книги из ГПНТБ / Производство стали в конвертерах учебное пособие для подготовки квалифицированных рабочих на производстве С. И. Лифшиц. 1960- 17 Мб

100 Томасовский процесс

семеровском процессе, из-за меньшего содержания кремния в чугуне, пламя томасовского процесса менее яркое. Температу­ ра в начале второго периода не только не увеличивается, но да­

же несколько понижается из-за развития эндотермической ре­

акции (5). Фосфор в течение второго периода окисляется незна­

чительно. Марганец по мере увеличения температуры восстанав­ ливается, а затем к концу второго периода, когда содержание

углерода понижается и возрастает окисленность шлака, содер­ жание марганца снова снижается. На кривой марганца образу­ ется характерный для томасовского процесса «горб». По ходу второго периода постепенно формируется шлак. Известь пере­

чивается, а содержание SiO2 понижается. К концу второго пе­

риода пламя укорачивается вследствие окисления углерода до 0.05—0.06%. Содержание FeO в шлаке увеличивается и насту­ пает начало третьего периода — дефосфорации. Второй период

может успешно протекать, несмотря на то, что подъем темпера­ туры процесса идет медленно. Это объясняется жидкоподвиж-

ностью томасовского фосфористого чугуна. Однако если пер­ вый период был проведен холодно и холодно протекает второй, то он будет сопровождаться большим угаром железа. В шлаке и металле окажется высокое содержание FeO, что приведет к бурному окислению углерода, сопровождающемуся выбросами.

При нормальном нагреве процесс идет спокойно. Горячий ход операции также может вызвать выбросы из-за бурного окисле­

ния углерода, но это легко устранимо своевременным охлажде­ нием процесса присадкой скрапа.

Состав конвертерных газов в начале второго периода харак­ теризуется быстрым увеличением содержания СО до 30—32% и

понижением количества СО2 до 2,5—5,0%; содержание азота падает примерно до 65%. К концу второго периода содержание СО резко уменьшается и количество азота достигает 85—92%. Свободный кислород из газов исчезает. В газах имеется неболь­

шое количество Н2 (~ 0,2%) от разложения влаги дутья. Третий период. Третий период — период дефосфорации. При

низком содержании углерода увеличивается количество FeO в шлаке и известь переходит в раствор; это создает благоприят­ ные условия для развития реакции окисления фосфора и связы­ вания Р20з в шлаке — реакции (6), (7) и (8); за счет теплоты реакций окисления и ошлакования фосфора повышается тем­ пература и металл сохраняет подвижность, несмотря на то, что содержание углерода понижается до 0,04%. Шлак становится

жидкоподвижным за счет Р2О5 в течение 1 мин. Для получения заданного стандартного содержания фосфора металл передува­ ют; при этом окисляется железо и из конвертера выходит гу­

стой бурый дым. Содержание фосфора в металле понижается до

0,05%. Продолжительность третьего периода составляет 2,5— 3,5 мин. Установить степень дефосфорации по виду пламени не­ возможно. При постоянных условиях производства можно с до­ статочной точностью останавливать процесс по времени, так как конец второго периода можно уловить довольно точно по па­ дению пламени. Можно останавливать процесс и по пробе ме­ талла.

Холодный ход третьего периода может быть исправлен до­ бавками в конвертер феррофосфора, ферросилиция или мар­

ганцовистых сплавов. При добавках дефосфорация прекра­ щается на время окисления введенных примесей, металл подогре­ вается, и операция идет нормально.

В течение третьего периода шлак обогащается Р2О5 и окислами железа. Содержание S1O2 понижается, а содержание СаО немного увеличивается. Газы третьего периода состоят в основ­

ном из азота и небольших количеств СО и СО2.

При томасовском процессе на воздушном дутье металл всег­ да передувается до очень низкого содержания углерода. Оста­

новить процесс на высоком содержании углерода невозможно из-за повышенного содержания остаточного фосфора. Томасов­ ский металл до заданного содержания углерода доводится при­ садками науглероживающих материалов.

5. Десульфурация при томасовском процессе

Если содержание марганца в чугуне превышает 1,0%, то при транспортировании чугуна к миксеру и в самом миксере мо­ жет происходить экзотермическая реакция (10) образования

MnS, который менее растворим в металле, чем FeS. В конвер­ тере условий для развития этой реакции нет. Десульфурация

может идти за счет образования сернистого кальция CaS по

реакциям соединения FeS, AAnS и СаО — реакция (12). Из ус­ ловий равновесия реакций образования CaS вытекает, что для успешного протекания десульфурации необходимо высокое со­ держание свободной СаО в шлаке и низкое количество в нем

FeO и ААпО. При томасировании известь переходит в раствор и становится активной только в конце процесса при низком содер­ жании углерода, когда увеличивается содержание FeO в шлаке.

