Шихтовые материалы кислородно-конвертерного процесса

Основными шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий чугун, стальной лом, шлакообра-зующие (известь, плавиковый шпат и др.), ферросплавы для раскисления и легирования. Постоянно используется также газообразный кислород.

Жидкий чугун

Состав чугунов, перерабатываемых на разных заводах, изме­няется в широких пределах: 4,0-4,8% С; 0,1-2,6% Мп; 0,3-2,0% Si; 0,02-0,07% S; < 0,3 % Р. Однако опыт пока­зал, что для обеспечения высоких технико-экономических показателей процесса содержание составляющих чугуна целе­сообразно ограничивать в определенных узких пределах.

При излишне высоком содержании кремния возрастает рас­ход извести для ошлакования образующейся Si0₂ и увеличи­вается количество шлака в конвертере, что ведет к росту потерь железа и теплопотерь со сливаемым шлаком; понижа­ется также стойкость футеровки конвертера. Вместе с тем при очень низком (< 0,3 %) содержании кремния замедляется шлакообразование в связи с медленным растворением извести из-за слишком низкого содержания Si0₂ в первичных шлаках. Положительной стороной повышенного содержания кремния яв­ляется то, что возрастает количество тепла от его окисле­ния; это позволяет увеличить расход лома. Большинство отечественных заводов работают на чугунах с содержанием кремния 0,6—0,9 %, что, очевидно, близко к оптимальной величине.

Оптимальной величиной содержания марганца в чугуне в течение многих лет считали 0,7-1,1%. Стремление конвер-терщиков применять чугуны со столь высоким содержанием марганца вызвано тем, что при более низком его содержании существенно замедляется шлакообразование, поскольку в первичных шлаках будет содержаться мало оксида МпО, уско­ряющего растворение извести. Однако большая часть марган­ца при конвертерной плавке окисляется и безвозвратно те­ряется со шлаком в виде МпО. С учетом этого, а также того, что выплавка чугуна с повышенным (0,5-0,7 % и более) содержанием марганца требует добавки в шихту до-

менных печей дефицитной марганцевой руды, в последние го­ды выплавляют маломарганцовистые чугуны (0,5—0,1 % Мп). При их переработке в кислородных конвертерах применяют ряд мер по ускорению шлакообразования.

Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,2— 0,3%, поскольку при большем его содержании необходим промежуточный слив шлака во время продувки и наведение нового, что снижает производительность конвертера.

Содержание серы в чугунах, предназначенных для выплав­ки качественных сталей, не должно превышать 0,035%, а ря­довых сталей- 0,05%. Такое ограничение объясняется тем, что из-за высокого содержания оксидов железа в конвертер­ных шлаках удаление в них серы при плавке происходит сла­бо; степень десульфурации не превышает 30%. На многих за­водах организована внедоменная десульфурация чугуна.

Температура жидкого чугуна обычно составляет 1300— 1450 °С. Применять чугун с более низкой температурой не­желательно, так как это ведет к холодному началу продувки и замедлению шлакообразования.

Стальной лом

Стальной лом является охладителем конвертерной плавки, увеличение его расхода экономит чугун, снижая себестои­мость стали. К лому, как и при прочих сталеплавильных процессах, предъявляется требование о недопустимости вы­сокого содержания фосфора, серы, примесей цветных метал­лов и ржавчины. Количество меди и никеля, которые не окисляются в условиях конвертерной плавки, не должно пре­вышать их допустимого содержания в выплавляемой стали (обычно <0,2%). Ограничивают максимальный размер кусков лома, поскольку слишком большие куски могут не успевать раствориться в металле за время продувки, а во время за­грузки могут повредить футеровку конвертера. Толщина кус­ков лома не должна превышать 0,25—0,35 м, длина — 0,8 м; размер пакетов не должен быть более 0,7x1x2 м.

Illлакообразующие

Основные шлакообразующие материалы - это известь и плави­ковый шпат, иногда в качестве шлакообразующих или охлади­телей используют боксит, железную руду, прокатную окалину 0⁷е₃О₄), агломерат, рудно-известковые окатыши.

Известь должна быть свежеобожженной и содержать > 92 % СаО, < 2 % Si0₂ и «0,05-0,08 % S. При содержании серы в извести > 0,1 % возможен переход серы из шлака в металл во время плавки. Куски извести должны иметь размеры от 10 до 50 мм. Применение более мелких кусков извести не до­пускается, так как они будут вынесены из конвертера отхо­дящими газами.

