» » Кислородно-конверторный процесс
04.02.2015

Появление на мировом рынке в возрастающих количествах металлизованного сырья привлекло к нему внимание и как к возможному заменителю скрапа в кислородно-конверторном процессе. Непрерывное увеличение масштабов применения непрерывного литья стали влечет за собой постепенное сокращение количества прокатной обрези - высококачественного скрапа. Кроме того, ухудшается и по прогнозам будет продолжать ухудшаться положение с покупным скрапом при одновременном снижении его качества и увеличении загрязненности вредными примесями. Как известно, вместо скрапа в конверторном процессе в качестве чистого охладителя может применяться руда. Она содержит небольшие количества вредных примесей, однородна по химическому составу. Ho вследствие ее высокого охлаждающего эффекта и низкого содержания в ней железа применение руды вызывает увеличение расхода чугуна, а с технологической точки зрения - увеличение вероятности выбросов и снижения выхода годного. Эти обстоятельства и обусловили интерес к металлизованному сырью как возможному охладителю в кислородно-конверторном процессе. Исследования по изучению особенностей и эффективности применения металлизованного сырья в кислородно-конверторном производстве были проведены в основном в ФРГ и Англии. Наиболее полные и всесторонние исследования были проведены фирмой "Август Тиссен" с использованием в качестве охладителя 70 тыс.т металлизованного сырья, полученного на установке Пурофер в Оберхаузе-не из окатышей и кусковой руды с последующим брикетированием и без него.
На заводах фирмы имеются три кислородно-конверторных цеха: в Брукхаузене - два конвертора по 380 т, в Бекерверте - три конвертора по 260 т и в Руорте - четыре конвертора по 120 т. Потребляемый в этих цехах чугун в среднем содержит 4,4 % С; 0,6 % Si; 0,6 % Mn; 0,15 % P и 0,012 % S. Обычно на тонну стали присаживается около 300 кг металлических добавок, в том числе 150 кг хорошей прокатной обрези, 30 кг чугунного лома или гранулированного чугуна и остальное в основном привозной скрап при небольшом количестве руды для корректировки температуры.
С расширением масштабов применения на заводах фирмы непрерывного литья стали предполагается, что количество оборотного скрапа уменьшится до 100 кг. В связи с этим одной из целей проведенного исследования было изучение возможности замены 50 кг на тонну стали оборотного скрапа на губчатое железо. Интерес представляла также группа вопросов, касающихся изучения возможностей дальнейшего снижения содержания серы и других вредных примесей в таких сталях, как электротехнические, шарикоподшипниковые, высокопрочные конструкционные, трубные и стали для глубокой вытяжки, в том числе возможностей удержания содержания серы в стали на том же особо низком уровне, что и в чугуне после внедоменной десульфуризации.
Фракционный состав применявшегося металлизованного сырья показан на рис. 95, из которого следует, что основное количество окатышей имело размеры от 8 до 16 мм, кусковой металлизованной руды - от 10 до 40 мм и брикетов - свыше 50 мм. В процессе транспортировки металлизованное сырье подвергалось трехкратным перегрузкам с образованием дополнительного количества мелочи. Как видно из рис. 95, количество фракции размером менее 6,3 мм было минимальным (около 2 %) у брикетов, возрастало до 3 % у окатышей и существенно (до 6 %) увеличивалось у кускового сырья. Сопоставление пористости и кажущейся плотности всех видов применяющегося сырья показало, что если для окатышей и кускового сырья эти величины колебались примерно в одних и тех же пределах (пористость от 45 до 55 % и кажущаяся плотность от 3 до 4 г/см3), то для брикетов они заметно отличались: пористость уменьшалась до 18-28 % и кажущаяся плотность возрастала до 5,0-5,7 г/см3. В результате насыпная масса увеличилась до 3 т/м3, т.е. более высоких значений, чем имеют большинство сортов рыночного скрапа.
Кислородно-конверторный процесс

