Металлургия черных и цветных металлов

Еще большее влияние оказывает истечение струй со сверхзвуковыми скоростями, что является характер­ ным для дутьевых режимов кисло­

родных конвертеров с верхней пода­ чей дутья.

Необходимые скорости истечения кислорода достигаются при примене­ нии сопл Лаваля и давлении в кислородопроводе 1,6— 1,8 МПа. Характер изменения скорости истечения кисло­ рода от давления дутья перед соплом Лаваля показан на рис. IV. 1. При

уменьшении давления кислорода <0,8—1,0 МПа дутьевой ре­ жим становится неустойчивым и не допускается.

Режим дутья является главным управляющим фактором плавки и оказывает доминирующее влияние на динамику фи­ зико-химических процессов в ванне, определяя ход технологиче­ ских операций и основные технико-экономические показатели работы кислородного конвертера.

Большое внимание к совершенствованию и видоизменению дутьевых режимов и способов подачи дутья связано с необхо­ димостью интенсификации кислородно-конвертерного процесса и улучшения его управляемости и регулируемости. Увеличение вместимости конвертеров сопровождается некоторым возраста­ нием доли застойных или неактивных зон в объеме расплава. Это является следствием прежде всего уменьшения роли струи в перемешивании ванны. Пропорциональное увеличение расхода кислорода не обеспечивает сохранения той же интенсивности массопереноса, так как рост скорости циркуляции металла отстает от увеличения скорости воздействующего на него га­ зового потока. Следовательно, для сохранения удельной мощ­ ности. перемешивания необходимо увеличивать относительную интенсивность продувки. В то же время чрезмерное повышение интенсивности дутья без его эффективного рассредоточения приводит к росту пыле- и брызгоуноса и снижению степени усвоения кислорода.

Рассредоточение дутья путем увеличения числа сопл в фур­ мах ускоряет процессы шлакообразования, обеспечивает более равномерное обезуглероживание ванны и снижает потери ме­ талла с выносами и выбросами. Однако увеличение числа сопл имеет ограничения, связанные с тем, что оно приводит к умень­ шению глубины проникновения дутьевого потока в расплав, поэтому требуется приближение фурмы к ванне, что снижает ее

стойкость.

Процессы тепло- и массообмена между дутьевым потоком и жидким металлом, характеризующиеся в кислородном конвер1П

газа, т. е. переходом на комбинированное дутье. Благодаря уже проведенным или предстоящим мероприятиям, в более полной мере проявляются преимущества кислородно-конвертерного про­ цесса, среди которых надо отметить следующие. Этот процесс является самым 'предпочтительным для получения металла, максимально чистого от серы, фосфора, углерода, примесей цветных металлов и газов, по сравнению с традиционными про­ изводствами стали' (мартеновским, электродуговым на скрапе).

Он может быть проведен на первородном чугуне, свобод­ ном от примесей, накопляемых в металлоломе, и с добавками первичного железорудного сырья или окатышей из него, а также сортированного металлолома повышенной чистоты и в умень­ шенных количествах, например 10—15 вместо обычных 23—

25%.

В мировой практике в настоящее время при применении в шихте 90 % жидкого чугуна и охлаждении ванны окатышами или железорудным сырьем может быть достигнуто суммарное содержание в готовой конвертерной стали 0,005 % Р и S. По первородности и низкому содержанию примесей цветных метал­ лов эта сталь превышает полученную другими процессами и является конкурентоспособной, несмотря на повышенную стои­

поверхностью контакта газовых пузырей с расплавом. Послед­ нее обеспечивает эффективное удаление из металла в пузыри, проходящие через ванну при обезуглероживании, азота и водо­ рода и этому способствует также подаваемый через днище кон­ вертера инертный газ, который обеспечивает и глубокое обезуг­ лероживание ванцы.

В настоящее время освоено производство в кислородных конвертерах ряда высококачественных сталей — для труб и дру­ гих изделий из высокопрочного хладостойкого металла, предна­ значенного для службы в северных районах и районах вечной мерзлоты, электротехнических, в том числе трансформаторных, коррозионностойких и других высоколегированных, а также стандартного углеродистого полупродукта для последующей ковшовой обработки на высококачественный металл.

§ 2. Взаимодействие дутья с расплавом

Подача кислородного дутья в конвертер с верхней продувкой производится вертикальной водоохлаждаемой фурмой, которую можно перемещать по высоте конвертера в ходе плавки. Разде­ ление кислородного потока на несколько струй, обеспечиваемое многосопловой фурмой, создает более «мягкую» продувку и

приводит к образованию нескольких очагов воздействия дутья на расплав.

