Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Кал-До-процесс. Особенно благоприятные условия для раннего окисления фосфора создаются, если наряду с дожиганием окиси углерода над ванной применить еще и вращение сталеплавильного агрегата. В этом случае имеется возможность более интенсивного формирования активного известковожелезистого шлака и обеспечения его тесного контакта с металлом, что обусловливает раннее начало дефосфорации.
Указанные условия имеют место в Кал-До-процессе. Этот способ получения стали назван по имени шведского профессора Каллинга (изобретатель процесса) и завода Домнаверт, на котором он был впервые осуществлен на 30-т конвертере в 1954 г. Размеры конвертера: внешний диаметр 3,5 м, длина - около 5,5 м, удельный объем 0,65 м3/т стали. Конвертер, ось которого во время продувки находится под углом 17-20° к горизонту, вращается со скоростью 30 об/мин (рис. 4.11).
Кислород чистотой не ниже 95% под давлением 0,3-0,4 МПА подводится к поверхности ванны под углом 25°. Сравнительно невысокое давление кислорода и подвод его под углом к поверхности металла обеспечивают мягкую продувку и дожигание CO до СО2, что способствует интенсивному нагреву ванны.
Горячее начало плавки и перечисленные выше факторы создают идеальные условия для удаления фосфора. Ход дефосфорации в Кал-До конвертере выгодно отличается от других процессов (рис. 4.12). Сильный нагрев поверхности ванны способствует быстрому расплавлению и активизации шлака. Как видно из данных рис. 4.12, продувка во вращающемся агрегате выгодно отличается от томасовского и LD-процессов по соотношению скоростей реакций дефосфорации и обезуглероживания, поэтому в этом случае можно получать высокоуглеродистую сталь без науглероживания на выпуске.
Раннее шлакообразование в сочетании с промежуточным скачиванием шлака создает хорошие условия для удаления серы. Степень десульфурации достигает 65%. Интересной особенностью процесса Кал-До является значительный переход серы в газообразную фазу (до 40% исходного ее содержания в шихтовых материалах). Это объясняется значительными обнажениями металла и контактом многочисленных его капелек с окислительной газовой фазой. При этом поверхностно-активная сера окисляется и переходит в газовую среду в форме SO2. Кал-До процесс обеспечивает получение низкого содержания серы в стали (менее 0,02%) даже при ее концентрации в чугуне 0,05-0,06%.
Замечательной особенностью процесса является размывание локальной высокотемпературной реакционной зоны вследствие тангенциального подвода дутья и вращения конвертера. Это уменьшает дымообразование, что увеличивает выход годного и упрощает установки для очистки газов.
К достоинству процесса следует отнести получение стали с низким содержанием азота. При работе на кислороде со степенью чистоты 95-96% содержание азота в стали составляет 0,002-0,003% и снижается до 0,001% в случае применения 99%-ного кислорода.
Дожигание CO до CO2 в полости конвертера обеспечивает более полное использование химического тепла чугуна. Коэффициент использования тепла составляет в этом процессе 0,84-0,87, что дает возможность перерабатывать 45-50% лома в шихте.
Процессом Кал-До можно перерабатывать как томасовские, так и обычные низкофосфористые чугуны. При переработке фосфористых чугунов обычно применяют двукратное скачивание шлака. При продувке малофосфористого чугуна шлак спускается один раз - после завершения окисления кремния. Длительность продувки томасовского чугуна - около 40 мин, малофосфористого -30 мин.
К недостаткам Кал-До-процесса, вследствие которых он не приобрел широкого распространения, относятся:
1. большая, чем в LD-процессе продолжительность плавки (почти вдвое), поэтому производительность конвертера Кал-До на 60-80% ниже, чем обычного кислородного конвертера той же садки;
2. низкая стойкость футеровки (60-100 плавок) вследствие динамических нагрузок при вращении конвертера; расход огнеупоров достигает 30 кг/т;
3. сложность и громоздкость механического оборудования.