Плавиковый шпат — эффективный разжижитель шлака. Он содержит 75—92% CaF₂, основной примесью является Si0₂. Железная руда, агломерат и окатыши должны содержать не более 8 % Si0₂ и 0,1 % фосфора и серы (каждого), размер кусков руды должен быть 10—80 мм.

Боксит (марка МБ) содержит 28-50% А1₂0₃, 10-20% Si0₂ и 12—25 % Fe₂0₃; обычно в нем также много влаги (10— 20%), что требует предварительной просушки во избежание внесения в сталь водорода.

Миксерный шлак и отходы производства

Вместе с чугуном при его заливке в конвертер поступает немного (до 1 % от массы чугуна) шлака, имеющегося в за­ливочном ковше. Этот шлак часто называют миксерным; он формируется из попадающего в миксер доменного шлака и растворяющейся в нем футеровки миксера и чугуновозных ковшей. Шлак содержит, %: 35-55 Si0₂, 20-35 СаО, 3— 15MgO, 1-6 FeO, 2-10 MnO, 4-8 А1₂0₃ и до 2 % серы, а после десульфурации в ковше до 4 % серы.

Поскольку шлак содержит много серы, необходимо исклю­чить его попадание в конвертер. В связи с этим во многих цехах организовано скачивание шлака из заливочных ковшей перед сливом из них чугуна в конвертер.

В последние годы расширяется использование в конвер­терном производстве отходов ряда металлургических произ­водств.

В частности, с целью ускорения шлакообразования и уменьшения расхода плавикового шпата применяют вводимые в конвертер в начале продувки шлаки производства силикомар-ганца, которые наряду с обычными составляющими конвертер­ных шлаков содержат 16—19 % МпО; шлаки от производства силумина, содержащие Si0₂, А1₂О_э, SiC и металлические A1 и Si; твердый конвертерный шлак предыдущих плавок и другие.

Доставка чугуна в сталеплавильные цехи

Жидкий чугун к сталеплавильным агрегатам подают двумя способами — с использованием стационарных миксеров и в миксерных ковшах (передвижных миксерах). При первом, способе чугун из доменного цеха в 100- или 140-т ковшах на чугуновозах по железнодорожным путям доставляют в мик-серное отделение, в котором установлено один—три стацио­нарных миксера (см. рис. 90). Чугун через люк 3 заливают из ковшей в миксер, где хранится его запас, и по мере надобности порцию чугуна сливают через носок 5 в заливоч­ный ковш, который транспортируют к конвертерам.

Миксер (рис. 90) представляет собой сосуд бочкообраз­ной формы с кожухом из стального листа, футерованный из­нутри. Свод миксера, не соприкасающийся с чугуном, выкла­дывают из шамотного кирпича, стенки и днище — из магне­зитового. Толщина футеровки ~ 700 мм, стойкость футеровки

0,5—1,5 года.

В верхней части миксера расположен люк для заливки чу­гуна; в боковой части имеется носок для слива чугуна. С целью уменьшения теплопотерь люк и носок снабжены крыш­ками. Чугун сливают через сливной носок путем поворота миксера вокруг горизонтальной оси, для чего имеется рееч­ный механизм поворота, а кожух миксера опирается на две дугообразные опоры через ролики, заключенные в удерживаю­щие их обоймы.

Рис. 90. Стационарный миксер:

1 — кожух; 2 — футеровка; 3 — заливочный люк; 4 —i опорные бандажи; 5 — сливной носок; 6 — опорные ролики; 7 — реечный механизм поворота; 8 — го­релки; 9 — жидкий чугун

Миксер отапливают газом или мазутом с помощью горелок, установленных в торцевых стенках. Тем не менее за время пребывания в миксере чугун остывает на 30—50 °С.

Роль миксера состоит не только в хранении запаса чугу­на. В миксере происходит выравнивание химического состава и температуры чугуна различных выпусков, в связи с чем длительность пребывания чугуна в миксере должна быть ~ 7 ч. Вместимость типовых миксеров составляет 600, 1300 и 2500 т.

При втором способе доставки чугун из доменной печи вы­пускают в миксерный ковш (см. рис. 91) через горловину 6, затем ковш транспортируют в переливное отделение конвер­терного цеха. Здесь по мере надобности порцию чугуна из миксерного ковша сливают через горловину в заливочный ковш, который транспортируют к конвертеру и далее залива­ют из него чугун в конвертер.

