Высокофосфористых чугунов

Из формулы константы равновесия реакций дефосфорации следует, что

a ² _[P] = a (_{СаО)4-Р205} /(K _∙ a⁵ _{(FeO) ∙} a ⁴ _(CaO)). B случае передела чугуна с обычным со­держанием фосфора для получения [Р] < 0,010-0,020 % достаточно иметь в конвертере активный известково-железистый шлак. При повышении в чугуне содержания фосфора до 0,4— 0,5 % активность соединений фосфора в образующемся при продувке шлаке оказывается настолько высокой, что для достижения низких значений [Р] необходимо иметь очень большую массу известково-железистого шлака. Обычные добавки извести и окислите­лей уже не обеспечивают успеха. Ра­циональным является единственный способ: шлак, содержащий много фосфора, скачивать и наводить новый известково-железистый шлак, не со­держащий фосфора. В связи с этим операция скачивания шлака является обязательным технологическим при­емом при переработке высокофосфо­ристых чугунов (двустадийный или двушлаковый процесс).

Поскольку при переработке высо­кофосфористых чугунов шлак, содер­жащий много Р₂О₅, является ценным удобрением, необходимо его не про­сто скачивать, а скачивать в тот мо­мент, когда он содержит максималь­ное количество Р₂О5, т. е. когда он представляет максимальную ценность как удобрение. Кроме того, желатель­но организовать технологический процесс таким образом, чтобы фос­фор, переходящий в шлак, не терялся и содержащий фосфорные соедине­ния шлак не попадал в отвал.

Плавка в конвертере при переработке высокофосфористых чугунов ус­ловно может быть разделена на два пе­риода: 1) до скачивания шлака; 2) пос­ле скачивания шлака (в некоторых случаях его скачивают дважды). В обычном конвертерном процессе при продувке чугуна сверху активный жидкоподвижный шлак, в котором полностью растворились загруженные куски извести, успевает сформировы­ваться только к концу плавки. При пе­реработке высокофосфористых чугу­нов плавка прерывается для скачива­ния шлака. Если не принять специ­альных мер, то к моменту начала скачивания шлака известь полностью еще не успеет раствориться и процесс дефосфорации пройдет недостаточно полно. Если уменьшить интенсив­ность подачи кислорода и ждать, пока сформируется необходимый для де­фосфорации шлак, то плавка суще­ственно удлинится, ухудшатся условия службы футеровки, увеличатся отно­сительные потери тепла. Таким обра­зом, необходимо обеспечить раннее формирование активного железисто-известкового шлака. Для решения этой задачи существуют разные мето­ды, чаще всего применяют два: 1) ис­пользование (оставление в конверте­ре) расплавленного железисто-извест­кового шлака предыдущей плавки для быстрого наведения шлака последую­щей плавки; 2) введение шлакообразу-ющих (прежде всего извести) в тонко­измельченном (порошкообразном) со­стоянии, что позволяет быстро про­греть и ошлаковать каждую частичку извести.

Наибольшее распространение ва­рианты переработки высокофосфори­стых чугунов получили в Западной Ев­ропе, поскольку там металлургия тра­диционно базируется на значительных запасах фосфористых железных руд. Наиболее известные варианты техно­логии описаны ниже.

15.6.1. Технология Роmреу-процесса, разработанного в 1957г. во Фран­ции на заводе «Pompey»: на шлак пре­дыдущей плавки (-15 % от массы ме­талла) заливают чугун, содержащий, %: С 3,6, Si 0,5, Мп 0,4, Р ~1,85. Загру­жают известь (~4 %) и начинают про­дувку. Во время продувки фурму пери­одически приподнимают для ускорения разжижения и формирования шлака. В момент интенсивного окис­ления углерода продувку прекращают. Металл в этот момент содержит 1,0— 1,5 % С, ~0,25 % Мп и 0,2 % Р. Темпе­ратура металла составляет 1550— 1650 °С. К этому моменту в шлак успе­вает перейти -80 % фосфора, содержа­щегося в чугуне.

