Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 36 из 88

Основные стадии операции в конвер­тере. Условно стандартную конвертерную плавку (в шихте примерно 75 % жидкого чугуна и 25 % металлолома) можно разбить на несколько стадий:

1-я стадия — загрузка твердой ших­ты и заливка жидкого чугуна. Момент соприкосновения железоуглеродисто­го расплава с твердым металлоломом соответствует началу двух процессов:

а) намораживание чугуна на холодный металлолом;

б) последующее расплав­ление лома.

В целом это тепломассообменные процессы: передача тепла, диффузия углерода, снижение темпе­ратуры плавления поверхностных сло­ев металлолома и т. д. В зависимости от температуры и состава погранично­го слоя в процессе плавления лома можно выделить периоды:

1) тепло­вой, в котором происходит наморажи­вание расплава на поверхности холод­ного лома с последующим его рас­плавлением без изменения состава по­верхностного слоя;

2) диффузионный, в котором за счет прогрева и насыще­ния углеродом происходит постоян­ное оплавление поверхностного слоя;

3) период интенсивного стационарно­го плавления, когда лом достаточно нагрет, а тепловой поток расходуется только на его плавление.

Продолжительность теплового пе­риода зависит от температуры и фазо­вого состава шихты. Согласно расче­там при заливке чугуна на холодный лом в количестве до 25 % от массы шихты продолжительность теплового периода составляет 1—2 мин. Поэтому часть лома растворяется уже в период слива чугуна. Это сопровождается снижением его температуры на 100— 200 ^оС (охлаждающий эффект раство­рения лома 1,4 ГДж/т чугуна). При до­стижении теплового равновесия начи­нается плавление лома.

Плавление лома в течение большей части периода продувки происходит, как правило, в диффузионном режи­ме. По данным промышленных иссле­дований, при интенсивности продув­ки 2-4 м³/(т • мин) продолжитель­ность диффузионного периода 10— 15 мин, а скорость плавления лома 1—18 мм/мин. В случае продувки ван­ны снизу, а также при увеличении ин­тенсивности продувки скорость плав­ления заметно возрастает. При дости­жении расплавом температур ликвидуса скорость плавления лома резко возрастает и практически не зависит от содержания углерода.

2-я стадия — «пусковой период», включающий процессы образования большой массы жидкой фазы и пере­грева ее над ликвидусом до уровня, обеспечивающего протекание реак­ции окисления углерода. Момент на­чала этой реакции конвертерщики ча­сто называют моментом «зажигания» плавки.

Для большегрузных конвертеров твердая и полутвердая составляющие шихты к моменту «зажигания» плавки могут достигать 70 % от массы метал-лошихты, загруженной в конвертер.

3-я стадия — период интенсивного обезуглероживания в стационарном режиме — время от момента «зажига­ния» плавки до заметного замедления реакции обезуглероживания.

4-я стадия — заключительная, включает процессы: прекращение про­дувки, подъем фурмы, повалка кон­вертера и выпуск стали.

15.3.9. Раскисление и легирование конвертерной стали. Две особенности конвертерного процесса определяют технологию раскисления и легирова­ния конвертерной стали:

1) непрерыв­ная подача кислорода, т. е. окисли­тельный характер газовой фазы в тече­ние всей плавки;

2) большая масса (13—15% от массы металла) шлака с высокой активностью оксидов железа, т. е. высокая окисленность шлака в конце плавки.

При этом шлак может содержать достаточно большое коли­чество фосфора. Если не принять не­обходимых мер, то при раскислении возможны частичное восстановление фосфора и переход его из шлака в ме­талл. В связи с этим при проведении операций раскисления и легирования используют ряд технологических при­емов:

1. Принимают меры для предотвра­щения попадания конечного шлака в ковш с металлом при выпуске плавки (этот прием иногда называют «отсеч­кой» шлака). Существует много спосо­бов предотвращения попадания кон­вертерного шлака в ковш, например: закрытие летки перед выпуском плав­ки асбестовой пробкой; забрасывание в конвертер перед выпуском огнеупорной пробки, которая, будучи лег­че металла и несколько тяжелее жид­кого шлака, закрывает летку при окончании выпуска металла; забрасы­вание в конвертер с целью загущения шлака порции доломита; пневмати­ческая отсечка шлака при подаче в нужный момент в летку сжатого воз­духа и т. д. Все эти способы, однако, не позволяют полностью исключить попадания шлака в ковш, но умень­шают количество попавшего в ковш шлака. Проблему пока еще нельзя считать решенной.

