» » Технологические особенности процесса комбинированной продувки
15.01.2015

Сущность процессов с комбинированной продувкой сводится к следующему. При подаче определенного количества газов через днище в результате интенсификации перемешивания ванны сокращается время полного смешения, т.е. продолжительность выравнивания состава и температуры ванны; по этому показателю комбинированные процессы в зависимости от интенсивности подачи донного дутья располагаются между двумя предельными значениями - для верхней и донной продувки.
Кроме того, в зависимости от интенсивности донного дутья изменяется соотношение скоростей окисления углерода и железа и тем самым окисленность шлака и, как следствие, характер протекания процессов. Таким образом, подача технологических газов снизу одновременно с вдуванием кислорода через верхнюю фурму позволяет, варьируя соотношением верхнего и нижнего дутья, в широких пределах управлять процессом, т.е. распределением кислорода в системе металл-шлак. При этом продувка сверху в большей степени используется для управления шлакообразованием и дожигания CO в полости конвертера.
Основным перемешивающим газом в процессах второй группы, или ИГС-процессах (Inert Gas Stirring, т.е. перемешивание инертным газом), является азот; более дорогой аргон применяют на заключительном этапе процесса.
При подаче через днище кислорода эффект перемешивания значительно выше, чем при использовании нейтрального газа. Это связано с тем, что одна молекула кислорода при взаимодействии с углеродом металла превращается в две молекулы окиси углерода.
Использование CO и СО2. Оксид углерода является восстановительным газом, а диоксид - слабо окислительным. Привлекательность их использования исходит из следующих соображений. Необходимость снижения содержания азота в стали обусловила увеличение расхода аргона. Стоимость же оксидов углерода в 3-4 раза меньше стоимости аргона. Кроме того, привлекает эффект увеличения вдвое объема перемешивающих пузырьков, образующихся в результате реакции СО2 + [С] = 2 CO, что должно обеспечить снижение расхода вдуваемого газа.
При рассмотрении физико-химических особенностей взаимодействия СО2 с расплавом важно определить возможные варианты реакций, так как окисляться могут и углерод, и железо.
Технологические особенности процесса комбинированной продувки

Далее углекислый газ частично диссоциирует, что обеспечивает охлаждающий эффект. По этой причине этот газ в качестве защитного используется как в фурмах типа «труба в трубе», так и в многоканальных дутьевых устройствах.
С железом диоксид углерода может взаимодействовать по реакции
Технологические особенности процесса комбинированной продувки

Как показывают расчеты, эта реакция может протекать преимущественно только при очень низких концентрациях углерода.
Данные промышленных исследований свидетельствуют о том, что при использовании в качестве перемешивающего газа CO2 содержание азота в металле в конце операции существенно ниже (<0,0030%), чем обычно, что объясняется более интенсивным его удалением из-за усиления перемешивания жидкой ванны.
В целом, по своему воздействию на физико-химические процессы в конвертерной ванне (окисленность металла и шлака, удаление серы и фосфора и т.д.) диоксид углерода мало отличается от аргона или азота.
Следует отметить, что при комбинированной продувке интенсифицируется процесс окисления углерода, а тем самым и перемешивание ванны. Это связано со следующим обстоятельством. Подача нейтрального газа через днище, с одной стороны, способствует образованию в придонной части конвертера дополнительных зон окисления углерода, с другой - снижает парциальное давление CO:
Технологические особенности процесса комбинированной продувки

