Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Количество окислов железа, вносимое металлизованными материалами в ванну, как правило, превышает фактически наблюдаемое содержание их в шлаке (рис. 38). Только при использовании материалов с высоким содержанием пустой породы и высокой металлизацией поступление кислорода с ними оказывается недостаточным, чтобы обеспечить требуемую для развития реакции обезуглероживания окисленность шлаков, особенно при выплавке низкоуглеродистых сталей.
Значительная часть окислов железа, поступающих в ванну, восстанавливается в процессе плавления шихты углеродом, содержащимся в металлизованных материалах или жидком металле, т.е. имеет место обезуглероживание ванны. Развитие и ход реакции обезуглероживания в значительной мере определяют кинетику плавления металлизованных окатышей, состав шихты, выход жидкого металла, расход электроэнергии и другие показатели плавки.
Окисленность ванны. Как известно, содержание окислов железа в шлаке в окислительный период плавки определяется содержанием углерода в металле, режимом введения окислителей, температурой ванны и отчасти основностью шлаков. Ввиду сходства условий окислительного периода с периодом проплавления металлизованных окатышей можно ожидать, что окисленность шлаков здесь зависит от тех же параметров. На рис. 39 приведена зависимость между содержанием закиси железа в шлаке и углерода в металле для различных условий плавления шихты. Условия выплавки стали на ломе (1) и металлизованных окатышах (2-5) в печах различной емкости приведены ниже:
Для ориентировочной оценки переокисленности шлаков на рис. 39 нанесена расчетная кривая равновесного с углеродом содержания закиси железа в шлаке. В расчетах принято, что в области составов шлаков, характерных для периода плавления окатышей, коэффициент активности закиси железа γFeO=1,5.
Технология плавления шихты в 3- и 40-т электропечах была различной. В первом случае в завалку вводился чугун (до 20 %) и загрузка окатышей производилась в полностью жидкую ванну, во втором в завалку в качестве карбюризатора вводили электродный бой и непрерывную загрузку окатышей начинали при неполностью расплавленной шихте. Температура ванны на большинстве плавок в 40-т печи находилась в пределах 1480—1520 °С, т.е. была ниже обычно принятой для плавления окатышей. Характерным для этой серии плавок было повышенное содержание углерода в окатышах и жидком металле.
Несмотря на значительную разницу в составе применявшихся материалов, емкости печей, основности шлаков, технологии плавления, как следует из приведенных на рис. 39 данных, содержание закиси железа в шлаках практически одинаково. При содержании в металле более 0,2 % С оно, как правило, не превышает 20 %, при меньшем углероде окисленность шлаков возрастает, особенно в области содержаний менее 0,1 % С. Такое содержание углерода достигается без введения дополнительных окислителей в случае использования окатышей с низкой степенью металлизации и низким содержанием углерода. Как и при плавке лома, при плавлении окатышей окисленность шлаков превышает равновесную с углеродом ванны, что естественно, поскольку плавление с непрерывкой загрузкой окатышей ведется в условиях высокой интенсивности поступления кислорода в ванну. Например, интенсивность поступления кислорода с окатышами, имеющими степень металлизации 93 %, при скорости загрузки 30 кг/ (мин*МВт) составляет в начальный период примерно 0,5, в конце плавления 0,16 м3/ (т*мин), т.е. имеет один порядок с интенсивностью продувки ванны кислородом в окислительный период в печах большой емкости 0,2-0,5 м3/(т*мин).
Подобное же изменение содержания окислов железа в шлаках от содержания углерода в металле установлено в работе при плавлении окатышей в 6-т печи (средние значения приведены со стандартным отклонением):
Особенность технологии в данном случае заключалась в науглероживают ванны в период плавления путем вдувания в металл порошка кокса. Этим, по-видимому, следует объяснить несколько меньшее (в пересчете на закись железа) содержание окислов железа в шлаке по сравнению с данными рис. 39, хотя порядок величин один и тот же.
Приведенные данные свидетельствуют, что при принятой практике плавления окатышей с непрерывной загрузкой даже в случае использования материала с высоким содержанием окислов железа (низкой металлизацией), если содержание углерода в окатышах и жидкой ванне превышает потребное для восстановления количество углерода, значительного накопления окислов железа в шлаке не происходит, т.е. общий ход реакции обезуглероживания сходен с обезуглероживанием ванны присадками руды или других материалов в окислительный период при плавке лома.
