книги из ГПНТБ / Кочо, В. С. Физико-химические и теплофизические особенности современного мартеновского процесса

Т а б л и ц а 7

Баланс кислорода для периода доводки (240-т печь, интенсивная продувка ванны кислородом)

И т о г о ........................... 100 И т о г о ........................... 100

Из баланса кислорода видно, что при условии 95%-ного учас­ тия кислородопродувочной смеси в процессе окисления углерода расплава до СО дефицит кислорода составляет всего 4,8%, кото­ рый покрывается за счет кислорода атмосферы печи. Невязка 1,6% обусловлена, по всей вероятности, допущением о равенстве составов газовой фазы в вертикальном канале (место отбора проб на анализ) и в рабочем пространстве печи.

При удалении продувочных фурм от металла скорость обезуг­ лероживания постепенно падает (см. рис. 27) вследствие увеличе­ ния доли отраженного кислорода и использования его на дожига­ ние обильно выделяющейся из ванны окиси углерода. Отмеченная зависимость представляет интерес при согласовании скоростей обезуглероживания и нагрева ванны.

При интенсификации мартеновского процесса подачей кисло­ рода в факел основным источником кислорода в период доводки является атмосфера печи. Кислород газовой фазы передается ме­ таллу через закись железа, эффективность действия которой опре­ деляется ее активностью в шлаке. Известно [60], что в жидких шла­ ках молярная доля FeO в шлаке приблизительно равна ее актив­ ности, т. е. к таким шлакам может быть применен закон Рауля. На содержание закиси железа в шлаке влияет главным образом основность шлака, содержание углерода в металле и температура. Определить степень влияния этих факторов на активность закиси железа в шлаке можно по диаграммам и графикам [61] или по уравнению [62]. В связи с вышеизложенным проанализируем зави­ симость скорости обезуглероживания от температурного состояния ванны (перегрев металла под линией ликвидуса) и суммарного содержания закиси железа в шлаке.

50

На рис. 28 и 29 представлены зависимости скорости обезугле­ роживания от перегрева ванны и суммарного содержания закиси железа в шлаке для печей различной садки и уровня интенсифика­ ции процесса (цифры у кривых — содержание 2] FeO = (FeO) +

Как видно из рис. 28, 29, с увеличением степени перегрева ванн (для практики мартеновского производства стали равносильно уве­ личению абсолютной температуры металла) скорость обезуглеро­ живания возрастает. Это связано с тем, что при более перегретом металле увеличиваются значения коэффициентов диффузии реаги­ рующих элементов ванны.

за, в металлическую ванну вследствие увеличения коэффициентов диффузии окислов железа в шлаке при росте температуры (кру­ тизна линий на рис. 28 тем больше, чем больше 2 ] FeO).

Практически одинаковые углы наклона линий для печей разной емкости (при сравнимых шлаковых режимах) указывают, по-види­ мому, на одинаковую природу влияния степени перегрева (темпе­ ратуры) ванны на скорость обезуглероживания. Можно предпо­ лагать, что во всех случаях более перегретый металл интенсифи­ цирует переход кислорода в системе печная атмосфера — шлак— металл, и в особенности шлак—металл, что хорошо согласуется с исследованиями [63], где, применяя метод электрокапиллярного движения капли металла в шлаке, получили следующее уравнение для определения скорости реакции окисления углерода на границе металлической и шлаковой фаз:

где k — константа скорости реакции, k = 3,2- 10-'2;

(FeO )— содержание закиси железа в адсорбционном контак­ тирующем с металлом слое шлака.

Абсолютный уровень скорости обезуглероживания при этом за­ висит (см. рис. 28, 29) от степени интенсификации процесса, опре­ деляемой часовым расходом кислорода, вводимого в ванну на 1 м2 ее поверхности с учетом емкости печи и ее конструктивных особен­ ностей.

Анализ рис. 28 показывает обоснованность целого ряда анали­ тических зависимостей [48, 64], предполагающих доминирующее влияние содержания закиси железа в шлаке на скорость обезуг­ лероживания.

В условиях интенсивной продувки ванны мартеновской печи кислородом содержание закиси железа в шлаке теряет свое доми-

Рис. 29. Зависимость скорости обезуглероживания от степени перегрева ванны:

нирующее значение в процессе окисления углерода, о чем свидетельствует большой диапазон изменения суммарного содержания закиси железа в шлаке для зависимостей на рис. 29. Остановимся несколько подробнее на этом вопросе.

На рис. 30 представлены кинетические кривые изменения соста­ ва шлака в период доводки на 240-т печи при продувке ванны техническим кислородом с интенсивностью (3,8—5,1) • 103 м3/ч (z = = 75-^88%). Для сравнения пунктиром показано изменение компо­

шением количества известняка в завалку и большей окисленностью шлака.

Концентрация закиси железа в шлаке по ходу доводки посте­ пенно падает с 33 до 14%. На плавках с подачей кислорода р фа-

52

кел содержание закиси железа к концу доводки, наоборот, повы­ шается из-за снижения скорости обезуглероживания после дости­ жения [С]кр, когда приход кислорода в шлак остается на прежнем уровне, а расход кислорода на окисление углерода уменьшается.

