Сталеплавильне виробництво  /  Основи технології виплавки сталі в конвертерних печах   /  Основи технології виплавки сталі в конвертерних печах

Зміст:
  • Основи технології виплавки сталі в конвертерних печах
    • Основи технології виплавки сталі в конвертерних печах
      • Загальні відомості
      • Киснево-конвертерний процес з верхнім дуттям
      • Конвертерний процес з донним дуттям
      • Конвертерні процеси з комбінованим дуттям
      • Особливості конвертерного перероблення високофосфористих чавунів
      • Конвертерний процес зі збільшеною витратою сталевого брухту
      • Конвертерне виробництво сталі для фасонних виливків
      • Фотографії

Киснево-конвертерний процес з верхнім дуттям

Киснево-конвертерний процес — це процес виробництва сталі з рідкого чавуну з додаванням сталевого брухту у конвертер із лужною футерівкою та продуванням киснем зверху крізь фурму, що охолоджується водою.

У промисловості цей технологічний процес був уперше впроваджений у Австрії у 1952 р. на заводах у м. Лінці та Донавіце.

В Україні у 1956 р. уперше впроваджено киснево-конвертерний процес із верхнім дуттям у конвертерному цеху Дніпропетровського заводу ім. Петровського, де були переобладнанні бесемерівські конвертери місткістю 20 т.

За короткий час киснево-конвертерний процес отримав широке розповсюдження у багатьох країнах.

Процес отримав декілька назв: LD-процес (від німецьких слів Linz Dusenferfahren — фурмений процес у Лінці); BOP-процес (від англійських слів Basic Oxygen Process — основний кисневий процес); киснево-конвертерний процес (назва прийнята у вітчизняній практиці).

В останній час з'явилося багато різновидів киснево-конвертерного процесу (OLP — Oxygene-Lance-Poudre — від французького кисень-фурма-пудра; КМS — за назвами німецьких заводів Klockner, Maxhutte та слова Stahlhersteelung; та багато інших).

Футерівка кисневого конвертера виконується з периклазовуглецевої, смолодоломітомагнезитової, смолодоломітової або магнезитової цегли. Використання лужних вогнетривів на основі MgO, CaО дало змогу наводити під час процесу лужні шлаки, виконувати дефосфорацію та десульфурацію металу.

Процес плавки сталі у кисневих конвертерах розділяють за такими періодами: завалення металевого брухту, заливання рідкого чавуну, продування ванни киснем, введення сипучих матеріалів, що утворюють шлак, контроль температури металу та відбирання проб, зливання металу та шлаку, огляд футерівки конвертера та підготовка до наступної плавки. Цикл плавки починають із завантаження металевого брухту у конвертер.

Технологічні операції конвертерної плавки ілюструються анімацією.

продивитись аніміцію

Flash-анімація. Натисніть на форму для запуску

7.2.1. Завалення металевого брухту

Кількість сталевого брухту досягає 25—27 % від маси шихти. До брухту, як і при звичайних сталеплавильних процесах, висуваються такі вимоги: про неприпустимість високого вмісту фосфору, сірки, домішок кольорових металів та іржі. Крім того, обмежують максимальний розмір кусків брухту, тому що дуже великі можуть не встигнути розчинитися у металі за час продування, а під час завантаження можуть пошкодити футерівку конвертера. Для конвертерів місткістю 100—350 т розмір кусків брухту не повинен бути більше таких габаритів 0,3 × 0,3 × 1,0 м, а для пакетів брухту не більше 0,7 × 1,0 × 2,0 м.

Металобрухт потрапляє до конвертерів з відділення шихтових магнітних матеріалів (скрапного відділення) або безпосередньо зі скрапороздільного цеху.

Завантаження здійснюють совками різної місткості залежно від садки конвертера. Завантаження брухту та заливання чавуну у конвертер дозволяється починати при температурі футерівки не нижче 1000 °С за командою майстра (сталевара) конвертера. Оскільки конвертер є високопродуктивним агрегатом, у всіх нових киснево-конвертерних цехах застосовують односовкове завантаження скрапу.

Під час завалки конвертер нахиляють у бік вантажного прольоту на кут 45°. Краном із вантажного просвіту або спеціальною машиною совки з металобрухтом подають до горловини конвертера, нахиляють і висипають скрап у конвертер. Рівномірність розподілу металобрухту в середині робочого простору конвертера забезпечується його покачуванням.

За наявності у конвертері металу та шлаку від попередньої плавки до початку завалки повинні бути прийняті заходи з їх видалення з конвертеру або загущенню шляхом додавання вапна у певній кількості.

7.2.2. Заливання рідкого чавуну

Основним шихтовим матеріалом для киснево-конвертерного цеху є рідкий чавун. Рідкий чавун потрапляє до конверторів з міксерного відділення або з відділення переливання самохідними чавуновозами, місткість яких відповідає садці конвертера. Чавуновізний ківш подають до моменту випуску попередньої плавки. Конвертер знаходиться у нахиленому положенні, як і під час операції завалки металобрухту. Не роблячи великої перерви, у конвертер на скрап заливають рідкий чавун за допомогою заливального крану з чавуновозним ковшем, що пересувається по робочому майданчику впродовж фронту конвертерів. Масу чавуну, що заливають у конвертер, розраховують залежно від заданої марки сталі, маси зливків, кількості охолоджувачів (брухту, окатишів, руди).

Завантажений конвертер встановлюють у вертикальне положення.

Велике значення надають стандартності металобрухту за масою та складом, а також стабільності рідкого чавуну за хімічним складом та температурою. Вміст фосфору у чавуні не повинен бути більше 0,2—0,3 %, тому що при більшому вмісті необхідно виконувати проміжне зливання шлаку під час продування та наводити новий шлак, що знижує продуктивність конвертера. Також чавун повинен містити не більше 0,04—0,06 % S, тому що десульфурація металу під час плавки у кисневому конвертері протікає недостатньо повно. Температура рідкого чавуну, який переробляють у конвертерах на сталь, зазвичай складає 1300—1450 °С. Використовувати чавун з більш низькою температурою небажано, тому що це приводить до холодного початку продування та уповільненню утворення шлаку.

