Конвертерный процесс с комбинированной продувкой

Технология с комбинированной про­дувкой начала широко распростра­няться в 1977—1978 гг., т. е. примерно через десять лет после начала распрост­ранения процессов с донным дутьем. При создании технологии комбиниро­ванного дутья стремились сохранить преимущества как верхней продувки (возможность регулирования процесса шлакообразования путем изменения режима продувки, быстрое формиро­вание известково-железистого шлака;

дожигание некоторой части выделяю­щегося из ванны СО до СО₂, что не­сколько увеличивает приход тепла), так и продувки снизу (интенсивное пере­мешивание ванны и ускорение процес­са; уменьшение окисленности ванны; уменьшение количества выбросов и угара; возможность глубокого обезуг­лероживания металла без чрезмерного его окисления; возможность продувки ванны инертным газом).

Во всех вариантах процессов ком­бинированной продувки сверху через фурму подают кислород. Что касается продувки снизу, то опробованы и вне­дрены следующие методы донного ду­тья:

1) введение аргона или азота через пористые огнеупорные блоки-встав­ки;

2) вдувание аргона или азота через пористое днище конвертера;

3) введе­ние аргона или азота через одиночные фурмы;

4) вдувание кислорода в рубашке защитного газа — углеводорода (метана, пропана и т. п.) или СО;

5) введение в рубашке защитного газа смесей кислорода и азота или кисло­рода и аргона;

6) вдувание в струе кис­лорода порошкообразной извести.

В случае вдувания газов через по­ристые огнеупорные блоки-вставки подача газов может начинаться и пре­кращаться в любой момент плавки (металл не затекает в тончайшие поры и не закупоривает их), тогда как через обычные донные фурмы (со сравни­тельно большим диаметром сопел) газы должны подаваться в течение всего периода плавки, иначе фурмы будут залиты металлом.

В технической литературе исполь­зуются многочисленные названия ис­пользуемых в разных странах техноло­гий комбинированных процессов. Чаще всего встречаются обозначения LD-OB (LD + Oxygen-Bottom-Blowing), LD-AB (LD + Argon- Bottom -Blowing), LD-CB (LD + Counter-Blowing), BAP (Bath-Agitation-Process), STB (Sumitomo-Teem-Bubbling), OTB (Oxygen-Top-and-Bottom), LBE или LEB (Lance-Equilibrium-Bubbling).

Наибольшее распространение по­лучила технология LBE (название дано французским и бельгийским ин­ститутами черной металлургии, опро­бовавшими этот процесс в 1977 г.). Процесс предусматривает подачу че­рез днище конвертера небольших, <0,25 м³/(мин • т), количеств газа (ар­гона или азота). Кислород сверху по­дают через одно- или двухъярусную (для дожигания СО) фурму. Газы сни­зу подают через пористые блоки (вставки). Подачу газов снизу начина­ют за несколько минут до окончания продувки кислородом сверху и про­должают в течение нескольких минут после ее окончания. Способ комбини­рованной продувки кислородом сверху и небольшим количеством инертного газа снизу оказался наибо­лее простым и эффективным спосо­бом; он получил наибольшее распрос­транение (см. рис. 15.23). Такая техно­логия обладает рядом технологических преимуществ, в частности, она обес­печивает:

1. Перемешивание ванны и вырав­нивание ее состава.

2. Приближение к равновесию мeжду металлом и шлаком.

3. Снижение содержания оксидов железа в шлаке в результате взаимодей­ствия (при перемешивании) оксидов железа шлака с углеродом металла; тех­нология позволяет 'заканчивать про­дувку металла кислородом в момент, когда содержание углерода выше за­данного; можно продувать ванну инер­тным газом и в результате реакции (FeO) + [С] = СО_Г + Fe снижать содер­жание углерода до требуемого.

4. Повышение выхода годного в ре­зультате снижения количества железа в шлаке.