Верхнее дутье по сравнению с донным, подаваемым через стационарные фурмы в днище конвертера, создает более широ­ кие возможности регулирования и управления процессами плавки. Это достигается в основном изменением протяженности потоков дутья и выбором оптимальных углов наклона струй окислителя относительно вертикали. Первый из этих факторов может оперативно варьироваться по ходу процесса на более дли­ тельные или короткие промежутки времени. В полной мере ис­ пользуется также возможность изменения расхода кислорода через фурму. В некоторых случаях для дополнительного регули­ рования процессов шлакообразования и дожигания реакционных газов в полости конвертера создают раздельные центральный и периферийный потоки кислорода двухъярусными фурмами (см. рис. IV.5).

Другими путями регулирования процессов с помощью верх­ него дутья могут быть перемещение зоны контакта окислитель­ ный газ — расплав по поверхности ванны, применение пульси­ рующего и циклического дутья, наложение на газовые потоки акустических полей. При уменьшении расстояния от торца фурмы до ванны происходит более глубокое внедрение струи дутья в расплав. С увеличением этого расстояния или диаметра сопл при неизмененном расходе кислорода глубина внедрения струи (или отдельных струй, если они не сливаются в единый

поток) становится меньше.

Описание условий формирования потоков верхнего дутья в конверте базируется на известных закономерстях свободных турбулентных струй.

Турбулентные струи имеют в кислородном конвертере важ­

ные отличительные особенности.

Большую часть процесса струи распространяются в более горячей и, следовательно, менее плотной газовой среде, что способствует увеличению их дальнобойности, т. е. сохранению больших относительных и абсолютных скоростей по длине.

из

тере высокой интенсивностью, обусловлены развитием поверх­ ности контакта фаз, большими величинами движущих сил и коэффициентов переноса. Максимальные значения движущих сил и коэффициентов переноса наблюдаются в условиях кратко­ временного и изменяющегося контакта, когда процессы бывают нестационарными. В то же время максимальная степень превра­ щения реагенов может быть получена при приближении си­ стемы или ее частей к равновесию. В кислородно-конвертерном процессе целесообразны условия, обеспечивающие оптимальные сочетания указанных требований.

На протяжении значительного времени продувки в конвер­ тере (60—70 % продувочного периода) взаимодействие окисли­ тельного дутья с расплавом носит характер заглубленного ре­ агирования, чему соответствует образование и подъем выше торца фурмы шлако-газо-металлической эмульсии.

§3. Конструкция кислородных конвертеров

иверхних фурм

Современные конвертеры имеют большую вместимость (300— 400 т) и рассчитаны на максимальную производительность (до 500 т/ч и более). Большие массы получаемого за одну плавку металла позволяют эффективнее организовать его внепечную обработку, разливку и технический контроль продукта.

Кислородный конвертер, масса которого вместе с футеров­ кой может превышать 1000 т, заключен в мощный металличе­ ский корпус. Его изготовляют сварным из гнутых и штампован­ ных стальных листов толщиной до 70—100 мм с ребрами жест­ кости. Корпус через цапфы опирается на подшипники, устано­ вленные на опорных станинах (рис. IV.2). Конвертер может по­ ворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 360°.

Объем рабочего пространства конвертера выбирают в соот­ ветствии с проектируемой вместимостью и особенностями тех­ нологии— видом чугуна, количеством образующегося шлака, применяемыми охладителями. Удельный объем современных конвертеров верхнего дутья Ууд, т. е. объем рабочего простран­ ства, отнесенный к 1 т садки (жидкий чугун + скрап), незави­ симо от их вместимости, должен составлять 0,8—1,0 м3/т. Ниж­ ний допустимый предел зависит от параметров дутьевого ре­ жима: чем выше интенсивность дутья и меньше число сопл в фурме, тем он несколько больше для предотвращения выбро­

сов из конвертера.