Химический состав применявшихся сортов металлизованного сырья (А - Е) приведен ниже, %:
Кислородно-конверторный процесс

При брикетировании химический состав сырья не изменялся. В соответствии с тем, что химический состав загружавшегося в установку Пурофер сырья колебался в довольно широких пределах, различным он был и для разных сортов полученного губчатого железа. Общим для всех сортов было низкое содержание цветных примесей, серы и азота. Содержания кислорода, колебавшегося в пределах от 1,4 до 3,3 %, во всех случаях было достаточно для окисления имевшегося в железе углерода.
Кислородно-конверторный процесс

Содержание пустой породы в сырье колебалось в очень широких пределах, в частности наиболее нежелательной ее составляющей кремнезема -от 0,92 до 7,60 %. На рис. 96 сопоставлено поступление кремнезема в шлак из различных источников и при различном его содержании в металлизованном сырье. Как видно, только при содержании кремнезема в губчатом железе около 1 % поступление его в шлак сопоставимо с тем, которое имеет место при использовании обычных охладителей (50 % прокатной обрези и 50 % привозного скрапа). При содержании в губчатом железе около 6 % кремнезема поступление его в шлак возрастает в два раза по сравнению с обычной практикой, что, естественно, влечет за собой соответствующее увеличение присадок извести в конвертор и количества шлака.
Кислородно-конверторный процесс

На рис. 97 показано изменение количества присаживаемой извести, количества шлака и потерь железа со шлаком при заданной основности (CaО/SiО2 = 3,5) в зависимости от содержания кремнезема в губчаюм железе Как видно, увеличение в нем кремнезема на каждый процент сверх 1 % влечет за собой возрастание присадок извести на 40 кг, количества шлака на 64 кг и потерь железа на 11,5 кг по отношению к 1 т присаженного губчатого железа.
Другой важный фактор, который следует учитывать при применении губчатого железа в конверторном процессе. Расчет, произведенный с учетом как физической, так и химической составляющих этою эффекта, показал, что при конечной температуре процесса 1600 °С отношение охлаждающею эффекта губчатого железа к охлаждающему эффекту прокатной обрези. взятому для сравнения, колеблется для различных сортов губчатого железа от 1.1 по 1.25 При этом не учтен дополнительный эффект от увеличенных добавок извести, обусловленных отмеченным выше большим поступлением кремнезема в шлак из губчатого железа. С учетом этого к приведенным величинам необходимо добавлять 0,06 на каждый процент кремнезема, если основность шлака принимается равной 3,5. Существенное влияние на тепловой баланс процесса оказывает степень металлизации губчатого железа. В конечном итоге для получения заданного содержания углерода в металле к выпуску плавки и его температуры необходимо свести к минимуму колебания всех составляющих губчатого железа, оказывающих заметное охлаждающее влияние.
Кислородно-конверторный процесс

В случае замены частично или полностью прокатной обрези, привозного скрапа или руды на губчатое железо в расчет следует, естественно, принимать не только изменение охлаждающего эффекта, но также изменения в количестве чугуна и извести. В конечном итоге коэффициент замены любого из этих материалов на губчатое железо зависит от содержания в них железа и углерода, концентрации неметаллической составляющей и ее химического состава, а также охлаждающего эффекта в сравнении с типовым при использовании прокатной обрези. Расчетные шихтовки для различных случаев приведены в табл. 26 и на рис. 98. Использование приведенных данных позволяет, к примеру, установить, что если необходимо использовать на 1 т жидкой стали 100 кг губчатого железа с содержанием железа, кремнезема и серы, равным соответственно 94,2 и 0,005 %, и охлаждающим фактором, равным 1,15, то по сравнению с плавкой только на чугуне и скрапе необходимо уменьшить количество прокатной обрези на 116 кг, но увеличить количество чугуна на 22 кг и извести на 8 кг на 1 т жидкой стали. При этом количество шлака увеличится на 13 кг/т стали, а содержание серы, принимая основность шлака и коэффициент ее распределения неизменными, уменьшится на 0,001 %.
Кислородно-конверторный процесс

