Металлургия черных и цветных металлов
..pdfдутья. Жидкий металл и шлак при повалке конвертера не дол жны закрывать донные фурмы.
В связи с этим, по сравнению с |
|
|
|
|
||||||||
конвертерами |
верхнего |
дутья, |
|
|
|
|
||||||
диаметр |
огнеупорной |
кладки |
|
|
|
|
||||||
бочки |
конвертера должен |
быть |
|
|
|
|
||||||
большим |
и |
конвертер |
должен |
|
|
|
|
|||||
иметь |
меньшую |
высоту. |
Отно |
|
|
|
|
|||||
шение |
высоты |
рабочего |
прост |
|
|
|
|
|||||
ранства |
|
Н к его диаметру D для |
|
|
|
|
||||||
конвертеров |
донного |
дутья |
со |
|
|
|
|
|||||
ставляет |
1,15—1,25. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Удельный |
объем конвертеров |
|
|
|
|
|||||||
с донным дутьем большой вме |
|
|
|
|
||||||||
стимости |
(200—250 т) |
такой же, |
|
|
|
|
||||||
как |
и у |
конвертеров |
с верхним |
|
|
|
|
|||||
дутьем, и равен 0,8—1,1 м3/т. |
|
|
|
|
||||||||
Принципиальным отличием от |
Рис. |
IV. 11. |
Схема устройства |
фурм |
||||||||
глуходонных |
|
конвертеров |
с |
для |
донной |
продувки: 1 — природный |
||||||
|
газ |
или другая защитная среда; |
2 — |
|||||||||
верхним |
дутьем |
является нали |
кислород |
|
|
|||||||
чие |
сменного |
днища |
у |
конвер |
|
|
|
|
тера с донным дутьем. В остальном конструкция корпуса и футеровки сходна с таковыми для конвертеров верхнего дутья. В качестве огнеупоров для футеровки используют термообра ботанный периклазовый (магнезитовый) кирпич, а также кир пич на основе доломита. В 250-т конвертере с донным дутьем рабочий слой стен и нижнего конуса выложен из смолодоломитрмагнезитового кирпича, верхняя часть горловины — из хромо магнезита. Стойкость стен футеровки 900—1100 плавок, стой кость днищ 400—700 плавок. Донные фурмы представляют со бой две расположенные одна в другой металлические трубы. По внутренней трубе попадают газообразный кислород и пы левидную известь, а через зазор между внутренней и внешней трубами — охлаждающий реагент (обычно природный газ, пропан, мазут). Размер зазора в зависимости от вместимости конвертера и числа фурм колеблется в пределах 0,5—0,25 мм. В 250-т конвертере (рис. IV.12) в днище имеется 12 фурм с диа метром внутренней; трубы 45 мм, внешней 61 мм и с зазором
2,5 мм.
Корпус и механизм поворота для донных конвертеров имеют некоторые конструктивные особенности по сравнению с конвертерами верхнего дутья. Эти особенности определяются способом подвода дутья и, следовательно, наличием съемного днища. Подача к днищу кислорода или его смеси с порошко образной известью, а также газообразных или жидких углево-
Рис. IV. 12. Общий вид 250-т конвертера с донной продувкой
дородов осуществляется через пустотелые цапфы. В остальном конструкция кожуха и механизма поворота конвертера мало чем отличается от конвертеров вёрхнего дутья. Обязательным элементом конструкции донных конвертеров большой вмести мости является ограждение с раздвижными дверями. Конвер тер как бы помещен в закрытую камеру. Это исключает попа дание выбросов и дыма в цех во время повалки (наклона) кон вертера.
Отсутствие в конвертерах донного дутья вертикально рас положенной фурмы несколько упрощает конструкцию устрой ства для улавливания и охлаждения отходящих газов и суще ственно уменьшает общие размеры устройства. Но вместе с тем необходимость улавливания газов при подъеме конвертера из горизонтального положения в вертикальное (в начале продувки) и при наклоне конвертера по окончании продувки вызывает усложнение конструкции устройства. Так же, как и в конверте рах с верхней продувкой, применяются системы отвода и ох лаждения отходящих газов с их дожиганием или без дожи гания.