Після заливки чавуну конвертер повертають у вертикальний робочий стан.

7.2.3. Продування

У порожнину конвертера вводять фурму та вмикають подачу кисню. Перед початком продування перевіряють готовність систем, механізмів та обладнання. Насамперед, це стосується котла-охолоджувача та газоочищення. Особливо велику увагу приділяють роботі тракту для відводу конвертерних газів за схемою без догорання СО. За котлом контролюють тиск та витрату води для живлення контуру. Перевіряють роботу димососу, газові пальники та пристрої для систем газовідвідного тракту, витрату води. Автоматично вмикається регулятор, виставляється заданий тиск в усті кесону охолоджувача конвертерних газів, що дорівнює 6—10 Па та забезпечується у газах, що відводять, 60 % СО.

Висоту фурми над рівнем умовно спокійної ванни встановлюють залежно від витрати кисню через сопло, кута нахилу вісі сопла до вертикалі, хімічного складу рідкого чавуну, якості металобрухту, вапна, інших добавок та стану футерівки конвертера. За рахунок кисню, яким продувають чавун, окисляється надлишковий вуглець, а також кремній, марганець і невелика кількість заліза, причому окислення кремнію та марганцю закінчується у перші 3—4 хвилини продування.

З окислів, що утворилися (за виключенням СО), вапна й інших сипучих матеріалів утворюється шлак. Лужність шлаку збільшується у зв'язку з розчиненням вапна і в кінці продування складає 2,5—3,7. Протягом продування у шлак з металу видаляються фосфор і сірка.

Бульбашки СО, що утворилися при окисленні вуглецю, спінюють метал та шлак та суттєво посилюють циркуляцію шлаку й металу, що прискорює процеси окислення, дефосфорації, нагріву металу та ін. Разом з бульбашками окису вуглецю з металу видаляються розчинені в ньому шкідливі гази — водень та азот.

Відстань від головки фурми до рівня спокійної сталі зазвичай становить 0,8—3,3 м, і залежить від місткості конвертера та конкретних умов роботи даного конвертера.

При цьому необхідно враховувати, що положення фурми на рівні спокійної ванни насамперед повинно забезпечити нормальний хід шлакоутворення, виключити викидання металу та шлаку з порожнини конвертера.

Для прискорення шлакоутворення продувку починають при підвищеному положенні фурми, а через 2—4 хвилини її опускають до звичайного оптимального значення. Інтенсивність подачі кисню залежно від конструкції фурми та прийнятої технології знаходиться у межах від 2,5 до 7 м3/(т · хв). Напочатку та наприкінці продування, коли швидкість окислення вуглецю невелика та метал мало спінюється, фурма знаходиться над ванною. Всередині продування, коли інтенсивність окислення вуглецю значно зростає, велика кількість бульбашок СО виділяється та спінює верхню частину ванни. Це приводить до того, що фурма опиняється заглибленою у газо-шлако-металеву емульсію; рівень ванни може досягати горловини конвертера.

Перед початком продування у кожній зміні або перед пуском конвертера після набивання нової футерівки і заміні кисневої фурми виконують перевірку її положення.

У сучасних цехах продування виконують крізь багатосоплові фурми киснем чистотою не менше 99,5 % О2. Причому у дутті повинно бути не більше 0,1 % N2. Контроль хімічного складу компонентів повинен виконуватися щотижня. Режим зміни висоти фурми, витрату та тиск кисню за ходом продування визначається заводською технологічною інструкцією. Зазвичай питома витрата кисню змінюється в межах 47—57 м3/т сталі, зростаючи при збільшенні вмісту домішок у чавуні та зменшуючись при збільшенні частки сталевого брухту у шихті, тому що брухт містить менше домішок, що окислюються, ніж чавун.

Тиск кисню перед фурмою повинен бути у певних межах. Тиск кисню перед фурмою 1,2—1,4 МПа забезпечує високу кінетичну енергію та швидкість струменя кисню (450—500 м/с), що у свою чергу сприяє достатньому заглибленню кисневих струменів у ванну до повного засвоєння металом кисню.

Інтенсивність продування на відміну від витрати кисню за одиницю часу, яка зростає при збільшені місткості конвертера, та для великовантажних конвертерів досягає 2000 м3/хв і не залежить від місткості. Вона визначається головним чином конструкцією кисневої фурми (числом сопел у ній) та є майже постійною в умовах того чи іншого конвертерного цеху. На різних підприємствах величина інтенсивності знаходиться у межах 2,5—5,0, а іноді доходить до 7 м3/(т хв).

7.2.4. Циркуляція ванни

Циркуляція ванни, що виникає під час продування у результаті дії кисневих струменів та потоку бульбашок СО, що виділяються з ванни, інтенсифікують масо- та теплообмін, прискорюючи процеси окислення, рафінування і нагріву металу й розплавлення сталевого брухту.

Під фурмою високошвидкісні потоки кисню, що захоплюють каплі металу та шлаку, спрямовані униз. Це так звана «зона продування». Решту ванни називають зоною циркуляції, в якій на межах зони продування циркуляційні потоки спрямовані угору; це наслідок того, що із-за підвищеної концентрації кисню тут відбувається найбільш інтенсивне окислення вуглецю та формується потужний потік бульбашок СО. Так як контур циркуляції повинен бути замкнутим, у стінок конвертера метал рухається униз.

Напочатку та у кінці продування, коли швидкість окислення вуглецю та виділення бульбашок СО незначні, циркуляційні потоки послаблені та інтенсивність перемішування ванни недостатня.

7.2.5. Додавання компонентів, що утворюють шлак

Сипучі компоненти, що утворюють шлак, завантажують за допомогою автоматизованої системи, що складається з бункерів для зберігання матеріалів, живильників, ваг та лотків, по яким матеріали зсипаються у горловину конвертера. Система забезпечує завантаження сипучих матеріалів без зупинки продування за програмою, що задається оператором з пульту керування конвертером.