Если будет заменен не оборотный, а привозной скрап в том же соотношении, то необходимо количество скрапа уменьшить на 109 кг, количество чугуна, извести и шлака увеличить соответственно на 5,0; 1,5 и 2,0 кг/т жидкой стали. Содержание серы в стали в этом случае уменьшится на 0,005 %.
Наконец, при введении 100 кг губчатого железа с заменой на него руды необходимо уменьшить ее количество на 38 кг и чугуна 84 кг на 1 т стали. Количество извести и шлака, а также содержание серы в стали при этом остаются практически неизменными.
Исследования показали, что не имеет принципиального значения способ загрузки губчатого железа: через систему подачи сыпучих или совком. Однако в случае использования не брикетированного губчатого железа емкость бункеров в конверторных цехах оказывалась недостаточной, поэтому для использования в полной мере тракта подачи сыпучих необходима его реконструкция. В этом случае было бы возможно производить корректировку и массы, и температуры плавки комбинированным использованием губчатого железа и руды.
При использовании больших количеств губчатого железа пока что следует загружать его совками. В этом случае благодаря его высокой насыпной массе загрузка губчатого железа может быть произведена быстрее, чем привозного скрапа.
В начале испытаний губчатое железо загружалось до чугуна и скрапа. Однако при этом имели место случаи зарастания подины и велик был риск взрывов в случае повышенного содержания влаги в губчатом железе. Поэтому в дальнейшем его стали загружать после чугуна. При такой загрузке на ряде плавок имели место сильные выбросы пламени, на других плавках загрузка проходила спокойно. Причины этого явления не были изучены полностью, но предполагается, что в основном оно зависит от содержания в губчатом железе мелких фракций, влаги, окислов железа и углерода.
Каких-либо осложнений с процессом продувки или растворением губчатого железа при введении его до 100 кг на 1 т стали не возникало и применялась обычная технология ведения плавки. При использовании больших количеств губчатого железа, вплоть до полной замены на него скрапа, наилучшие результаты были получены при работе с высокоплотным, низкоуглеродистым с низким содержанием пустой породы и окислов железа губчатым железом. При использовании больших количеств железа с худшими значениями указанных показателей происходили периодические выбросы, что вынуждало изменять положение фурмы и снижать подачу кислорода.
При загрузке чрезмерно больших количеств губчатого железа наблюдались случаи неполного его растворения до конца плавки. При этом в случае использования металлизованных окатышей или руды на поверхности ванны образовывались "айсберги", а в случае использования брикетов с низкой плотностью наблюдали кипение ванны.
Таким образом, технология продувки должна быть все же скорректирована в соответствии с видом и количеством применяемого металлизованного сырья.
При условии полного растворения губчатого железа каких-либо заметных отличий в химическом составе и других характеристиках металла и шлака к выпуску плавки не наблюдалось.
Однако при введении даже небольших количеств губчатого железа (до 50 кг/т) через систему бункеров наблюдали довольно четко выраженный эффект "высушивания" шлака после его добавок, причем чем позднее производили добавку, тем отчетливее проявлялся этот эффект. Количественным выражением эффекта являлось уменьшение содержания окислов железа в шлаке к выпуску плавки на 1-2 % по сравнению с обычными плавками.
Объясняется это явление, по-видимому, тем, что присадки губчатого железа вносят нарушения в процесс образования шлака, поскольку они влекут за собой снижение температуры. В принципе при достаточно высоком содержании вредных примесей в металле это может привести к ухудшению его качества, так как происходит уменьшение значений коэффициентов распределения вредных примесей между шлаком и металлом.
В тех случаях, когда губчатое железо загружалось совком в количестве даже до 100 кг/т стали, никаких изменений в поведении металла и шлака не наблюдали. При этом не имело значения, до или после заливки чугуна вводили губчатое железо.
При очень высоких количествах присаженного губчатого железа вплоть до полной замены скрапа на ряде плавок, в особенности в 300-т конверторах, наблюдали некоторое повышение содержания окислов железа в шлаке. Это может быть объяснено замедленным растворением спекшегося губчатого железа, в результате чего шлак к выпуску оказывается обогащенным окислами железа, а металл - углеродом.
На основании этих наблюдений можно полагать, что в губчатом железе желательно иметь низкое содержание углерода. При этом не будет необходимости в "передуве" плавок, который практически неизбежен, если принимать во внимание науглероживание металла растворяющимся в ванне губчатым железом в процессе выпуска плавки.
Специальные исследования были проведены в целью изучения возможности выплавки особонизкосернистой стали. Использовавшийся при этих исследованиях чугун подвергали глубокой десульфурации одним из трех методов: вдуванием карбида кальция, замешиванием карбида кальция или погружением кокса, пропитанного магнием.
Кислородно-конверторный процесс