2. Проводят операции раскисления в ковше. В тех случаях, когда отобран­ная в момент выпуска проба показала, что содержание углерода в металле оказалось ниже, чем требуется для данной марки стали, в ковш вводят необходимое количество углеродсо-держащих материалов (обычно по­рошка графита). На некоторых пред­приятиях продувают металл до 0,05— 0,07 % С, а затем вводят в ковш необ­ходимое для получения заданной марки стали количество углерода (так называемая работа с науглерожива­нием).

Недостатком такого метода являет­ся колебание угара вводимых в ковш углеродсодержащих добавок и соот­ветственно колебание содержания уг­лерода в стали в зависимости от про­должительности выпуска, количества и состава попавшего в ковш шлака, температуры металла и т. п. Достоин­ством является частичное взаимодей­ствие вводимого в ковш углерода с ра­створенным в металле кислородом.

Как известно, чем меньше углеро­да, тем выше равновесное с ним со­держание в стали кислорода. При по­вышении содержания углерода ока­завшийся избыточным кислород рас­ходуется на окисление углерода. Поясним это примером. Если принять в качестве равновесного соотношение [С] • [О]_равн = 0,0025, то для получения 0,05 % С [0]_равн = 0,0025/0,05 = 0,05 %. Предположим, что при науглерожива­нии в ковше содержание углерода по­высилось до 0,25 %. Для стали, содер­жащей 0,25 % С, [О]_равн = 0,0025/0,25 = 0,01 %. Избыток кислорода состав­ляет 0,05-0,01 = 0,04%. Этот избы­ток расходуется на окисление введенного в ковш углерода (в данном случае 0,04 % [О] окисляет 0,03 % [С]). При окислении углерода выделяется СО, который перемешивает ванну, способ­ствует удалению из металла газов и не­металлических включений и соответ­ственно повышению качества металла.

15.3.10. Качество кислородно-кон­вертерной стали. Качество стали опре­деляется в значительной степени ее химическим составом и содержанием вредных примесей, газов и неметалли­ческих включений. Особое внимание при производстве конвертерной стали уделяется получению металла с низ­ким содержанием газов и прежде всего азота.

Содержание азота в конвертерной стали определяется одновременным наложением ряда факторов: 1) содер­жанием азота в шихте; 2) чистотой кислорода, используемого для продув­ки ванны; 3) подсосом воздуха в по­лость конвертера. Подсос воздуха в конвертер, в свою очередь, зависит от многих факторов, основными из кото­рых являются:

1. Положение фурмы. При высо­ком расположении фурмы количество воздуха, эжектируемого при продувке из атмосферы цеха, возрастает.

2. Сечение горловины. Чем больше размер горловины, тем больше подсос воздуха. По ходу кампании размер горловины изменяется, по мере разга­ра футеровки горловины и увеличения ее сечения подсос воздуха в конвертер возрастает.

3. Метод утилизации тепла конвер­терных газов. При работе с дожигани­ем между верхом горловины конверте­ра и нижней кромкой накрывающего конвертер камина засасывается неко­торое количество воздуха, который расходуется на дожигание СО до СО₂. Часть этого воздуха попадает в по­лость конвертера и увеличивает содер­жание в ней азота. При работе без до­жигания имеется возможность создать в верхней части конвертера небольшое положительное давление; подсос воз­духа при этом практически исключа­ется. Большое значение имеют чисто­та кислорода и условия ведения плав­ки.

На рис. 15.16 представлены резуль­таты исследований проф. Е. X. Шахпа-

197

Рис. 15.16. Содержание азота в металле (НЛМК) в зависимости от содержания в нем углерода при концентрации азота в кислоро­де, %:

1 - <0,04; 2- > 0,07

зова изменения содержания азота в металле по ходу продувки. Видно, что по характеру изменения содержания азота в металле время плавки можно разделить на два отрезка: 1) период деазотации и 2) период роста содержа­ния азота в ванне.

1. Содержание азота в металле на­чинает интенсивно снижаться уже в момент слива чугуна в конвертер и в первые минуты продувки, что связано в основном с выделением нитридов титана из жидкой части шихты. Затем по мере роста скорости окисления уг­лерода решающим становится деазо-тация ванны пузырями СО. Содержа­ние азота снижается до минимума примерно при достижении концент­рации углерода в ванне < 1 % и далее остается почти постоянным до содер­жания углерода -0,1 %. Минимальное содержание азота, достигаемое при содержании углерода 0,1 %, практи­чески не зависит от чистоты дутья в интервале содержания азота в кисло­роде от 0,02 до 0,14 %. Видимо, в этот период минимальная концентрация азота определяется в основном разви­тием процессов обезуглероживания и десорбции азота в пузырях и исход­ным содержанием азота в шихте, т. е. в чугуне и ломе.

