Методические указания к практическим работам № 4-6 по технологии проведения конвертерной плавки по дисциплинам «Теория и технология производства стали

конвертера и последующей продувкой чистого зеркала металла с интенсивным выносом брызг металла навстречу кислородному потоку, заметалливанием фурмы, горловины конвертера и поверхностей охладителя конвертерных газов

(ОКГ).

Рис. 2. Высота фурмы над ванной при различных режимах взаимодействия кислородной струи и ванны и различных расходах кислорода на сопло

Переход от стабильного к подвижному кратеру (1→2), режиму зажигания (2→3), глубокому проникновению струи (3→4) и далее к режиму «жесткой» продувки (4→5), соответственно описываются уравнениями:

11

Нф 1→2 = 53,1( м∙ )0,456; Нф 2→3 = 33,4( м∙ )0,447;

Нф 3→4 = 18,6( ∙ )0,462;

м

Нф 4→5 = 7,7( ∙ )0,465;

м

где i – импульс струи, кг*м/см2; Нф – высота фурмы, м;

ρм – плотность жидкого металла, кг/м3.

Скорость кислорода (v) на срезе сопла составляет 500 м/с и тогда оптимальную высоту фурмы можно выразить:

Нф=0,21v0,4.

Глубина реакционной зоны при рабочей высоте фурмы (Нф) L=0,3lg(i*T)+0,08,

где L – глубина реакционной зоны, м. При интенсивном обезуглероживании

= 8,9Нф( м∙ ∙Н3ф)0,584 ∙ со ,

а в окончательный период продувки

о.п. = 12,7Нф( м∙ ∙Н3ф)0,584 ∙ со ,

то есть глубина реакционной зоны составит L=(Lmin+Lо.п.)/2±0,07.

Основные варианты влияния на режим продувки или на реакционную зону ванны конвертера

Основные варианты влияния на режим продувки или на реакционную зону ванны конвертера следующие:

-изменение высоты фурмы над зеркалом металла;

-изменение подачи кислорода по ходу продувки.

1. Рассмотрим возможные варианты изменения высоты фурмы над зеркалом металла:

12

а) ступенчатое изменение высоты фурмы по ходу продувки (общепринятое), которое в свою очередь делится:

-10-20% начала продувки – фурма в 1,2-2 раза выше, чем во время продувки (необходимость наводки шлака, с целью окисления Fe, Si и Mn; возможность повреждения фурмы легковесным ломом);

-кратковременное поднятие фурмы в середине продувки (избежание свертывания шлака);

-опускание фурмы в конце продувки (уменьшение FeO и его оксидов в

шлаке).

б) циклическое перемещение фурмы по ходу продувки, которое в свою очередь делится:

-нижний торец кислородной фурмы совершает движение по кругу, то есть вокруг вертикальной оси (постоянное обновление реакционной поверхности; увеличение степени перемешивания металла и шлака);

-вертикальное циклическое перемещение фурмы, которое составляет обычно один цикл в секунду с амплитудой 0,5 м (возможность снижения расхода чугуна на 10-30 кг/т стали, так как 50% фурма находится выше рабочего положения, то есть С до СО2 увеличивается на 8%; увеличивается опасность выбросов).

2. Рассмотрим возможные варианты подачи кислорода по ходу продувки: а) интенсивность подачи кислорода по ходу продувки, как правило, не

изменяется.

б) увеличение расхода кислорода в начале и в конце продувки:

-в начале продувки скорость окисления кремния и марганца не меняется, а скорость обезуглероживания увеличивается, так как повышается температура ванны;

-в конце – уменьшение продолжительности продувки, а значит увеличение производительности агрегата.

в) циклическое изменение расхода кислорода в период обезуглероживания,

которое позволяет в определенной степени интенсифицировать массообмен в реакционной зоне, что приводит к улучшению перемешивания.