Поскольку продувку прекращают при высокой температуре ванны в мо­мент интенсивного обезуглерожива­ния, в шлаке всего 8—12 % FeO (низ­кие потери железа). Полученный та­ким образом маложелезистый высоко­фосфористый (20-25 % Р₂0₅) шлак скачивают, после чего в конвертер загружают лом (или железную руду) и известь (~7 %) и продолжают продув­ку. В конце продувки получают сталь требуемой марки с низким содержа­нием фосфора и шлак, состоящий в основном из FeO (25—30 %) и СаО и содержащий мало фосфора. Этот шлак оставляют в конвертере для сле­дующей плавки. Ниже приведена при­мерная продолжительность отдельных операций:

мин

Загрузка шихты и извести 7

Первая продувка 13

Скачивание шлака, отбор проб

и загрузка лома 9

Вторая продувка 8

Замер температуры и отбор проб 2

Выпуск металла и заделка летки 6

Общая продолжительность плавки составляет 45 мин. Ротреу-процесс характеризуется малыми потерями же­леза с первым шлаком (15 кг/т) и с от­ходящими газами в виде плавильной пыли (10 кг/т). Окисляется элементов 62 кг/т; общий выход 913 кг/т (без уче­та использования лома и железной руды). Расход извести составляет ~ 110 кг/т. Данный метод ведения плавки получил некоторое распрост­ранение в основном на конвертерах небольшой вместимости.

15.6.2. Процессы с введением извес­ти в порошкообразном виде. В 1958 г. почти одновременно были опублико­ваны результаты разработок во Фран­ции, в Бельгии и Люксембурге про­цессов получения стали из высоко­фосфористого чугуна путем подачи в ванну в струе кислорода тонкоизмельченной извести. В зарубежной литера­туре наряду с названием этого метода «OLP¹-процесс» используют название «LD—АС²-процесс». Для соблюдения технологии необходимо последова­тельное выполнение следующих ста­дий плавки:

1. Использование (оставленного в конвертере) конечного железисто-из­весткового шлака предыдущей плав­ки.

2. Заливка чугуна на уже «готовый» шлак.

3. Вдувание через фурму извести в струе кислорода (рис. 15.29). Положе­ние фурмы по ходу продувки изменя­ется: вначале высокое (>2 м над уров­нем спокойной ванны) — для ускоре­ния шлакообразования и соответ­ственно максимального удаления фосфора, затем низкое (~1м) —для организации обезуглероживания. Продолжительность этого периода продувки обычно 14-16 мин.

4. Первая повалка конвертера, от­бор проб металла и шлака и скачива­ние шлака. Содержание углерода в ме­талле в этот момент составляет обыч­но -1,0 %, фосфора-0,11-0,13%, температура металла ~1600°С. Состав шлака, %: -55 СаО, 20-25 SiO₂, ~23 Р₂0₅ и очень мало (6-8) FeO.

5. Загрузка лома (или железной руды) и вторая продувка (также кис­лородно-известковой смесью) продол­жительностью 6-8 мин.

6. Вторая повалка конвертера и от­бор проб металла и шлака (рис. 15.30). Металл в конце операции содержит 0,04-0,05 96 С и 0,015-0,017 % Р, в шлаке много (-25 %) FeO. Общий рас­ход порошкообразной извести 100-125 кг/т чугуна.

При повышенном расходе извести в конце первого периода можно полу­чить высокую степень дефосфорации. При уменьшении расхода (экономии) извести малое содержание фосфора в металле (высокую степень дефосфора­ции) можно получить лишь в резуль­тате повышения содержания в шлаке железа, т. е. потерь железа со скачива­емым шлаком. Низкую концентрацию фосфора в конечном металле также можно получить при большем расходе извести. Однако при этом возрастает масса шлака и при той же концентра­ции в шлаке FeO увеличиваются поте­ри железа в шлаке, соответственно снижается выход металла. Таким об­разом, при переработке высокофос­фористых чугунов стремление полу­чить в конце плавки очень низкие концентрации фосфора в металле свя­зано с увеличением потерь железа со шлаком. Однако эти потери заметно уменьшатся, если конечные шлаки ис­пользовать повторно для следующей плавки. При этом, чтобы конечный шлак не попал при выпуске вместе со сталью в ковш, широко используют прием загущения шлака, для чего после окончания продувки на поверхность шлака набрасывается известковая ме­лочь или доломитовый порошок. По­лучение такого искусственно загущен­ного шлака затрудняет быстрое фор­мирование шлака на следующей плав­ке, однако почти полностью пред­отвращает выход шлака из летки при выпуске металла и уменьшает возмож­ность рефосфорации в ковше. При правильно проведенной плавке и хо­рошо организованной отсечке шлака готовая сталь содержит <0,02 % Р.