Структура системи подачі сипучих матеріалів та феросплавів, а також обладнання системи безперервно вдосконалюються.

Завантаження домішок у конвертер можна здійснювати за такими схемами:

  • до заливання чавуну у конвертер 100 % на скрап;
  • до заливки чавуну у конвертер 50 % під чавун або скрап, решту дають за ходом продування;
  • режим завалки — «доведення» в процесі продування (першу найбільш велику порцію завантажують на початку продування, решту порцій (2—3) — за ходом продування;
  • завантаження дрібними рівномірними порціями за ходом продування (режим «посипання»)); кількість порцій можна складати до 10, це визначається складом обладнання та числом автоматичних ваг-дозаторів тракту подавання шихтових сипучих матеріалів.

У цехах давнього будівництва можливі тільки перші дві схеми.

Найчастіше використовують такий порядок завантаження компонентів, що утворюють шлак: у першу порцію входить 1/2—2/3 сипучих компонентів (вапно з плавиковим шпатом, іноді з додаванням руди, окалини, окатишів, бокситів); решту додають декількома порціями протягом першої третини тривалості продування. Сипучі матеріали додають у конвертер у подрібненому вигляді (до фракції 20—25 мм).

7.2.6. Контроль температури металу та відбирання проб

Для того щоб одержати на момент закінчення продування заданий хімічний склад та температуру за ходом плавки, можна здійснювати виміри температури металу, а також виконувати відбирання проб металу та шлаку. З цією метою конвертерні печі обладнують спеціальним фурмами (термозондами). Вони є невід'ємними елементами обладнання сучасного кисневого конвертера. Результати вимірювань, виконаних за 2—3 хвилини до завершення продування, використовуються для зупинки продування при визначеному складі та температури металу.

продивитись аніміцію

Flash-анімація. Натисніть на форму для запуску

Зондові устаткування вводять у конвертер або через вікно у кесоні паралельно кисневій фурмі, або через отвір у шоломній частині конвертера під деяким кутом до вертикалі (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Введення зонда:
а — через вікно у кесоні; б — через шоломну частину конвертера

У комплекті з зондовим устаткуванням застосовують датчики температури, датчики температури разом із пристроєм відбирання проби металу, датчики температури з визначенням вмісту вуглецю, датчики температури та окисленості.

На рис. 7.2 представлено спеціальне устаткування для конвертера місткістю 350—400 т. Устаткування розміщається на спеціальному майданчику зверху будівлі цеху. Маса такого устаткування біля 57 т, у тому числі маса власне вимірювальної фурми з охолоджуючою водою 47 т. Час заміру температури складає 140 с.

Рис. 7.2. Пристрій для заміру температури та відбору проб металу без нахиляння конвертера

У тих цехах, де відсутні термозонди, відбирання проб і вимір температури виконують під час нахиляння конвертера (рис. 7.3). Нахиляння можливе тільки після припинення продування, тому проміжне нахиляння є небажаною операцією, через те, що це безперечно викликає зниження продуктивності конвертера.

Рис. 7.3. Вимірювання температури металу у конвертері

Якщо так сталося, що для отримання вмісту вуглецю, відповідного певній марці сталі, необхідно продовжити продування ще деякий час, то конвертер знову повертають у вертикальний стан і поновлюють продування. Цю додаткову операцію іноді називають передуванням або додуванням; вона зазвичай триває декілька секунд.

7.2.7. Зливання металу та шлаку

Після отримання хімічного складу та заданої температури продування припиняють, фурму піднімають і конвертер нахиляють для зливання металу.

Випуск сталі з конвертера здійснюють через сталевипускний отвір (летку) за командою оператора з головного посту керування або з допоміжного посту на робочому майданчику. Під час зливання у сталерозливальний ківш під струмінь металу додають розкислювачі та легуючі домішки.

Після закінчення зливання сталі конвертер нахиляють у протилежний бік для випуску рідкого шлаку, який зливають у шлаковий ківш безпосередньо через горловину конвертера.

Для запобігання попадання шлаку у ківш з металом виконують спеціальну роботу («відсічка» шлаку). Існує багато способів попередження попадання шлаку у ківш, наприклад, закривання леткі після випуску плавки кулею-стопором, що покрита шаром вогнетривкої обмазки з суміші магнезитового порошку.

продивитись аніміцію

Flash-анімація. Натисніть на форму для запуску

Пристрій для відсічки шлаку вводять під час випуску металу за допомогою машини. Штанга машини, що охолоджується водою, має стискуючий пристрій для кріплення підвіски 1 кулі-стопору 2. Поверхня кулі, що має нерівності («їжі»), попередньо обмазують вогнетривким матеріалом (60—65 % магнезитового порошку) та просушують 4 години при температурі 300 °С. Щільність шару менше, ніж у розплавленого металу, і більше, ніж у шлаку. Після вводу кулі-стопору у порожнину конвертера за 0,5—1,0 хвилину до закінчення випуску металу та вкидання її у район сталевипускного отвору вона занурюється у шлак та плаває на межі між шлаком і металом. Останні порції металу затягують кулю у сталевипускний отвір, відбувається відсічка шлаку від сталі. Як недолік такого способу можна визначити не досить надійну відсічку. Відсічка при такому способі досягається на 85—90 % плавок.

Ефективнішими є інші способи, що ґрунтуються на примусовому закритті сталевипускного отвору: наприклад, використання стопору з алюмосилікатних вогнетривів із домішкою карбіду кремнію, що містить вуглець (стопор уводиться в отвір примусово на штанзі, що охолоджується водою (рис. 7.4, а)); шиберного затвору, що ковзає (рис. 7.4, б); пневматичного стопору (рис. 7.4, в), який при появі шлаку забезпечує перекриття сталевипускного отвору механічним шляхом, або газом, що подається в отвір. Останній пристрій надійний у роботі та широко розповсюджується. Для ще більш точного відсікання шлаку застосовують спеціальні індикатори шлаку, наприклад електромагнітні. У поєднанні з пневматичним відсікувачем шлаку такі індикатори дозволяють обмежити потрапляння шлаку у ківш до 0,4 %, а при звичайній практиці шлак може потрапити у кількості 0,5—1,5 %.

