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

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 растворение извести. 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