Металлургия черных и цветных металлов

Блоки с фурмами из трубок, так называемые двухконтурные многоканаль­ ные фурмы-вставки (рнс. IV.16,e), изготавливают из магнезнтографнтового огнеупора с высокой шлакоустойчивостью и стойкостью к скалыванию. Ка­ налы фурмы выполнены из трубок коррозионностойкой стали, причем трубки разделены на две группы — периферийную и осевую с раздельной подачей газов. По периферии вдувают инертный газ (Агили N2),a по осевой — рафи­ нировочный газ С02. Периферийные трубки имеют внутренний диаметр 1,0 мм. осевые 1,5 мм. Такая конструкция обеспечивает высокую стойкость вставок

ипозволяет устранить явление вымывания контактного слоя между пробкой

иосновным огнеупором за счет сильных циркуляционных потоков.

Одноканальные фурмы в виде металлических трубок с внутренним диа­ метром 4—8 мм и толщиной стенок 2—3 мм получили распространение в СССР и за рубежом. Эти трубки вставляют нлн в просверленный огнеупор­ ный кирпич или устанавливают в него при прессовании огнеупора. Приме­ няют также фурмы конструкции труба в трубе, в которой внутренняя цент­ ральная труба заглушена огнеупорной массой.

§ 3. Особенности гидродинамики металлической ванны в комбинированных процессах

Схема комбинированного процесса (рис. IV. 14) свидетель­ ствует о многообразии физико-химических и теплофизических явлений, протекающих между газовой, металлической и шлако­ вой фазами. Необходимо также учитывать и их взаимодействие с огнеупорной футеровкой конвертера. Среди этих явлений, в значительной мере определяющих технологическую эффектив­ ность процесса, особое место занимает гдиродинамическое со­ стояние конвертерной ванны. Это вызвано тем, что интенсив­ ность массообменных процессов в многофазных системах зави­ сит от скорости диффузионных явлений, непосредственно связанных с конвективным и турбулентным переносом.

При комбинированной продувке существуют три источника перемешивания: 1) донные дутьевые потоки; 2) верхнйй дутье­ вой поток; 3) пузырьки СО, являющиеся результатом реакции обезуглероживания. Значимость этих источников изменяется в каждом периоде продувочного цикла.

Основным параметром только верхнего газового потока, влияющим на перемешивание, является энергия струи в зоне столкновения с поверхностью ванны. Она зависит от расхода кислорода, высоты фурмы и характера исте­ чения из нее струи или струй кислородного дутья при многосопловой фурме.

В зоне столкновения струи в ванне) образуется лунка. В условиях комби­ нированной продувки лунка под влиянием донного дутья деформируется, при­ чем особенно сильно при несоосном расположении верхней и донных фурм. Восходящий газо-металлический поток за счет высокой плотности металла приводит к образованию купола на поверхности расплава. Высота Дh купола зависит от глубины ванны Я в и энергии перемешивания е:

Образование лунки в этом случае возможно лишь при очень высокой скорости дутья, которая обычно не реализуется в процессе. Таким образом, при комбинированной продувке верхний поток как бы растекается после от­ ражения по поверхности купола и, по-видимому, с учетом наличия шлаковой фазы оказывает гораздо меньшее воздействие на перемешивание расплава,

дальнейшее повышение уровня ванны, и, наконец, при малой скорости окисле­ ния углерода при его содержании 0,2—0,4 % уровень ванны снижается до начального, обусловленного донным дутьем.

Следует учитывать взаимное влияние вдуваемых в ванну потоков и рас­

показывает, что время перемешивания т, с, подчиняется следующему эмпири­ ческому уравнению:

Таким образом, время перемешивания пропорционально удельной массо­ вой мощности перемешивания ем*в степени Ь%которая по данным различных авторов равна — (0,4—0,5). Величина А колеблется в пределах 540—800.

Теоретические и экспериментальные данные, полученные при изучении пе­ ремешивания в комбинированных процессах, свидетельствуют о влиянии сле­ дующих факторов: 1) расход донного дутья при данном соотношении глубины и диаметра ванны как фактор регулирования перемешивания эффективен до определенного предела; 2) влияние параметров верхней продувки — расход дутья и высота фурмы — проявляются лишь при малых расходах газа, пода­

ваемого снизу, не превышающих 10 % от общего расхода; 3) наряду с дутье­ выми параметрами, на< интенсивность перемешивания существенно влияет гео­ метрия конвертерной ванны; 4) рассредоточенность донного дутья оказывает существенное влияние на перемешивание во всем интервале изменения рас­ хода донного дутья; 5) интенсивность реакции обезуглероживания, которая зависит от периода плавки и расхода кислорода.