Отечественный 420-т миксерный ковш (передвижной мик­сер) имеет (рис. 91) сигарообразную форму; стальной кожух 5 футерован изнутри шамотным кирпичом 4. На торцах кожуха закреплены цапфы 7, которыми ковш через подшипниковые опоры 3 опирается на две ходовые тележки 1, перемещающие­ся по рельсовому пути 8. Одна из цапф соединена с меха­низмом поворота 2; вращением ковша вокруг оси цапф обес­печивают слив чугуна через горловину б. Вместимость мик-серных ковшей составляет 100-600 т; стойкость футеровки 400-600 наливов чугуна. Отечественный 420-т миксерный ковш имеет длину по осям сцепок 31,9 м и наружный диаметр 3,63 м, 600-т ковш — соответственно 39,6 и 3,3 м.

Рис. 91. Миксерный ковш

Преимущества применения миксерных ковшей: примерно на 50 °С повышается температура заливаемого в конвертер чу­гуна, что позволяет увеличить расход лома; уменьшается число переливов чугуна и его потерь при этом; не требует-

ся сооружения миксерных отделений и стационарных миксе­ров. Недостатком является отсутствие усреднения состава и температуры чугуна разных выпусков из доменной печи.

Внепечная десульфурация чугуна

Поскольку при конвертерной плавке сера из металла удаля­ется плохо, часто прибегают к предварительной десульфура-ции чугуна в ковшах. Обработку чугуна десульфураторами ведут в специализированных отделениях десульфурации, со­оружаемых на пути следования чугуновозных ковшей из доменного цеха в конвертерный, либо в заливочных ковшах в конвертерном цехе. В объем чугуна в ковше вводят различ­ными способами магний, вдувают порошкообразные известь, карбид кальция СаС₂, соду Na₂C0₃ и иногда другие десуль-фураторы. Последние вступают в химическое взаимодействие с серой чугуна; при реагировании с магнием образуется MgS, с известью и карбидом кальция - CaS, с содой - Na₂S; эти соединения нерастворимы в чугуне и всплывают в шлак. Шлак в ковше после десульфурации содержит до 4 % серы, и его необходимо скачивать из ковша перед сливом чугуна в конвертер.

На отечественных заводах часто применяют десульфурацию гранулированным магнием, вводимым в чугун с помощью футе­рованной трубы. При соприкосновении с чугуном магний ис­паряется, и его пары вместе с газом-носителем вытекают через низ трубы в объем чугуна, вызывая его барботаж, что обеспечивает большую поверхность контакта чугуна с маг­нием. При расходе магния 0,4-1,0 кг/т чугуна получают остаточное содержание в нем серы от 0,01 до 0,002 %.

Газообразный кислород

Кислород для конвертерного и других цехов производят на сооружаемой в составе металлургического завода кислород­ной станции путем разделения сжиженного воздуха. Основны­ми элементами установки получения кислорода являются тур­бокомпрессор, детандер, служащий для расширения сжатого воздуха, и блок разделения сжиженного воздуха.

На этой установке воздух вначале сжижают путем предва­рительного сжатия компрессором до давления ~ 0,6 МПа и последующего расширения в детандере, вызывающего охлажде­ние до температур, при которых воздух переходит в жидкое

состояние (менее —192 °С). Далее жидкий воздух поступает в блок разделения, где проводят ректификацию — разделение жидкого воздуха на составляющие путем двухкратного посте­пенного испарения; при испарении вначале улетучивается азот (t_Km = -195,8 °С) и аргон (г_кип =-189,4 °С) и остается жидкий кислород (*_кип = —183 °С). Повторяя испа­рение, можно добиться необходимой чистоты кислорода.

Наиболее крупная установка получения кислорода с бло­ком разделения БР—2М имеет производительность 11000 м³/ч технического кислорода (> 99,6 % 0₂) и 24000 м³/ч техно­логического (> 95,3 % 0₂); побочными продуктами являются азот и аргон. Полученный газообразный кислород по трубо­проводам подают в конвертерный и другие цехи завода; дав­ление до нужных пределов увеличивают компрессором.

5 4. ПЛАВКА В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ С ВЕРХНЕЙ ПРОДУВКОЙ

1. Технология плавки

Шихтовка плавки и организация загрузки. Шихтовку, т.е. определение расхода на плавку чугуна и лома, шлакообразу-ющих, ферросплавов и других материалов, в современных це­хах проводят с помощью ЭВМ (АСУТП) на основании вводимых в нее данных о составе чугуна и других шихтовых материа­лов, температуре чугуна, параметрах выплавляемой стали и некоторых других. При этом расход лома, являющегося охла­дителем плавки, определяют на основании расчета теп­лового баланса плавки, увеличивая или уменьшая расход так, чтобы обеспечивалась заданная температура металла в конце продувки, а расход извести — так, чтобы обеспечива­лась требуемая основность шлака (2.7—3,6).

