Конвертерные процессы производства стали: Теория, технология, конструкции агрегатов.

В.И.Баптизманский, М.Я.Меджибожский, В.Б.Охотский.

Вища шк., 1984 г.

При верхней и боковой поверхностной продувке периферийные участки газовых струй с меньшим динамическим напором могут взаимодействовать с металлом в режиме не глубокого проникновения, а открытого кратера. В последнем случае эта часть газового потока, отражаясь после удара о поверхность металла, движется вдоль нее, окисляя поверхностные пограничные слои и сдувая образующиеся окислы железа в шлаковую фазу. В зависимости от массы и размера частиц окислов железа, образующихся на данной глубине ванны, они, взаимодействуя непосредственно или сначала растворяясь в металле, более или менее полно расходуются на окисление примесей ванны (во вторичной реакционной зоне). Если в процессе всплывания из ванны окислы железа не успели полностью усвоиться, неиспользованная их часть переходит в шлаковую фазу и растворяется в ней. В зависимости от соотношения количества сформированного к данному моменту шлака и интенсивности поступления в него окислов железа создается определенная их концентрация в шлаке.

При выбрасывании металла в шлак выделяющимся из реакционной зоны газовым потоком и формировании шлакометаллической эмульсии растворенные в металле элементы на границе раздела металл — шлак также окисляются окислами железа шлака. Очевидно, этот процесс получает тем большее развитие, чем выше содержание окислов железа в шлаке, т. е. чем меньше образовавшиеся в первичной реакционной зоне окислы железа усвоились в металлической ванне в процессе всплывания.

Разница в термодинамических и кинетических условиях взаимодействия кислорода с элементами, растворенными в металле, обусловливает окисление определенных компонентов в отдельных участках ванны: железо окисляется в струйных участках первичной реакционной зоны, кремний, марганец и углерод — преимущественно во вторичной, фосфор и сера — главным образом в зоне шлакометаллической эмульсии.

В зависимости от условий взаимодействия дутья с металлом вдуваемый кислород может частично не усвоиться ванной (в первую очередь это имеет место при верхней в режиме открытого кратера или поверхностной боковой продувке). Тогда он переходит за пределами ванны в газовую фазу, где частично или полностью расходуется на дожигание выделяющейся из ванны окиси углерода в двуокись.

На процессы распределения вдуваемого кислорода между различными фазами и примесями влияет скорость выгорания углерода. Газовыделение в реакционной зоне при окислении в ней углерода в значительной степени интенсифицирует процессы массопереноса, вызывая перемешивание реагирующих фаз (в частности улучшается усвоение вдуваемого кислорода). Можно рассматривать в связи с этим в какой-то степени автокаталитическую (самоускоряющуюся) природу окисления углерода в конвертерной ванне.

Важным показателем перераспределения кислорода между отдельными статьями расхода является степень его усвоения. Различают общую степень усвоения, которая соответствует доле использованного в ванне кислорода на окисление железа и других элементов (см. рис. 2.3). Не усвоенный ванной переходящий в газовую фазу кислород составляет долю от общего количества вдуваемого кислорода. Большая часть усвоенного кислорода расходуется на окисление растворенных в металле конвертерной ванны примесей Следует различать интегральные за плавку значения , определяемые материальным балансом плавки, и их текущие  величины для данного момента или периода плавки, характеризующие соотношения массопотоков кислорода, расходуемого в единицу времени на окисление примесей и железа, переходящего в шлак. При рассмотрении кинетических закономерностей процесса усвоения кислорода важны именно значения.

В зависимости от технологической необходимости целесообразно изменять соотношение . Так, например, для формирования основного шлака следует обеспечить поступление в шлак достаточного количества окислов железа, ускоряющих растворениеизвести. При увеличении массы присаживаемой извести, подлежащей растворению в шлаке, количество окислов железа, переходящих в шлак, также должно быть повышено, т. е. увеличено . Эффективное регулирование соотношения возможно только при верхней и поверхностной боковой продувках. В случаях же донной и глубинной боковой продувок значение невелико и практически постоянно.

В середине продувки в конвертерах окисляется преимущественно углерод, поэтому. степень усвоения вдуваемого кислорода на окисление углерода стремится к 0,8—1.

Окислы железа, накопленные в шлаке на ранних этапах плавки или поступившие в него с присадками сыпучих, могут затем взаимодействовать с углеродом ванны (коэффициент усвоения ). В результате скорость окисления углерода в ванне на отдельных этапах продувки часто превышает ожидаемую, если принимать во внимание только интенсивность подачи в ванну газообразного кислорода. Особенно заметна эта разница в период присадки в конвертер материалов, содержащих окислы железа (железная руда, агломерат, окатыши). При расплавлении указанных материалов окислы железа переходят в шлак и затем участвуют в окислении углерода.