§ 4. Особенности физико-химического взаимодействия в конвертерной ванне при комбинированной продувке

Сочетание двух принципиально отличающихся видов дутья сверху и через днище создает своеобразные условия протека­ ния основных физико-химических процессов при взаимодей­ ствии газовой, металлической и шлаковой фаз. Верхнее дутье характеризуется большим сосредоточением, высокими скоро­ стями истечения из сопл наконечника фурм, более высоким окислительным потенциалом и большими возможностями для регулирования динамического и химического взаимодействий с ванной. Донное дутье отличается большим рассредоточением, меньшим изменением характеристик его контактирования с рас­ плавом и меньшими скоростями истечения. Кислородный по­ тенциал донного дутья можно изменять в широких пределах, варьируя подачу только инертного газа (Аг, N2, СО), слабо­ окислительного газа С02 и, наконец, чистого кислорода в ру­ башке эндотермических веществ.

В таком сочетании основная роль верхнего дутья заключа­ ется в химическом и динамическом воздействии в основном на поверхностные и подповерхностные слои металлической ванны, а роль донного дутья особенно при низком его окислительном потенциале сводится к интенсивному перемешиванию ванны, уменьшению разности химическихпотенциалов взаимодействую­ щих фаз и приближению их к термодинамическому равновесию.

При комбинированной продувке имеются возможности для управления физико-химическими условиями получения металла заданного состава, в том числе с очень низкими содержаниями фосфора, серы, углерода и других примесей. Кроме того, пред­ ставляется возможным использовать различные металлосодер­ жащие материалы, энергоносители и добавки, содержащие ле­ гирующие элементы.

Улучшение и усиление перемешивания позволяет в комбини­ рованных процессах заметно снизить содержание оксидов же­ леза в шлаке (рис. IV. 18), а следовательно, повысить выход жидкого металла. Это имеет место как при донной продувке нейтральным газом во время заключительного этапа плавки (через огнеупорные блоки) или в течение всей плавки (через одиночные фурмы), так и в вариантах процесса, предусматри­ вающих вдувание кислорода в рубашке эндотермических ве­ ществ. Верхняя кривая 1 на рис. IV.18 относится к чисто верх-

спорошком извести и использованием

Рис. IV.20. Зависимость остаточного со­ держания марганца в металле от кон­ центрации углерода; обозначения те же, что на рис. IV. 17 и IV.18

(S)/[SJ

(P)/CPJ

CaO/SiOz

комбинированного процесса, в котором через днище вдувается кислород вместе с углеродсодержащими веществами и допол­ нительно кислород подается через боковые фурмы.

Промежуточные кривые 3—5 соответствуют различным ва­ риантам комбинированного процесса. Интенсивное перемешива­ ние отражается также на концентрации растворенного кисло­ рода в металле (рис. IV. 19). Как правило, во всех комбиниро­ ванных процессах она ниже, чем в процессе ЛД.

При донной продувке инертным газом, особенно в последний период плавки при малых концентрациях углерода, пузырьки инертного газа являются своего рода центрами окисления угле­ рода. Они способствуют снижению парциального давления СО и тем самым повышению интенсивности реакции обезуглерожива­ ния. В свою очередь это отражается на произведении [С] [О], которое в комбинированных процессах гораздо ниже, чем в процессе ЛД. Отсюда и следует более низкая окисленность металла, что приводит к снижению расхода ферросплавов. Ин­ тенсивное перемешивание ванны за счет донного дутья в значи­ тельной мере снижает неравномерность ее состава и темпера­ туры и способствует, как уже указывалось, приближению к рав­ новесию между металлом и шлаком.

Комбинированным процессам характерно более высокое остаточное содержание марганца (рис. IV.20). Наиболее отчет­ ливо это проявляется в комбинированных процессах, в которых через донные фурмы подается кислород, причем остаточное со­ держание Марганца повышается с увеличением расхода дон­ ного дутья. Естественно, что при этом содержание марганца зависит от Концентрации углерода.