Эти обстоятельства ограничивают степень десульфурации (в плавке, приведенной на рис. 26, она составляет всего 23,5%). Поэтому при выплавке стали с низким содержанием серы возни­ кает необходимость в десульфурации чугуна до слива его в мик­ сер или конвертер.

Чугун десульфурируют содой или обессеривающими смеся­ ми, в состав которых входит сода, известь и плавиковый шпат.

К2 Томасовский процесс

Проведены опыты по вдуванию в томасовский чугун порошко­ образной извести током азота в специальном ковше. При этом в течение 3—4 мин. содержание серы понижается на 90% без понижения температуры чугуна.

6. Шлаки томасовского процесса

Шлаки томасовского процесса благодаря высокому содер­ жанию в них Р2О5 используются после соответствующей обра­ ботки в качестве удобрений. Рядом исследований установлено,

ний почвой необходимо определенное содержание SiO2 в шлаке. Поэтому иногда при сливе шлака в шлаковый чан или шлаковню к нему добавляют кварцевый песок. Для использования то­ масовского шлака содержание Р2О5 в нем должно быть не мень­ ше 14—16%. Состав конечных томасовских шлаков плавок, про­

дутых воздухом, обычно колеблется в следующих пределах: 42—

50% СаО; 3,5—6,0% SiO2; 16—22% Р2О5; 4—10% МпО; 12,5—

17,0% FeO; 1,0—2,0% А12О3; 2,5—6,0% MgO. В табл. 21 приве­ ден состав конечных томасовских шлаков.

7.Ненормальности в ходе томасовской плавки

иих устранение

Охлаждение процесса. Необходимым условием успешной ра­ боты любого конвертерного цеха, в том числе и томасовского, является постоянство состава и температуры чугуна, качества руды, извести и скрапа, дутьевого режима и т. п. Однако в про­ изводственных условиях возможны отклонения от стандартных параметров технологии. В отдельных случаях может наблюдаться

и потерями, связанными с разливкой недостаточно нагретого металла.

шенным содержанием в чугуне кремния, марганца или фосфора

при одновременной высокой температуре чугуна. Если такие ус­ ловия являются постоянными, то вырабатывается соответству­ ющая технология охлаждения процесса скрапом, рудой, окали­ ной или известью. Иногда же перегрев чугуна и повышенное со­ держание в нем одного или группы элементов, вызывающих по­ вышение температуры процесса, носят случайный характер и требуют устранения ненормального горячего хода плавки.

При горячем ходе, вызванном увеличением содержания

кремния в чугуне против обычного при одновременном перегре­ ве чугуна, во втором периоде процесс охлаждают присадкой скрапа и дополнительного количества извести. Можно после не­ скольких минут продувки сливать первичный шлак и заводить новый добавкой извести. При этом происходит охлаждение про­

цесса и устраняются выбросы из-за уменьшения объема шлака.

Если причиной горячего хода является марганец, то присажи­ вают только скрап. Избыток фосфора вызывает горячий ход третьего периода. Охлаждение процесса в этом случае достига­ ется небольшой присадкой мелких обрезков, чтобы они успели расплавиться. Иногда в третьем периоде процесс охлаждают брикетами, состоящими из окалины и извести. Присадка же од­ ной извести для охлаждения ванны в третьем периоде нерацио­ нальна, так как при этом сгущается шлак и повышаются потери металла в корольках, запутывающихся в вязком шлаке. Кроме того, увеличивается количество шлака, что снижает содержание

в нем Р2О5 и обесценивает его.

Охлаждение процесса можно вести железной рудой или про­

катной окалиной, присаживаемыми обычно перед третьим пе­ риодом. Количество присадок регулируют в зависимости от сте­

пени перегрева. Руда и окалина сильно охлаждают ванну и с их помощью можно успешно регулировать температуру. При при­ садке руды и окалины к концу второго периода понижается со­ держание азота в стали, так как они являются дополнительным источником кислорода, сокращающим продолжительность про­ дувки. Окалину следует предпочесть руде, так как она почти не содержит кремнезема. Руда должна быть кусковатой во избе­ жание выдува ее из конвертера.