где VСО, VН - объем выделяющегося оксида углерода и вдуваемого газа.
Объем VСО в нижних слоях ванны невелик (пузырь CO растет в объеме по мере всплывания), и влияние на РСО даже небольшого количества перемешивающего газа является довольно существенным.
Режим дутья. Процесс с комбинированной продувкой предусматривает подачу через днище конвертера небольших количеств газа. Обычно в основное время продувки интенсивность подачи газа через днище невелика - 0,02-0,05 м3/т*мин. В заключительный период продувки (за 3-7 мин до ее окончания) при выплавке низкоуглеродистой стали расход газа существенно увеличивается до 0,1-0,3 м3/т*мин. При этом с целью снижения содержания азота в металле применяют аргон. Увеличение интенсивности донного дутья, с одной стороны, компенсирует в определенной мере уменьшение объема образующегося в ванне оксида углерода в связи с затуханием обезуглероживания, а с другой - поддерживает этот процесс в результате снижения парциального давления CO в всплывающих пузырях, что обеспечивает получение низкого содержания углерода (0,03-0,04%) в конце продувки без переокисления металла и шлака.
При необходимости получения более низких концентраций углерода применяют операцию послепродувочного перемешивания, которая проводится после рафинирующей продувки или совмещается с ожиданием анализа проб металла. Проводят ее с подачей аргона (или CO2) интенсивностью 0,1-0,3 м3/т*мин. За время перемешивания содержание углерода в металле снижается на 0,010-0,015%, составляя в конце этого периода 0,01-0,02%.
Низкие концентрации кислорода в стали, снижение содержания углерода в результате донного перемешивания до значений 0,01% и ниже дают в ряде случаев основания отказаться от вакуумирования.
Необходимо отметить, что в процессе перемешивания ванны инертным газом снижается (за счет взаимодействия с углеродом) окисленность металла и шлака, всплывают неметаллические включения, удаляются газы, выравниваются состав и температура металла (иногда этот период называют «промывочным»).
Режим донной продувки в процессах с подачей нейтральных газов должен соответствовать сортаменту выплавляемой стали. Раннее интенсивное перемешивание нецелесообразно при выплавке высокоуглеродистой стали, так как в этом случае снижается окисленность шлака и вследствие этого ухудшаются условия дефосфорации. При производстве низкоуглеродистых сталей интенсивность донного дутья увеличивают. Средняя интенсивность подачи инертных газов при выплавке высокоуглеродистых сталей (0,4% С) составляет 0,01, среднеуглеродистых - 0,05, низкоуглеродистых - 0,10 м3/т*мин.
Окисленность ванны. Как уже отмечалось выше, распределение кислорода в системе металл-шлак определяется интенсивностью подачи донного дутья. На рис. 6.2 показано изменение содержания железа в шлаке для различных вариантов конвертерного процесса.
Технологические особенности процесса комбинированной продувки

Кривые для процессов с комбинированной продувкой располагаются между кривыми для верхней и донной продувки. Характерным является снижение окисленности шлака по мере увеличения интенсивности подачи донного дутья. В это же время, даже при самых низких значениях этого показателя концентрация железа в шлаке при комбинированной продувке заметно меньше, чем при верхней (кривая 2).
Продувка нейтральным газом снизу увеличивает поверхность взаимодействия фаз, что способствует ускорению процессов рафинирования и приближает концентрацию элементов к равновесной. Окисленность шлака (содержание FeO) ниже на 3-10% в сравнении с LD-процессом, соответственно ниже и содержание кислорода в металлической ванне, вследствие этого концентрация марганца возрастает на 0,05-0,10%. Перечисленные факторы оказывают позитивное влияние, прежде всего, на увеличение выхода жидкой стали и снижение расхода ферромарганца, причем последнее достигается не только за счет повышенного содержания остаточного марганца в конвертерной ванне после продувки, но и вследствие меньшего его угара при раскислении, причиной чего является пониженная окисленность металла и шлака.
Десульфурация и дефосфорация. Дополнительное (по сравнению с верхней продувкой) перемешивание конвертерной ванны, создаваемое донным дутьем, ускоряет протекание массообменных процессов. Вследствие этого при комбинированной продувке степень десульфурации повышается на 10-15%. При кратковременной дополнительной продувке азотом или аргоном содержание серы снижается на 10-25%. Этому способствуют и термодинамические условия (более низкое содержание FeO в шлаке).
Сложнее обстоит вопрос с фосфором. На рис. 6.3 представлены данные по распределению фосфора между металлом и шлаком при различных вариантах кислородно-конвертерного процесса, на основе которых правомерно констатировать следующее:
1. существует тесная зависимость между коэффициентом распределения фосфора (Р)/[Р] и интенсивностью донного дутья;
2. одни и те же значения содержания фосфора в металле при комбинированной продувке получаются при меньшей окисленности шлака, чем при верхней.
Однако вследствие низкого содержания оксидов железа в шлаке по ходу плавки (рис. 6.2) при комбинированной продувке удаление фосфора протекает медленнее и завершается лишь при низком содержании углерода. В связи с этим усложняется выплавка средне- и высокоуглеродистых сталей с остановкой продувки на заданном углероде.
Решение этой проблемы достигается за счет снижения интенсивности подачи донного дутья или вдуванием порошкообразной извести через верхнюю или донные фурмы. Дополнительная продувка нейтральным газом в течение 2-4 мин снижает содержание фосфора в стали на 20-25%.
Технологические особенности процесса комбинированной продувки