5. Уменьшение окисленности ме­талла, достигаемое в процессе продув­ки ванны инертным газом в результате реакции [С] + [О] = СО_Г; пузыри инертного газа, проходя через ванну металла, облегчают протекание этой реакции; при низких концентрациях углерода в ванне окисленность метал­ла зависит от окисленности шлака; снижение при донной продувке окис­ленности шлака вызывает уменьшение окисленности металла; совместное влияние всех этих процессов приводит к тому, что произведение [С] • [О] при продувке снизу инертным газом суще­ственно снижается.

6. Снижение угара марганца и по­вышение его концентрации в ванне (по мере снижения окисленности шлака).

7. Уменьшение угара ферросплавов при раскислении и легировании в ре­зультате взаимодействия с менее окис­ленной ванной.

8. Снижение расхода кислорода, поскольку уменьшается количество кислорода, которое расходуется на окисление железа.

9. Уменьшение содержания газов (прежде всего водорода) в металле в результате дегазирующего действия пузырей инертного газа.

10. Снижение содержания неметал­лических включений вследствие фло­тационного действия пузырей газа.

11. Улучшение усвоения загружае­мой в конвертер извести вследствие лучшего шлакообразования при повы­шении интенсивности перемешива­ния, а также снижение расхода флю­сов, например плавикового шпата.

Комбинированная продувка кроме технологических обеспечивает ряд организационных и экономических преимуществ. Например, для процес­сов типа LBE характерны следующие показатели (рис. 15.24):

1. Возрастает выход годного на 1,0—1,5% в результате снижения со­держания железа в шлаке, устранения выбросов, уменьшения количества плавильной пыли.

2. Благодаря снижению опасности выбросов и периодического резкого вспенивания ванны появляется воз­можность уменьшить высоту конвер­тера (или увеличить массу металла); в результате удельный объем конверте­ра снижается до 0,6 м³/т стали, уменьшается масса футеровки на 1 т емкости, снижаются потери тепла и возрастает производительность (в случае увеличения массы плавки).

3. Благоприятные условия переме­шивания и обезуглероживания при продувке через дно позволяют увели­чить расстояние между верхней фур­мой и зеркалом металла (практически на 0,5 м), что, в свою очередь, обеспе­чивает: а) уменьшение разбрызгива­ния от удара струи кислорода о поверх-

Рис. 15.24. Схема LBE-конвертера завода «Stelco» (Канада):

1 — фурма для подачи кислорода; 2— шлак; 3— ме­талл; 4— пористые вставки для подачи аргона или азота; 5—контроль состава отходящих газов; 6— отвод газов и плавильной пыли

ность ванны, в результате повышается стойкость футеровки стен; б) увеличе­ние стойкости фурм; в) снижение сте­пени местного перегрева металла в ло­кальной зоне удара кислородной струи и, как следствие, уменьшение интенсивности его испарения и обра­зования пыли.

4. Уменьшается расход шлакообразующих, вводимых для ускорения шлакообразования (вплоть до отказа от использования таких добавок, как плавиковый шпат), что упрощает организацию подачи материалов к конвертеру.

Работа с комбинированной продув­кой требует более высокой культуры производства, включая управление плавкой, использование высококаче­ственных огнеупоров и оборудования для донной продувки. Управление хо­дом плавки усложняется, поскольку к обычным операциям управления (из­менение положения фурмы и опреде­ление момента окончания продувки) добавляются операции определения момента начала подачи инертного газа снизу и промежутка времени от мо­мента окончания подачи кислорода сверху до момента окончания подачи газа снизу, режима подачи донного дутья и др.

Как уже отмечалось выше, рас­пределение кислорода в системе ме­талл-шлак определяется интенсив­ностью подачи донного дутья. На рис. 15.25 и 15.26 показано измене­ние содержания железа в шлаке¹ и концентрации кислорода в металле для различных вариантов конвертер­ного процесса.

Кривые для процессов с комбини­рованной продувкой располагаются между кривыми для верхней и донной продувки. Характерным является уменьшение концентрации кислорода в металле и железа в шлаке по мере увеличения интенсивности подачи донного дутья.

