книги / Металлургия черных и цветных металлов

вопоточном рафинировании. Сплошные линии — режимы при числе ступеней рафинирования т = 2, 3, 4, 6, 9, . . х.

Диаграмма дает возможность интересных толкований; отметим лишь, что наибольший эффект рафинирования достигается при многоступенчатой обра­ ботке, при взаимной смене реагирующих фаз, при их противопоточном движе­ нии, а все это вместе возможно иметь только в непрерывных процессах. Та­ ким образом, непрерывные процессы по своей природе должны быть самыми эффективными и производительными.

Гл ав а 2. РАЗНОВИДНОСТИ НЕПРЕРЫВНЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ И НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НСП

К настоящему времени предложен целый ряд схем непрерыв­ ных сталеплавильных процессов. Их можно подразделить на следующие группы: 1— схемы, основанные на массообменных процессах между шлаковой и металлической фазами в агрега­ тах желобного типа; 2 — схемы, основанные на принципах струйного рафинирования; 3 — схемы, предусматривающие соз­ дание эмульсионных смесей взаимодействующих фаз с после­ дующим отстаиванием; 4 — схемы, связанные со взаимодей­ ствием реагирующих фаз в противопоточном режиме в желобнованных агрегатах; 5 — комбинированные схемы.

Представляет интерес оригинальное предложение X. К. Уорнера (Австра­ лия), которое было названо процессом УОРКРА. Процесс исследовали 2,5 года, было проведено 29 экспериментов длительностью от 2 до 7 ч. Схема агрегата представлена на рис. VII 1.2. Чугун подается по желобу /, заполняет желоб 2, течет через реактор 5, в котором под действием одной кислородной фурмы создается круговое движение расплава и интенсивно окисляются при­ меси. Остальные три — четыре фурмы располагаются над желобом 4, иногда углубляясь в расплав. Давление кислорода 709,3 кПа. Все фурмы своим рас­ положением создают движение расплава в направлении из желоба 2 в реак­ тор 3 и из реактора в желоб 4 к выпускному отверстию 5. Шлакообразую­ щие — известь, плавиковый, шпат — подают в реактор 6 перед выпускным от­ верстием для металла, и образующийся шлак течет к шлаковой летке 7.

Опытная установка работала при подаче чугуна 3—3,5 т/ч, продолжи­ тельность пребывания расплава в зоне реактора и желоба 4 составляла 17— 20 мин. Размеры установки были невелики, модели большого размера по­ строены не были. Замечено, что процесс обеспечивает очень глубокую дефосфорацию (86—97 %) и десульфурацию (74—85 %); в процессе мало теряется металла со шлаком, общий выход металла составлял 98—99 %. Определилась значительная эффективность этого процесса по сравнению с любым периоди­ ческим способом сталеварения.

Идея струйного рафинирования возникла в Англии и в 1953 г. была за­ патентована. Первоначально были созданы установки для предварительного обескремнивания чугуна. С 1965 г. строятся промышленные установки струй­ ного рафинирования чугуна для производства стали. Схема установки струй­ ного рафинирования конструкции БИСРА представлена на рис. VIII.3. Ковш о чугуном ставят на разливочный стенд /, чугун заливают в промежуточный ковш 2. Из него сквозь разливочный стакан струя* чугуна попадает в реактор 5, через кольцевое устройство, в верхнюю часть 4 которого вдуваются в струе воздуха порошкообразная известь и другие флюсы, после чего струя распыля­ ется кислородом, выходящим под высоким давлением со сверхзвуковой ско-

ростью из сопл кольцевого устройства 5. Это устройство охлаждается водой, входящей через отверстие 6 и выходящей через отверстие 7. На расстоянии 1,8—2,0 м от приемного ковша 8 струя дробится. Сталь из ковша разливают по изложницам 9, находящимся на транспортере 10.

Первоначальный интерес к процессу струйного рафиниро­ вания связан с низкими; капитальными затратами на строитель­ ство агрегата и малой стоимостью передела, которая в 4—7 раз ниже, чем стоимость передела в кислородном конвертере. Од­ нако к 1968 г. все три эксплуатирующиеся установки в Англии были ликвидированы. Можно предположить, что причины пре­ кращения их эксплуатации заключаются в трудностях управле­ ния процессом и повышенном угаре железа. Однако высокая производительность струйного рафинирования при малой стои­ мости передела и малые удельные капитальные затраты позво­ ляют предполагать, что способ в какой-то модернизации может найти применение в непрерывных процессах будущего.