Нагрев металла после расплавления шихты в период доводки протекав успешнее при интенсивном теплообмене в ванне, обеспечиваемом ее кипением. Поэтому при выплавке низкоуглеродистых сталей независимо от способа плавки (одношлаковым или двухшлаковым процессом) содержание углерода по расплавлении с точки зрения последующего нагрева металла должно на 0,1-0,3 % превышать содержание углерода в готовом металле. Имеется и другая причина ограничения нижнего предела содержания углерода по расплавлении - резкое снижение выхода жидкого в результате возрастания потерь железа со шлаками при малом содержании углерода к моменту частичного или полного обновления шлака. По указанным причинам расчет шихты и расплавление проводят так, чтобы в период плавления в металле содержалось не менее 0,2-0,3 % С. При этом в расчетах без большой погрешности можно принимать, что шлаки содержат примерно 15 % FeO.
При выплавке стали одношлаковым процессом важным показателем технологии является содержание кислорода в металле в момент начала раскисления. При плавке на ломе этот момент соответствует окончанию окислительного рафинирования, при плавке на окатышах (если не проЕо-дится дополнительное окисление ванны) - окончанию плавления окатышей. Другим показателем процесса плавления является содержание окислов железа в спускаемом шлаке, зависящее, помимо содержания углерода в металле, от активности окислов железа.
Анализ содержания кислорода в металле в конце периода плавления окатышей, приведенный в работе, показывает, что изменение содержания этого элемента в зависимости от концентрации углерода в металле подчиняется закономерностям, справедливым для окислительного периода плавки на ломе. Сравнительная оценка окисленности ванны при плавке в 85-т электропечи с использованием лома и окатышей выполнена Эльснером. Пробы металла и шлака отбирались: в конце периода плавления при работе на окатышах (основность Шлака поддерживалась примерно 1,7) и в окислительный период при работе на ломе (основность шлаков 3,5). Содержание общего кислорода в металле в зависимости от содержания углерода приведено на рис. 40. Все точки располагаются выше равновесной кривой ([С]х[О] = 0,0025), что характерно для процесса окислительного рафинирования. Содержание общего кислорода в металле имеет одинаковую область рассеяния и не различается по уровню.
Равное содержание кислорода при различной основности шлаков у рассматриваемых групп плавок объясняется особенностями изменения активности кислорода в шлаках с изменением основности. Как следует из рис. 41, максимум активности окислов железа в шлаке соответствует основности примерно 2,6 (кривая I). С уменьшением основности активность падает вследствие образования силикатов железа, так же как и с повышением - из-за образования ферритов кальция. На рисунке нанесены линии основности 3,5 (кривая II), соответствующая случаю плавки на ломе, и основности 1,7 (кривая III), соответствующая плавке металлизованных окатышей. Обе линии располагаются примерно на равном удалении от максимума активности окислов железа в шлаке, поэтому можно ожидать равной активности окислов железа при равном содержании FeO в шлаке; последнее, как было указано ранее (см. рис. 39), действительно имеет место для рассматриваемых случаев. Следовательно, если в период проплавления металлизованных окатышей поддерживается основность шлаков, близкая к 1,7, содержание кислорода в металле будет иметь ту же величину, что и в окислительный период плавки при шлаках повышенной основности.
Если по каким-либо причинам происходит рост основности, например из-за присадки значительного количества извести в конце периода плавления, возможно повышение активности закиси железа в шлаке и соответственно окисленности металла. Такое отклонение от режима нежелательно, если после расплавления сразу следует раскисление металла. Изменение содержания окислов железа в шлаках с изменением их основности и соответственно активности окислов железа отмечено в работе японских исследователей, изучавших условия плавления металлизованных окатышей в 3-т дуговой электропечи. При изменении отношения CaО/SiО2 минимум содержания железа общего в шлаках приходится на значение CaО/SiО2 = 1,8 (рис. 42). Если пересчитать этот показатель основности на B = (CaO + MgO)/(SiO2 + Al2O3), то указанный минимум примерно соответствует В = 2,6, т.е. совпадает с максимумом активности закиси железа по Туркдогану и Пирсону (см. рис. 41). С уменьшением и увеличением основности при одинаковом содержании углерода в расплаве, т.е. примерно равной окисленности металла, содержание окислов железа в шлаке возрастает.
С точки зрения минимизации потерь железа со шлаками периода плавления следовало бы к концу плавления иметь шлак с основностью, близкой к 2,5. Однако если принять во внимание увеличение в этом случае массы шлака и соответственно массы окислов железа в шлаке, а также дополнительный расход извести и электроэнергии, то следует признать, что такой путь снижения потерь железа не является оптимальным.
