MS / Лекция_11
.pdf102
11 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КИСЛОРОДНЫХ КОНВЕРТЕРАХ ДОННОГО ДУТЬЯ
Диаметр рабочего пространства кислородного конвертера донного дутья больше, чем в конвертере верхнего дутья равного тоннажа, а кислород подается в металл при помощи нескольких фурм, рассредоточенных по площади днища.
Это позволяет увеличить интенсивность продувки и сократить ее продолжи-
тельность на 10 – 20%.
Большая интенсивность продувки в сочетании с подачей кислорода через рассредоточенные по площади днища донные фурмы приводит к тому, что в конвертерах донного дутья ванна перемешивается с большей интенсивностью и более равномерно. Поэтому по ходу плавки в конвертерах донного дутья сис-
тема металл-шлак ближе к состоянию термодинамического равновесия, чем в конвертерах верхнего дутья.
Этим обусловлен ряд существенных особенностей технологии производ-
ства стали в кислородных конвертерах донного дутья.
11.1 Окисленность шлака
Одним из следствий высокой интенсивности перемешивания ванны в конвертере донного дутья является меньшая окисленность шлака. Характер из-
менения содержания (FeO) при рафинировании металла в конвертерах верхнего и донного дутья показан на рисунке 11.1. Из рисунка видно, что в течение 90%
продолжительности продувки (τпр) содержание (FeO) не превышает 5 – 7% и
только при содержании углерода в металле менее 0,1% быстро увеличивается,
достигая 15% и более.
Зависимость содержания железа в шлаке от концентрации углерода в ме-
талле на повалке конвертера показана на рисунке 11.2.
Следствием низкого содержания железа в шлаке, а также меньших потерь железа в результате испарения, является то, что выход жидкой стали в конвер-
103
Рисунок 11.1 – Изменение содержания (FeO) при продувке в конвертерах:
1 – LD; 2 – OBM
Рисунок 11.2 – Зависимость содержания железа в шлаке от концентрации углерода на повалке конвертера:
1 – 250-т конвертер LD; 2 – 230-т конвертер OBM
терах донного дутья на 1 – 2% выше, чем в конвертерах верхнего дутья.
104
11.2 Окисленность металла
Зависимость содержания кислорода в металле от концентрации углерода на повалке конвертеров верхнего и донного дутья показана на рисунке 11.3.
Рисунок 11.3 – Зависимость содержания кислорода в стали от концентрации уг-
лерода на повалке конвертера:
1 – LD; 2 – OBM
Из рисунка видно, что при производстве в конвертерах донного дутья низкоуглеродистых марок стали содержание кислорода в металле в конце про-
дувки существенно ниже. Меньшую окисленность металла в конвертерах дон-
ного дутья принято объяснять тем, что при равном тоннаже глубина их ванны меньше (в среднем на 0,15 м). Кроме того, вместе с кислородом в металл пода-
ется защитный газ в количестве, равном 5 – 7% расхода кислорода. Все это спо-
собствует уменьшению парциального давления оксида углерода в поднимаю-
щихся в расплаве пузырях на 0,012 – 0,015 МПа и увеличению раскислительной способности растворенного в металле углерода.
При выплавке стали в конвертерах донного дутья меньшее содержание кислорода в металле в конце продувки способствует снижению угара раскисли-
105
телей и уменьшению их расхода.
11.3 Поведение марганца
Низкая окисленность шлака по ходу плавки в конвертерах донного дутья определяет поведение марганца. В начале и середине продувки марганец почти не окисляется, в связи с чем отсутствует классический «марганцевый горб», ха-
рактеризующий восстановление марганца при высокой скорости окисления уг-
лерода и высокой температуре ванны при продувке металла кислородом в кон-
вертерах верхнего дутья. Характер поведения марганца по ходу плавки в кон-
вертере донного дутья показан на рисунке 11.4.
Рисунок 11.4 – Изменение состава металла по ходу продувки в 25-т конвертере донного дутья
Более высокое содержание марганца по ходу продувки приводит, по мне-
нию абсолютного большинства авторов, к более высоким концентрациям этого элемента перед выпуском. Зависимость остаточного содержания марганца от концентрации углерода в металле для конвертеров верхнего и донного дутья приведена на рисунке 11.5.
106
Рисунок 11.5 – Остаточные концентрации марганца при плавке в 230-т
конвертерах завода «Chiba» (Япония). Содержание марганца в начале плавки 0,55 – 0,65%:
1– Q-BOP; 2 – LD
11.4Дефосфорация металла
В кислородных конвертерах донного дутья низкое содержание оксидов железа в шлаке приводит к тому, что при использовании для наведения шлака кусковой извести быстрое понижение концентрации фосфора в металле наблю-
дается только в заключительном периоде продувки при содержании углерода менее 0,1% (рисунок 11.6а). При этом сталь с высоким и средним содержанием углерода получают путем выплавки низкоуглеродистого металла и последую-
щего науглероживания его в ковше.
При продувке металла порошкообразной известью в потоке кислорода окисление фосфора протекает на протяжении всего времени продувки (рисунок
11.6б).