Рис. 7.4. Схеми відсікання шлаку:
а — з вогнетривким стопором; б — з шиберним затвором; в — з пневматичним пристроєм

7.2.8. Процес плавки

Тривалість плавки у сучасному конвертері складає 30—45 хвилин, у тому числі:

Завалка брухту та заливка чавуну                                            5—10 хвилин

Продування киснем                                                                 12—17 хвилин

Відбирання проб, замір температури                                      4—6 хвилин

Зливання металу та шлаку, огляд та ремонт футерівки         8—12 хвилин

продивитись аніміцію

Flash-анімація. Натисніть на форму для запуску

Типову діаграму конвертерної плавки наведено на рис. 7.5, з якого видно, що, починаючи з моменту початку подачі кисню, у конвертері одночасно відбуваються процеси окислення домішок, нагрівання ванни та шлакоутворення. Усі ці процеси взаємопов'язані; їх протікання залежить від складу та характеру шихтових і шлакоутворюючих матеріалів, конструкції фурми, тиску й витрати кисню, а також організації продування.

Рис. 7.5. Зміна складу металу та шлаку за ходом продування у кисневому конвертері

Окиснення домішок і шлакоутворення

Під час розглядання технології конвертерної плавки необхідно враховувати протікання двох процесів, що відбуваються безперервно й одночасно: інтенсивну подачу кисню (окиснювальна атмосфера у зоні реакції) та шлакоутворення (утворення шару шлаку, поступове зростання його лужності та збільшення маси шлаку за ходом продування).

У перші періоди плавки, коли концентрації домішок (C, Si, Mn, P) достатньо високі, інтенсивність (швидкість) окиснення цих домішок визначається інтенсивністю подачі кисню (тобто лімітується зовнішнім масопереносом). Чим більше інтенсивність продування, тим вище швидкість окиснення домішок.

На деяких сучасних конвертерах досягали інтенсивності подачі кисню до 5—8 м3/(т хв.). За такої підвищеної інтенсивності продування загальна тривалість плавки дещо зменшується; разом з тим спостерігаються викиди металу, погіршуються умови служби футерівки, ускладнюється контроль за ходом плавки, уповільнюється утворення шлаку, спостерігаються випадки запізнього розчинення металобрухту, що завантажують у конвертер. Навіть за такої інтенсивної подачі кисню ступінь його засвоєння складає 90—95 %, тому можна вважати, що навіть за дуже високої витрати кисню у перший період ванна може засвоїти увесь кисень, що подають.

Співвідношення кількостей домішок, що окиснилися у результаті взаємодії з киснем та з оксидами заліза, залежить від умов продування. Якщо, не змінюючи тиску кисню, піднімати фурму, струмені кисню розтікаються на поверхні і буде відбуватися переважно окиснення заліза. Багаточисленними дослідженнями встановлено, що чим більше (до певних меж) відстань між фурмою та поверхнею металу, тим більше заліза у шлаку. Наявність шлаку з великим вмістом заліза забезпечує швидке розчинення вапна, що завантажують у конвертер, та утворення рідкоплинного лужного шлаку (рис. 7.6). Процес розчинення вапна у шлаку продовжується за ходом усієї плавки. Технологія проведення плавки повинна забезпечити наприкінці операції повне розчинення вапна.

Рис. 7.6. Залежність швидкості розчинення вапна у шлаку від вмісту в ньому FeO та MnO

Професором Р. В. Старовим на основі обробки великого масиву експериментальних даних була запропонована напівемпірична формула для розрахунку швидкості розчинення вапна у шлаку Vрозвапна, т/хв. Залежно від температури металу Tмет (для умов роботи 130-тонного конвертера)

Vрозвапна = 0,0716 (FeO + MnO) + 0,0054 · Tмет

З цієї формули видно, що чим вища концентрація FeO та MnO у шлаку та чим вища температура металу, тим швидше розчиняється вапно.

Реакції окиснення

Протягом продування за рахунок кисню окиснюється надлишковий вуглець, а також кремній, більша частина марганцю та деяка кількість заліза. Окиснення домішок рідкого чавуну — вуглецю, кремнію та марганцю можна представити такими сумарними рівняннями:

[C] + 1/2O2 = CO;

[Si] + O2 = (SiO2);

[Mn] + 1/2O2 = (MnO).

Але треба мати на увазі, що за рахунок безпосередньої взаємодії з газоподібним киснем окиснюється незначна частина домішок. Окиснення більшості домішок протікає за складнішою схемою — по-перше, у зоні контакту кисневого струменя з металом окиснюється залізо: Fe + 1/2 O2 = FeO; це пов'язано з тим, що концентрація заліза набагато більша, ніж концентрація решти елементів. Закис заліза частково розчиняється у металі: FeO [O] + Fe та частково у шлаку: FeO (FeO), а вже потім за рахунок розчиненого у металі і шлаку кисню окиснюються інші складові рідкого чавуну. Окиснення, наприклад, вуглецю відбувається за такими схемами:

Fe + 1/2O2 = FeO;                           Fe + 1/2O2 = FeO;

FeO = [O] + Fe;                               FeO = (FeO);

[C] + [O] = CO;                               [C] + (FeO) = CO + Fe.

Якщо підбити суму рівнянь реакцій правого або лівого стовпців, то в обох випадках отримаємо підсумкову реакцію окиснення вуглецю: [C] + 1/2 O2 = CO, яка відображає тільки початковий та кінцевий стан процесу окиснення.