Следует отметить, что при вдувании порошковой извести увеличивается и коэффициент распределения серы.
К достоинствам процессов с комбинированной продувкой следует отнести более высокую по сравнению с верхней стабильность результатов от плавки к плавке.
Расход чугуна. Неоднозначно обстоит дело с одним из важнейших показателей процесса - удельным расходом чугуна. Для его снижения, а следовательно, увеличения доли лома в шихте, необходим дополнительный источник тепла.
Комбинированная продувка, ограничивая развитие экзотермических реакций окисления железа в шлак, ухудшает тепловой баланс плавки; некоторые затраты тепла требуются и на нагрев нейтральных газов (около 5% дополнительных затрат). С учетом этого расход чугуна должен возрасти (по разным данным на 5-10 кг/т стали), несмотря на увеличение выхода годного.
В то же время, комбинированная продувка создает условия для организации дожигания в полости конвертера отходящих газов. Это проявляется, прежде всего, в возможности увеличения высоты расположения верхней кислородной фурмы над ванной в ходе продувки (благодаря более спокойному ходу процесса). Кроме того, эта фурма в известной степени освобождается от функций регулирования окисленности ванны (а при подаче кислорода снизу и от рафинирования), поэтому она может быть использована более эффективно для дожигания CO.
Практика работы 250-т конвертеров с комбинированной продувкой кислородом выявила возможность увеличения продолжительности продувки при повышенном положении верхней фурмы (на уровне 3 м) в связи с увеличением интенсивности перемешивания металла за счет донного дутья. Это позволяет по сравнению с верхней продувкой повысить степень дожигания окиси углерода в полости конвертера. Подтверждением этого являются данные, представленные на рис. 6.4.
Технологические особенности процесса комбинированной продувки

Результаты анализа состава конвертерных газов свидетельствуют о том, что при высоком положении фурмы в начале продувки газы, выделяющиеся из ванны, в значительной степени дожигаются в конвертере. По мере увеличения газовыделения и повышения уровня ванны дожигание ухудшается, о чем свидетельствует снижение концентрации СО2 в отходящих газах.
Во второй половине продувки в результате снижения окисленности ванны (за счет интенсивного обезуглероживания) возможно повторное увеличение положения верхней фурмы над ванной, что стимулирует процесс дожигания оксида углерода (рис. 6.4, кривая 3).
На Западно-Сибирском металлургическом комбинате при комбинированной продувке в 160-т конвертерах нейтральным газом через днище и кислородом сверху через двухъярусную фурму увеличение степени дожигания отходящих газов в полости конвертера дает дополнительное тепло без ввода внешних теплоносителей. При этом снижаются расходы чугуна, извести и плавикового шпата соответственно на 30-35; 4-6 и 1,4-1,7 кг/т.
Положительные результаты достигнуты на металлургическом комбинате им. Дзержинского в процессе работы 250-т конвертеров с комбинированной продувкой. По сравнению с верхней продувкой удельный расход жидкого чугуна только в результате дожигания окиси углерода сократился при использовании пяти-, шести- и девятисопловых фурм соответственно на 32,0, 22,0 и 12,7 кг/т годного.
Сокращение расхода чугуна достигается не только увеличением степени дожигания CO, но и за счет уменьшения массы извести на плавку; при этом обеспечивается около 16% общей величины снижения расхода чугуна.
Анализ влияния соотношения расходов кислорода через верхнюю и донные фурмы показал, что при прочих равных условиях при работе с кусковой известью наибольшая экономия чугуна достигается при подаче через донные фурмы 12-14% общего расхода кислорода.
Снижению расхода чугуна при комбинированной продувке способствует использование в качестве теплоносителя кускового угля. В случае присадки угля в количестве 7 кг/т на чугун перед началом продувки удельный расход чугуна снижается на 24 кг/т.
Внедрение новых технологических режимов комбинированной продувки позволяет увеличивать долю перерабатываемого лома до 40-45%.