55

с?

•<Оо

сГ

«3

С о

На плавках с интенсивной продувкой кислородом такого явления не наблюдается, по-видимому, вследствие более развитой межфаз­ ной поверхности контакта металла и шлака при больших мощно­

сделать дополнительное предположение, что возможными причина­ ми роста скорости обезуглероживания, замеченного для области [С] > [С]Кр (см. рис. 20), является более высокая окисленность шлака при интенсивной продувке ванны кислородом и тот факт, что более .высоким концентрациям углерода в металле могут соответ­

53-

ствовать большие степени перегрева над линией ликвидуса, что и обусловливает приращение скорости обезуглероживания.

Известно [65], что наличие корольков металла в шлаке способ­ ствует успешному протеканию процесса обезуглероживания ванны вследствие большой удельной поверхности контакта их со шлаком. Количество корольков в шлаке зависит в свою очередь от скорости обезуглероживания ванны [55, 65]. Нашими исследованиями на

абсолютное количество корольков слабо зависит от степени интен­ сификации процесса и определяется значением скорости обезугле­ роживания и шлаковым режимом (сравните диапазон изменения содержания корольков на 600-т печи с подачей кислорода в факел на рис. 32). Расчеты для 900-т печи показывают (среднее по пяти пробам в период плавления содержания корольков 6,8%, диаметр корольков — от 0,2 до 6,5 мм, средний размер 0,85 мм, количество

поверхность ванны мартеновской печи более чем в девять раз. Ана­ логичные расчеты для 300- и 600-т печей показывают, что межфаз­

5 4

ная поверхность контакта корольки—шлак, по крайней мере, на порядок выше площади пода на уровне металлических порогов за­ валочных окон (для 300-т печи указанное соотношение равно 15,3,

а для 600-т печи 12,8).

Как показали исследования, жидкотекучесть шлака оказывает большое влияние не только на содержание корольков, но и непос­ редственно на скорость обезуглероживания vc (см. рис. 33). Меха­ низм влияния жидкотекучести шлака на процесс обезуглерожива­ ния, по-видимому, заключается в зависимости коэффициентов диф­ фузии окислов железа в шлаке (т. е. скорости подвода кислорода к зоне реакции) от его жидкотекучести. Особенно большое значе­ ние жидкотекучесть приобретает при железистых шлаках, когда

Рис. 33. Зависимость скорости обез­ углероживания ис от жидкотекуче-

сти шлака г)ш (Л/=40н-60° С):

/- 5 — 7% 2 FeO; 2—10^-12% 2 FeO

суммарный поток кислорода может быть увеличен за счет увели­ чения диффузионной скорости окислов железа. При абсолютно ма­ лых содержаниях окислов железа в шлаке увеличение жидкотеку­ чести шлака не приводит к увеличению скорости обезуглерожива­ ния ванны вследствие абсолютно малых потоков кислорода из шлака в металлическую ванну. Кроме интенсификации переноса кислорода в шлаке, жидкотекучие шлаки способствуют проникно­ вению кислорода из атмосферы печи в ванну, т. е. увеличивают окислительную способность печи ро2, кг/(м2*ч). Увеличение окис­

лительной способности печи в свою очередь вызывает увеличение скорости процесса обезуглероживания (рис. 34, 600-т печь).

Анализируя общие закономерности процесса окисления угле­ рода, определяющие скорость обезуглероживания, нельзя не ука­

5 5

(А [С] = 0,20ч-0,40%) и температуры металла было больше и больше была продолжительность выравнивания состава и темпера­

ких содержаниях углерода в металле ([С]<0,35%) локальное снижение концентрации углерода не наблюдалось.

На рис. 36 представлено одновременно изменение содержания углерода и температуры металла во времени в месте ввода 2,75 т

окалины (900-т печь, BQp =67,5 Мвт, L°p= 3,6-103 м3/ч, а =1,2)

цифры у кривой изменения [С] характеризуют суммарное со­ держание закиси железа в шлаке (%), у кривой изменения тем-

.56

пературы — степень перегрева металла над линией ликвидуса

(°С).

Как видно из рис. 36, в начальные моменты времени после ввода окислителя в зоне ввода местная концентрация углерода ниже концентрации, характеризующей средний состав ванны. В по­ следующие моменты времени локальная концентрация углерода повышается вследствие поступления в эту зону новых порций ме­ талла из соседних участков ванны с повышенным содержанием углерода вплоть до значений, характерных для всего объема ванньц При этом степень перегрева металла над линией ликвидуса и тем­ пература металла, определяющие скорость теплообменных процес­ сов в районе ввода присадки, были настолько большие, что вы­

равнивание состава и температуры металла в зоне ввода до уровня, характерного для всей ванны, произошло в течение короткого про­ межутка времени ( ~ 3 мин).