Содержание углерода в металлизованных материалах. Для поддержания требуемой интенсивности тепло- и массообмена в ванне в период непрерывного проплавления металлизованных окатышей необходимо, чтобы они содержали оптимальные с точки зрения развития реакции обезуглероживания количества кислорода и углерода. Металлизованные материалы всегда имеют недовосстановленные окислы железа, количество которых может изменяться в довольно широких пределах и служит одним из важнейших показателей процесса прямого восстановления. За исходную характеристику качества губчатого железа обычно принимается содержание кислорода, а содержание углерода рассматривается как производная.
В ранней работе по выплавке стали с непрерывным проплавлением окатышей было отмечено, что оптимальным с точки зрения производительности является содержание кислорода 0,9 %, соответствующее степени металлизации 96-97 %. При более низком содержании кислорода из-за ухудшения теплопередачи плавление замедлялось, при чрезмерно высоком имело место бурное кипение, неблагоприятно сказывающееся на устойчивости горения дуги.
Маккалум и Петерс на основании обобщения данных других авторов и собственных исследований выплавки стали с применением брикетов ФИОР указывают, что степень металлизации железа прямого восстановления для выплавки стали должна быть не менее 93 % при сбалансированном содержании углерода. Под последним авторы понимают количество углерода (по стехиомерии), требуемое для восстановления окислов железа окатышей с окислением углерода до CO. Для сбалансированного состава металлизованных материалов часто принимают XСок/XО2ок = 0,75,. что, как будет показано ниже, является приближенной оценкой и относится только к характеристике губчатого железа, а не к условиям его плавления. При XСок/XО2ок ≤ 0,75 окатыши переокислены относительно содержащегося в них углерода, при XСок/XО2ок ≥ 0,75 они недоокислены, т.е. содержат некоторый избыток углерода.
Авторы работы указывают, что наличие достаточно высокого содержания углерода и кислорода в металлизованных материалах способствует образованию пенистого шлака в результате интенсивного выделения CO и стабилизации пены мелкими твердыми частицами сажи. Минимальное, исходя из необходимости поддержания в период плавления пенистых шлаков, содержание углерода должно быть более 0,6 %. Сходная точка зрения в отношении степени металлизации и содержания углерода в губчатом железе высказывается в работах. Суть ее сводится к тому, что металлизация должна быть выше 93 %, а содержание углерода более 0,6 %. Этим требованиям примерно соответствуют металлизованные окатыши, используемые в действующих цехах (в скобках - средние значения):
Имеются исключения из общепринятых требований к составу металлизованных материалов по углероду и кислороду, обусловленные спецификой процессов прямого восстановления.
Металлизованный продукт, используемый в электросталеплавильных цехах в Мексике, полученный способом Охалата и Ламина, имеет пониженную металлизацию (85 %) и повышенное содержание углерода (2,2 %). Такой состав, выбранный в результате выполненных фирмой исследований, обусловлен особенностями процесса восстановления, плавки и экономическими соображениями. Окатыши указанного состава в наибольшей степени соответствуют техническим возможностям электросталеплавильных цехов, где выплавляется в основном сталь с 0,1-0,2 % С без применения кислорода. При повышенном содержании углерода, свойственном ХиЛ-процессу, увеличение металлизации должно было бы привести к росту длительности плавки из-за увеличения затрат времени на обезуглероживание. В данном случае расходы на довосстановление окислов железа окатышей углеродом в процессе плавки, ухудшающие ее показатели, перекрываются экономией, получаемой при прямом восстановлении. Общий эффект обусловлен еще и тем, что в условиях Мексики привозной лом дороже местных металлизованных окатышей.
В работе отмечается, что степень металлизации (содержание окислов железа) окатышей сказывается на консистенции шлаков в период плавления. При очень низкой металлизации они становятся чрезмерно жидкими и плохо экранируют дуги, при высокой - густыми. Такое изменение жидкотекучести шлаков обусловлено снижением в них содержания закиси железа при возрастании степени металлизации губчатого железа.