142
S 2. Физико-химические особенности выплавки стали в конвертерах донного дутья
Донная продувка металла струями кислорода в защитной га зовой оболочке заметно изменяет характеристики кислородно конвертерного процесса по сравнению с верхней продувкой кис лородом. В первую очередь это сказывается на интенсивности перемешивания металлической ванны (см. рис. IV. 17). Она максимальная из всех вариантов подвода дутья. Увеличение мощности перемешивания как непосредственно струями дутья, так и пузырьками СО (образующимися в результате окисления углерода) приводит к некоторому снижению окисленности шлака. Снижение в нем содержания оксидов железа приводит к увеличению выхода годного. Пониженная окисленность шлака предопределяет и более высокое остаточное содержание мар ганца в металле, что соответственно вызывает уменьшение расхода ферромарганца (на 0,35—1,7 кг/т стали).
На рис. IV. 13 представлен график изменения содержания примесей в металле по ходу продувки мартеновского чугуна в конвертере донного дутья. Если сравнивать рис. IV.13 с рис. IV.4, на котором представлен аналогичный график для конвер тера с верхним дутьем, то можно видеть, что характеры изме нения концентрации углерода и кремния в процессе плавки мало чем отличаются друг от друга. Имеется отличие в изме нении содержания марганца и фосфора, причем наиболее ус пешно при донном дутье удаляется фосфор при подаче вместе с кислородом пылевидной извести. В связи с этим в донных процессах является обязательным вдувание вместе с кислоро дом пылевидной извести. Применение кусковой извести в дон
ных |
процессах |
при |
переделе |
|
|
|
|
|||||||
мартеновского |
чугуна не |
обе |
|
|
|
|
||||||||
спечивает |
необходимой |
степе |
|
|
|
|
||||||||
ни |
дефосфорации металла. Что |
|
|
|
|
|||||||||
касается |
|
удаления |
серы |
из |
|
|
|
|
||||||
металла, то при донном дутье |
|
|
|
|
||||||||||
степень |
десульфурации |
метал |
|
|
|
|
||||||||
ла несколько выше, чем при |
|
|
|
|
||||||||||
верхней |
продувке. |
Возможно, |
|
|
|
|
||||||||
что |
более |
низкие |
концентра |
|
|
|
|
|||||||
ции |
|
серы |
и |
|
более |
высокие |
|
|
|
|
||||
скорости |
ее удаления, при |
ус |
|
|
|
|
||||||||
ловии |
вдувания |
порошковой |
|
|
|
|
||||||||
извести, |
связаны |
с |
большей |
|
|
|
|
|||||||
активизацией |
шлака, |
особенно |
0 |
£ |
10 |
15 t„p,MUH |
||||||||
в последней |
трети |
плавки. Не |
|
|
|
|
||||||||
исключены |
|
и |
благотворное |
Рнс. IV. 13. Изменение |
состава металла по |
|||||||||
влияние |
на |
удаление |
серы |
ходу |
продувки |
мартеновского чугуна |
||||||||
в конвертере донного дутья |
меньшей окисленности шлака, и переход некоторого количества серы в газовую фазу.
Характерной особенностью донных процессов являются по вышенные концентрации водорода в металле, что связано с при менением в качестве охлаждающей среды в донных фурмах газообразного или жидкого топлива, содержащего углеводо роды. Термическая диссоциация углеводородов с выделением свободного водорода, происходящая непосредственно при вы ходе из фурм и в реакционной зоне, приводит к появлению в от ходящих газах значительного количества водорода. Газ, отхо дящий из конвертеров донного дутья, содержит 5—6 % Н2 (остальное: 85 % СО, 3 % С02, 5 % N2) , в то время как в от ходящих газах из конвертеров верхнего дутья содержание водо рода составляет 0,5—0,7 %.