Режим донной продувки в процес­сах с подачей снизу нейтральных газов обязательно должен соответствовать сортаменту выплавляемой стали. Ран­нее интенсивное перемешивание не­целесообразно при выплавке высоко­углеродистой стали, так как при этом снижается окисленность шлака и тем самым ухудшаются условия дефосфорации. Интенсивность донного дутья увеличивают при производстве низко­углеродистой стали. Так, например, средняя интенсивность подачи инерт­ных газов при выплавке высокоугле­родистых сталей составляет 0,01, сред-

Рис. 15.25. Содержание железа в шлаке при разных вариантах конвертерного процесса:

7—верхняя продувка; 2-4— комбинированная

продувка с интенсивностью подачи донного

дутья соответственно 0,01-0,10, 0,10-0,8 и

0,7-1,5 м?/(мин • т); 5—донная продувка

Рис. 15.26. Зависимость содержания кисло­рода в стали от концентрации углерода на выпуске:

1 — верхняя продувка; 2, 3— комбинированная про­дувка с нейтральным газом; 4, 5—комбинирован­ная продувка с подачей кислорода через днище; 6— донная кислородная продувка; 7— равновесная кривая

ншглеродистых — 0,05, низкоутлеродистых — 0,1 м³/(мин • т).

Oбычно в основное время продувки интенсивность подачи газа через дни­ще невелика — 0,02-0,05 м³/(мин • т). При выплавке низкоуглеродистой ста­ли в заключительный период продув­ки (за 3—7 мин до ее окончания) рас­ход |газа существенно увеличивают — до |0,1-0,3м³/(мин • т). Увеличение интенсивности донного дутья, с одной стороны, в некоторой степени ком­пенсирует уменьшение объема об­разующегося в ванне оксида углерода в связи с затуханием обезуглерожива­ния, а с другой — поддерживает этот процесс в результате снижения парци­ального давления оксида углерода в всплывающих пузырях. Это позволяет получать низкое содержание углерода (0,03-0,04 %) в конце продувки без переокисления металла и шлака.

С целью дальнейшего снижения концентрации углерода применяют операцию послепродувочного переме­шивания.

Данному сравнительно короткому по продолжительности периоду уделя­ют особое внимание. Подача кислоро­да в это время прекращена; металл и шлак перемешиваются подаваемым снизу инертным газом. Период пере­мешивания часто совмещают с перио­дом ожидания анализа конечной про­бы. В процессе перемешивания ванны инертным газом снижается (за счет взаимодействия с углеродом) окислен­ность металла и шлака, всплывают не­металлические включения, удаляются газы, выравниваются состав металла и его температура (иногда этот период называют «промывочным»). Посте­пенное снижение при этом температу­ры металла определяется массой про­дутого газа. В 160-т конвертере темпе­ратура в период послепродувочного перемешивания снижается со скорос­тью 3-4 °С/мин. Это обстоятельство необходимо учитывать и заканчивать кислородную продувку при более вы­сокой (на 15—20 °С) температуре ме­талла.

Немаловажные проблемы, решае­мые специалистами-огнеупорщиками, связаны с технологией изготовления пористых блоков-вставок. К этим бло­кам предъявляются очень высокие требования, так как они должны:

1) обеспечить возможность вдувания необходимого количества газа (обыч­но до 1,5—1,7 м³/т стали);

2) создать условия прохождения этого газа через металл в виде возможно более мелких пузырей и обеспечить его стабильную интенсивность во времени;

3) обла­дать высокой стойкостью, которая должна быть не ниже стойкости дни­ща конвертера.