2. Рост содержания азота в металле начинается при снижении содержания углерода менее 0,1 %. В это время от­мечено начало снижения скоростей обезуглероживания и количества азо­та, десорбированного пузырями СО. Постепенно, по мере снижения кон­центрации углерода в ванне и скорос­ти его окисления, увеличивается ско­рость поступления азота в металл из газовой фазы. В этот период решаю­щее значение имеют содержание азота в дутье и подсосы атмосферного воз­духа. Влияние чистоты дутья четко прослеживается на рис. 15.17.

Минимальная концентрация азота при [С] = 0,1% достигается в основ­ном за счет регулирования содержа­ния азота в шихте в зависимости от требуемого содержания азота путем изменения доли чугуна в шихте, заме­ны части лома твердым чугуном, желе­зорудными окатышами. Для уменьше­ния прироста содержания азота в зак­лючительный период плавки нужно прежде всего исключить или свести к минимуму поступление атмосферного азота в струю. При снижении высоты фурмы с 1,5 до 0,9м (по данным НЛМК) содержание азота в полупро­дукте снижается в среднем на 0,0015 %. Наряду с заглублением фур­мы для более полного уменьшения подсоса воздуха в струю за 2—3 мин до окончания продувки (после снижения количества отходящих газов) эффек­тивны небольшое вспенивание ванны и увеличение газообразования путем присадки до 1 т известняка. В этом случае струя практически защищена от воздуха и поступление азота в ме­талл определяется его содержанием в дутье, т. е. поддается контролю. Ис­следования показали также, что при выплавке содержащей не более 0,004— 0,005 % N стали на обычной шихте, т. е. при обычном количестве лома и недеазотированном чугуне, содержа­ние азота в кислороде не должно пре­вышать 0,05 об. %.

Поглощение азота при выпуске ме­талла в значительной степени зависит от его окисленности. При содержании кислорода более 0,05 % поглощение


Рис. 15.17. Зависимость содержания азота в

металле от содержания азота в кислороде при

количестве лома в шихте, %:

1-<15; 2->25

азота невелико. Чем выше скорость слива металла из конвертера (чем меньше продолжительность выпуска плавки), тем меньше прирост концен­трации азота за счет взаимодействия с воздухом.

Содержание кислорода в металле в момент окончания продувки опреде­ляется содержанием углерода. Однако в процессе продувки возможно пере­окисление металла, когда интенсив­ность подачи кислорода в ванну не­сколько превышает интенсивность его использования для окисления приме­сей. Степень этого переокисления не­велика, и обычно за период времени от момента отключения подачи кисло­рода до момента выпуска (время, зат­рачиваемое на отключение кислорода и подъем фурмы, повалку конвертера, замер температуры, отбор пробы и т. д.) окисленность металла в результа­те того, что реакция окисления угле­рода продолжает идти и после отклю­чения подачи кислорода, снижается до значений, соответствующих данно­му содержанию углерода.

Содержание водорода в конвертер­ной стали обычно невелико, так как ограничены источники его поступле­ния в металл. Помимо водорода, по­ступившего в ванну вместе с шихтовы­ми материалами, основным источни­ком водорода является влага, содержа­щаяся в кислороде, а также влага воздуха, подсасываемого в полость конвертера. Обычно содержание водо­рода в металле в конце продувки ред­ко превышает 3—4см³/100г металла. Однако в процессе выпуска и разлив­ки в результате контакта с атмосфер­ным воздухом содержание водорода в стали может несколько возрасти. В случае прогара кислородной фурмы охлаждающая фурму вода начинает поступать непосредственно в реакци­онную зону и содержание водорода в ванне заметно возрастает.

Содержание неметаллических вклю­чений в конвертерной стали определя­ется в основном технологией раскис­ления. Поскольку к концу операции при правильно организованном про­цессе металл не содержит повышен­ных количеств серы, кислорода и азо­та, создаются условия получения ста­ли, содержащей незначительные количества сульфидных, оксидных и нитридных неметаллических включе­ний. Количество их, остающееся в го­товом металле, определяется техноло­гией обработки металла в ковше и раз­ливки.

15.3.11. Отдельные элементы техно­логии и выход жидкой стали. Потери железа в процессе конвертерной плав­ки достаточно велики (3—5 %). Они складываются из потерь железа со шлаком (в шлаке) и пылегазовыми выбросами. Между тем важнейшим показателем эффективности процесса является выход жидкой стали. Из ком­понентов чугуна на выход жидкой ста­ли заметно влияют кремний и фосфор (рис. 15.18), повышение содержания которых приводит к увеличению мас­сы шлака и потерь железа со шлаком в виде оксидов и корольков. К увеличе­нию массы шлака приводят и попада­ние в конвертер доменного шлака с чугуном, мусора с металлоломом, чрезмерные присадки извести. Пред­варительные десиликонизация, де-


Рис. 15.18. Влияние содержания кремния

[Si]₄ и фосфора [Р]_ч в чугуне и содержания

углерода в металле перед выпуском [С]_вып на

выход жидкой стали
фосфорация и десульфурация чугуна обеспечивают возможность ведения плавки с минимальным количеством шлака (30—50 кг/т стали) и заметного (на 1,5—2,5%) повышения выхода жидкой стали.