Повышенное содержание свободного водорода в газовой ат мосфере приводит к увеличению концентрации водорода в ме
талле. Содержание |
водорода |
в металле в конце продувки |
||
в конвертерах донного дутья |
обычно в 1,5—2 |
раза выше |
||
(0,00045 %), чем |
в |
металле, |
выплавленном в |
конвертерах |
с верхним дутьем |
(0,00026 %). |
|
|
Водород является весьма нежелательной примесью; повы шенная концентрация его в металле значительно ухудшает ка чество стали и может вызвать появление мельчайших внутрен них трещин (флокенов). В связи с этим в конвертерах донного дутья одной из конечных технологических операций после пре кращения подачи кислорода является кратковременная про дувка металлической ванны через донны& фурмы нейтральным газом (аргоном или азотом). Кратковременная продувка (1—3 мин) аргоном позволяет снизить содержание водорода примерно в два раза.
В конвертерах донного дутья выплавляют сталь из высоко фосфористого чугуна (процессы ОБМ и ЛВС) и из мартенов ского чугуна (процесс Ку-БОП).
Следует отметить, что все варианты донного процесса стра дают одним общим недостатком — меньшим на 2—4 % расхо дом лома, чем в конвертерном процессе с верхней продувкой (ЛД и другие варианты).
Конвертерные процессы с донной продувкой явились своего рода промежуточной ступенью для перехода к еще более совер шенному варианту конвертерной плавки — комбинированному дутью.
Гл а в а 5. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В КОНВЕРТЕРАХ
СКОМБИНИРОВАННЫМ ДУТЬЕМ
§1. Общая характеристика комбинированных процессов
Начиная с 1975—1980 гг. все большее распространение в про изводстве стали за рубежом и в СССР получают конвертеры с комбинированным дутьем. В этих конвертерах, наряду с по дачей кислорода в жидкий металл с помощью верхней верти кальной фурмы, через днище вдувают инертный газ или кисло род в оболочке защитного газа.
Идея комбинированной продувки была впервые осуществлена в работах ЦНИИЧМ в 1946—1960 гг. и днепропетровского ИЧМ. В 1958 г. В. Г. Федо ровичем был предложен комбинированный способ передела высокофосфори стых чугунов в конвертере путем! продувки жидкого металла сверху и снизу. Процесс, названный Ф-ИЧМ, отличался тем, что с целью обеспечения возмож ности более эффективного глубокого обесфосфоривания, обезуглероживания и дегазации металла, кислород через днище вдувают в оболочке водяного пара в период дефосфорации и обезуглероживания и в оболочке инертного газа в период дегазации. Фактически этот способ и предвосхитил многие ва рианты комбинированной продувки, которые позже были разработаны за ру бежом.
В конвертерах с комбинированным дутьем рационально сочетаются до стоинства верхней к донной продувки и в значительной мере устраняются их недостатки. При комбинированном дутье представляется возможным достичь достаточной интенсивности перемешивания металлической ванны, полнее про водить обезуглероживание, десульфурацию и дефосфорацию металла, увели чить выход годного и получить металл более высокого качества.
К настоящему времени существует более 30 вариантов ком бинированных процессов, которые можно классифицировать по типу применяемого донного дутья, способа его подачи и воз можности вдувания порошкообразных флюсующих и углерод содержащих материалов. Комбинированные процессы подраз деляют на три группы:
1) процессы, предусматривающие, наряду с верхней кисло родной продувкой, вдувание через днище нейтрального газа (ЛБЕ, ЗСМК и ИЧМ, ИЧМ и ДМ3, ТБМ, ЛД-КГ и др.);
2) процессы, предусматривающие, наряду с верхней кисло родной. продувкой, подачу через донные фурмы кислорода в ру башке защитного реагента (Ф-ИЧМ, ИЧМ-ДМК, К-БОП, ЛД-ОБ, СТБ и др.);
3) процессы, предусматривающие, наряду с верхним и дон ным дутьем, введение в конвертер дополнительных источников тепла, главным образом, в виде порошкообразных углеродсо держащих материалов (НПО «Тулачермет», ИЧМ, КМС,
КОИН и др.).