Таким чином, для продування у конвертері характерне пряме окиснення заліза у зоні контакту кисневого струменю з металом (у «первинній реакційній зоні») та окиснення решти складових металу за рахунок вторинних реакцій на межі з первиною реакційною зоною та у іншому об'ємі ванни.

Окиснення кремнію

Кремній завдяки високій спорідненості до кисню інтенсивно окиснюється у перші хвилини продування киснем за реакцією [Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2Fe. Кремнезем, що утворюється, взаємодіє з СаО, утворюючи силікати:

(SiO2) + 2(CaO)=(CaO)2 · SiO2,

У результаті збільшення лужності шлаку, зростання міцності силікатів кальцію і падіння концентрації у шлаку вільної SiO2, кремній окиснюється практично повністю у перші хвилини продування і в процесі продування помітно не відновлюється зі шлаку в метал навіть у період інтенсивного зневуглецьовування.

Окиснення кремнію закінчується у перші 3—5 хвилин продування та у подальшому за ходом плавлення рідкий метал кремнію не містить. Реакція окиснення кремнію протікає до його повної витрати і є необоротною, тому що продукт окиснення—кислотний окисень SiO2 пов'язується у лужному шлаку у міцне з'єднання (CaO)2 · SiO2.

Окиснення марганцю

Інтенсивне окиснення марганцю спостерігається на початку продування, коли при низьких температурах його хімічна спорідненість до кисню велика (рис. 7.7).

На рис. 7.7 наведено залежність хімічної спорідненості деяких елементів до кисню від температури; при цьому величина хімічної спорідненості тим більше, чим більше за абсолютною величиною від'ємне значення ΔF0. З рис. 7.7 також видно, що при температурах 1450—1500 °С кремній та марганець мають найбільш високу спорідненість до кисню, ніж вуглець. При більш високих температурах спорідненість вуглецю до кисню перевищує спорідненість марганцю та кремнію. Відповідно до цього марганець і кремній окиснюються на початку продування, коли температура у конвертері відносно невисока.

Рис. 7.7. Хімічна спорідненість елементів до кисню залежно від температури

До 3—5 хвилини продування окиснюється близько 70 % марганцю, що міститься у чавуні. У подальшому поведінка марганцю визначається рівновагою екзотермічної реакції (виділяється 122 550 Дж/моль тепла)

[Mn] + (FeO) = (MnO) + Fe.

Відповідно до цієї реакції відмічаються (рис. 7.5) такі особливості поведінки марганцю: при зменшені вмісту FeO у шлаку в другій половині продування вміст марганцю у металі зростає, тобто марганець відновлюється зі шлаку. Цей процес одержав назву «марганцевий горб». Наприкінці продування, коли окиснення заліза посилюється, вміст окиснів заліза у шлаку зростає, спостерігається вторинне окиснення марганцю.

Кінцевий вміст марганцю у металі залежить насамперед від його вмісту у чавуні та зростає при збільшенні температури металу наприкінці продування та зниженні окисненості шлаку. Тобто відновлення марганцю найбільш помітно у другій половині плавки, коли інтенсивно окиснюється вуглець, а температура ванни та основність шлаку високі. У деяких випадках при підвищеному вмісті марганцю у чавуні (0,7—1,2 %) марганець може відновлюватися до 0,4—0,5 %, що виключає необхідність використання феромарганцю для розкиснення сталі.

Окиснення вуглецю

Окиснення вуглецю у кисневому конвертері відбувається переважно до СО; до СО2 окиснюється менше 10—15 % вуглецю, що міститься у чавуні. На початку продування (рис. 7.5), коли інтенсивно окиснюються кремній та марганець, а температура ванни невисока, швидкість окиснення вуглецю відносно невелика (0,10—0,15 %/хв). У подальшому, внаслідок підвищення спорідненості вуглецю до кисню при підвищенні температури (рис. 7.7) та зменшенні витрати кисню на окиснення марганцю та кремнію, швидкість окиснення вуглецю зростає, досягаючи всередині тривалості продування максимуму (0,35—0,45 %/хв). Наприкінці продування вона знову знижується внаслідок зменшення вмісту вуглецю у металі. Роль реакції зневуглецьовування у киснево-конверторній плавці надзвичайна висока, тому що тривалість окиснення вуглецю визначає тривалість продування, а також бульбашки СО, які виділяються, забезпечують видалення з металу азоту, водню й інтенсивне перемішування металу та шлаку, що сприяє покращенню дефосфорації та десульфурації.

Дефосфорація

Дефосфорація — тобто видалення з металу у шлак фосфору, здійснюється за екзотермічною реакцією (виділяється 767 290 Дж/моль)

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4CaO · P2O5) + 5Fe,

для вдалого протікання якої необхідно підвищена лужність й основність шлаку та невисока температура. У кисневому конвертері складаються сприятливі умови для видалення у шлак фосфору — наявність лужних шлаків із порівняно високим вмістом окиснів заліза та добре перемішування ванни.

Дефосфорація починається відразу після початку продування (див. рис. 7.5), що пояснюється швидким початком формування лужного шлаку з великим вмістом заліза. Через те, що реакція видалення фосфору супроводжується виділенням тепла, дефосфорація найбільш інтенсивно протікає у першій половині продування при відносно низький температурі.

Кінцевий вміст фосфору у металі залежить від кількості шлаку та повноти протікання реакції дефосфорації, яку зазвичай характеризують величиною коефіцієнта розподілення фосфору між шлаком та металом (Р2О5)/[P]. Ця величина в умовах киснево-конвертерного змінюється від 40 до 80—100 і в цих межах зазвичай тим вище, чим вище лужність та окисненість шлаку і чим нижче температура металу в кінці продування. Крім того, більш повному протіканню реакції дефосфорації та підвищенню значення (Р2О5)/[P] сприяє покращення перемішування металу зі шлаком, що досягається при знижені в'язкості шлаку та при більш ранньому шлакоутворенні, через те що в цьому випадку збільшується тривалість контакту металу зі шлаком.