Недостаток или избыток углерода в металлизованных материалах может компенсироваться введением в ванну кислорода или карбюризаторов (в шихту, в ванну). Кислород в период плавления окатышей вводят в случаях повышенного содержания углерода в металле, отсутствия или низкой интенсивности кипения ванны как из-за малой окисленности шлака при пониженном содержании кислорода в окатышах, так и из-за низкого содержания углерода в металле (в окатышах). Последнее характерно для применения металлизованных материалов из вращающихся печей без добавок карбюризатора в шихту. Введением кислорода здесь преследуется цель улучшения условий службы футеровки в результате некоторого вспенивания шлака и увеличения скорости плавления. Иногда сочетают введение кислорода и карбюризатора
На заводе в Бенони (Южная Африка) для выплавки стали использовали металлизованный продукт, содержащий примерно 2,5 % O2 и 0,30 % С, т.е. несбалансированный по углероду. Применяемая технология характерна тем, что недостающий углерод в виде антрацита вводился непрерывно в ванну в период плавления в количестве, значительно превышающем требуемое для науглероживания стали, одновременно вводилось до 30 м3/т кислорода. Это позволило улучшить стойкость футеровки, увеличить скорость плавления и снизить расход электроэнергии.
На заводе "Сибэлектросталь" требуемое для восстановления окислов железа количество углерода вводили, загружая непрерывно с окатышами коксик.
Дефицит кислорода в окатышах отмечался в отдельных партиях металлизованных материалов (1,7-1,8 % O2; 1,8-2,0% С), применявшихся при выплавке высокоуглеродистой стали в 40-т печи на заводе "Днепроспецсталь". Практически это проявлялось в очень низкой интенсивности кипения ванны, хотя содержание углерода в окатышах и жидком металле превышало 1,5 %. Периодическое введение кислорода на границу раздела шлак - металл для повышения окисленности шлака устраняло этот недостаток.
Для уточнения требований к содержанию углерода в металлизованных материалах рассмотрим баланс этого элемента в ванне. Абстрагируясь от кинетики плавления, можно принять, что углерод металлизованных окатышей частично расходуется на восстановление окислов железа, содержащихся в них, за вычетом окислов железа, находящихся в равновесии с углеродом кипящей ванны, а частично переходит в жидкий металл. Это выражается уравнением
где XСэкв ок - так называемое эквивалентное содержание углерода в металлизованных окатышах, второй член правой части уравнения - углерод, эквивалентный восстанавливаемой закиси железа. Эквивалентное содержание характеризует количество углерода не единицу массы губчатого железа, поступающего в жидкий металл. Подставляя в выражение (46) вместо XFeO ок и mш соответствующие выражения из (1) и (39), после преобразований получим
где коэффициенты 12/53 и 12/69 приняты, исходя из формулы закиси железа Fe0,947O.
Если не учитывать углерод, расходуемый на восстановление, то можно записать баланс углерода в ванне при загрузке в нес окатышей массой Мок следующим образом
откуда
Уравнение такого вида использовано в работе для прогнозирования содержания углерода в ванне в конце периода плавления, причем значения ХСэкв ок/Мж.м.кон для конкретных условий опытов приведены как функция исходного содержания углерода. Наряду с детерминированными (49) для прогнозирования углерода применяются и статистические модели.
Уравнение (49) может быть использовано и для экспериментальной оценки эквивалентного содержания углерода в окатышах при известных исходных и конечных ХС, Мж.м.
В серии опытных плавок подшипниковой стали в 40-т дуговой печи на шихте, включавшей 40 % металлизованных окатышей (87,1 Feобщ 2 % С: 8,2 % пустой породы: Bок = 0,13; φок = 90,5 %), экспериментально получено ХСэкв ок = 0,54±0,1 (значение средней с ошибкой в одно среднеквадратичное отклонение). Эквивалентное содержание углерода в окатышах, рассчитанное для тех же плавок по формуле (47), составило 0,61 %, т.е. было близко экспериментальному.
Проанализируем выражение для вычисления эквивалентного углерода (47). Второй член правой части уравнения отражает количество углерода, требуемого для восстановления всех окислов железа окатышей, третий углерода, эквивалентного окислам железа шлака. Эквивалентное содержание углерода зависит от состава окатышей, принятой основности шлаков и содержания в них закиси железа; последнее при содержании в металле более 0,2-0,3 % С, характерном для периода плавления окатышей, может быть принято постоянным.
На рис. 43 приведено расчетное изменение ХСэкв ок от относительного количества окислов железа в окатышах (степени металлизации) для двух типичных сортов железа прямого восстановления - с низким и высоким содержанием пустой породы. Содержание окислов железа и основность шлака приняты постоянными: 15 и 1,7 % соответственно.
С уменьшением степени металлизации эквивалентное содержание углерода снижается. Влияние количества шлака или пустой породы окатышей проявляется в смещении на постоянную величину в сторону увеличения эквивалентного содержания углерода. С ростом содержания пустой породы эквивалентный углерод возрастает, так как с увеличением количества шлака возрастает масса окислов железа в нем и соответственно уменьшается масса окислов железа восстанавливаемых углеродом. Для рассматриваемых составов прирост эквивалентного содержания углерода за счет перехода окислов железа в шлак составляет 0,25 и 0,45 %. На величину такого порядка будет завышено требуемое содержание углерода в окатышах, если при расчете во внимание принята только степень металлизации.