На рис. 99 показано содержание серы к выпуску плавки в зависимости от содержания ее в чугуне при использовании металлической шихты различного состава: особонизкосернистого скрапа (содержание серы менее 0,007 %), руды, губчатого железа с содержанием серы 0,005-0,012 %, обычного привозного скрапа. Как видно, очень низкие содержания серы в готовом металле могут быть обеспечены при использовании низкосернистого губчатого железа.
На рис. 100 представлены расчетные зависимости содержания серы в металле к выпуску плавки от содержания ее в чугуне при использовании различных охладителей с разным содержанием серы. Из этого рисунка очевидно прежде всего то, что содержание серы в готовой стали ниже 0,005 % может быть получено только при условии такого же содержания ее в чугуне и при использовании в качестве охладителей руды, низкосернистого скрапа или губчатого железа. По мере повышения содержания серы в чугуне использование губчатого железа для получения низкого содержания серы в стали становится более предпочтительным. Это обусловлено тем, что руда, как отмечалось выше, при значительном охлаждающем эффекте вносит сравнительно небольшую долю железа в общий его баланс, т.е. является слабым разбавителем по отношению к чугуну.
Кислородно-конверторный процесс

Губчатое железо может, естественно, использоваться также и для корректировки конечной температуры стали путем присадки его в конвертор или в ковш. Предпочтительнее при этом также брикеты, которые меньше запутываются в шлаке.
Таким образом, проведенные в ФРГ исследования позволили установить, что использование губчатого железа в качестве заменителя скрапа в конверторной плавке в количестве до 100 кг/т стали вполне технически допустимо и не вызывает каких-либо специфических трудностей. Для 380-т конвертора это составило 40 т губчатого железа на плавку. Большие количества могут быть использованы только в том случае, если губчатое железо находится в виде плотных брикетов и содержит мало углерода и кислорода. Однако не исключено, что технологию плавки можно приспособить к использованию больших количеств и небрикетированного губчатого железа.
В настоящее время в конверторных цехах фирмы "Август Тиссен" губчатое железо используется постоянно, однако в связи с его недостатком только при выплавке особовысококачественных сталей с низким содержанием серы и других примесей.
Исследования, проведенные на 3-т опытном конверторе в Исследовательском центре фирмы "Крупп" в Эссене и на 100-т конверторе завода в Рейнхаузене той же фирмы, дали аналогичные результаты.
В 3-т конверторе были проведены 20 плавок по различным режимам и в 100-т конверторе 3 плавки по оптимальному режиму.
Использовалось губчатое железо, полученное в Мексике ХиЛ-процессом, содержавшее 70,3 % Feмет (φ=82,6 %); 1,3 % С; 0,38 % Р; 0,01 % S; 7,4 % ПП (в том числе 4,1 % SiO2). Пористость губчатого железа составляла 52 %, содержание фракции менее 3 мм 22,14 %.
Вариации технологии ведения плавки на 3-т конверторе сводились в основном к изменению времени присадки губчатого железа (на дно конвертора, в различных количествах по ходу продувки), а также извести. При этом было установлено, что в случае присадки губчатого железа фракции менее 3 мм по ходу продувки возрастает вынос пыли и увеличиваются потери железа. Поэтому для 100-т конвертора была принята технология, предусматривающая присадку до заливки чугуна 18 т губчатого железа фракции менее 4 мм и подачу по ходу продувки остального количества только более крупных фракций.