Велике значення має також кількість шлаку. Чим більше маса шлаку, тим повніше буде проходити дефосфорація, тобто більша кількість фосфору буде переходити у шлак при одній і тій же величині коефіцієнту розподілення фосфору. Тому при підвищеному вмісті фосфору у чавуні зазвичай збільшують кількість конвертерного шлаку.

Як правило, при вмісті фосфору у чавуні менше 0,15—0,20 % метал наприкінці продування містить менше 0,02 фосфору.

Десульфурація

Десульфурація у кисневому конвертері відбувається протягом усього процесу продування і, головним чином, шляхом видалення сірки з металу у шлак. Разом з тим, частка сірки (5—10 %) видаляється у вигляді SO2 в результаті її окиснення киснем продувки.

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO)

необхідні висока лужність шлаку та низький вміст у ньому окиснів заліза. Конвертерний шлак містить значну кількість FeO (7—20 % і більше), тому десульфурація отримує обмежений розвиток (30—40 %).

Ступінь десульфурації, що досягається при плавці у кисневому конвертері, визначається, головним чином, лужністю шлаку, збільшуючись при її зростанні. Зі збільшенням лужності шлаку у кінці операції ( ) коефіцієнт розподілення зростає до 8—10 (рис. 7.8) і вміст сірки у металі зменшується. Тому переробка чавунів звичайного складу забезпечує отримання наприкінці операції металу з вмістом сірки 0,02—0,040 %. Для рядових марок сталі такий показник можна визнати задовільним. У випадку плавки якісних сталей вміст сірки не повинен перевищувати 0,035 %, тому операцію десульфурації необхідно продовжити в процесі випуску металу з конвертера у ковші та надалі методами позапічної обробки.

Рис. 7.8. Залежність розподілу сірки від лужності шлаку

По-друге, ступінь десульфурації зростає при збільшенні кількості шлаку, також сприяє десульфурації прискорення утворення шлаку та підвищення тривалості продування, адже при цьому зростає час взаємодії металу з утвореним шлаком.

Вплив температури на ступінь десульфурації полягає у такому: через те, що реакція видалення сірки супроводжується дуже малим тепловим ефектом, зміна температури не має помітного впливу на зсув її рівноваги. Але збільшення температури конвертерної ванни помітно покращує її десульфурацію, тому що це викликає зниження в'язкості шлаку, прискорюючи тим самим дифузію компонентів, які беруть участь у реакції видалення сірки.

Вимоги до шлаку

Шлаковий режим (склад, в'язкість, кількість шлаку та швидкість його утворення) повинен перш за все забезпечувати достатньо повне видалення фосфору та сірки з металу під час продування. З цією метою лужність шлаку повинна бути достатньо високою (від 2,5 до 3,7), а в'язкість незначною, тому що у густих шлаках уповільнюються процеси дифузії компонентів, що беруть участь у реакціях дефосфорації та десульфурації. Більша лужність шлаку (3,8 та більше) є небажаною, через те що шлак переходить у гетерогенний стан; за недостатньої лужності, тобто при підвищеному вмісті SiO2, відбувається не тільки погіршення процесів видалення фосфору та сірки, а й посилюється роз'їдання шлаком футерівки. Стійкість футерівки погіршується також унаслідок надвисокої рухомості шлаку (рідкоплинності) та підвищеного вмісту окиснів заліза. Підвищення окисненості шлаку викликає також збільшення угару розкиснювачів. За високої густини шлаку та підвищеної його кількості зростають втрати заліза зі шлаком у вигляді корольків.

У зв'язку зі швидкоплинністю продування надзвичайно важливо якомога раніше забезпечити формування шлаку; в іншому разі з-за недостатнього часу контакту металу зі шлаком не встигають завершитися процеси дефосфорації та десульфурації. Крім того, при продуванні без шлаку спостерігається підвищений винос капель металу з газами, що відходять, та утворення на фурмі настилів металу.

Формування лужного шлаку зводиться до розчинення кускового вапна, що завантажується у конвертер, у рідкій шлаковій фазі, яка утворюється на перших секундах продування та складається з продуктів окиснення складових чавуну (SiO2, MnO, FeO). Вапно тугоплавке (температура плавлення СаО складає 2570 °С), тому для її розчинення необхідна взаємодія з окиснями навколишньої шлакової фази з утворенням легкоплавких хімічних з'єднань, які могли би розчинитися при температурах конвертерної ванни.

Практика показала, що без застосування спеціальних заходів розчинення вапна буде відбуватися дуже повільно. Це пояснюється тим, що реагуючи з кремнеземом, куски вапна покриваються тугоплавкою оболонкою двокальцієвого силікату 2CaO · SiO2 (температура плавлення 2130 °С), що перешкоджає подальшому розчиненню. Тому необхідно додавати компоненти, що знижують температуру плавлення цього силікату, а також власне вапна. Найбільш ефективні в цьому випадку CaF2 й окисні заліза, у дещо меншому ступені MnO. З урахуванням викладеного у конвертер на початку продування зазвичай присаджують плавиковий шпат (CaF2), а збагачення шлаку окиснями заліза досягають, починаючи продування при високому розташуванні фурми, а інколи за рахунок присадок залізної руди, агломерату, окатишів і бокситу.

продивитись аніміцію

Flash-анімація. Натисніть на форму для запуску

Для отримання достатньої концентрації окиснів марганцю зазвичай використовують чавуни з відносно високим вмістом марганцю (0,7—1,1 %). Якщо вміст марганцю у переробному чавуні зменшується, шлакоутворення уповільнюється і необхідно залучати додаткові заходи для прискорення розчинення вапна.

Шлаковий режим

Для збагачення утвореного шлаку окиснами заліза продування починають при високому розташуванні фурми. Після початку продування у конвертер додають першу порцію компонентів, що утворюють шлак — приблизно 1/2—3/4 їх загальної кількості. У цю порцію зазвичай входять вапно та плавиковий шпат; інколи замість плавикового шпату використовують боксит, агломерат, окатиші й залізну руду. Решту компонентів додають однією або декількома порціями протягом третини тривалості продування.