Лом загружают в конвертер совками объемом 20—110 м³; их заполняют ломом в шихтовом отделении цеха и доставляют к конвертерам рельсовыми тележками. Загрузку ведут (рис. 92, а) через отверстие горловины конвертера, опрокидывая совок 3 с помощью полупортальной машины 2, либо мостового крана, либо напольной (перемешающейся по рабочей площадке цеха) машины. Конвертер при загрузке наклонен примерно на 45° с тем, чтобы загружаемые куски лома скользили по фу­теровке, а не падали бы сверху, разрушая ее.

Рис. 92. Технологические операции конвертерной, плавки: загрузка лома (а), заливка чугуна (б), начало продувки (в), замер температуры (г), слив металла (д), слив шлака (г):

1 — газоотвод; 2 — полупортальная загрузочная машина; 3 — совок; 4 — мосто­вой кран; 5 — заливочный ковш; б — бункер; 7 — течка; 8 — термопара; 9 — бункер для ферросплавов; 10 — сталеразливочный ковш; 11 — шлаковая чаша (ковш)

Жидкий чугун заливают (рис. 92, б) в наклоненный кон­вертер через отверстие горловины с помощью мостового кра­на 4 из заливочного ковша 5, который обычно вмещает всю порцию заливаемого чугуна (до 300 т и более). Заливочные ковши с чугуном доставляют к конвертерам из миксерного или переливного отделений.

Для загрузки сыпучих шлакообразуюших материалов кон­вертер оборудован индивидуальной автоматизированной сис­темой. Из расположенных над конвертером расходных бунке­ров, где хранится запас материалов, их с помощью электро­вибрационных питателей и весовых дозаторов выдают в про­межуточный бункер б, а из него материалы по наклонной течке (трубе) 7 ссыпаются в конвертер через горловину. При этом система обеспечивает загрузку сыпучих без оста­новки продувки по программе, которая разработана заранее или задается оператором из пульта управления конвертером.

Периоды плавки

Плавка в кислородном конвертере включает следующие перио­ды.

1. Загрузка лома. Стальной лом в количестве до 25—27 % от массы металлической шихты (при использовании специаль­ных технологических приемов и в большем количестве) заг­ружают в наклоненный конвертер (рис. 92,в) совками. Объем совков достигает 110 м³, его рассчитывают так, чтобы заг­рузка обеспечивалась одним-двумя совками, поскольку при большем числе возрастает длительность загрузки и плавки в целом. Загрузка длится 2—4 мин. Иногда с целью ускорения шлакообразования после загрузки лома или перед ней в кон­вертер вводят часть расходуемой на плавку извести.

2. Заливка чугуна. Жидкий чугун при температуре от 1300 до 1450 °С заливают (рис. 92, б) в наклоненный кон­вертер одним ковшом в течение 2-3 мин.

3. Продувка. После заливки чугуна конвертер поворачи­вают в вертикальное рабочее положение, вводят сверху фур­му и включают подачу кислорода, начиная продувку (рис. 92, в). Фурму в начале продувки для ускорения шла­кообразования устанавливают в повышенном положении (на расстоянии до 4,8 м от уровня ванны в спокойном состоя­нии), а через 2—4 мин ее опускают до оптимального уровня (1,0—2,5 м в зависимости от вместимости конвертера и осо­бенностей технологии).

В течение первой трети длительности продувки в конвер­тер двумя—тремя порциями загружают известь; вместе с пер­вой порцией извести, вводимой после начала продувки, дают плавиковый шпат и иногда другие флюсы (железную руду, окатыши, боксит и др.). Расход извести рассчитывают так, чтобы шлак получался с основностью от 2,7 до 3,6; обычно расход составляет 6—8 % от массы стали.

Продувка до получения заданного содержания углерода в металле длится 12—18 мин; она тем больше, чем меньше при­нятая в том или ином цехе интенсивность подачи кислорода в пределах 2,5—5 м³/(т • мин).