Ряд авторов обращает внимание на то, что с учетом возможной рефосфо-
рации при раскислении содержание фосфора в металле перед выпуском плавки
107
Рисунок 11.6 – Изменение химического состава металла и шлака в конвертере донного дутья при использовании кусковой (а) и порошкообраз-
ной (б) извести
должно составлять 0,015 – 0,020%. С этой целью при использовании порошко-
образной извести продувку также приходится заканчивать при содержании уг-
лерода 0,05% и менее. В этих условиях система металл-шлак приближается к равновесию по фосфору и результаты дефосфорации при использовании куско-
вой и порошкообразной извести существенно не различаются. Этот вывод под-
тверждается рисунками 11.7 и 11.8, на которых приведены зависимости кон-
центрации фосфора в металле от окисленности и основности шлака в первых сериях опытных плавок (кривые) и при тщательной отработке технологии (точ-
ки).
108
Рисунок 11.7 – Зависимость концентрации фосфора в металле на выпуске от содержания FeO в шлаке:
1 – порошкообразная известь; 2 – кусковая известь
Рисунок 11.8 – Зависимость концентрации фосфора в металле на выпуске от основности конечного шлака:
1 – порошкообразная известь; 2 – кусковая известь
11.5 Десульфурация металла
Авторы зарубежных исследований сообщают, что степень десульфурации металла в конвертерах донного дутья может составлять 50 – 60% вместо 30 –
109
40% при продувке сверху.
Большую эффективность удаления серы при продувке через днище при-
нято объяснять тем, что фактические значения коэффициента распределения серы между шлаком и металлом при равной основности шлака несколько выше,
чем при продувке сверху (рисунок 11.9).
Рисунок 11.9 – Влияние основности шлака (В) на величину коэффициента рас-
пределения серы:
1 – донная продувка; 2 – продувка сверху
Указывается также, что в конвертерах донного дутья большее количество серы удаляется из металла в результате реакции
[S] + {O2 } = {SO2 } . |
(11.1) |
Однако, имеются также сообщения о том, что при выплавке стали с со-
держанием углерода менее 0,1% концентрация серы на повалке конвертера не зависит от типа процесса (рисунок 11.10).
Для получения содержания фосфора 0,015 – 0,020% продувку в конверте-
рах донного дутья необходимо вести до содержания углерода 0,05% и менее.
Скорее всего именно этим можно объяснить результаты широких промышлен-
ных исследований, выполненных сотрудниками ЦНИИЧермет и ВНИИМетмаш
(г. Москва), которые позволяют утверждать, что при обычных концентрациях
110
Рисунок 11.10 – Зависимость содержания серы в металле от концентрации углерода на повалке 200-т конвертера:
1 – верхняя продувка; 2, 3 – донная продувка
серы в чугуне степень десульфурации металла в конвертерах верхнего и донно-
го дутья имеет близкие значения.
11.6 Содержание водорода в металле
При подаче кислорода в расплав в оболочке из углеводородов содержа-
ние водорода в металле увеличивается в результате протекания реакций
{H 2O} = 2[H] |
+ [O] , |
(11.2) |
0,5{H 2 } = |
[H] . |
(11.3) |
При этом содержание водорода в металле определяется интенсивностью двух одновременно протекающих процессов: растворения газа и удаления его вследствие дегазирующего действия пузырей СО. Когда плавка заканчивается при очень низком содержании углерода в металле, большая часть вдуваемого в ванну кислорода расходуется на окисление железа. При этом парциальное дав-
ление СО в продуктах реакции уменьшается, а парциальные давления Н2О и Н2
увеличиваются. В этот период плавки содержание водорода в металле заметно возрастает и может достигать 6 – 10 см3/100 г.
111
Для понижения конечной концентрации водорода в металле в заключи-
тельном периоде плавки используют продувку ванны аргоном или азотом через донные фурмы в течение 0,5 – 1,5 минут с расходом 2 – 3 м3/т.
11.7 Состав металлической шихты
Тепловые балансы плавки в конвертерах с верхней и донной продувкой существенно отличаются.
При продувке сверху в отходящих из конвертера газах содержится боль-
шее количество СО2, то есть заметное количество СО догорает в рабочем про-
странстве конвертера, увеличивая приход тепла. Кроме того, при продувке сверху большее количество тепла поступает в результате окисления железа.
При донной продувке больше тепла теряется с отходящими из конвертера газами, имеют место потери тепла, связанные с нагревом и разложением угле-
водородов защитного газа.
Поэтому количество лома, которое можно переработать в конвертерах донного дутья, примерно на 5% меньше, чем в конвертерах с верхней продув-
кой.
В заключение следует также сказать о следующих особенностях эксплуа-
тации кислородных конвертеров донного дутья:
∙связанное с отсутствием верхних фурм снижение капитальных затрат при строительстве новых и реконструкции существующих цехов перекрыва-
ется затратами на днища, трубопроводы и средства контроля;
∙смена днищ, которая продолжается не менее 8 часов, сводит на нет эко-
номию времени, достигнутую в результате сокращения длительности продувки;
∙в связи с высоким содержанием водорода в отходящих газах для их очи-
стки предпочтительно использование мокрых скрубберов.