Выполнение всех этих требований важно. Так, например, уменьшение среднего диаметра пузы­ря аргона с 12 до 2мм обеспечивает увеличение общей поверхности пузы­рей (на 1 л газа) с 0,5 до 3,0 м². Особую трудность представляет изготовление собственно блоков-вставок. Чтобы обеспечить получение мелких пузырей и предотвращать затекание металла, каналы должны иметь диаметр -Гмм. В качестве основных размеров при из­готовлении блоков-вставок принима­ют размеры кирпичей, из которых выкладывают днище конвертера. В кирпиче 150x100 мм предусматрива­ют не менее 50 каналов для прохода газов. Обычно каждый такой кирпич заключен в металлическую (из листо­вой стали) блок-кассету, к донной ча­сти которой приварена трубка для подвода газа к отверстиям. Число бло­ков-вставок колеблется от 4 (60-т кон­вертер) до 16 (350—400-т конвертер). В качестве основы при изготовлении блоков-вставок используют специаль­но обожженный магнезит или пери-клазоуглеродистые огнеупоры. Стой­кость пористых блоков составляет 500—1000 плавок и более.

Широкие исследования, по выбо­ру конструкции донных дутьевых ус­тройств и их рациональному распо­ложению в днище при работе с нейт­ральным газом проведены на Запад­но-Сибирском металлургическом комбинате (ЗСМК) на 160-т конвер­терах. Были опробованы металличес­кие трубы, многоканальные блоки с направленной пористостью (число каналов от 4 до 49), одноканальные огнеупорные блоки. Установлено, что при расходе нейтрального газа на одну фурму более 1,5м³/мин резко возрастает износ как самой фурмы, так и околофурменного простран­ства.

На рис. 15.27 представлены вариан­ты размещения дутьевых устройств в днище. Наилучшие результаты по пе­ремешиванию обеспечиваются при асимметричном расположении фурм. Диаметр окружности, по которой раз­мещают фурмы, составляет 0,5— 0,6 диаметра днища. Если фурмы при горизонтальном положении конверте­ра располагаются ниже уровня ванны, износ их увеличивается.

В настоящее время металлургами и огнеупорщиками разработан ряд ва­риантов устройств, успешно использу­емых для продувки металла снизу как в конвертерах, так и в дуговых и мар­теновских печах.

Для продувки снизу обычно ис­пользуют аргон и азот. Азот дешевле аргона. Выбор того или иного проду­вочного газа в тот или иной период продувки решается с учетом необхо­димости получения стали требуемого качества (для некоторых марок стали требуются повышенные концентра­ции азота).

15.5.1. Использование для донной продувки СО₂. Как отмечено выше, для улучшения перемешивания и ра­финирования металла от ряда приме­сей используют инертные и малореак­тивные газы (азот и аргон), вдуваемые в конвертер снизу. Основным переме­шивающим газом остается азот. Аргон как более дорогой газ применяют обычно только на заключительном этапе окислительного рафинирования стали с регламентированным содержа­нием азота.

Можно ли для перемешивания в конвертерах с комбинированной про­дувкой использовать СО₂? Привлекает эффект увеличения вдвое объема пе­ремешивающих пузырьков, образую­щихся в результате реакции СО₂ + [С] = 2СО, что должно обеспе­чить возможность уменьшения расхо­да вдуваемого газа.

В опытных плавках, проведенных/в совместных исследованиях МИСиСа и Новолипецкого металлургического комбината, в качестве перемешиваю­щего газа использовали СО₂. В цехе, где проводили эксперименты, ощу­щался недостаток аргона, ограничива­ющий эффективность комбинирован­ной продувки. Применение СО₂ мгло бы помочь в ликвидации этих трудно­стей и уменьшить затраты на аргон. Плавки проводили на марках стлали, где в качестве перемешивающего газа для донной продувки металла исполь­зовали азот (8-10 мин), а на конечной стадии плавки — аргон в течение тако­го же времени. Для получения стали с пониженным содержанием азота дли­тельность аргонной продувки увели­чивали до 12-14 мин.

Диоксид углерода — слабоокисли­тельный (по сравнению с кислородом) газ. При рассмотрении физико-хими­ческих особенностей его взаимодей­ствия с расплавом важно определить возможные варианты реакций, так как окисляться могут и углерод, и железо.