В течение продувки протекают следующие основные метал­лургические процессы:

а) окисление составляющих жидкого металла вдуваемым кислородом; окисляется избыточный углерод, а также весь

кремний, около 70% марганца и немного (1-2%) железа. Газообразные продукты окисления углерода (СО и немного СО_а) удаляются из конвертера через горловину (отходящие конвертерные газы), другие оксиды переходят в шлак;

б) шлакообразование. С первых секунд продувки начинает
формироваться основной шлак из продуктов окисления сос­
тавляющих металла (Si0₂, MnO, FeO, Fe₂0₃) и растворяющей­
ся в них извести (СаО), а также из оксидов, вносимых мик-
серным шлаком, ржавчиной стального лома и растворяющее ~
футеровкой. Основность шлака по ходу продувки возрастает
по мере растворения извести, достигая 2,7—3,6;

в) дефосфораиця и десульфураиця. В образующийся основ­
ной шлак удаляется часть содержащихся в шихте вредных
примесей- большая часть (до 90%) фосфора и немного (до
30%) серы;

г) нагрев металла до требуемой перед выпуском темпера­
туры (1600-1660 °С) за счет тепла, выделяющегося при про­
текании экзотермических реакций окисления составляющих
жидкого металла;

д) расплавление стального лома за счет тепла экзотер­
мических реакций окисления; обычно оно заканчивается в
течение первых 2/3 длительности продувки;

е) побочный и нежелательный процесс испарения железа в
подфурменной зоне из-за высоких здесь температур (2000—
2600 °С) и унос окисляющихся паров отходящими из конвер­
тера газами (подробнее см. п. 7 § 4), что вызывает потери
железа и требует очистки конвертерных газов от пыли.

4. Отбор проб, замер температуры, ожидание анализа, корректировка. Продувку необходимо закончить в тот мо­мент, когда углерод будет окислен до нужного в выплавляе­мой марке стали содержания; к этому времени металл должен быть нагрет до требуемой температуры, а фосфор и сера удалены до допустимых для данной марки стали пределов.

Момент окончания продувки, примерно соответствующий требуемому содержанию углерода в металле, определяют по количеству израсходованного кислорода, по длительности продувки, по показаниям ЭВМ. Окончив продувку, из конвер­тера выводят фурму, а конвертер поворачивают в горизон­тальное положение. Через горловину конвертера отбирают пробу металла, посылая ее на анализ, и замеряют темпера­туру термопарой погружения (рис. 92, г). Если по резуль-

татам анализа и замера температуры параметры металла соответствуют заданным, плавку выпускают. В случае не­соответствия проводят корректирующие операции: при избы­точном содержании углерода проводят кратковременную до-дувку для его окисления; при недостаточной температуре делают додувку при повышенном положении фурмы, что вызы­вает окисление железа с выделением тепла, нагревающего ванну; при излишне высокой температуре в конвертер вводят охладители — легковесный лом, руду, известняк, известь и т.п., делая выдержку после их ввода в течение 3—4 мин. По окончании корректировочных операций плавку выпускают.

На отбор и анализ проб затрачивается 2—3 мин; коррек­тировочные операции вызывают дополнительные простои кон­вертера и поэтому нежелательны.

5. Выпуск. Металл выпускают в сталеразливочный ковш через летку без шлака; это достигается благодаря тому, что в наклоненном конвертере, (рис. 92, д,) у летки рас­полагается более тяжелый металл, препятствующий попаданию в нее находящегося сверху шлака. Такой выпуск исключает перемешивание металла со шлаком в ковше и переход из шла­ка в металл фосфора и FeO. Выпуск длится 3-7 мин.

В процессе выпуска в ковш из бункеров 9 вводят ферро­сплавы для раскисления и легирования. При этом в старых цехах загружают все ферросплавы так, чтобы обеспечивалось раскисление и получение в стали требуемого содержания вводимых элементов (Мп и Si, а в легированных сталях и других элементов). В конце выпуска в ковш попадает немно­го (1—2 %) шлака, который предохраняет металл от быстрого охлаждения. В новых цехах, где проводят внепечную обра­ботку, в ковш вводят сплавы, содержащие слабоокисляющиеся элементы (Мп, Сг и иногда Si), после чего ковш транспор­тируют на установку внепечной обработки, где в процессе усредняющей продувки аргоном вводят элементы, обладающие высоким сродством к кислороду (Si, Al, Ti, Ca и др.), что уменьшает их угар. В этом случае в момент слива из кон­вертера последних порций металла делают "отсечку" шлака, препятствуя попаданию в ковш конвертерного шлака, содер­жащего фосфор, который может переходить в металл, и окси­ды железа, которые будут окислять вводимые в металл в процессе внепечной обработки элементы. В ковше для защиты металла от охлаждения и окисления создают шлаковый пок-

ров, загружая, например, гранулированный доменный шлак, вермикулит, известь с плавиковым шпатом.