Рис. 15.29. Схема OLP-процесса

Рис. 15.30. Технология OLP-процесса:

a —изменение состава металла; б— содержание фосфора в момент скачивания шлака в конце 1-го периода продувки при разной окисленности шлака (РеО)₀б_Щ и расходе извести в 1-й период продувки, кг/т: 1-50; 2-65; 3-85; 4— 115

Быстрое формирование высокоос­новного шлака позволяет также обес­печить достаточно хорошую десульфурацию металла. В готовом металле обычно содержится 0,010—0,015 % S. Ниже приведена примерная продол­жительность отдельных периодов плавки при OLP-процессе:

мин

Заливка чугуна (и завалка лома) 2-6

Первая продувка 14—16

Скачивание шлака 4—5

Отбор пробы, замер температуры 2-3

Загрузка лома, железной руды 2—3

Вторая продувка 6—8

Отбор пробы и замер температуры 2—3

Выпуск 2—4

Общая продолжительность плавки от выпуска до выпуска составляет ~ 45 мин. Несмотря на сравнительную сложность оборудования для размола извести и транспортировки порошка, OLP-процесс получил определенное распространение на конвертерах раз­личной вместимости, в том числе вме­стимостью >100т, так как подача из­вести в порошкообразном виде позво­ляет быстро наводить шлак большой массы.

15.6.3. КалДо-процесс. Название данного процесса происходит от пер­вых слогов фамилии изобретателя (шведского профессора Каллинга) и названия города Домнарвет (Швеция), где 30-т конвентер начал работать в 1954г. (рис. 15.31).

Процесс организуется следующим образом: в вертикально установлен­ный конвертер с оставленным от пре­дыдущей плавки загущенным извест-ково-железистым шлаком загружают необходимые количества извести, руды и флюсующих материалов. Пос­ле этого конвертер поворачивают в го­ризонтальное положение и загружают

Рис. 15.31. Конвертер КалДо:

1 — положения при загрузке шихты; 2— подача из­вести и руды; 3 — подача порошкообразных матери­алов через фурму; 4— подвижной газоотвод; 5— по­ложение конвертера при выпуске стали; 6— стале-разливочный ковш

вначале металлический лом, а затем заливают жидкий чугун, после чего конвертер поворачивают в положение продувки. Угол наклона оси конверте­ра к горизонту 16-20°. Устье горлови­ны плотно присоединяют к подвиж­ному водоохлаждаемому газоотводу, через который в конвертер вводят кислородную фурму под углом гори­зонта 22-30°. Имеются механизмы для покачивания фурмы или сообщения ей колебательного движения (если это требуется). После начала продувки конвертеру сообщают вращательное движение. Примерно через 18-20 мин после начала продувки производят первое скачивание шлака. При пере­работке фосфористого (1,7-2,0 % Р) чугуна содержание Р₂О₅ в первом ска­чиваемом шлаке составляет 16-20 %. После скачивания первого шлака в конвертер загружают следующую пор­цию извести и железную руду в коли­честве, достаточном для корректиров­ки конечной температуры металла, и возобновляют продувку и вращение конвертера.

Если из высокофосфористой ших­ты необходимо получить сталь с особо низким содержанием фосфора, через 5-7 мин продувки проводят второе скачивание шлака. Второй скачанный шлак содержит обычно 12-14% Р,О<; и 18-20 % Fe.

К достоинствам КалДо-процесса относятся:

1. Возможность дожигания боль­шей части образующегося при продув­ке СО и в результате возможность по­вышения расхода лома до 40—50 %.

2. Гибкость управления, возмож­ность переработки чугунов любого со­става.

3. Получение стали с очень низким содержанием вредных примесей.

4. Высокий выход металла, неболь­шие потери железа в шлаке и в отходя­щих газах и соответствующее умень­шение расходов на улавливание пла­вильной пыли.

К недостаткам КалДо-процесса от­носятся:

1. Значительная продолжитель­ность плавки (почти вдвое выше, чем в LD-конвертере).

2. Невысокая стойкость футеровки (5—100 плавок, т. е. почти в 10 раз ниже, чем стойкость футеровки LD-конвертеров) вследствие динамичес­ких нагрузок при вращении конверте­ра и от воздействия шлака.

3. Сложность и громоздкость меха­нического оборудования вращающе­гося конвертера.

Перечисленные недостатки опре­делили ограниченное распростране­ние процесса. Вместе с тем перечис­ленные достоинства КалДо-процесса существенны; возможно, в будущем будут созданы агрегаты и технологии, в которых опыт работы конвертеров КалДо будет востребован и использо­ван.