13

г) применение пульсирующего дутья, которое может обеспечить

ускоренное растворение извести, так как ускоряется массоперенос и удаление

серы и фосфора из металла.

Управление оксидами железа в шлаке по ходу продувки

Содержание оксидов железа в шлаке во многом определяет ход конвертерных процессов, и их результаты зависят от соотношения скоростей окисления железа и других примесей (главным образом от vFe /vc).

Важнейшей задачей режима продувки является по этим причинам управление содержанием оксидов железа в шлаке. Известно, что vFe/vc обратно пропорционально давлению струи кислорода на ванну.

Японскими исследователями предложен коэффициент ISCO (индекс селективного окисления углерода), с увеличением которого vFe/vc возрастает:

где iO2 – интенсивность продувки металла кислородом, м3/(мин*т); ia – интенсивность продувки металла другими газами, м3/(мин*т); τ – время полного перемешивания, с.

Таким образом существует зависимость:

= 2∙4 ,

( +1)0,444

где nO2 – условная доля кислорода в дутье, %;

h – отношение высоты фурмы над ванной для данного процесса к высоте

принимается равным единице; nB – доля донного дутья, %;

i - интенсивность продувки (i=2iO2+ia), м3/(мин*т).

Таким образом, управлять содержанием оксидов железа в шлаке можно, изменяя долю кислорода в дутье, высоту фурмы над ванной, долю донного дутья и интенсивность продувки.

14

Рассчитав длительность продувки и положение фурмы над уровнем спокойной ванны, графически изобразите дутьевой режим плавки: изменение положения фурмы и интенсивности продувки по ходу плавки. Объясните принятое вами изменение положения фурмы по ходу продувки. Объясните механизм влияния положения фурмы на следующие параметры:

–скорость растворения кусковой извести в первичном шлаке;

–предотвращение выбросов металла из конвертера при интенсивном обезуглероживании;

–скорость обезуглероживания в конце продувки при выплавке низкоуглеродистой стали;

–окисленность конвертерной ванны.

Практическая работа № 5

Расчёт параметров шлакового режима конвертерной плавки

1.1. Расчёт количества шлака

Точное количество образующегося шлака определяется на основании расчёта материального баланса плавки с использованием многочисленных параметров плавки: содержание оксидов железа в шлаке, количество оксидов от окисления примесей металлошихты и пр. Когда большинство сведений о параметрах плавки ещё неизвестно, возможен приближенный расчёт количества шлака по полуэмпирической формуле [2]:

шл = 2В ∙ [1,7 ∙ ([Si]r + [Si]л) + [др] ], кг,

2

где В – основность шлака, (2,5…3,8);

[Si]r, [Si]л – содержание кремния в чугуне и ломе, % ([Si]л ≈ 0,1...0,3%);

– количество кримнезёма, поступающего в шлак из других

источников (для одношлакового кислородного процесса [др] равно 0,7...1,3 кг).

2

Эта формула справедлива для обычных условий конвертерной плавки: одношлаковый процесс, содержание кремния в чугуне 0,5...1,0%, попадание

15

доменного шлака 0,3...0,8% от массы чугуна, засорение лома 1,5...3,0%. В этом случае количество шлака колеблется в пределах 13...17% (или кг на 100 кг металлошихты).

1.2. Расчёт содержания окислов железа в шлаке

Содержание окислов железа в шлаке можно приближенно рассчитать по эмпирическим уравнениям [2].

При содержании углерода после продувки более 0,10%:

(Σ%FeO) = 4B + 0,3 + 10−6 2 + 1,25,

[ ]п – содержание углерода после продувки, % ТМ – температура металла после продувки, °С.

При содержании углерода в металле после продувки менее 0,05%:

(Σ%FeO) = 12 + 0,9 .

[ ]п

Эта зависимость даёт удовлетворительные результаты и для области более высоких концентраций углерода.