Отрицательное содержание эквивалентного углерода означает, что металлизованные окатыши несбалансированы по углероду — потребность его на восстановление окислов железа превышает фактическое содержание. Дефицит углерода в этом случае должен покрываться за счет углерода ванны.
Очевидно, что для сбалансированного по углероду металлизованного материала XСэкв ок = 0, тогда из выражений (47) и (2) получим отношение углерода к кислороду:
Из выражения (50) следует, что для сбалансированных по углероду окатышей рассматриваемое отношение зависит не только от состава окатышей, но и от шлакового режима периода плавления. Величина его несколько меньше, чем обычно принимаемая ХСос/Х82к = 0,75.
В табл. 13 приведены фактические и вычисленные по формуле (50) значения ХСок/ХО2ок для губчатого железа различных заводов. За исключением опытов, проводившихся фирмой "Бритиш стил", применяемое металлизованное сырье сбалансировано по углероду, хотя фактическое ХСок/ХО2ок в некоторых случаях меньше 0,75. Эквивалентное содержание углерода окатышей, используемых в Гамбурге, Контрекере, Джорджтауне, невелико: 0,1-0,25 %. В этих цехах, выплавляющих большей частью низко- и среднеуглеродистые стали, такое содержание углерода оказывается достаточным для производства сталей основного сортамента.
Регулирование содержания углерода. Известный и постоянный состав металлизованного сырья в сочетании с технологией плавления его в жидкой ванне позволяет достаточно точно регулировать содержание углерода по расплавлении как составом шихты (содержанием углерода в окатышах, введением карбюризатора в завалку), так и путем продувки ванны кислородом или вдувания карбюризатора по ходу плавления шихты.
Содержание углерода по расплавлении шихты, включающей лом и окатыши, может быть рассчитано, исходя из соотношения этих компонентов в шихте, выхода жидкого металла и эквивалентных содержаний углерода в материалах.
Баланс углерода без учета вводимых в шихту карбюризаторов имеет вид
Рассмотрим изменение углерода при изменении относительного количества металлизованных окатышей в шихте χ. Из принятых определений следует
Выход жидкого из шихты можно принять пропорциональным выходу жидкого из составляющих и их количеству:
Подставляя в (51) соответствующие значения из (53)-(55), после преобразования получаем
В выражении (56) числитель и знаменатель представляют уравнения прямых в координатах ХСэкв ших - χ, ψших-χ.
Ввиду близких значений выхода жидкого металла из пома и окатышей величина знаменателя с ростом X от 0 до 100 изменяется обычно в пределах 3-10 %. Величина числителя колеблется в более широких пределах, определяемых соотношением между ХСэкв ок и ХСэкв л (последнее может быть принято равным содержанию углерода в ломе: XСл). Судя по виду формулы (56), содержание углерода в жидком металле должно нелинейно изменяться с изменением χ, однако, учитывая малые изменения величины знаменателя, в практических расчетах зависимость Xж.мС = f (χ) может быть принята линейной:
где XCж.м(л) и ХСж.м(ок) - содержание углерода в жидком металле при 100 % лома и окатышей в шихте соответственно.
С увеличением относительного количества губчатого железа в шихте содержание углерода по расплавлении будет возрастать, если ХСж.м(ок) ≥ XCж.м(л), и убывать, если ХСж.м(ок)≤XCж.м(л) Применительно к одной плавке последовательные стадии плавления окатышей можно рассматривать как плавки с увеличивающимся от 0 до λ относительным количеством окатышей. Поэтому изменение содержания углерода в ванне по ходу плавления окатышей имеет характер, сходный с рассмотренной выше зависимостью, однако нелинейность в этом случае выражена более резко и не считаться с ней уже нельзя.
Исходя из заданного содержания углерода в металле по расплавлении, по формулам (56) и (47) можно рассчитать необходимое количество карбюризатора в завалке или объем кислорода для дополнительного обезуглероживания ванны. Обычно результаты таких расчетов представляют в виде номограмм, подобных представленной на рис. 44.
Номограмма рассчитана для лома среднего качества (3 % Fe2O3, 2 % посторонних примесей) и окатышей из концентрата с содержанием железа 69,5 %. Усвоение углерода кокса принято 50 %, кислорода, вдуваемого в ванну, 100 %. По оси ординат правого поля номограммы нанесено эффективное содержание углерода ХСэф ших = ХСэкв ших/ψших.