Недостаток тепла. Холодный ход процесса вызывается недос­ таточной температурой чугуна и низким содержанием в нем крем­ ния, марганца и фосфора. В таком случае в конвертер присажи­

вают силикошпигель и ванна подогревается в результате окисле­ ния кремния и марганца, содержащихся в силикошпигеле. Если холодный ход процесса вызван присадкой излишнего количества извести, то увеличения температуры можно достигнуть дачей фер­

росилиция. В этом случае избыток СаО свяжется образующимся

дополнительным количеством SiO2 и шлаки получатся достаточно жидкоподвижными. Недостаток тепла может быть вызван и при­ менением плохо обожженной извести, на разложение которой будет Затрачиваться тепло. При работе на такой извести следует несколько задерживать слив чугуна в конвертер, чтобы дать воз­ можность загруженной извести дополнительно обжечься за счет тепла футеровки. Однако подогревающие добавки в этом случае

все же необходимы.

8.Современные способы получения низкоазотистой

инизкофосфористой томасовской стали

Томасовская сталь отличается от мартеновской повышенным содержанием азота и фосфора. В мягкой томасовской стали, вы­ плавленной на воздушном дутье, содержится 0,012—0,025% N2 (в мартеновской 0,004—0,010%) и 0,05—0,09% Р (в мартеновской

обычно меньше 0,03%). Повышенное содержание фосфора и азо­ та придает томасовской стали ряд характерных механических и технологических свойств, ограничивающих ее применение. Она более хрупка, чем мартеновская сталь, плохо сваривается элек­

тросваркой, хуже деформируется в холодном состоянии.

Для устранения этих недостатков нужно уменьшить погло­ щение металлом азота во время продувки и понизить содержание фосфора.

Многочисленными исследованиями томасовского процесса установлено, что на содержание азота в томасовской стали влия­ ют в основном следующие факторы:

1)температура конца продувки; в плавках, проведенных бо­ лее холодно, содержание азота при одинаковой конечной темпе­

ратуре меньше;

2)продолжительность продувки; чем меньше время контак­

та азота дутья с металлом, тем ниже содержание азота в ме­

талле;

3)скорость окисления углерода; скорость удаления азота пропорциональна скорости выгорания углерода;

4)глубина ванны; чем меньше слой металла, тем ниже со­

держание азота;

5)содержание азота в конвертерных газах.

Получение низкоазотистой томасовской стали связано с вы­ полнением приведенных условий. Оно достигается следующими

способами:

а) охлаждением процесса продувки рудой или окалиной; б) применением боковой и поверхностной продувки: умень­

шением глубины ванны; в) продувкой паровоздушной смесью;

г) обогащением дутья кислородом;

следний период продувки, когда резко увеличивается темпера­ тура ванны. При повышении температуры на 50° содержание азота в стали при воздушном дутье увеличивается на 0,002 % ■ Поэтому регулирование температуры конца продувки является одним из основных условий понижения содержания азота в ста­

ли. Охлаждение процесса может быть осуществлено скрапом,

известью, известняком, рудой и окалиной. Чем больше присаже­ но охлаждающих добавок, тем ниже содержание азота в стали при одинаковой конечной температуре.

Лучшие результаты получаются при охлаждении процесса

рудой или окалиной, так как в этом случае, помимо снижения температуры, уменьшается потребность в дутье в связи с исполь­ зованием кислорода окислов железа. Получающееся при этом уменьшение количества дутья, содержащего азот, и снижение продолжительности продувки способствуют понижению содержа­ ния азота в стали.

Руду и окалину в количестве 3—8% от веса чугуна, в зави­ симости от температуры процесса и содержания кремния в чугу­ не, можно присаживать как в начале продувки, так и по ее ходу. Наибольшее снижение содержания азота наблюдается при при­ садке окалиньи в конвертер в конце периода обезуглероживания.

Если охлаждающих добавок много, то во избежание сильного охлаждения ванны в конце процесса половину их нужно дать в

первом периоде, а половину во втором, при обезуглероживании.

Считают, что присадка 50 кг руды на 1 т металла уменьшает со­ держание азота в стали на 0,002%. При присадке руды до нача­ ла продувки в количестве 2—2,5% от веса чугуна увеличивается

скорость выгорания углерода и за этот счет снижается содержа­ ние азота (не выше 0,012%) и фосфора в стали. Содержание фосфора понижается в результате более быстрого образования шлака, при присадке руды и увеличения содержания окислов же­ леза в шлаке.