1. Взаимодействие диоксида угле­рода с растворенным углеродом по ре­акции

СО₂ + [С] = 2СО,

Δ G^o₁ =138 400-125,44 Т

происходит с удвоением объема пере­мешивающего газа, что позволяет уменьшить расход газа, подаваемого снизу, или (при этом же расходе и той же подводящей системе) увеличить эффективность донной продувки.

2. Диоксид углерода взаимодей­ствует и с железом по реакции

С0₂ + [Fe] = СО + (FeO),

Δ G^o₂ =34 000-30,97Г.

Расчеты показывают, что эта реак-

Рис. 15.27. Варианты расположения фурм в днище

цйя будет протекать преимущественно только при очень малых концентраци­ях углерода.

Эксперименты показали, что при использовании в качестве перемеши­вающего газа СО₂ содержание азота в металле в конце операции было суще­ственно ниже (<0,0030 %), чем обыч­но. Полученные результаты можно объяснить тем, что при вдувании СО₂ снизу поступление азота в металл уменьшается из-за сокращения дли­тельности продувки азотом, а удале­ние его усиливается в связи с интенси­фикацией перемешивания жидкой ванны.

Содержание азота в готовом метал­ле может быть дополнительно умень­шено, если применять защиту струи металла при выпуске из конвертера. Аргон слишком дорог для использова­ния в этом технологическом приеме, а применение диоксида углерода может реально обеспечить защиту металла от поглощения азота.

15.5.2. Подогрев газов, используе­мых для донного дутья. Весьма заман­чивым представляется увеличить при­ходную часть теплового баланса кон­вертерной плавки за счет подогрева газов, подаваемых для перемешивания через днище. Такие работы, проведен­ные на 160-т конвертерах Западно-Си­бирского металлургического комбина­та, показали, что сконструированные устройства (рис. 15.28) позволяют по­догревать газ за счет тепла, аккумули­рованного футеровкой, до 480—500 °С (расход газа до 24 м³/мин, длина тру­бопровода около 50 м). При этом улучшается тепловой баланс, предотв­ращаются образование настыли и за-металливание донных фурм.

15.5.3. «Малошлаковая» техноло­гия. Одной из важнейших проблем в организации рациональной техноло­гии сталеплавильного производства является выбор состава шихты. Ос­новная часть металлошихты конвер­терной плавки — это чугун. Традици­онным требованием к составу чугуна является максимально меньшее содер­жание в нем серы и фосфора. Получе­ние низкосернистого чугуна сопряже­но с определенным температурным режимом доменной плавки и исполь­зованием в доменной печи основного

Рис. 15.28. Схема подогрева газа, используе­мого для донной продувки:

1 — пазы; 2 — витки трубопровода

шлака, вследствие чего увеличивается расход кокса, возрастает масса шлака, снижается производительность домен­ных печей и т. п.

Если нужно в доменной печи полу­чить чугун с низким содержанием серы, требуется иметь основный шлак. Поскольку он более тугоплавок, тре­буется увеличивать расход кокса. Вме­сте с тем чем выше температурный ре­жим и расход известняка (для получе­ния основного шлака), тем выше в чу­гуне содержание восстановленного из руды кремния.

Доменщики считают, что каждой 0,1 % уменьшения содержания крем­ния в чугуне соответствует снижение расхода кокса на 3,4 кг/т чугуна. В свою очередь, сталеплавильщики для полу­чения в конвертере стали с низким со­держанием серы традиционно ведут плавку с высокоосновным шлаком (CaO/SiO₂ = 3,0-3,5 и более). В на­стоящее время возникла новая ситуация: металлурги располагают разработан­ными и опробованными технологиями внедоменной обработки чугуна и внепечной обработки стали. Эти технологии обеспечивают возможность существен­но снизить содержание серы и в чугуне, и встали.