При выплавке низко- и среднеуглеродистых сталей содержание углерода в ванне по расплавлении желательно иметь не ниже 0,2-0,3 %. Дальнейшее обезуглероживание ванны в случае необходимости целесообразно вести после частичного удаления шлака с тем, чтобы избежать неоправданных потерь железа из-за возрастания содержания окислов железа в шлаке при низком углероде.
Для рассматриваемых групп сталей при использовании в шихте 35-40 % лома, содержащего 0,3 % С, и окатышей со степенью металлизации 92-94 % содержание углерода в окатышах должно быть примерно 1,0-1,5%.
При выплавке высокоуглеродистых сталей с учетом использования кислорода при нагреве металла в доводку с удалением 0,1-0,2 % С содержание углерода по расплавлении должно быть 0,9-1,0 %. При шихте того же состава металлизованные окатыши должны содержать в этом случае 2,2-2,4 % С.
Существующие методы прямого восстановления, исключая ХиЛ-процесс, без специальных мероприятий пока не гарантируют устойчивое получение в металлизованных материалах указанного углерода. Одним из возможных путей обеспечения требуемого содержания углерода в шихте является введение карбюризаторов в завалку.
На рис. 45 приведена зависимость между количеством углерода карбюризаторов в завалке и содержанием его по расплавлении при выплавке конструкционной и подшипниковой стали в 40-т дуговой печи. Высокий коэффициент корреляции свидетельствует о возможности достаточно точно регулировать содержание углерода изменением состава шихты. При наличии избыточного углерода в шихте введение кислорода в жидкую ванну в период плавления в требуемом для окисления этого избытка количестве позволяет даже при изменяющемся качестве лома получать по расплавлении содержание углерода с отклонением ±0,05 % от заданного Продувка кислородом в этом случае имеет цель лишь регулирования содержания углерода.
Недостаток углерода в шихте может быть компенсирован введением карбюризатора в ванну и в процессе проплавления окатышей. Например, присадка кокса на шлак увеличивает использование углерода губчатого железа, однако осложняет дефосфорацию. Такой прием использовался при плавке окатышей с металлизацией 70-95 % на заводе "Сибэлектросталь". Это обеспечивало получение по расплавлении содержания углерода в металле 2 % и более.
Эффективный прием регулирования содержания углерода — вдувание его в жидкий металл. На рис. 46 приведена динамика изменения состава металла и шлака при плавлении металлизованных окатышей и науглероживании вдуванием порошков в 3-т дуговой печи при использовании в шихте 70-80 % окатышей. Продувку вели через рабочее окно нефутерованными трубками диаметром 9,5 мм с приваренной на выходном конце трубой диаметром 19 мм, загнутой под углом 60-70°. Как показали опыты, сочетание пылевода малого сечения с погружаемой в металл трубой большого сечения исключало его забивание и создавало благоприятные условия для усвоения углерода металлом. Из опробованных материалов (серого и черного графита, смеси коксика с антрацитом) лучшие результаты получены при использовании последней смеси. Степень усвоения углерода зависела от его начального содержания в металле: при 0,1-0,8 % С она составляла в среднем 85 %, при меньшем содержании -до 50 %. Каких-либо затруднений при продувке низкоуглеродистого металла, обусловленных вскипанием ванны, не отмечено. Периодическая продувка ванны позволила проводить в период плавления как науглероживание, так и дефосфорацию.
Скорость обезуглероживания. Скорость обезуглероживания в период плавления металлизованных окатышей - один из важнейших параметров процесса. Ее влияние сказывается на теплотехнических (скорость плавления) и технологических (содержание водорода и азота в металле) показателях плавки и конструкции печной установки (мощность газоотсоса и отчасти размер кожуха печи).
Так как плавление окатышей и обезуглероживание металла совмещены, а масса металла в печи по ходу периода плавления изменяется, методика оценки скорости выгорания углерода по изменению содержания его в металле за известный отрезок времени здесь малопригодна. В этом случае не учитывается обезуглероживание при плавлении окатышей, а вычисленный показатель отражает скорее изменение углерода, обусловленное разбавлением ванны поступающим из окатышей железом.
Применительно к плавлению металлизованных материалов скорость обезуглероживания рассчитывается с учетом содержания углерода в расплавляемой шихте и изменения массы металла.
Если окатыши загружаются с постоянной скоростью в жидкую ванну, полученную в результате проплавления лома, то изменение массы жидкого металла в ванне по ходу плавления окатышей выражается
τпл ок - длительность проплавления окатышей; т - время от начала загрузки окатышей.