6. Слив шлака (рис. 92, е) в шлаковый ковш (чашу) И ведут через горловину, наклоняя конвертер в противо­положную от летки сторону (слив через летку недопустим, так как шлак будет растворять футеровку летки). Слив шлака длится 2-3 мин. Общая продолжительность плавки в 100—350-т конвертерах составляет 40-50 мин.

2. Режим дутья

Взаимодействие кислородных струй с ванной. Перемешивание ванны, возникающее при продувке в результате воздействия кислородных струй и потока выделяющихся из ванны пузырь­ков окиси углерода, интенсифицирует массо- и теплообмен, ускоряя процессы окисления, рафинирования и нагрева ме­талла и расплавления стального лома.

Характер взаимодействия кислородных струй с ванной и возникающей при этом циркуляции металла показан на рис. 93. Под соплами фурмы расположены направленные вниз высокоскоростные потоки кислорода с увлекаемыми в них каплями металла; это первичные реакционные зоны, где весь кислород расходуется на окисление железа. По границам первичной зоны вследствие высокой концентрации кислорода окисляется много углерода с образованием СО и формируется мощный поток всплывающих пузы­рей СО, увлекающих за собой металл, поэтому циркуляционные потоки направлены здесь вверх.

Рис. 93. Структура ванны при продувке сверху:

1 — зона продувки (прямого окисления);

2 — зона циркуляции; 3 — пузыри СО; 4 — крупные газовые полости; J — металл; 6 — шлак

 

Поскольку контур циркуляции должен быть замкнутым, у сте­нок конвертера металл движется вниз. Выше зоны циркуляции металл и шлак перемешиваются всплывающими пузырями СО. Под первичными реакционными зонами, где всплывание пузы­рей СО затруднено, периодически формируются крупные газо­вые полости 4. Их объем при движении вверх возрастает в результате поглощения встречных пузырей СО, и при выходе крупных газовых объемов из ванны образуются всплески ме­талла и шлака.

Уровень ванны изменяется по ходу продувки. В начале и конце продувки, когда скорость окисления углерода невели­ка, т.е. образуется мало пузырей СО, металл вспенивается незначительно, и фурма находится над ванной (рис. 81, а). В середине продувки, когда скорость обезуглероживания сильно возрастает, большое количество выделяющихся пузы­рей СО вспенивают верхнюю часть ванны, и фурма оказыва­ется погруженной в газошлакометаллическую эмульсию (рис. 93), а уровень ванны может достигать верха горлови­ны конвертера. В этот период могут возникать выбросы.

Давление кислорода. Для внедрения кислородных струй в металл и полного усвоения кислорода необходима высокая кинетическая энергия струй. Поэтому применяют сопла Лава-ля, которые, преобразуя энергию давления в кинетическую, обеспечивают сверхзвуковую скорость выхода кислорода из сопла (500 м/с и более). С тем, чтобы поддерживалась ра­бота сопла в таком режиме, его диаметр при данном расходе кислорода рассчитывают (см. раздел "Кислородная фурма"), а давление кислорода перед соплом должно быть более 0,9—1,2 МПа. С учетом потерь давления в фурме давление кислорода, подаваемого в конвертерный цех, должно состав­лять 1,5-2,0 МПа.

Высота расположения фурмы имеет оптимальные пределы. При чрезмерно высоком расположении фурмы кинетическая энергия струй теряется на пути до встречи с ванной, по­этому кислородные струи не будут внедряться в металл ("поверхностный обдув") и будет низка степень усвоения кислорода; при чрезмерно низком положении ("жесткая про­дувка") усиливается вынос капель металла отходящими газа­ми и абразивный износ фурмы каплями металла, существенно замедляется шлакообразование из-за уменьшения количества FeO в шлаке. Оптимальная высота обычно находится в преде-

лах, соответствующих расстоянию до уровня ванны в спокой­ном состоянии от 1,0 до 2,5 м; в этих пределах высота обычно возрастает при увеличении вместимости конвертера и зависит от особенностей принятой в цехе технологии.