В комбинированных процессах наблюдается более высокий показатель распределения серы, чем в процессе ЛД (рис. IV.21). Особенно это характерно для вариантов; предусматривающих вдувание порошковой извести. Эта технологическая операция приводит к более успешной десульфурации и дефосфорации (рис. IV.22) металла и обеспечивает более низкие содержания серы и фосфора в стали. Следует, однако, отметить, что дефосфорация металла в конце продувки несколько замедляется из-за меньшего содержания оксидов железа в шлаке.

В ряде зарубежных конвертерных цехов с целью получения низких концентраций серы и фосфора в стали жидкий чугун перед продУвкой в конвертере подвергают предварительной об­ работке кальцинированной содой и другими реагентами.

§5. Технико-экономические показатели

иперспективы развития комбинированных процессов

Практика работы отечественных и зарубежных кислородно­ конвертерных цехов, оснащенных конвертерами с комбиниро­ ванной продувкой, свидетельствует о -заметном улучшении тех­ нико-экономических показателей и эффективности комбиниро­ ванных процессов. Основным вариантом, который внедрен и бу­ дет в дальнейшем осваиваться в СССР, является процесс с дон­ ной продувкой инертным газом с использованием двухъярусной или двухконтурной верхней кислородной фурмы. На ЗападноСибирском металлургическом комбинате на 160-т конвертерах, работающих по этому варианту, полунены следующие показа­ тели: увеличился выход годного на 0,25—1,5%, сократился расход извести на 4—5 кг/т стали и плавикового, шпата на 0,8 кг/т. Снижен расход чугуна на 10—12 кг/т стали и умень­ шен расход ферросплавов на 5—8 %. На заводе им. Петров­ ского этим же процессом достигнуто при одинаковом расходе кислорода, по сравнению с верхней продувкой, меньшее на 0,05—0,25 % содержание углерода, снижение содержания ок­ сидов железа в шлаке на 0,5—2,0 % и увеличение концентрации марганца в металле на 0,03—0,09 %.

Анализ технологических особенностей и технико-экономичет ских показателей работы конвертеров на отечественных и зару­ бежных заводах показал, что при использовании комбиниро­ ванной продувки любой модификации возрастают расходы по переделу и капитальные вложения по сравнению с верхней продувкой. Практически для любых вариантов комбинирован­ ной продувки снижается годовой объем производства стали, что обусловлено увеличением продолжительности плавки. Од­ нако замена в шихте дорогостоящего и капиталоемкого чугуна более дешевым ломом (в условиях действующих цен) обеспе­ чивает снижение себестоимости стали и приведенных затрат. Таким образом, внедрение ряда вариантов, комбинированных процессов является наиболее перспективным направлением по­ вышения эффективности работы действующих кислородно-кон­ вертерных цехов. Но при этом требуется решить ряд техноло­ гических и конструкторских проблем и повысить общую куль­ туру производства.

Вопросы для самопроверки

1.Какие справочные данные и технологические параметры необходимо иметь, чтобы оценить максимальную долю металлолома, которую можно ис­ пользовать в кислородно конвертерном процессе с верхним дутьем при обыч­ ной технологии?

2.Почему основным продуктом обезуглероживания расплава в.кислород­ ном конвертере является СО, а не С02, несмотря на интенсивное питание

ванны кислородом? Как определить концентрацию углерода, при которой С02 может составить долю от его суммы с СО 20—30 %?

3. При подаче в кислородный конвертер в дополнение к верхнему дутью инертного газа или СО через днище достигается приблизительно одинаковый эффект пониженных содержаний углерода при производстве низкоуглероди­ стых сталей. Как это можно объяснить?

4. При переработке в кислородном конвертере низкомарганцовистого чу­ гуна заметно ухудшились показатели дефосфорации и десульфурации ме­ талла. Какие меры надо принять, чтобы уменьшить ухудшение этих показа­ телей?

5. Почему при кислородно-конвертерном процессе, проводимом по мало­ шлаковой технологии, окисление марганца из расплава развивается в меньшей степени, чем при обычном процессе? Какие факторы могут также способст­ вовать сохранению марганца в ванне при производстве среднеуглеродистой стали?

6. Почему при переработке ванадийсодержаших чугунов более целесооб­ разен перевод ванадия в шлак, чем сохранение его в металле? Как обеспечить максимальный перевод ванадия в шлак?