Рабочее пространство конвертера состоит из верхнего усе­ ченного конуса, основной цилиндрической части, нижнего усе­ ченного обратного конуса и шарового сегмента. Форма и раз­ меры нижней части рабочего пространства связаны с размеще­ нием заливаемого чугуна, обеспечением лучшего перемешивания

Рис. IV.2. 300-т кислородный конвертер верхнего дутья

металла и соответствуют конфигурации износа футеровки. Глу­ бина жидкой ванны h является важным технологическим и конструктивным параметром профиля. Она определяет попереч­ ное сечение конвертера, погружение дутьевого потока в расплав, уровень подъема металла и шлака при продувке, воздействие

300-т конвертеров 7,65—9 м. Попытки дополнительного умень­ шения относительной высоты рабочего пространства могут при­ вести к неровному ходу процесса и выбросам вследствие подъема расплава до горловины конвертера.

Симметричная верхняя коническая часть заканчивается горловиной, форма и размеры которой способствуют уменьше­ нию выбросов и выносов из рабочего пространства конвертера, а также минимальным потерям тепла излучением. Оптималь­ ным размером диаметра горловины с учетом необходимых ско­ ростей завалки шихты и свободного маневрирования верхней фурмой является величина 0,4—0,6 от внутреннего диаметра рабочего пространства в цилиндрической части.

В шлемной части кислородного конвертера находится летка для выпуска стали. В современных конструкциях в летке при­ меняют шиберный затвор. Выпуск стали из конвертера через специальные устройства, а не через горловину уменьшает попа­ дание шлака в металл, препятствует рефосфорации и повышает эффективность обработки стали в ковше. Шлемную часть кор­

пуса из-за трудностей его подгонкй к цилиндрической части на больших конвертерах делают неотъемной. В последнее время применяют в основном вставные днища. Относительно неболь­ шой диаметр такого днища позволяет сохранить жесткость и прочность корпуса конвертера в его нижней части и в то же время облегчить ремонт футеровки.

Кислородные конвертеры футеруют основными огнеупорами

в соответствии с образующимися при ведении процесса шлаками

свысокой основностью, необходимыми для более полного уда­ ления из металла фосфора и серы. Износ футеровки происходит

неравномерно, а ее служба во внутренних и наружных слоях различается по условиями, поэтому футеровку выкладывают двухслойной, а^ иногда трехслойной.

Арматурный (наружный) слой футеровки предназначен для защиты металлического корпуса от непосредственного воздей­ ствия расплава. Его изготовляют из высококачественного обож­ женного магнезитового, периклазошпинелидного или хромомаг­ незитового кирпича. Рабочий (внутренний) слой изготовляют из безобжиговых основных огнеупоров — смолодоломита (35— 37% MgO, 45—65 % СаО), смолодоломитомагнезита (50—80 % MgO, 12—45 % СаО) на смоляной связке из каменноугольной смолы или пека. Промежуточный слой футеровки изготавли­ вают из огнеупорной массы, аналогичной по составу кирпичу рабочего слоя, но с более высоким содержанием смолы. Он слу­ жит для компенсации напряжений, возникающих при нагреве и расширении рабочего слоя и подпитки последнего углеродом смолы в конце кампании его эксплуатации. В настоящее время большинство конвертеров футеруют в два слоя (арматурный и рабочий).

Футеровку днища выполняют в несколько слоев — смолодо­ ломитовой массы на корпус днища, шамотного кирпича, магне­ зитового кирпича и рабочего слоя из периклазошпинелидных огнеупоров, менее подверженных воздействию ударных, нагру­ зок и влаги.

Кислород подают в конвертер через центрированную по его оси водоох­ лаждаемую фурму с давлением перед выходом из фурмы 1,0—1,6 МПа. Фурма по высоте перемещается специальным механизмом, сблокированным с меха­ низмом вращения конвертера так, что поворот последнего невозможен до полного вывода фурмы из конвертера. Скорость подъема и опускания^ фурмы обычно 0,1—1'м/с. Расположение торца фурмы над уровнем спокойной ванны 'зависит от вместимости конвертера и диаметра сопл фурмы dс и составляет

образованные трубами, предназначены для подвода кислорода, подвода и от­ вода охлаждающей воды. Кислород подают по центральному каналу, по внутреннему кольцевому каналу подводят, а по наружному отводят охлаж­ дающую воду. Трубы имеют компенсаторы, устраняющие термические напряже­

зом, в конвертер ежеминутно может быть подано 1250 м3 и более кислорода. Угол наклона оси сопл к оси фурмы в большинстве случаев близок к 15° и имеет тенденцию к возрастанию при увеличении числа сопл. Это позволяет получить более рассредоточенное дутье, направляемое к ванне.

Сопла имеют суживающуюся часть, которая переходит далее в расширяю­ щуюся, и по профилю представляет собой сопла Лаваля. Такие сопла позво­ ляют достичь скоростей истечения кислорода 300—500 м/с (сверхзвуковых скоростей истечения).

