Теория продувки сталеплавильной ванны

Явойский В.И., Дорофеев Г.А., Повх И.Л.

Металлургия, 1974 г.

Взаимосвязь концентраций углерода и кислорода в расплавленной стальной ванне

При невысоких концентрациях углерода в расплавленной стальной ванне (от 0,05 до 1,0% С) в первом приближении можно принимать у_си у₀равными единице. В этом случае для расчета равновесных с углеродом концентраций кислорода при обычных для сталеплавильных процессов диапазонах температур (1500— 1650° С) используют уравнение Вечера и Гамильтона

[%C]*[%O]= 0,0025.

При низких концентрациях углерода (в особенности до 0,06% С) несколько лучшие совпадения с экспериментом дает формула Ниллеса

[%C]*[%O] = 0.00212/(1+0.85*[%O])

В окислительных процессах производства стали (основной мартеновский, кислородный конвертерный) всегда имеется некоторое переокисление ванны, т. е. концентрация и активность кислорода в каждый момент плавки существенно выше равновесных с данной концентрацией углерода. Это переокисление ванны различно в разных участках ванны, в разные периоды плавки и не одинаково для разных типов процессов и разных агрегатов. Все этосвидетельствует о том, что переокисление вызвано чисто кинетическими особенностями и определяется различием скоростей поступления в данный момент и в данный участок ванны кислорода и расходования в этом участке ванны кислорода на окисление углерода.

Применение «метода электродвижущих сил» для определения активности кислорода позволило подробно исследовать поведение кислорода в реакционной зоне при кислородной продувке, в подшлаковых областях металлической ванны и др. Многие из этих данных ранее уже опубликованы [!26], поэтому приведем здесь лишь самые краткие сведения из этой области. Если не говорить о разных вариантах кислого процесса, то следует отметить, что наиболее низкая окисленность металла в процессе плавки при каждом данном содержании углерода наблюдается в мартеновских печах, работающих без применения кислорода для продувки и в дуговых печах во время окислительного (без продувки) периода.

Однако сопровождающее кислородную (или воздушную) продувку ванны интенсивное ее перемешивание приводит к ускорению использования поступающего кислорода на окисление углерода и в целом переокисление всей ванны агрегата понижается и наблюдается в слабой мере. Примером этого может служить рис. 117, где сравнивается окисленность ванн 140-т мартеновской печи, работающей без применения кислорода (ни в факел, ни в ванну кислород не используется), и 100-т конвертера, работающего с интенсивностью продувки порядка 2,5—2,6 м³/(т-мин). Как видно, в последнем случае большого переокисления ванны нет и наблюдаются только несколько более значительные колебания концентраций кислорода в металле при каждом заданном содержании углерода. Среднее содержание кислорода, его активность и относительная переокисленность металла в большей мере зависят от интенсивности его перемешивания.

Было, например, экспериментально установлено, что в 100—130-т конвертерах окисленность металла по ходу плавки и перед раскислением была несколько выше, чем в конвертерах малой емкости (10 и 50 т) [207]. Однако это было вызвано тем, что интенсивность продувки на большегрузных конвертерах была ниже [2—2,5 м³/(т•мин) против 3—3,5 м³/(т-мин) соответственно].

Известно также, что при концентрациях углерода 0,05—0,07%, прекращении кислородной продувки и выдержке металла оки елейность ванны в мартеновских или двухванных печах иногда даже повышается за счет интенсивного поступления кислорода из шлака и малой скорости его расходования па окисление углерода [208, 126].

Отличительной особенностью плавок с продувкой кислородом в сталеплавильном агрегате является резко выраженная неравномерность распределения углерода и кислорода в ванне. Установлено, что в районе реакционной зоны наблюдается резко пониженная концентрация углерода и значительно повышенная активность, а значит и концентрация, кислорода [1, 126]. Эта зона существенного переокисления тем больше по объему, чем ниже среднее содержание углерода в ванне. При этом и степень переокисления реакционной зоны, и абсолютная величина концентрации кислорода также возрастают. При плавках на открытом поду (мартен, двухванная печь и т. п.) с использованием кислорода для продувки ванны наблюдается вторая область значительного переокисления. Это подшлаковый слой металла толщиной 100—300 мм. Обогащаемый при кислородной продувке окислами железа шлак интенсивно передает кислород металлу, причем вследствие кинетических трудностей образования газовых пузырей (окиси углерода) в толще металла процесс окисления углерода отстает в скорости от поступления кислорода, что и проявляется как переокисление металла.

Значительная неравномерность распределения кислорода в ванне сталеплавильных агрегатов имеет большое практическое значение, так как она определяет нестабильность содержания кислорода в момент конца продувки или слива (при выпуске) металла и при его раскислении. Именно этим определяется более значительное рассеивание точек, характеризующих окисленность металла при конвертерном процессе по сравнению с мартеновским.

Степень переокисления металла в реакционной зоне и размеры зоны переокислепия зависят не только от температуры и состава металла, но и от многих других причин, одной из которых является конструкция фурмы. На рис. 118 приведены результаты исследований окисленности металла в 130-т кислородном конвертере в зависимости от содержания углерода в металле и при различных конструкциях многосопловых фурм.

К сожалению, в настоящее время еще нельзя дать какие-либо рекомендации, касающиеся конструкций фурм, обеспечивающих наименьшее переокисление металла, максимальную производительность конвертера и минимальные концентрации остаточных вредных элементов. Как видно из рис. 118, несколько лучшие результаты дала фурма с четырьмя соплами Лаваля, расположенными под углом 15° к ее вертикальной оси. Но это, конечно, не позволяет считать именно эту конструкцию фурмы оптимальной для всех конвертеров.

При низких концентрациях углерода, когда его влияние па окисленность ванны понижается, более существенную роль начинают играть другие факторы. Так, например, исследованиями Явойского В. И., Лузгина В. П. и Добрица Ю. Т. было установлено заметное повышение окисленности малоуглеродистого металла перед повадкой конвертера ([С] =0,09-1-0,14%) при увеличении расстояния между уровнем среза сопла фурмы и условным уровнем ванны в спокойном состоянии. Эта зависимость для 100—130-т конвертера приведена на рис. 119. Здесь сказываются, по-видимому, два фактора:

1) увеличение концентрации окислов железа в шлаке при подъеме фурмы (поверхностный обдув ванны);

2) уменьшение импульса струи при встрече ее с металлической ванной и, следовательно, ухудшение перемешивания металла (значительные локальные его переокисления).

Таким образом, при выплавке низкоуглеродистых сталей необходимо учитывать и влияние положения среза сопла фурмы па окисленность металла. Высота подъема фурмы должна быть меньше в случае выплавки спокойного металла и может быть больше при производстве кипящих сталей.

В последнее время металлургов особенно интересует вопрос о возможности повышения производительности конвертерных цехов за счет увеличения интенсивности продувки [209, 210].

Этот весьма актуальный вопрос также необходимо решать с учетом реакции окисления углерода и других примесей ванны.

Учитывая, что в условиях обычных современных конвертерных цехов шлакообразование при использовании даже очень хорошей извести занимает не менее 5—7 мин, имеет смысл рассматривать интенсивности продувки не более 5—6 м³/(т-мин). Следует ожидать, что при таких интенсивностях продувки и достаточном запасе углерода в ванне его окисление будет протекать энергично, а интенсивное перемешивание металла за счет энергии пузырей окиси углерода и струи обеспечит невысокие концентрации кислорода в ванне.