Масса углерода окатышей, окисляющаяся в единицу времени, в этом случае является показателем абсолютной скорости обезуглероживания (т/ч, кг/ч):
При одинаковой удельной мощности трансформатора и равной доле окатышей в шихте абсолютная скорость возрастает с емкостью агрегата.
Относя абсолютную скорость к текущему значению массы металла, получим показатель мгновенной относительной скорости обезуглероживания (% в единицу времени), подобный обычно применяемому при плавке лома:
На рис. 47 приведено расчетное изменение относительной скорости обезуглероживания в период плавления окатышей. В расчетах принято: χ = 65 %, содержание пустой породы 6,2 % τпл ок = 80 мин, последнее соответствует примерно электропечам с удельной мощностью трансформатора 400-500 кВ*А/т. Содержание углерода в окатышах принято, исходя из сбалансированности их по углероду при ХСэкв ок = 0,3 %. Из приведенных данных следует, что по мере увеличения массы жидкого металла в ванне относительная скорость обезуглероживания уменьшается более чем в два раза, абсолютная же скорость, вычисленная по формуле (60), например, при Мших = 110 т, остается постоянной 14,1; 10,7; 7,1 кг С/мин при степени металлизации 90, 92, 94 % соответственно.
Для глубокой дегазации ванны важно, чтобы средняя скорость обезуглероживания во второй половине периода плавления была не менее чем в окислительный период при плавке не ломе.
Для оценки средней скорости можно воспользоваться известным понятием среднего значения функции (UΔС) на отрезке (от τ1 до τ2). Интегрируя по τ выражение (61) и деля его на величину интервала, получим
Для приведенного на рис. 47 примера средняя скорость обезуглероживания во второй половине плавления окатышей составляет: 0,018; 0,013; 0,009 % С/мин (при степени металлизации 90, 92, 94 %), т.е. имеет тот же порядок, что и в окислительный период плавки: 0,005-0,015 % С/мин. Факторами, благоприятствующими дегазации ванны при плавлении окатышей, помимо достаточно высокой скорости обезуглероживания, являются: большое количество окисляемого углерода, достигающее в пересчете на массу плавки 0,5-1,0 %, пониженная основность и повышенное количество шлака, уменьшающие скорость поглощения газов из атмосферы печи.
Ни рис. 48 приведена полученная экспериментально зависимость скорости обезуглероживания от содержания углерода и температуры металла в 120-т дуговой электропечи при загрузке в нее 15 % брикетов ФИОР со степенью металлизации 93,8 % и содержанием углерода 0,21 %. В данном случае эквивалентное содержание углерода в брикетах было отрицательным, что наряду с малым количеством их в шихте позволило оценить среднюю скорость выгорания углерода по начальному и конечному содержанию его в металле.
Снижение скорости обезуглероживания в области начальных содержаний углерода. 0,2-0,6 % объясняется повышением содержания окислов железа в шлаках, что ведет к увеличению ХСэкв ок и снижению UΔС(отн) (62). В области содержаний углерода более 0,6 скорость имеет порядок, указанный выше: 0,01-0,02 % С/мин, возрастая с температурой.
Для определения мощности системы отсоса газов из печи скорость обезуглероживания имеет принципиальное значение. При интенсивной продувке кислородом в окислительный период она может достигать 0,02-0,03 % С/мин. При плавке окатышей интенсивность газовыделения даже в случае пониженной металлизации губчатого железа или применения кислорода в умеренных количествах имеет один порядок с газовыделением при продувке кислородом в окислительный период. Следовательно, применение металлизованных материалов в шихте не требует увеличения мощности системы газоотсоса, если последняя рассчитана на высокую [0,3-0,5 м3/(т*мин)] интенсивность продувки.
Как низкая, так и чрезмерно высокая скорости обезуглероживания могут лимитировать скорость плавления окатышей. В первом случае, как было показано ранее, это связано с малой интенсивностью теплопередачи в ванне, во втором — с очень бурным газовыделением, подъемом металла выше порога печи, нестабильным горением дуг в результате резких колебаний уровня металла, т.е. переходом процесса в неуправляемый режим. Резкие вскипания ванны возможны и при плавлении лома или в окислительный период, однако они кратковременны и являются отклонениями от нормального хода процесса. Если загрузка окатышей сопровождается чрезмерно бурным кипением ванны, необходимо снизить скорость загрузки и соответственно подводимую мощность, чтобы уменьшить интенсивность газовыделения. Мощность трансформатора при этом будет использоваться неполностью. Возможен и другой путь — резкое увеличение скорости загрузки, приводящее к подстуживанию металла, переходу в режим плавления с накоплением окатышей в ванне и уменьшению скорости газовыделения, однако при этом снижается скорость плавления и не исключаются вскипания ванны при доплавлении накопившихся окатышей.