Скорость истечения, может быть определена для адиабатических условий, так как расширение газа в сопле и его истечение происходят почти без тепло­

и плотность газа перед соплом; р — давление газа в окружающей среде, куда он истекает. При давлениях перед соплом >1,0 МПа изменения скоростей истечения невелики (см! рис. IV. 1) и колебание давления резко не нарушает ровного хода процесса в конвертере.

§ 4. Изменение состава металла, шлака и газа по ходу конвертирования

Условия протекания физико-химических процессов, изменяю­ щих состав металла, шлака и газа в кислородном конвертере, характеризуются сверхзвуковыми скоростями выхода дутья из фурмы, высокими, но изменяющимися динамическими давле­ ниями и окислительными потенциалами дутьевого потока в по­ лости конвертера и при встрече с расплавом, наличием ограни­ ченной по размерам реакционной зоны контакта дутья и ме­ талла с температурой, значительно 'превышающей температуру всей ванны, зон газо-шлако-металлической эмульсии над ван­ ной, капельного металла в окислительном потоке и пузырей газа в металлическом расплаве.

Высокий окислительный потенциал дутья и его большая ки­ нетическая энергия создают условия одновременного началь­ ного окисления железа и остальных элементов расплава (крем­ ния, марганца, фосфора, углерода и легирующих) на поверх­ ности реакционной зоны. Такой характер начального этапа окилительного процесса при воздействии дутья приводит к по­ следующему разделению зон окисления элементов. Железо и углерод как главные элементы, окисляющиеся в реакционной зоне, продолжают взаимодействовать с поступающим сюда дутьем. Образующиеся оксиды железа, главным образом FeO, при интенсивном движении металла в реакционной зоне от ее цёнтра к периферии переносятся на другие участки контакта с металлом (во вторичную реакционную зону).

За счет окисления углерода в первичной реакционной зоне контактирующая с металлом газовая фаза может быть недо­ статочно окислительной для взаимодействия со шлакообразую­ щими примесями (марганец, фосфор и др.). Вследствие этого зоной их окисления, особенно при понижении концентраций, яв­ ляется вторичная реакционная зона, а главным окислителем служат оксиды железа, поступающие из первичной реакцион­ ной зоны. По мере окисления углерода, поступающего в первич­ ную реакционную зону из остальной ванны, его поток на по­ верхность контактирования с окислительным газом уменьша­ ется и обезуглероживание ванны начинает осуществляться за счет взаимодействия расплава с оксидами железа во вторич­

ной реакционной зоне.

Различие условий взаимодействия фаз и их состава в кис­ лородном конвертере с верхним дутьем и в конвертере с воз­ душным донным дутьем объясняет и различный ход окисления примесей ванны в этих случаях. В последнем вследствие рас­ средоточения зон реагирования дутье — расплав, менее выра­ женной и менее перегретой реакционной зоны и более низких окислительных потенциалов газовой фазы, окисление углерода

которая покрыта слоем, богатым оксидами железа, и не допу­ скают окисления на этих поверхностях углерода расплава. Окисление углерода в таких условиях может происходить пре­ имущественно в реакционной зоне на границе контакта окис­ лительного газа и металлической ванны, и не распространяется еще на весь объем ванны. Изменение состава металла и шлака, характерное для процесса продувки в кислородном конвертере с верхним дутьем, приведено на рис. IV.4.

Окисление кремния заканчивается в основном за 10—15 % общего времени продувки в зависимости от его содержания в чугуне. Одновременное окисление марганца в условиях кис­ лородно-конвертерного процесса происходит со значительно меньшей полнотой, чем окисление кремния. Марганец требует для перехода в шлак более окислительных условий, чем крем­ ний, его оксид МпО в шлаке с высокой основностью дает к тому же повышенную активность. Переход марганца в шлак обычно ограничивается его остаточным содержанием в металле 0,10— 0,15 % и более, которые не в сильной степени зависят от со­ держания марганца в чугуне. Содержания марганца в ванне по ходу процесса могут повышаться вследствие его восстанов­ ления из шлака по реакциям:

(Мп2+) + [Fe] = [Мп] + (Fe2+); (Мп2+) + (О2’) + [С] = [Мп] + СО.

На развитии реакции окисления марганца в кислородном конвертере в наибольшей степени сказывается регулирующее воздействие дутьевого и температурного режимов процесса.