продивитись аніміцію

Flash-анімація. Натисніть на форму для запуску

Завантажувати усі компоненти, що утворюють шлак, разом не рекомендується, тому що це викликає охолодження ванни, злипання кусків вапна й уповільнення шлакоутворення. Іноді для прискорення шлакоутворення частину вапна завантажують у конвертер перед заливанням чавуну на сталевий брухт.

Загальна витрата вапна складає 5—8 % від ваги плавки. Для розрахунку його кількості необхідно враховувати, що лужність шлаку складає 2,5—3,7. Витрата плавикового шпату складає 0,15—0,30 %, а інколи досягає 1 %.

Характер поведінки основних складових шлаку за ходом продування ілюструється даними рис. 7.5. У наслідок розчинення вапна вміст CaO у шлаку зростає, а вміст SiO2, MnO, FeO знижується. Помітно зменшується вміст FeO в період найбільш інтенсивного окиснення вуглецю (середина продування), коли найсильніший розвиток отримує реакція окиснення вуглецю за рахунок окиснів заліза шлаку. Наприкінці продування, коли вуглецю у металі мало, починає окиснюватися залізо і вміст FeO у шлаках швидко зростає.

Шлак наприкінці плавки має такий склад, %:

43–50 CaO; 14–22 SiO2; 7–20 Fe2O3; 7–14 MnO; 3–7 Al2O3; 1,5–4,0 MgO; 0,5–4,0 P2O5; 3 CaF2; 1 CaS.

Співвідношення вмістів CaO та SiO2 визначається лужністю шлаків, якою задаються при розрахунку шихти та регулюють, змінюючи витрату вапна. Вміст окиснів заліза буде тим вище, чим нижче вміст вуглецю у металі наприкінці продування; при цьому вміст Fe2O3 у три-чотири рази нижче вмісту FeO. Так при вмісті вуглецю наприкінці плавки менше 0,08 % вміст FeO у шлаку складає 14—25 %; при 0,08—0,12 % С — (12—18) % FeO; при вмісті вуглецю більше 0,12 % — (8–14) % FeO. Кількість MnO у шлаку зростає при збільшені вмісту марганцю у чавуні та окисненості шлаку. Кількість MgO тим вище, чим сильніше зношується футерівка, складові якої переходять у шлак.

Кількість шлаку, що утворюється під час плавки, дорівнює 10—17 % від маси сталі.

Розкиснення сталі

Наприкінці плавки у конвертерній сталі розчинена велика кількість кисню. Тому необхідною операцією, після доведення складу металу до заданого хімічного складу за вуглецем, є операція розкиснення, тобто видалення кисню, що розчинений у рідкій сталі, а також звільненню придатного металу від продуктів розкиснення.

Розкиснення сталі виконують осаджуючим методом у ковші під час випуску металу (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Випуск металу та введення розкиснювачів

При плавленні спокійної сталі розкиснювачі вводять у ковш на струмінь металу у такій послідовності: спочатку феромарганець або силікомарганець, далі феросиліцій і в останню чергу додають алюміній.

продивитись аніміцію

Flash-анімація. Натисніть на форму для запуску

Киплячу сталь розкиснюють тільки феромарганцем. Додавання розкиснювачів починають після наповнення ковша рідким металом приблизно на 1/4—1/3, а закінчують у момент заповнення ковша на 2/3. Це дозволяє запобігти потрапляння розкиснювачів у шлак та їх угару. Кількість марганцю та кремнію, що додають у метал для розкиснення, повинно забезпечити отримання заданого вмісту цих елементів у сталі. При розрахунку кількості розкиснювачів необхідно враховувати угар:

  • при розкисненні спокійної сталі угар марганцю складає 10—25 %, кремнію — 15—25 %;
  • при розкисненні киплячої сталі угар марганцю складає 20—35 %.

Витрата алюмінію складає 0,15—0,20 кг на 1 т. сталі.

7.2.9. Якість киснево-конвертерної сталі

Якість сталі визначається значною мірою її хімічним складом та вмістом шкідливих домішок, газів та неметалевих вкраплень. Особливу увагу при виробництві конвертерної сталі приділяють отриманню металу з низьким вмістом газів, насамперед, азоту.

Шляхи підвищення якості конвертерної сталі значною мірою залежать від вимог, що висувають до готових виробів із неї. У сучасній металургії широко використовують різні методи підвищення якості сталі:

  • отримання надчистої сталі за шкідливими домішками;
  • зниження вмісту неметалевих вкраплень;
  • дегазація металу;
  • зміна складу та форми вкраплень (модифікування);
  • відпрацювання технологічного режиму плавки, що дозволяє отримати точно заданий хімічний склад і температуру;
  • забезпечення стандартних умов розливання металу з дотриманням оптимальних температурних умов;
  • обробка металу шлаковими й екзотермічними сумішами;
  • попередження вторинного окиснення струменя металу під час розливання та ін.

Багаторічний досвід використання конвертерної сталі показує, що вона не поступається за якістю мартенівській сталі, а за деякими показниками навіть краще мартенівської. Ці переваги обумовлюються більш низьким вмістом кисню, азоту, сірки, фосфору та неметалевих вкраплень.

Вміст азоту у сталі

Вміст азоту у конвертерній сталі залежить від низки технологічних факторів:

  • вмісту вуглецю у сталі й азоту в шихті;
  • температури металу та тривалості продування;
  • чистоти кисню, який використовується для продування;
  • підсмоктування повітря у робочій простір конвертера.

Збільшення чистоти кисню приводить до зниження вмісту азоту у сталі. Необхідно використовувати кисень чистотою 99,5 %, який забезпечує отримання у сталі 0,002—0,004 % азоту.

Іншим джерелом потрапляння азоту у метал може бути атмосферне повітря, що попадає у порожнину конвертера, головним чином, при високому розташуванні кисневої фурми у момент наведення шлаку. Зі зниженням висоти розташування фурми підсмоктування повітря припиняється.