Все эти группы вариантов представлены на рис. IV.14.
Комбинированные процессы с донной продувкой инертным газом. В кислородно-конвертерном процессе с верхним кисло-
Рис. IV. 14. Различные |
варианты кислородно-конвертерного |
процесса |
при |
подаче |
в конвертер: |
2 — кислорода; 3 — сжатого воздуха; |
4 — аргона |
или |
азота; |
/ — шлакообразующнх; |
5 — углеводородов; 6 —кокса или угля
родным дутьем происходит недостаточное перемешивание металла и шлака, особенно в заключительной стадии продувки, что приводит к замедлению реакции окисления углерода и не позволяет достичь глубокого рафинирования металла от серы и фосфора.
Применение донной продувки инертным газом способствует интенсивному перемешиванию металлической ванны и прибли жает к равновесию реакции между металлом и шлаком. Инерт ный газ можно вдувать не только во время верхней продувки кислородом, но и после ее окончания. Продувка инертным га зом после прекращения верхнего кислородного дутья фактиче ски представляет собой опердцию, подобную внепечному рафи нированию инертным газом, которая обычно выносится из ме таллургического агрегата.
Инертный газ в этой группе процессов вдувают или через огнеупорные пористые блоки; или через одиночные фурмы. Продувка через пористые блоки с так называемыми мини-фур мами имеет то преимущество, что она может быть осущест влена в любое время плавки. Продувку через одиночные фурмы необходимо производить в течение всего периода плавки.
Наибольшее распространение из этой группы процессов по лучил процесс ЛБЕ, предусматривающий вдувание в металли ческую ванну через пористые огнеупорные блоки в днище кон вертера инертного газа (Ar, N2, СО, С02) в сочетании с верх ним кислородным дутьем. Для верхней продувки используют специальную двухъярусную фурму, в которой кроме обычных сопл, предназначенных для вдувания кислорода в ванну, име ется ряд отверстий для потока кислорода, дожигающего СО до С02 в полости конвертера. Продувку инертным газом через по ристые блоки начинают за несколько минут до окончания кис лородной продувки сверху и продолжают ее в течение 1—2 мин после прекращения верхнего дутья. В 1986 г. во всем мире экс плуатировалось свыше 100 конвертеров ЛБЕ. Опыт работы кон вертеров ЛБЕ свидетельствует о повышении выхода годного (до 1 %), снижении расходов шлакообразующих материалов, увеличении концентрации остаточного марганца на 0,04 % в металле, снижению расхода алюминия.
Широкое распространение получил и вариант, предусматри вающий вдувание инертного газа через одиночные фурмы, ус танавливаемые в днище. Этим вариантом работают конвертеры на Западно-Сибирском металлургическом комбинате, заводе им. Петровского, Череповецком металлургическом комбинате и на целом ряде зарубежных заводов. Наряду с инертными га зами (Аг, N2) через донные фурмы вдувают СО, доменный газ, С02, а иногда совместно с ними известняк.
Комбинированные процессы с донной кислородной продув кой. Они предусматривают наряду с верхним кислородным дутьем подачу через донные фурмы (типа труба в трубе) кислорода в защитной рубашке эндотермического вещества, т. е. в этих процессах сочетается чисто верхнее и донное кис лородное дутье (процесс Ф-ИЧМ и др.). В некоторых вариан тах для донной продувки в заключительный период плавки ис пользуются инертные или слабоокислительные газы (С02), а также вдувается порошкообразная известь. Доля донного кислородного дутья не должна превышать 30 % (обычно она ниже) по отношению к общему расходу кислорода. Эти ва рианты комбинированного процесса также обеспечивают повы шение выхода годного, снижение окисленности шлака и ме талла, уменьшение расхода раскислителей и др.