В конвертерных процессах соотношение (FeO) и (Fе2О3) в шлаке обычно составляет 2:1. Тогда (% FeO) = 0,667(Σ%FeO)

(% Fе2O3) = (Σ%FeO) – (FeO).

Данные для расчёта количества и окисленности шлака принимаются согласно таблице 3.

Краткая теория. Особенностью кислородно-конвертерного процесса является необходимость быстрого наведения шлака для обеспечения определенных им функций, так как наведение шлака самая медленная стадия этого процесса.

В начале продувки образуется первичный шлак, состоящий в основном из оксидов кремния, марганца и железа. Чтобы повысить основность шлака требуется ввод извести.

16

ТСаО=2770К, а Трасплава=1500÷1700К, следовательно, задачей процесса шлакообразования является достижение максимально возможных скоростей ассимиляции извести при относительно низких температурах.

Повышенная окисленность шлака во всех случаях ускоряет ассимиляцию извести, то есть при повышенных температурах происходит замещение части

Са2+ на ионы Fe2+ и Mn2+, постепенно тем самым понижая температуру плавления. Также образуются легкоплавкие ферриты и манганаты.

(SiO2)<15-20% способствует ассимиляции извести, а при (SiO2)>20%

происходит снижение растворения, так как образуется пленка 2(СаО)(SiO2) на поверхности, с Тпл=2130 0С.

Основные условия и требования к шлаку:

1) Обеспечение определенного химического состава шлака.

Основным показателем химического состава является основность шлака,

которая к концу плавки должна достигать 3,0-3,5.

2) Обеспечение физических свойств шлака, то есть шлак должен быть гомогенным и обладать достаточной жидкоподвижностью.

Густые, вязкие шлаки обладают низкой рафинирующей способностью и приводят к большим потерям металла в виде попадающих в шлак корольков и выносов в виде брызг.

Отрицательные факторы, возникающие при шлакообразовании:

-заметаливание фурмы;

-образование настылей на горловине конвертера и на камине газоотводящего тракта.

Примечание. Чрезмерно жидкоподвижные шлаки способствуют интенсивному

разрушению футеровки конвертера и появлению выбросов.

Способы улучшения процесса шлакообразования:

1) Целесообразно введение извести в конвертер в первой трети продолжительности продувки при непрерывном повышении температуры ванны.

17

Обычно 40-60% извести вводят до заливки чугуна или на первых минутах продувки, остальное порциями (1-2 порции) – через несколько минут после начала продувки.

2)Режим продувки – подъем над уровнем ванны фурмы в процессе продувки для увеличения содержания(FeO).

3)Важно использование качественной извести – мягко обожженной с высокой реакционной способностью и с определенным фракционным составом.

4)Использование флюсующих добавок. Ускорение ассимиляции извести шлаком при использовании плавикового шпата CaF2 объясняется снижением Тпл сплавов СаО-CaF2 при повышении CaF2 и повышением активности (FeO) в присутствии в шлаке плавикового шпата. Его расход не превышает обычно 0,5% массы металлошихты на плавку.

5)Использование доломитизированной извести способствует увеличению стойкости футеровки на 10-20% из-за содержания в составе MgO=15-22%.

6)Применение порошкообразной извести позволяет увеличивать поверхность реагирования, регулировать основность шлака по ходу продувки и устранять вспенивание шлака (повышение гомогенности шлака).

7)Использование отходов алюминиевого производства в качестве шлакообразующей добавки (эффект как у плавикового шпата плюс дополнительный источник тепла). Отходы можно использовать при содержании 20% Al2O3 в них.

8)Применение марганецсодержащих материалов (марганцевые руды), что приводит к повышению (MnO) в первичном шлаке.

9)Использование отходов цветной металлургии, чем можно сократить расход чугуна (в данных отходах есть металлическая фаза) и как использование флюсующей добавки.

10)Применение борсодержащих веществ (они имеют низкую температуру плавления).