Метод двойной продувки. Метод двойной продувки заключа­ ется в следующем: в конвертер сливают 50—60% всего чугуна и загружают всю известь. Продувка ведется с полным давлением дутья до содержания углерода 0,04—0,05%. Затем продувка при­ останавливается и в конвертер сливается остальной чугун. В кон­ вертере возникает бурная реакция между примесями чугуна и основным богатым окислами железа шлаком, в результате ко­

торой из металла частично удаляется фосфор. После успокоения

реакции ведется продувка в течение 2 мин. при неполном дав­ лении дутья. Содержание фосфора в стали в конце второй про­

106 Томасовский процесс

дувки снижается до 0,045%. Так как вторичная продувка ведется при относительно высоком содержании углерода, металл полу­ чается менее окисленным, чем при обычной продувке. Если, на­ пример, шлак обычного томасовского процесса содержит 10% Fe, 5% Мп и 17% Р2О5, то при двойной продувке он содержит

8,5% Fe, 4% Мп и 17,0 % Р2О5. Снижение содержания азота дос­ тигается благодаря первой продувке с половинной глубиной ван­ ны и уменьшению общей продолжительности продувки по срав­ нению с обычным процессом. На рис. 27 представлена схема окисления примесей при двойной продувке.

Боковая и поверхностная продувка. Уменьшение глубины

ванны приводит к уменьшению продолжительности контакта дутья с металлом и, как следствие, к снижению количества погло­ щенного азота. Опытом установлено, что в конце кампании кон­ вертера, когда футеровка уже изношена, содержание азота в

стали понижается. Считают, что уменьшение глубины ванны на каждые 100 мм дает уменьшение содержания азота в стали на

0,002%.

При боковом дутье воздух подается под небольшой слой металла или на его поверхность. Большая часть металла не име­ ет непосредственного соприкосновения с дутьем, вследствие че­ го значительно уменьшается поглощение азота. Примеси удаля­ ются в основном за счет диффузии FeO в ванну, отчего процессы окисления замедляются и увеличивается продолжительность про­ дувки. Если при нижнем дутье, например, продолжительность продувки составляет 36 сек. на 1 г металла, то при боковом дутье она увеличивается до 60 сек/т, т. е. производительность конвер­ тера уменьшается почти в два раза. Избыток тепла, получаю­ щийся при догорании СО в полости конвертера, позволяет прак­ тически продувать чугуны с любым содержанием фосфора. Тре­ буемая для выпуска плавки температура достигается даже при

содержании фосфора в чугуне 0,2—0,35%. При боковой продувке

содержание окислов железа в шлаке выше, чем при продувке снизу. Благодаря этому более эффективно протекает дефосфора­ ция. Опытом работы основных конвертеров с боковым дутьем в КНР установлено, что в отдельных случаях при 1,5% Р в чугуне сталь получается с содержанием фосфора до 0,03% без передувки (без третьего периода), т. е. фосфор удаляется из стали при обезуглероживании [7]. При содержании фосфора в чугуне 0,35%

в 98% случаев получается без передувки сталь с содержанием фосфора ниже 0,05%. Содержание азота в этой стали 0,0046— 0,009%. В КНР в основных конвертерах с боковым дутьем про­ дувают чугуны с содержанием 0,9—1,2% Si, 1,3—2,0% Мп, 0,25— 1,2% Р (в отдельных случаях до 1,8%). Путем покачивания кон­ вертера можно работать с поверхностным дутьем или с погру­

женными на разную глубину фурмами (до 90 мм). Схема 30-т

конвертера с боковым дутьем представлена на рис. 28. Снижение содержания азота в стали может быть достигнуто

в обычном конвертере, приспособленном для бокового дутья, путем особого расположения сопел в днище и продувки при на­ клонном положении конвертера.

Конвертер для продувки в наклонном положении с односто­ ронним расположением фурм в днище изображен на рис. 29.

Фурмы диаметром 25 мм расположены в стороне днища, проти­

воположной наклону конвертера, в пять рядов. Содержание азо­ та в стали, полученной на таком конвертере, 0,0083%; содержа­ ние FeO в шлаке 9%. При продувке наблюдались значительные выбросы. В связи с тем что производительность и стойкость томасовских конвертеров с боковым дутьем уменьшается почти в два раза, этот способ работы не получил широкого распростра­ нения, несмотря на свои преимущества.

Продувка томасовского чугуна паровоздушной смесью. Заме­

на части воздуха в дутье водяным паром обогащает дутье кис­ лородом. В 1 м3 пара содержится около 0,7 кг кислорода ’, а в

1 л3 воздуха — всего около 0,3 кг, т. е. паром можно подвести к ванне больше кислорода, чем воздухом. При продувке паровоз­ душной смесью можно достигнуть почти полного разложения

1 Вес 1 Л13 пара составляет примерно 0,8 кг. На 18 кг молекул Н2О прихо-

0,8-16

дится 16 кг кислорода; следовательно, в 1 м3 ——— = 0,7 кг кислорода.

у мартеновской стали того же состава. Вредного влияния пара

на качество стали не было обнаружено. Стойкость днищ умень­ шилась.

9. Применение кислорода в томасовском производстве

Применение кислорода в томасовском производстве дало воз­ можность получать сталь, близкую к мартеновской по содержа­