Непрерывный процесс производства стали, - разработанный французским институтом ИРСИД, основан на рафинировании капель чугуна во время пре­ бывания их в шлаке. Рассмотрим этот процесс в наиболее простом варианте (рис. VIII.4). В реактор 1 по желобу 2 поступает чугун. Через форму 3 вме­ сте с кислородом подают порошкообразную известь. Таким образом, этот способ нацелен на передел фосфористых чугунов подобно переделу ЛД-АС. Условия продувки тотчас же создают вспененную шлако-металлическую эмульсию. Пена достигает порога 4 и переливается через него в отстойник 5, где металл отделяется от шлака. Шлак удаляется через шлаковую летку б, а металл переходит в камеру доводки 7, где его раскисляют, легируют, при

достигал 98%. Тепловые балансы процесса показывают резерв тепла, позво­ ляющий переработать до 25—30 % скрапа. Суммарный расход» огнеупоров со­ ставил кг/т чугуна с возможным снижением до 1 кг/т. Процесс ИРСИД представляется перспективным. Это связано с тем, что в основе лежит рафи­ нирование капель чугуна в шлаке, процесса в своем принципе очень эффек­ тивном вследствие фильтрующего эффекта, свойственного шлакометалличе­ ской эмульсии. Конструкционная простота установок ИРСИД, очень высокое отношение производительности к объему конструкции обеспечивают вдвое меньшие капитальные вложения на строительство цеха непрерывного произ­ водства стали процессом ИРСИД, чем кислородно-конвертерного цеха равной

перемешивания, приближающаяся к идеальной. Примером такого непрерыв­ ного сталеплавильного процесса может быть процесс ЦНИИЧМ, разработан­ ный Г. П. Иванцовым. В этом процессе чугун поступает в сталеплавильный агрегат непрерывного действия из миксера через дозатор, обеспечивающий заданной расход. Рафинирование чугуна происходит в четырех последова­ тельно расположенных агрегатах. В первом происходит удаление серы. Ванна

усиливают ее удаление. Окисления примесей не происходит, так как создаются восстановительные условия. В ходе процесса в первой ванне образуется твердый сыпучий шлак. В ванне второго агрегата удаляются кремний и мар­ ганец. Футеровка агрегата кислая. В металл вдувается пылевидная железная руда струей кислорода. Чтобы сохранить возможно больше угдерода, темпе­ ратура металла поддерживается низкой. В третьем агрегате с основной футе­ ровкой удаляется фосфор. Металл продувается кислородом, которым вносятся порошкообразная известь и ферриты кальция. В четвертом агрегате металл обезуглероживается интенсивной продувкой кислородом.

Исследование проводилось по работе и результатам процесса в каждом отдельном агрегате. Его результаты обстоятельно показали возможность осу­ ществления процесса. Степень десульфурации достигалась 80—85 %. Степень рафинирования металла от кремния и марганца была >90 %. Потери железа

в производственных условиях вызовет затруднения. Естественно, трудно еде*

лать окончательные выводы, поскольку испытания схемы по существу не было и процесс не доведен до промышленного.

Процесс, разработанный МИСиС, нам кажется более пер­ спективным. Многостадийный подовый процесс разрабатывался под руководством М. А. Глинкова и В. И. Явойского, и испыта­ ния в опытно-промышленных условиях дали хорошие показа­ тели. Процесс оказался пригоден к выплавке стали без ограни­ чений марок. Достигнута доля использования металлического лома 32 % с возможностью увеличения. Расход условного топ­ лива составлял 10—15 кг/т, расход кислорода — 35 м3/т стали. Средняя степень десульфурации 30 % и дефосфорации 90 %. Потери железа с удаляемым шлаком ~2 %, потери с брызгами, корольками и испарением железа 1 %• Выход жидкой стали 92 %. Полупромышленные испытания показали перспективность этого вида САНД и возможность замены мартеновских и двух­ ванных печей. Недостатком рассматриваемой схемы являются увеличенные по сравнению с другими схемами НСП удельный объем агрегата, а следовательно, тепловые потери и повышен­ ный до 10 кг/т стали расход футеровки.

Схема противопоточного подового типа опытно-промышлен­ ного САНД конструкции МИСиС представлена на рис. VII 1.5. Многостадийный агрегат имеет 4 ванны (7—IV) с гравитацион­ ным противопоточным перемещением взаимодействующих фаз чеРез перевалы. В своде каждой ванны установлены газо-кисло- родные горелки и кислородные фурмы для продувки ванны. Над ка>кдой ванной имеются завалочные отверстия для подачи сыпУЧих материалов. В опытно-промышленном варианте установки САНД чугун подавался ковшом и заливался в первую ванну через желоб 2. Отходящие газы уходят в вертикальный канал