11)Использование вместо плавикового шпата нефелиновой руды (уртит),

примерный химический состав которой следующий: 39,6-46,0% SiO2, 17,1-28,7%

Al2O3, 4,3-12,5% Fe2O3, 7,4-14,4% CaO и другие. 18

12)Повторное использование конвертерного шлака:

-оставление в конвертере жидкого шлака предыдущей плавки;

-применение твердого оборотного шлака, так как он имеет высокое содержание FeO.

13)Использование природных материалов, то есть флюоритизированного известняка (11-13% CaF2) и флюоритовой руды (25% CaF2).

Примечание. CaF2 в виде плавикового шпата достаточно дорогостоящий, поэтому нужна более дешевая замена.

Железо переносит кислород в сталеплавильной ванне. Окисление железа происходит в основном в реакционной зоне, а на периферии происходит восстановление железа компонентами расплава.

Начало плавки – происходит окисление железа до 15% в шлаковую фазу, так как температура еще низкая, а чугун достаточно вязкий.

Середина плавки – происходит сильное обезуглероживание ванны (кипение), железо начинает восстанавливаться, так как происходит нехватка кислорода.

Конец плавки – после окисления почти всех примесей опять окисляется железо, и содержание (FeO)=20-25%.

Методы регулирования окисленности ванны конвертера:

1)регулирование высоты фурмы (подъем и опускание);

2)изменение угла наклона и числа сопел фурмы (разновидности различных фурм);

3)регулирование интенсивности подачи кислорода в дутье.

Возможности комплексной обработки чугуна. Мировой опыт развития отрасли характеризуется, прежде всего, интенсивным внедрением в практику различных методов предварительной обработки жидкого чугуна (обескремнивания, дефосфорации, десульфурации) и продувки такого рафинированного чугуна в конвертере с малым количеством шлака и, соответственно, с меньшим расходом материалов, меньшими потерями железа и тепла, с облегчением организации получения стали с минимальным содержанием нежелательных примесей.

19

Различные варианты технологии комплексной обработки чугуна разработаны и реализованы в странах с развитой металлургией с учетом специфических условий работы предприятий. Предварительная обработка чугуна от кремния, фосфора и серы позволяет получать сталь со сверхнизким содержанием серы и фосфора 0,002% и 0,005% соответственно.

«Малошлаковая» технология. Одной из важнейших проблем в организации рациональной технологии сталеплавильного производства является выбор состава шихты. Основная часть металлошихты конвертерной плавки — это чугун. Традиционным требованием к составу чугуна является максимально меньшее содержание в нем серы и фосфора. Получение низкосернистого чугуна сопряжено с определенным температурным режимом доменной плавки и использованием в доменной печи основного шлака, вследствие чего увеличивается расход кокса, возрастает масса шлака, снижается производительность доменных печей и т. п.

На рис. 3 приведены результаты расчетных и экспериментальных данных, из которых, в частности, следует, что при снижении в чугуне концентрации кремния увеличивается выход жидкой стали, уменьшаются масса шлака и расход извести. Чем больше в чугуне кремния, тем значительнее угар (кремний полностью окисляется в первые минуты продувки), тем больше образуется кремнезема (SiO2) и больше требуется извести (СаО) для получения высокой основности (CaO/SiO2). Соответственно увеличиваются общая масса шлака и масса железа (в виде оксидов) в шлаке, т. е. возрастают потери железа со шлаком.

Таким образом, расчеты и практика показывают, что переход на использование низкокремнистого (и маломарганцевистого) жидкого чугуна целесообразен. Это позволяет повысить производительность доменных печей (при одновременной экономии кокса), снизить расходы флюсов в конвертерном производстве, уменьшить потери со шлаком, повысить стойкость футеровки и др. Переход на работу с низкокремнистым и маломарганцевистым чугуном обеспечивает увеличение выхода металла минимум на 1,0-1,5%. Кроме того, несколько облегчаются условия работы шлакоуборки, уменьшаются шлаковые отвалы и т. п.

20