Влияние марганца, содержащегося в чугуне, на выход жидкой стали неод­нозначно. В том случае, когда парал­лельно со снижением содержания марганца принимаются меры по улуч­шению шлакообразования, не связан­ные с увеличением содержания окси­дов железа в шлаке, снижение содер­жания марганца на 0,1 % повышает выход жидкой стали на 0,04-0,06 %. Если такие меры не осуществляются или они недостаточны, выход жидкой стали уменьшается в результате увели­чения потерь металла с выносами.

Снижение содержания углерода на выпуске — продувка до низкого содер­жания углерода, в том числе с после­дующим науглероживанием металла в ковше, — приводит к снижению выхо­да жидкой стали, особенно заметному при содержании углерода ниже 0,08 %. Это связано с повышением окислен-ности шлака по мере снижения кон­центрации углерода.

При снижении содержания углерода с 0,08 до 0,04 % выход жидкой стали уменьшается на 2,3 %, что равноценно увеличению расхода металлошихты на 25,4 кг/т стали.

Из приведенного следует, что при выплавке стали одной и той же марки (по содержанию углерода) выход жид­кой стали снижается по мере повыше­ния содержания в чугуне кремния. Снижение содержания кремния (деси-ликонизация) может осуществляться либо на желобе доменной печи, либо в чугуновозном ковше (см. гл. 6).

При переработке такого чугуна в конвертерах существенно улучшаются показатели конвертерной плавки: со­кращается расход извести, кислорода, металлошихты, повышается произво­дительность, улучшается качество ста­ли (более низкое содержание серы, фосфора, азота, водорода). Если ис­пользуются чугуны с низким содержа­нием кремния, операцию десилико-низации, естественно, проводить не­целесообразно.

Технология выпуска чугуна из до­менной печи должна также обеспечи­вать минимальное попадание домен­ного шлака в чугуновозные ковши; обязательно скачивание шлака после внедоменной обработки чугуна.


Рис. 15.19. Влияние количества доменного шлака, попадающего в конвертер, на показатели

плавки:

1, 2— содержание серы в чугуне соответственно 0,01-0,02 и 0,021-0,034%; 3, -4-температура чугуна соот­ветственно 1345-1355 и 1335-1344 °С;---------плавки со скачиванием шлака;----------плавки без скачивания
Попадание доменного шлака в конвертер приводит к дополнительно­му расходу извести, увеличению рас­хода чугуна и металлошихты в целом, повышению массы конечного конвер­терного шлака и росту содержания серы в стали (рис. 15.19), а попадание шлака от внедоменной обработки чу­гуна лишает смысла такую обработку.

Наиболее рациональный способ скачивания шлака — двухстадийный: из чугуновозных ковшей сразу же пос­ле внедоменной обработки чугуна и из заливочных ковшей перед сливом чу­гуна в конвертер.

15.4. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КОНВЕРТЕРОВ С ДОННОЙ ПРОДУВКОЙ
Массообменные процессы, условия перемешивания ванны и контакта ме­талла со шлаком, состав отходящих га­зов и характер плавильной пыли, усло­вия службы футеровки и другие показа­тели заметно изменяются при переходе на продувку металла кислородом сбоку или снизу, через днище конвертера. От конвертеров верхнего дутья (с подачей кислорода через фурму сверху) конвер­теры донного дутья отличаются не­сколько меньшим удельным объемом (0,6-0,9м³/т стали). Это объясняется тем, что при продувке через дно опера­ции (особенно обезуглероживание) протекают более спокойно, без чрез­мерно сильного вскипания, вызванно­го местным переокислением металла в отдельных участках объема ванны. В центральной части днища на некото­ром расстоянии от стен устанавливают (при набивке днища) фурмы для пода­чи кислорода. Каждая фурма обычно состоит из двух концентрически распо­ложенных труб (труба в трубе); по внут­ренней трубе подается кислород, а в щель внутренней и внешней — защит­ный газ или жидкое топливо (рис. 15.20).

Под влиянием высоких температур углеводороды, поступающие через щель между внутренней и внешней трубами, разлагаются (на это расходу­ется определенное количество тепла):

C_xH_y→xC + y/2H₂-Q.