отдувочным действием сводовых горелок. Движение металла вызывается непрерывным поступлением чугуна в ванну / и не­ прерывным вытеканием стали через летку в IV. ванне. Измель­ ченный лом подавали в ванны /—III через водоохлаждаемые амбразуры в своде печи из установленных над ними бункеров с дозаторами. Непрерывный выпуск стали производился' из ванны IV в обогреваемый ковш. В ковше сталь раскисляли и разливали в изложницы на тележках, проходящих под ковшом. Последовательность удаления примесей по имеющимся материа­ лам прослеживается недостаточно четко. Однако наибольшая

ложенных НСП процесс МИСиС является наиболее исследован­ ным в рабочих условиях и убедительных масштабах как по вместимости опытных агрегатов, так и их производительности; общей длительности работы и длительности непрерывных пе­ риодов работы. Итоги исследования убеждают в наибольшей перспективности именно этого процесса.

Специальные исследования показали интенсивное переме­ шивание расплавов. Следствием этого оказываются высокая скорость передела чугунов в сталь и полнота осуществления реакций. Этому способствует противопоточное движение реаги­ рующих фаз. Металл течет от ванны / до IV и выпускается в виде стали. Шлак течет от ванны IV до ванны I, где вытекает через шлаковую летку. Противопоточное движение реагчрую: щих фаз способствует большей полноте взаимодействия их, а следовательно, и большей степени рафинирования экстраги­ руемой фазы экстрагирующей. В самом деле, конечный металл обрабатывается свежим шлаком, а исходный металл реагирует с конечным шлаком. Эти обстоятельства обеспечивают большую степень рафинирования металла НСП, чем в одноступенчатых сталеплавильных агрегатах периодического действия. Пока еще нет агрегата, работающего в промышленности, но жизнь подго­ товила и требует создания сталеплавильных агрегатов непре­ рывного действия — САНД.

возможность отливать кузнечные слитки большой массы из двух и более сталеразливочных ковшей по системе или приему «плавка на плавку», ускорить разливку, создать более стацио­

свойства и качество стали. Казалось бы, что приподнимается стопор или от­ крывается шиберный затвор и столб металла ковша над отверстием разливоч­ ного стакана как бы падает в стакан, и под нижней плоскостью стакана ме­ талл льется струей, заполняя изложницу, центровую или какую-то промежу­ точную емкость. Такая схема разливки определяет задержку металла у стен ковша, поступление его в разливку в последнюю очередь. Это приводит к не­ стабильности металла по температуре, составу, а следовательно, и свойствам в слитках по ходу разливки.

лентного слоя)

Вязкость обусловливает развитие касательных напряжений, уменьшаю­ щих скорость движения частиц, жидкости, вызывает их вращение в погранич­ ном слое, образуя вихри. Возмущения в пограничном слое или потоке могут сменить ламинарное течение на турбулентное, но остается ламинарный под­ слой (рис. IX.3,б). Смена ламинарного течения на турбулентное происходит на некоторой критической длине /кр и определяется из уравнения

где ReKp при обтекании пластинки равен 4,89*105. Ламинарный пограничный слой сохраняется только при отрицательных градиентах давления вдоль ли­ нии тока и нарушается при переломах профиля на нерациональных углах и закруглениях входной части разливочныхстаканов, в местах выступов, щелей, на границе кристаллизации стали и вообще неровностях. Шероховатость по­ верхности возбуждает и развивает турбулизацию, которая зависит от трения потока о твердое тело и от перемещения вихрей. Турбулизация развивается прежде всего в пограничном слое, за выступами обтекаемого тела, вызываю­ щими отрыв потока, в диффузорах с большим углом раскрытия. Толщину турбулентного пограничного слоя, силу трения, приходящуюся на единицу обтекаемой площади, и коэффициент трения можно определить из уравнений:

Сопротивление движению и турбулизация потока происходят не только за счет сил трения, но и за счет изменения давления в потоке. Например, если поток огибает криволинейную поверхность на входе разливочного стакана или перегородки, поток вначале ускоряется, а затем замедляется, возникает гра­ диент давления, при этом возникают обратные токи против набегающего по­ тока. Происходят отрыв пограничного слоя и образование вихрей в области отрыва. Отрыв происходит в результате того, что кинетическая энергия потока не может преодолеть противодействующих ей давления и вязкости. Турбу­ лентность струи, истекающей из разливочного стакана, может быть следст­ вием возникшей турбулентности в насадке. Вторичное окисление в турбулент­ ной струе намного больше, чем в ламинарной. Распавшаяся струя перед входом в изложницу поглощает воздуха еще больше, до такой степени, что привнесенный струей воздух поднимается навстречу ей. Потоки пузырей соз­ дают циркуляционные потока металла, направленные вниз вдоль стен излож* ницы, вверх вдоль только затвердевшей корочки слитка, подмывая ее, создавая