В этой связи неизбежно возникает вопрос о том, какие требования предъявлять к составу чугуна в новых, изменившихся условиях. К этим но­вым условиям следует отнести и то, что в настоящее время Россия не рас­полагает богатыми разрабатываемыми месторождениями марганца. В целом возникла проблема целесообразности перехода на использование в конвер­терном производстве чугунов с низ­ким содержанием марганца и крем­ния.

На рис. 15.18 приведены результа­ты расчетных и экспериментальных данных, из которых, в частности, сле­дует, что при снижении в чугуне кон­центрации кремния увеличивается вы­ход жидкой стали, уменьшаются масса шлака и расход извести. Это и понят­но. Чем больше в чугуне кремния, тем значительнее угар (кремний полнос­тью окисляется в первые минуты про­дувки), тем больше образуется крем­незема (SiO₂) и больше требуется из­вести (СаО) для получения высокой основности (CaO/SiO₂). Соответствен­но увеличиваются общая масса шлака и масса железа (в виде оксидов) в шла­ке, т. е. возрастают потери железа со шлаком.

Таким образом, расчеты и практи­ка показывают, что переход на ис­пользование низкокремнистого (и ма­ломарганцовистого) жидкого чугуна целесообразен. Это позволяет повы­сить производительность доменных печей (при одновременной экономии кокса), снизить расходы флюсов в конвертерном производстве, умень­шить потери со шлаком, повысить стойкость футеровки и др. Переход на работу с низкокремнистым и мало­марганцовистым чугуном обеспечива­ет увеличение выхода металла мини­мум на 1,0-1,5 %. Кроме того, не­сколько облегчаются условия работы шлакоуборки, уменьшаются шлако­вые отвалы и т. п.

В то же время есть ряд негативных моментов:

1. Переработка маломарганцовйстого чугуна связана с определенными трудностями («свертывание» шлаков, повышенный угар и др.). Это недоста­ток, но ситуация исправима. Перера­ботка чугуна с низким содержанием

марганца должна сопровождаться кими приемами, как ввод в состав шихты содержащих марганец добавок, оставление в конвертере шлака пре­дыдущей плавки, использование «ожелезненной» извести и др.

2. При использовании технологий, включающих внепечную обработку и чугуна, и стали, может вызвать сомне­ние верность требования иметь в Кон­вертере высокую основность конечно­го шлака. Возможность снизить эту величину и пределы возможного сни­жения определяет практика, причем при снижении основности эффектив­ность перехода на малокремнистые чугуны станет еще заметнее.

3. Снижение содержания в чугуне кремния приведет к уменьшению доли металлолома в шихте. На первый взгляд это недостаток. Однако собы­тия последних лет показали, что в России испытывается не избыток, а недостаток качественного лома. При­ходится учитывать, что качество ме­таллолома (прежде всего по содержа­нию примесей цветных металлов) не­прерывно ухудшается; соответственно сужаются возможности использовать такой металлолом для производства качественных сталей. Постепенно рас­ширяется практика использования в качестве охладителей различных желе­зорудных материалов, материалов типа «синтиком», металлизованных железорудных.окатышей и др., что со­провождается существенным сниже­нием содержания примесей цветных металлов (по данным ряда заводов, в 1,5—2 раза).

При изучении малошлаковой тех­нологии нельзя не отметить такой из­вестный технологический прием, как оставление в печи или конвертере полностью или частично конечного жидкого шлака. При этом меняются и тепловой баланс, и технология плавки. По расчетам, 12-17 % общего расхода тепла конвертерной операции — это тепло конечного шлака. Шлак уже сформирован, он содержит много СаО и оксидов железа, поэтому при его ос­тавлении в конвертере снижается рас­ход извести, уменьшаются потери же­леза со шлаком и сокращается период формирования жидкоподвижного ак­тивного шлака.

Необходимо только учитывать та­кие моменты, как: а) постепенное на­копление в шлаке фосфора (при мно­гократном оставлении шлака); б) воз­можность возникновения выбросов при контакте жидкого чугуна с жид­ким железистым шлаком.