 Розміри горловини та підсмоктування повітря знаходяться у прямій залежності. Також має значення метод утилізації конвертерних газів. При відводі димових продуктів плавки за відкритою схемою з повним догоранням СО до СО2 у зазор між верхом горловини конвертеру та низом охолоджувача спрямовується атмосферне повітря внаслідок розрядження, що створюється тягою димососу. Частина повітря засмоктується у горловину конвертера та підвищує кількість азоту у ванні. При роботі за схемою відводу конвертерних газів без спалювання СО у нижній частині котла створюється невеликий надлишковий тиск, що запобігає потраплянню повітря у конвертер.

У інтервалі температур випуску металу з конвертера (1520—1620 °С) вплив температури на розчинність азоту практично не спостерігається. Середній вміст азоту у сталі для вказаного інтервалу не перевищує 0,007 %.

Вміст кисню

Вміст кисню у конвертерній сталі визначається вмістом вуглецю у металі та ступенем окисненості кінцевого шлаку. Крім того, розчинення кисню у металі залежить від вмісту марганцю та кремнію, а також від температури. Вплив окисненості шлаку визначається величиною коефіцієнта розподілення FeO між металом і шлаком. У результаті впливу цих факторів концентрація кисню у металі зростає зі зменшенням вмісту вуглецю та збільшенням окисненості шлаку. У випадку виплавки високовуглецевих марок сталі основний вплив на вміст кисню у металі має вміст вуглецю. Кінцевий вміст кисню регулюється розкисненням металу алюмінієм.

Для покращення якості сталі та боротьби зі шкідливими газами використовують позапічну обробку. У деяких випадках така обробка більш ефективна й економічно виправдана, ніж обробка безпосередньо у сталеплавильних агрегатах.

Вміст водню

Вміст водню у конвертерній сталі зазвичай незначний, через те що обмежені джерела його потрапляння у метал. Крім водню, що опинився у ванні разом з шихтовими матеріалами, головним джерелом є волога, що міститься у кисні, а також волога повітря, яке підсмоктується у порожнину конвертера. Як правило, вміст водню у металі наприкінці продування рідко перебільшує 3—4 см3/100 г металу. Проте у процесі випуску металу та розливання через контакт з атмосферним повітрям вміст водню у сталі може дещо зрости. У випадку прогару кисневої фурми вода, що охолоджує її, починає потрапляти безпосередньо у реакційну зону та вміст водню у ванні помітно зростає.

Вміст неметалевих вкраплень

Вміст неметалевих вкраплень у конвертерній сталі визначається головним чином технологією розкиснення. Через те, що наприкінці операції при належно організованому процесі метал не містить підвищеної кількості сірки, кисню й азоту, створюються умови отримання сталі, що містить незначну кількість сульфідних, оксидних і нітридних неметалевих вкраплень. Їх кількість, що залишається у металі, визначається технологією обробки металу в ковші та розливанням.

Шкідливі домішки у шихті

Домішки кольорових металів (міді, цинку, свинцю тощо), що зазвичай знаходяться у побутовому металобрухті та брухті автомобільної промисловості, вносяться у конвертер під час завалки та негативно впливають на якість сталі. Тому на підприємствах переробки брухту, а також у скрапорозділочних цехах металургійних заводів необхідно приділяти важливу увагу сортуванню брухту й очищенню його від кольорових металів.

Але не завжди ці заходи бувають ефективними. Для плавки якісного металу необхідно використовувати відходи власного виробництва (вороття) або металізовану сировину. Наявність у брухті невеликої кількості миш'яку, олова, свинцю (0,02–0,04 %), які під час плавки переходять у сталь, викликають її холодноламкість. У холодному стані мідь погіршує пластичні властивості металу.

Крихкість сталі надає 0,001 % Sb, погіршує зварюваність миш'як.

Враховуючи зростаючі вимоги до якості металу з боку споживачів, у наш час регламентують вміст небажаних домішок на рівні 0,001 %.

Якість сталі визначається також кількістю сірки та фосфору. Сірка знижує пластичність сталі, підвищує процент браку при прокатці внаслідок утворення плів, різко погіршує якість поверхні готового прокату, знижує ударну в'язкість. У деяких випадках вона може бути використана як легуючий елемент для отримання особливих властивостей, необхідних для механічної обробки — крихкості стружки у автоматної сталі. Але з сіркою у сталеплавильному виробництві борються усіма доступними методами. Найбільш різко виявляє свої негативні якості сірка за низьких температур з позначкою мінус. Вміст сірки у сталі, яка використовується для деталей, що будуть працювати за низьких температур, знаходиться на мінімальному рівні (0,005—0,008 % S).

Велике значення має наявність сірки при розливанні сталі на машинах безперервного лиття заготівок. Технологічними нормами та заводськими інструкціями для цього способу регламентується у звичайних марках сталі менше 0,025 % S, а при розливанні у виливниці менше 0,035 % S. Кількість поверхневих дефектів на слябах підвищується приблизно вдвічі при вмісті сірки більше 0,02 % та знижується при його зменшенні. Для готової сталі, яку піддають холодній прокатці та протяганню, необхідний мінімально допустимий вміст сірки. Вона впливає на формування структури зливків, особливо важливе значення це набуває при відливанні крупних та особливо крупних зливків і виливків.

Небажаним елементом у сталі є фосфор, який викликає схильність рейкової сталі до насичення воднем та утворенню флокенів, канатної сталі до погіршення механічних властивостей та ін.

Галузь використання та сортамент сталі, що виплавляють у кисневих конвертерах, розширюється з кожним роком. Киснево-конвертерна сталь впроваджена у найбільш відповідальних галузях: суднобудуванні, будівництві мостів, трубопроводів високого тиску, автомобілебудуванні, для виготовлення рейок різного призначення тощо.

Зміст | Загальні відомості  | Конвертерний процес з донним дуттям  | Вгору