Комбинированные процессы с использованием твердого топ лива. Возникновение комбинированных процессов, в которых используются дополнительные источники тепла, в частности твердые виды топлива, связано с настоятельной необходимо стью увеличения доли лома, перерабатываемого в кислородных конвертерах. Проблема увеличения расхода лома является од ной из важнейших Задач современного сталеплавильного про изводства. Она связана с непрерывным увеличением ресурсов
металлолома, истощением запасов коксующихся углей и же лезных руд, а также ограниченными возможностями в части переработки скрапа в кислородных конвертерах. Как известно, в конвертерах с верхней продувкой доля лома в шйхте состав ляет до 25—27 %, а с донной продувкой еще меньше (на 2— 4%). Эти обстоятельства и вызывают потребность в изыска нии различных способов увеличения доли скрапа в кислород ных конвертерах, в том числе и создании новых вариантов комбинированных процессов.
Эти варианты предусматривают существенное повышение доли лома до 40—50% (вплоть до 100%) путем введения в конвертер топлива (угля, жидкого топлива, природного газа) и улучшению условий дожигания СО в полости конвертера.
§ 2. Конструктивные особенности конвертеров
скомбинированным дутьем
Вбольшинстве случаев комбинированным дутьем оснащают конвертеры, ранее использованные для верхней продувки, при этом требуются существенные конструктивные изменения и до полнения, касающиеся корпуса конвертера, необходимость
иметь отъемное днище с донными фурмами, оборудования для подвода различных газов и порошкообразных материалов. В какой-то мере это касается футеровки и системы газоочистки.
Сочетание верхней и донной продувки, а иногда и бокового дутья должно отразиться и на изменении профиля и внутренних размеров и основных пара метров конвертеров. Эти изменения обусловлены технологическими требовани ями и гидродинамическими особенностями металлической ванны, в частности характером и интенсивностью подвода донного дутья. В этом случае, если для донной продувки используют фурмы, типа труба в трубе, возникает необходи мость непрерывного подвода дутья: при применении огнеупорных блоков с мини-фурмами этой необходимости нет — дутье можно подавать в любой момент плавки.
В конвертерах, в которых донное дутье подают через фурмы типа труба в трубе, внутренний, диаметр бочки огнеупорной кладки должен быть несколько больше, чем у конвертера с верхней продувкой. Это требование является характерным для конвертеров чисто донной продувки, и оно определяет ве личину отношения высоты рабочего пространства Н к его диа метру D. Это отношение у конвертеров донного дутья, а следо вательно, и у конвертеров с комбинированной продувкой через одиночные донные трубчатые фурмы должно быть 1,15—1,25 (меньшие величины относятся к 230—250-т конвертерам), в то время как для конвертеров верхнего дутья отношение Я/£) = = 1,4-г2,0. Если применяют для донной продувки огнеупорные блоки с мини-фурмами, то профиль и отношение H/D в конвер терах комбинированного дутья должно оставаться таким же, как и при одном верхнем дутье.