Оптимальная скорость обезуглероживания (при которой процесс остается управляем), отнесенная к площади ванны в подовых печах, работающих без применения кислорода, по данным немецких исследователей, составляет примерно 30-35 кг С/ (м2*ч).
Характер кипения ванны, как было показано выше, зависит от многих факторов: содержания углерода и кислорода в окатышах, их плотности, температуры металла и др., поэтому значения критической скорости могут заметно изменяться. Применительно к плавлению металлизованных окатышей указанное значение скорости подтверждено в опытах, проведенных в 60-т дуговой печи с трансформатором 28,5/34 MB*A на заводе фирмы "Рёренверке" в Боусе (ФРГ), причем отмечено, что установление этой критической границы до сих пор производится интуитивно.
Помимо указанных выше затруднений ведения плавки в области скоростей выше критической, имеет место повышенная тепловая нагрузка на верхнюю часть футеровки печи. Предельная скорость окисления углерода жидкого металла с участием шлака, по мнению В.И. Явойского, определяется ограниченной интенсивностью снабжения кислородом фронта реакции обезуглероживания. Продувка ванны кислородом в отличие от поступления его из шлаковой фазы приводит к значительному возрастанию поверхности, на которой идет окисление углерода, и тем самым к росту скорости. Для агрегата данной емкости удельная скорость обезуглероживания зависит от состава окатышей, скорости их загрузки, максимальное удельное значение которой для холодных окатышей, проплавляемых без применения кислорода, составляет 30-32 кг/(мин*МВт), и площади ванны. Приняв UΔС(абс) = 30 кг С/(м2*ч), можно рассчитать предельное соотношение между размером кожуха и мощностью трансформатора дуговых электропечей, работающих с применением в шихте окатышей с различной степенью металлизации, используя формулу
где ω — удельная скорость загрузки, кг/(мин-МВт); Nтр — кажущаяся мощность трансформатора, MB*А; kисп — коэффициент использования трансформатора; Dкож — диаметр кожуха, м; Δ — толщина стен печи, м.
На рис. 49 приведены результаты таких расчетов (кривые) и нанесены фактические размеры кожухов в зависимости от мощности трансформаторов ряда действующих и сооружаемых печей (точки).
По условию работы в области скоростей обезуглероживания, меньших 30 кг С/(м2*ч), фактические размеры кожуха должны быть больше расчетных при соответствующей степени металлизации и содержании пустой породы окатышей.
Для зарубежных печей, использующих в основном губчатое железо с содержанием 3,5 % пустой породы, нижняя граница металлизации составляет примерно 93 %. Повышение содержания пустой породы до 6,2 % снижает эту границу до 92 %. С повышением удельной мощности печного трансформатора (кВ*А/т) или емкости печи при той же удельной мощности требования к металлизации используемых окатышей, исходя из возможности достижения критической скорости обезуглероживания, ужесточаются. В этом отношении печи сверхвысокой мощности менее универсальны в отношении металлизованного сырья, чем обычные печи, т.е. для полного использования мощности трансформатора первых печей требуется лучшее качество окатышей, чем для вторых.
Из рис. 49 следует также, что в случае соблюдения требований к металлизации железа прямого восстановления размер кожуха печи для плавления окатышей может не отличаться от размера кожуха печи для плавки лома.
Опыт обезуглероживания ванны продувкой кислородом свидетельствует, что скорости обезуглероживания в этом случае значительно превышают 30—35 кг С/(м2*ч). Например, в 100-т электропечах с площадью ванны примерно 22 м2 при интенсивности продувки в окислительный период 2000-2500 м3/ч удельная скорость окисления углерода составляет 50-80 кг/(м2*ч).
В случае применения кислорода в период плавления окатышей с целью дополнительного обезуглероживания ванны и интенсификации плавления суммарная удельная скорость может быть выше критической для случая плавления только окатышей. По нашей оценке, в опытах, проводившихся в Албасердаме (Нидерланды) и Темплборо (Англия), скорость окисления углерода была, кг/ (м2*ч):
Данный пример подтверждает положение о том, что понятие критическая скорость обезуглероживания при плавлении металлизованных материалов относится только к окислению углерода за счет окислов железа этих материалов.