Изменение высоты положения фурмы во время продувки обычно используют для регулирования окисленности шлака и ускорения его формирования. При этом учитывают, что в подфурменной зоне вдуваемый кислород расходуется преиму­щественно на прямое окисление железа, а образующиеся ок­сиды могут растворяться как в металле, так и в шлаке. При большом заглублении кислородных струй в металлическую ванну весь кислород будет усваиваться металлом. Уменьше­ние заглубления струй приближает зону прямого окисления к шлаку, и в шлак будет переходить больше образующихся в этой зоне оксидов железа. Обогащение же шлака оксидами железа существенно ускоряет растворение извести, т.е. шлакообразование.

С учетом этого обычно применяют следующий режим про­дувки. В течение первых 2-4 мин продувки с целью ускоре­ния шлакообразования фурму устанавливают в повышенном положении (в 1,2-2,0 раза выше, чем в остальное время плавки), а затем ее опускают до оптимального уровня (в один или несколько приемов).

Уменьшение давления и расхода кислорода так же, как и подъем фурмы, вызывает уменьшение заглубления кислородных струй в ванну, и в результате этого шлак обогащается оксидами железа. Подобный прием регулирования окислен­ности шлака также иногда применяют.

Расход кислорода. Кислородную продувку количественно характеризуют удельным расходом кислорода, его общим рас­ходом на плавку, минутным расходом и интенсивностью пода­чи кислорода. Удельный расход (м³/т стали) и общий расход на плавку (м³) определяются количеством кислорода, необ­ходимого для окисления составляющих шихты; эти величины возрастают при увеличении содержания окисляющихся приме­сей в чугуне и уменьшаются при росте доли лома в шихте, поскольку лом содержит меньше окисляющихся примесей, чем чугун. Удельный расход кислорода обычно изменяется в пре­делах 47-57 м³/т стали. Минутный расход кислорода (м³/мин) увеличивается с ростом вместимости конвертера, достигая для большегрузных конвертеров 1600—2000 м³/мин.

Интенсивность подачи кислорода, м³/(т-мин), не зависит от вместимости конвертера и является постоянной в услови­ях того или иного цеха (в пределах 2,5—5 м³/(т • мин)). Ин­тенсивность / определяет длительность продувки t, кото­рая, так же как и величина /, не зависит от емкости кон­вертера. Связь между величинами (и / примерно следующая:

t = Q/I,

где Q — удельный расход кислорода, равный, как выше отме­чалось, 47—57 м³/т.

С целью сокращения длительности плавки интенсивность продувки стремятся увеличить. Однако опыт показал, что имеется предел, после превышения которого начинаются выб­росы металла и шлака из конвертера. Объясняется это тем, что при росте расхода кислорода возрастает скорость окис­ления углерода и, следовательно, количество выделяющихся пузырей СО, вспенивающих ванну; при подъеме вспенившейся ванны до уровня горловины могут появиться выбросы.

Опыт показал, что допустимый уровень интенсивности продувки тем выше, чем больше число сопел в фурме. Уста­новлена, в частности, следующая зависимость: с тем, чтобы при увеличении интенсивности продувки (например, от /, до /₂) уровень вспенивания ванны, а следовательно, вероят­ность возникновения выбросов оставались на прежнем уров­не, необходимо увеличить число сопел с л, до п_г в следую­щем соотношении: 1_х/1_г = (njnj^b, где Ъ = 0,7-1,0.

Применяемые в настоящее время трех—шестисопловые фурмы обеспечивают, как отмечалось, интенсивность продувки от 2,5 до 5 м³/(т • мин); расход кислорода через одно сопло не превышает 150—250 м³мин.

3. Поведение составляющих чугуна при продувке

Реакции окисления. В течение продувки за счет подаваемого в конвертер кислорода окисляется избыточный углерод, а также кремний, большая часть марганца и некоторое коли­чество железа. Окисление примесей жидкого чугуна — угле­рода, кремния и марганца можно представить следующими итоговыми реакциями:

[С] + 1/20₂ = СО; [Si] + 0₂ = (Si0₂);

[Мп] + 1/20₂ = (МпО).

Следует, однако, иметь в виду, что за счет непосредст­венного взаимодействия с газообразным кислородом окис­ляется лишь незначительная часть примесей. Окисление большей части примесей протекает по более сложной схеме -первоначально в зоне контакта кислородной струи с метал­лом окисляется железо: Fe +1/20₂ = FeO; его окисление объясняется тем, что концентрация железа в несколько де­сятков раз больше концентрации других элементов, и по­этому с вдуваемым кислородом прежде всего контактируют атомы железа. Образующийся оксид FeO растворяется частич­но в металле: FeO —*■ [О] + Fe и частично в шлаке: FeO —*-(FeO) и уже за счет этого растворенного в металле и шлаке кислорода окисляются прочие составляющие жидкого чугуна. Соответственно окисление, например, углерода идет по следующим схемам:

Fe + 1/20₂ = FeO; Fe +1/20₂ = FeO;

FeO = [О] + Fe; FeO = (FeO);

[C] + [O] = CO; [C] + (FeO) = CO + Fe.