Роторный процесс. Этот процесс был впервые осуществлен в промышленном масштабе в Оберхаузене (ФРГ). Ротор представляет собой горизонтальный плавильный агрегат с частотой вращения 0,1-4 об/мин. Длина 90-т печи 14,7 м, наружный диаметр 4 м. В обеих торцовых стенках печи имеются отверстия. Через одно из них заливается чугун, вводятся твердые материалы и кислород, через другое - в противоположной торцовой стенке - отводятся газы и сливается шлак. Здесь же имеются специальная шлаковая летка и сталевыпускное отверстие. Механическое оборудование позволяет поворачивать ротор на 360° в горизонтальной плоскости и на 180° - в вертикальной.
Продувка ванны осуществляется двумя независимыми потоками кислорода. Струя кислорода для продувки подается на глубину до 400 мм, по этому соплу дают технический кислород чистотой 96 - 98%. Струя вторичного окислителя невысокой чистоты (~ 70%) подается параллельно первой над поверхностью ванны, обеспечивая поверхностное окисление металла и дожигание CO, выделяющейся из первичной реакционной зоны. Быстрое формирование активного шлака обусловливает раннюю дефосфорацию и хорошую (до 65%) десульфурацию.
Для роторного процесса характерно небольшое количество пыли, выделяющейся с отходящими газами. Эта относительно крупная пыль хорошо улавливается в несложных газоочистных установках.
Тепловой баланс ротора очень благоприятный: в процессе используется до 90% выделяющегося тепла, поэтому в шихте можно использовать до 40% лома.
Плавка в 100-т роторе продолжается 1,5-2 часа; большая цифра относится к фосфористым чугунам, меньшая - к обычным. На передел 1 т фосфористого чугуна расходуется 15-20 м3 первичного кислорода и 60-65 м3 вторичного.
Роторный процесс имеет те же недостатки, что и процесс Кал-До: сложность механического оборудования и низкую стойкость футеровки. Производительность ротора еще ниже, чем конвертера Кал-До. Роторный процесс не может конкурировать по этому показателю с кислородно-конвертерным.
Процесс Ротоверт. Этот процесс разработан в результате совместных исследований, проведенных Научно-исследовательским центром по черной металлургии Швеции и Экспериментальным центром Италии. Конвертер Ротоверт по форме похож на обычный кислородный (рис. 4.13).
Особенность процесса состоит в том, что во время продувки конвертер приводится во вращение вокруг вертикальной оси, в результате чего металл в нем приобретает форму параболоида, на поверхность которого и подается кислород.
Для увеличения поверхности взаимодействия струи газа с жидким металлом кислород подается через фурму, направленную на верхнюю часть параболоида, где металл вращается с максимальной линейной скоростью. Отражение части струи кислорода от металла позволяет дожигать значительную часть окиси углерода, выделяющейся из металла в полости параболоида.
Скорость вращения 6-т опытного конвертера, определенная на основании теоретических расчетов и холодного моделирования, составляла 85 об/мин. При вращении с такой скоростью высота параболоида примерно равна внутреннему диаметру. Этим достигается минимальная удельная поверхность футеровки, омываемой металлом и максимальная удельная поверхность ванны; при этом шлаковый слой располагается внутри мениска металла и не контактирует с футеровкой.
Процесс Ротоверт характеризуется повышенной окисленностью шлака (20-25%), пониженным выходом годного. Более высокая окисленность шлака объясняется высоким содержанием двуокиси углерода в атмосфере конвертера. В условиях равновесия активность закиси железа в шлаке определяется равенством
где k - константа равновесия реакции:
Fe + CO2 = FeO + CO;
k = 3,5 - 5,0 при температурах конвертерной плавки.
Из уравнения (4.7) следует, что с повышением содержания двуокиси углерода в атмосфере конвертера активность FeO повышается в любом интервале содержаний углерода.
Степень десульфурации в процессе Ротоверт невелика, что связано со слабым перемешиванием металла и шлака и высокой окисленностью последнего.
В целом, перспективы развития этого оригинального процесса до конца не ясны из-за отсутствия данных по его масштабному промышленному апробированию.