148
|
Конвертеры |
с |
комбиниро |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ванной |
продувкой |
|
оснащены |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
верхней |
кислородной |
фурмой |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
и |
донными |
фурмами, |
через |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
которые |
подают |
инертные |
га |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
зы, кислород, |
эндотермические |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
реагенты |
|
и порошковые мате |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
риалы. |
Последние |
|
в |
некото |
|
|
|
|
|
|
||||||||
рых |
случаях |
подают |
и через |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
верхнюю |
фурму. Иногда |
кон |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
вертеры |
оборудуют |
|
боковыми |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
фурмами. |
|
Технико-экономиче |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ские |
показатели |
и |
эффектив |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ность |
|
работы |
конвертеров |
в |
|
|
|
|
|
|
||||||||
значительной |
степени |
зависят |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
от |
совершенства |
конструкции |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
и |
стойкости |
дутьевых |
уст |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ройств, |
а |
|
также |
от |
наиболее |
|
|
|
|
|
|
|||||||
рационального |
|
режима |
про |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
дувки. |
|
|
|
|
|
|
эксплуа |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Длительный опыт |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
тации |
|
верхних |
кислородных |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
фурм в конвертерах с верхней |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
продувкой |
использован |
в |
кон |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
вертерах |
|
с комбинированной |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
продувкой. |
Фактически |
для |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
продувки |
|
сверху |
в |
|
конверте |
|
|
|
|
|
|
|||||||
рах |
комбинированного |
дутья |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
используют те же фурмы, что |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
и |
в |
конвертерах |
с |
верхней |
|
|
|
|
|
|
||||||||
продувкой. |
Конструкции |
|
их |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
многообразны, |
особенно в |
ча |
Рис. IV. 15. Двухъярусная |
фурма |
для |
верх |
||||||||||||
сти |
наконечника. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
ней продувки; |
/, II, III |
— варианты |
фурм |
|||||||||
В |
последнее время |
все |
ча |
с различным |
числом |
и расположением |
||||||||||||
сопл во втором |
ярусе |
|
|
|
|
|||||||||||||
ще |
в |
конвертерах с |
|
комбини |
двухъярусные |
фурмы |
(рис. |
|||||||||||
рованной |
продувкой |
применяют |
||||||||||||||||
IV. 15), |
что позволяет |
за счет дожигания СО увеличить |
на |
5— |
10 % расход лома и улучшить шлакообразование. В двухъярус ных фурмах, наряду с вдуванием кислорода, необходимого для окислительного рафинирования металла, подается кислород в свободной от металла и шлака объем конвертера или в верх ние слои шлаковой пены для дожигания СО.
На рис. IV. 15 представлена фурма, предложенная ДМИ и УкрНИИмет для 150-т конвертеров «Криворожстали». Нижний ярус имеют обычный пятисопловый наконечник с углом наклона сопл к вертикали 20°. Второй верхний ярус расположен на рас стоянии 1650 мм, в нем под углом 30—45° расположены 6—
8 сбпл диаметром 15—18 мм. Расход кислорода через сопла верхнего яруса составлял 100—200 м3/мин, нижнего 400—
500м3/мин.
Вкачестве донных продувочных устройств применяют огне упорные блоки — вставки с мини-фурмами и металлические трубки, т. е. одиночные, чаще всего коаксиальные фурмы раз личной конструкции, размещаемые в днище конвертеров.
Пористые огнеупорные блоки с мини-фурмами применяют для подачи преимущественно нейтральных или слабоокислительных газов (С02). Одиноч ные фурмы используют как для вдувания инертных газов, так и для подачи кислорода в защитной рубашке охлаждающих реагентов. В последнем случае чаще всего применяют коаксиальные фурмы типа труба в трубе.
Пористые блоки, применяемые в процессе ЛБЕ, имеют стандартные раз меры обычного кирпича (рис. IV.16, а) со средним сечением 150x100 мм. По этому сечению распределены около 50 каналов (мини-фурм) диаметром 1,5— 2,0 мм. Для снижения потерь давления при производстве блоков принимают особые меры для упрочнения структуры вокруг отверстия канала и получения гладкой поверхности каналов. Блок имеет металлический кожух, изготавли ваемый из листовой стали толщиной 1,8—2,5 мм. К донной части кожуха при варена соединительная трубка для, подвода газа к отверстиям. Для избежа ния утечки газа через зазор между кирпичом и кожухом в нижней части ко жуха имеется уплотняющий фланец.
Блоки с щелевидными мини-фурмами (рис. IV. 16, б) состоят из четырех обычных кирпичей, разделенных стальными прокладками и помещенных в об щую кассёту. Вдоль широких граней кирпичей имеются прямоугольные каналы для газа (Аг или N2). К каждому продувочному элементу газы поступают че рез короткие гибкие шланги. Эти элементы устанавливали только по перифе рии днища конвертера.
Рис. |
IV. 16. Пористые |
блоки: |
а — с |
мини-фурмами |
круглого сечения; б — с мини-фурмами щелевндиого сечеияя; |
в — с металлическими |
трубками |