Локальное снижение содержания углерода в металле в районе продувочных фурм было обнаружено на 600- и 900-т печах. Вырав­ нивание состава и температуры металла происходит за 2—3 мин после прекращения продувки.

Изменение суммарного содержания закиси железа в шлаке и ход процесса окисления углерода при вводе твердого окислителя определяются температурным состоянием ванны. Если до ввода присадки содержание углерода в металле изменяется с постоянной скоростью, зависящей от таких параметров, как интенсивность продувки ванны кислородом, окислительная способность атмо­ сферы печи, состав шлака и температура, то после ввода твердого окислителя в первый момент времени процесс обезуглероживания

57

замедляется вследствие резкого охлаждения близлежащих объе­ мов шлака и металла (повышается вязкость шлака и металла, за­ медляются диффузионные процессы и, следовательно, скорость до­ ставки кислорода и углерода в зону реакции).

Изменение суммарного содержания закиси железа определя­ ется температурным фактором. Если ввод присадки твердого окис­ лителя осуществлен при сравнительно низкой температуре металла (см. рис. 35), то после соответствующего накопления закиси же­ леза в шлаке дальнейшее изменение ее содержания происходит по кинетической кривой, которая представляет собой зеркальное отображение кривой изменения концентрации углерода. Причем максимальное содержание закиси железа в шлаке наблюдается при минимальной концентрации углерода в зоне ввода и присадки (наблюдаемая степень перегрева металла при этом близка к нулю), после чего в результате активизирования массообменных процессов на границе переохлажденного участка ванны с более нагретыми соседними участками ванны концентрация углерода в локальном объеме металла повышается до уровня, характерного для всего объема ванны, а суммарное содержание закиси железа в шлаке непрерывно уменьшается в результате расходования кислорода присадки на окисление углерода поступающих новых порций ме­ талла. Причем переокисленность шлака по сравнению с его состоя­ нием до ввода присадки сохраняется еще определенный промежу­ ток времени и не исчезает после выравнивания состава и темпера­ туры металла (см. рис. 35, до ввода присадки 2] FeO —8,77%, а после усвоения 12,2%) в течение тем большего промежутка вре­ мени, чем ниже температура металла (заторможена реакция пере­ хода кислорода из шлака в металл).

Если ввод присадки твердого окислителя осуществлен при сравнительно высоких значениях температуры и степени перегрева металла (см. рис. 36), то процесс окисления углерода сопровож­ дается непрерывным снижением суммарного содержания закиси железа в шлаке до значений, характерных для данного состава шлака и металла и температуры ванны. Причем ко времени вырав­ нивания концентрации углерода и температуры металла по объему ванны содержание закиси железа в шлаке также достигает уровня, близкого к уровню окисленности шлака до ввода твердого окисли­ теля и обусловливаемого составом и температурой реагирующих фаз (см. рис. 36), т. е. ввод присадки окислителя при высоких тем­ пературах ванны вызывает переокисленность шлака лишь в тече­ ние краткого промежутка времени и после выравнивания состава и температуры металла переокисленности шлака не наблюдается (см. рис. 36, содержание закиси железа в шлаке до ввода при­ садки 9,65%, после усвоения ее 9,50%).

Неоднократно наблюдаемое на 300-, 600- и 900-т мартеновских печах повышение суммарного содержания закиси железа в шлаке в первые моменты времени после ввода присадки извести объяс­ няется тем, что в результате местного переохлаждения в очаге при­ садки затормаживается реакция перехода кислорода из шлака

58

в металл и поэтому наблюдается повышение содержания окислов железа в шлаке.

Таким образом, температурное состояние оказывает существен­ ное влияние на ход процесса окисления углерода и изменения окисленности шлака. Отмеченные закономерности характерны для лю­ бого способа интенсификации плавки кислородом и были отмечены на печах различной емкости.

При изучении влияния основных теплотехнических и технологи­ ческих факторов на процесс окисления углерода произведен срав­ нительный анализ способов и уровней интенсификации мартенов­ ской плавки кислородом на примере работы 900-т печи (табл. 8).

Т а б л и ц а 8

Скорость обезуглероживания и нагрева металла в зависимости от режима интенсификации мартеновской плавки (900-т печь)

Применение кислорода позволило резко увеличить скорость обезуглероживания и нагрева ванны по сравнению с плавками без применения кислорода. Как видно из табл. 7, подача кислорода непосредственно в ванну гораздо эффективнее подачи его в фа­ кел. Наиболее высокие показатели достигаются при одновремен­ ной подаче кислорода в ванну и факел. При этом существенно воз­ растает по сравнению со случаем ввода кислорода в ванну лишь скорость нагрева ванны (более чем на 30%). Скорость обезуглеро­ живания остается практически на прежнем уровне, характерном для ввода кислорода только в ванну. Как уже указывалось ранее, это связано с тем, что кислород при подаче его в факел исполь­ зуется в основном на дожигание окиси углерода и фактически не приводит к увеличению кислородопоглощения ванной, так как

5 9