7. В чем. проявляются трудности производства коррозионностойких сталей в кислородных конвертерах монопроцессом? Почему нецелесообразно перера­ батывать в конвертере высокоуглеродистый феррохром в коррозионностой­ кую сталь?

8.Какие преимущества и недостатки свойственны конвертерным процес­ сам с донным дутьем?

9.Чем объясняется меньшая на 2—4 % доля лома, проплавляемого

вконвертерах донного дутья?

10.Почему в конце плавки в конвертерах донного дутья необходима кратковременная продувка инертным газом?

11.Каковы преимущества кислородных конвертеров с комбинированным

дутьем?

12.На какие группы можно разделить кислородно-конвертерный процесс

скомбинированной продувкой?

13.Какие меры необходимы для получения в кислородных конвертерах

стали с низким содержанием азота?

14.Определить время перемешивания тп в конвертерах с верхней, донной

икомбинированной продувкой, если ев = 15, ед= 200 и ек=140 Вт/(м3 с). Ко­

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Раздел V В МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧАХ

Г л а в а 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАРТЕНОВСКОГО ПРОЦЕССА И МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧЕН

§1. Основные принципы мартеновского процесса

иконструкции мартеновских печей

Производство литой стали на поду впервые осуществил П. Мар­ тен в 2-т печи в 1864 г. Первые печи были из динаса, т. е. первоначально был создан кислый процесс. В России первая 2,5-т мартеновская печь была построена на Сормовском за­ воде А. А. Износковым в 1870 г.

Превращение чугуна в сталь предполагает окисление его примесей, следовательно, процесс должен быть окислительным. Для нагрева и расплавления твердых материалов, повышения температуры расплавов, осуществления физико-химических

Рис. V. 1. Принципиальная схема мартеновской печи, отапливаемой газом:

а затем расплавы получают излучением пламени, свода, стен печи. Температура в печи была недостаточной до тех пор, пока не применили принцип регенерации тепла. В регенеративной мартеновской печи продукты сгорания отдают тепло керамиче­ ской кладке камер регенераторов, после нагрева которых через один пропускают воздух для горения, через другой — газовое топливо. Подогретый воздух и газ вносят в печь физическое тепло, которое прибавляется к теплу горения, и температура пламени значительно повышается. Так как камеры регенерато­ ров должны отнимать тепло от продуктов сгорания и аккуму­ лировать его в кладке, а затем отдать приобретенное тепло воздуху или газу, то регенераторов должно быть несколько и они должны работать попеременно. Регенераторы устанавли­ вают симметрично с двух сторон печи, поэтому факел созда­ ется то с одной, то с другой стороны. Таким образом, марте­ новская печь — окислительный, пламенный, регенеративный, реверсивный агрегат. Схема мартеновской печи, отапливаемой газами, представлена на рис. V.I. На этой схеме сжигание топ­ лива происходит с правой стороны, движение продуктов сгора­ ния— через левые регенераторы, нагрев воздуха и газообраз­ ного топлива — в правых регенераторах.

§ 2. Выплавка стали в мартеновских печах

Существуют два вида мартеновского процесса: кислый — в пе­ чах из кислых огнеупоров и основной — в печах, выложенных основными огнеупорами.

При скрап-процессе основная составляющая шихты — сталь­ ной лом, чугуна 26—45%. В завалку железную руду не дают. Небольшое количество железной руды вводят в печь после рас­ плавления твердой завалки для интенсификации и регулирова­ ния окисления примесей. Скрап-процессом принято работать на твердом чугуне. Выход стали к металлической части шихты <100% (93—95 %).

Скрап-рудный процесс характерен высокой долей чугуна (от 45 до 80% массы металлической части шихты). Необходимо окисление большого количества примесей чугуна. Окисление их за счет кислорода печной атмосферы очень затянуло бы про­ цесс, поэтому в завалку дают окислитель — железную руду (12—30% от массы металлической части шихты). Окисление примесей после расплавления активизируют добавками желез­ ной руды на шлак или введением кислорода в ванну. Выход стали к металлической части шихты до 101—105 %.

Рудный процесс характерен тем, что металлическая часть шихты почти полностью состоит из жидкого чугуна. При со­ держании в шихте жидкого чугуна >85 % процесс считается рудным.