После загрузки губчатого железа заливали 99 т чугуна (4,18 % С; 0,82 % Si; 0,71 % Mn; 0,19 % Р; 0,023 % S) и присаживали 25 % от общего расхода извести. Остальное количество извести присаживали по ходу продувки вплоть до седьмой минуты. Расход кислорода составлял 260 м3/мин.
Расход губчатого Железа на экспериментальном конверторе составлял 23,1±1,8 % от массы чугуна и на 100-т конверторе 26,4 % при выходе железа 94,5 % (95,28 % на обычных плавках). Затруднений с дефосфорацией металла не возникало при соответствующей нейтрализации присадками извести кременезема, вводимого пустой породой губчатого железа. Конечное содержание фосфора в стали на плавках с губчатым железом составило 0,027 % и на обычных плавках 0,024 %. Десульфурация металлла протекала так же, как и в условиях обычной плавки. Установлено, что при плавке в экспериментальном конверторе для поддержания постоянной температуры металла необходимо присаживать 6-7 кг губчатого железа на 1 м3 вдуваемого кислорода. Для промышленного конвертора эти количества будут другими, однако результаты исследования, без сомнения, свидетельствуют о возможности гибкого регулирования температуры ванны присадками губчатого железа, в том числе с включением этого приема в систему динамического управления ходом плавки с использованием тракта сыпучих для его подачи.
При проведении исследований на заводе "Хеш" в Дортмунде (ФРГ) в 180-т конверторах было переработано 3000 т губчатого железа, полученного Мидрекс-процессом. При этом 15-20 т губчатого железа загружалось в конвертор совком до заливки чугуна и около 40 т - равномерно по ходу продувки со скоростью примерно 2,5 т/мин. Скрап в завалку практически не давался. Полученные результаты в основном совпадают с приведенными выше. Так же был отмечен более высокий охлаждающий эффект губчатого железа по отношению к скрапу, составивший по расчету 1,16 и фактически 1,2. Соответственно в первый период продувки температура ванны была более низкой, чем при использовании скрапа, что влекло за собой ускорение окисления марганца и фосфора чугуна. Распределение серы между шлаком и металлом было менее благоприятным. Однако конечное содержание фосфора в металле было все же более высоким, чем на обычных плавках, вследствие более низкого содержания окислов железа в конечных шлаках при использовании губчатого железа и, напротив, конечное содержание серы в металле было более низким вследствие более низкого его содержания в губчатом железе, чем в скрапе. Определение влияния на поведение этих примесей оказало, видимо, и то, что на опытных плавках не применялся плавиковый шпат из-за сильного вспенивания шлака в начале плавки. Поэтому, очевидно, конечные шлаки были менее жидкоподвижными. Стойкость футеровки конвертора, по наблюдениям, не изменялась.
Таким образом, можно констатировать, что так же как и в электроплавке, применение металлизованного сырья в кислородно-конверторном процессе может быть достаточно эффективным при определенных условиях. Учитывая сокращение объемов мартеновского производства и высвобождение в связи с этим значительного объема скрапа, который необходимо будет переплавлять в других агрегатах, а также относительно высокие цены на металлизованное сырье, в ближайшей перспективе нет оснований ожидать потребления в кислородно-конверторном производстве значительных количеств металлизованного сырья. Ho при выплавке сталей, требующих низкого содержания цветных примесей и азота, а также низкого содержания серы и фосфора, применение металлизованного сырья будет достаточно эффективным, а в ряде случаев явится большим резервом дальнейшего повышения качества стали.