном участке струи, имеющем протяженность 5—6 калибров. За соплом струя приобре­ тает дополнительное ускорение. Максимальные скорости по оси струи после начального участка можно определить по выражению

- "Скорости по оси струи, определенные по этому выражению для условий продувки в кислородных конвертерах, колеблются в пре­ делах 400—600 м/с. Для характеристики процесса плавки стале-

48

плавильщиков должны интересовать прежде всего параметры струи в месте встречи ее с металлом. Скорость струи и динамиче­ ский напор в месте встречи могут быть определены по методике И. Г. Казанцева [19, с. 16—33]:

В— постоянная, определяемая формой сопла и давлением истекающего газа; для условий, близких к кислородной продувке, В = 1,5-т-2,0;

d0— диаметр сопла, м.

Необходимо отметить, что уравнения (8)—(10) дают лишь приближенную оценку скорости потока и диаметра струи в месте встречи с металлом, поскольку выведены для условий дозвуковых изотермических струй. Однако, так как теория высокотурбулент­ ных сверхзвуковых струй еще не разработана, для сравнения про­ текания процессов в различных условиях приходится пользо­ ваться этими выражениями с учетом их приближенности.

Основным параметром, определяющим внедрение струи в ме­ талл и течение обменных процессов, следует считать глубину проникновения струи. По И. Г. Казанцеву, глубина погружения