Основной принцип распределения кислорода можно сформулировать следующим образом. Необходимо добиваться полного усвоения кислорода дутья ванной, причем поступление кислорода в шлак с окислами железа должно быть минимальным, но обеспечивающим нормальный ход шлакообразования.

2.4. ОКИСЛЕННОСТЬ КОНВЕРТЕРНОГО ШЛАКА

Как показано выше, окисленность конвертерного шлака зависит в основном от доли усвоенного кислорода, расходуемого на окисление примесей металла. В случае снижения этой доли, т. е. уменьшения интенсивности взаимодействия с примесями ванны поступающих из первичной зоны частиц Fe O, неусвоенные окислы железа переходят в шлак. увеличивается окисленность конвертерного шлака.

Согласно схеме, приведенной на рис. 2.3, окислы железа, растворенные в шлаке, могут, в свою очередь, расходоваться на окисление элементов, растворенных в металле, на границе раздела металл—шлак. Доля вдуваемого кислорода, затрачиваемая на этот процесс, составляет. Содержание окислов железа в шлаке определяется соотношением текущих значений то в шлаке постепенно накапливаются окислы железа. Когда количество шлака постоянно или изменяется незначительно, то такое накопление вызовет рост содержания окислов железа в шлаке. В случае увеличения количества шлака содержание окислов железа в нем будет зависеть от соотношения темпов накопления окислов, поступающих из реакционной зоны, и нарастания количества шлака. При увеличении количества шлака содержание окислов железа в нем будет уменьшаться. Окисленность шлака падает, и тем быстрее, чем выше темп роста его количества. Как отмечалось выше, соотношение зависит от периода конвертерной плавки, поскольку каждый период характеризуется своими темпом окисления углерода (определяющего интенсивность перемешивания ванны), температурой и вязкостью металла и шлака. Чем ниже скорость окисления углерода и больше вязкость фаз, тем меньше скорость расходования окислов железа и вероятнее, что т]Ре > г/ . Поэтому в начальный период продувки, когда преимущественно окисляются кремний и марганец, скорость окисления углерода невелика, а вязкость металла и шлака повышенная (в связи с низкой температурой ванны), происходит накопление окислов железа в шлаке и их концентрация в нем максимальна.

На заключительном этапе продувки, когда содержание в металле других (помимо железа) элементов, способных окисляться, незначительно, г)ре > т)' . Обычно в конце продувки таким элементом является углерод. Поэтому чем ниже содержание углерода в выплавляемой стали, тем большее количество окислов железа поступит в шлак и выше будет их содержание в шлаке.

Окисленность шлака чаще всего предпочитают выражать как суммарное содержание железа в, иногда пересчитывая его    продувки на   концентрацию   закиси   железа 2(FeO). Описанный характер изменения содержания окислов железа в шлаке по ходу продувки в общей форме может быть представлен кривой, изображенной на рис. 2.4.

Особенно сильно окисленность шлака начинает повышаться при содержании углерода менее 0,1—0,2 %. Это происходит как вследствие описанных причин, так и в результате резкого возрастания при указанных концентрациях углерода содержания кислорода, растворенного в металле, и является главной первопричиной снижения  в конце продувки. Так как разница между равновесным с окислами железа содержанием кислорода в металле и фактической его концентрацией в этом случае уменьшается, то снижается и скорость расходования (растворения в металле и взаимодействия с углеродом) окислов железа, находящихся в шлаке и поступающих в металл из первичной реакционной зоны; все больше окислов железа вводится в шлак, и окисленность его растет.

Сопоставление окисленности шлака при низких содержаниях углерода в процессах верхнего и донного кислородного дутья позволяет предположить, что важнейшим фактором, определяющим и окисленность  шлака, является интенсивность перемешивания конвертерной ванны.

При верхней продувке окисленность шлака в начале плавки составляет 15—30 % (Fe). В период интенсивного выгорания углерода в середине продувки S(Fe) падает до минимума (см. рис. 2.4) и достигает 7—15 %. В конце плавки оно тем выше, чем ниже содержание углерода и при 0,03 % углерода доходит до 30—40 %. В случае донной продувки (воздух или кислород) S(Fe) в начале плавки составляет около 10—20 %. Минимальная концентрация окислов железа достигает 4—7 °/о S(Fe), а в конце, даже при передувке плавки %), значение Z(Fe) повышается

до 13—20%.

В последнем периоде, когда условия перемешивания ванны играют определяющую роль, содержание окислов железа в шлаке в первую очередь зависит, как уже отмечалось, от состава вдуваемого окислительного газа. И чем ниже в дутье процент кислорода, расходуемого на окисление металла, и выше содержание газов, не участвующих в реакциях, тем эффективнее перемешивание ванны, а значит, меньше окислов железа в шлаке при одной и той же концентрации углерода в ванне. Поэтому в указанных пределах