Если просуммировать уравнения реакций правого или ле­вого столбцов, то в обоих случаях получим итоговую реак­цию окисления углерода: [С] +1/20₂ = СО, которая, таким образом, отражает лишь начальное и конечное состояние процесса окисления.

Таким образом, для продувки в конвертере характерно прямое окисление железа в зоне контакта кислородной струи с металлом (в "первичной реакционной зоне") и окисление прочих составляющих металла за счет вторичных реакций на границе с первичной реакционной зоной и в остальном объе­ме ванны.

Окисление кремния и марганца, так же как и углерода, начинается с момента подачи кислорода (рис. 94), причем весь кремний и большая часть марганца выгорают в первые минуты продувки. Более быстрое их окисление по сравнению с углеродом объясняется различием в химическом сродстве разных элементов к кислороду при различных температурах.

На рис. 95 приведена зависимость химического сродства ряда элементов к кислороду от температуры; при этом вели­чина химического сродства тем больше, чем больше по абсо­лютной величине отрицательное значение LG°. Из рис. 95

19-3810

 

p,s,%

0,08 0,06

		^^
\7^ ч/	V***"	•т"«;
^-л
--V_	Ч^е
		~~i\*^-
к^.я	Мп	мп' \ N
~»^st	ZLT^n» ш	гга—Ль*

t'c следует, что при темпера-

г *h

1600 турах ниже 1450-1500 °С кремний и марганец обла-

Т *1

40* о,ог\-

1Ш дают более высоким срод­ством к кислороду, чем

1000

50

\}0 1*0

10

800

^гго° углерод; при более же вы­соких температурах срод­ство углерода к кислороду

 

У		К е сао-
- Т^-""-		^&ог
*">>.	^FeO
МпО Mntf^5""" "	_............ i,	"—i—

1200 МО 1600 t,°C

20 W 60 вОГ_прсд,%

Рис. 94. Изменение состава металла (а) и шлака (б) по ходу продувки в кис­лородном конвертере (Мп' и МпО' — значения, характерные для переработки маломарганцовистого чугуна)

Рис. 95. Химическое сродство элементов к кислороду при различных температу­рах

превышает сродство марганца и кремния. В соответствии с этим марганец и кремний окисляются в начале продувки, когда температура в конвертере сравнительно невысока.

Окисление кремния заканчивается в первые 3—5 мин про­дувки и в дальнейшем по ходу плавки жидкий металл кремния не содержит. Реакция окисления кремния протекает до его полного израсходования и является необратимой, поскольку продукт окисления — кислотный оксид Si0₂, связывается в основном шлаке в прочное соединение 2СаО • Si0₂.

Интенсивное окисление марганца наблюдается в начале продувки, когда при низких температурах его химическое сродство к кислороду велико; к 3—5 мин продувки окисляет­ся около 70 % марганца, содержащегося в чугуне. В даль­нейшем поведение марганца определяется равновесием экзо­термической реакции

[Мп] + (FeO) = (МпО) + Fe + 122950 Дж/моль.

В соответствии с этой реакцией отмечаются (см. рис.94) следующие особенности поведения марганца: при уменьшении содержания FeO в шлаке во второй половине продувки равно­весие реакции сдвигается влево и содержание марганца в металле возрастает, т.е. марганец восстанавливается из шлака; в конце продувки, когда вследствие усиливающегося окисления железа содержание оксидов железа в шлаке возра­стает, равновесие реакции сдвигается вправо, и поэтому наблюдается вторичное окисление марганца. Конечное содер­жание марганца в металле зависит прежде всего от его со­держания в чугуне и возрастает при увеличении температуры металла в конце продувки и снижении окисленности шлака, т.е. содержания в нем FeO. Конечное содержание обычно на­ходится в пределах от 0,2-0,3 до 0,03-0,05 %, нижний пре­дел — при переработке маломарганцовистых чугунов. За вре­мя продувки окисляется около 70 % марганца.

Окисление углерода в кислородном конвертере происходит
преимущественно до СО; до С0₂ окисляется около 10 % угле­
рода, содержащегося в чугуне. В начале продувки (см.
рис. 94) скорость окисления углерода невелика