Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Донная продувка кислородом существенно изменяет гидродинамику ванны по сравнению с кислородно-конвертерным процессом верхнего дутья. Одним из принципиальных отличий донной продувки от верхней является большая мощность перемешивания ванны, что определяет долю кислорода, израсходованного на окисление примесей, а также уровень окисленности шлака по ходу продувки.
Мощность перемешивания ванны, как было показано ранее, складывается из мощности перемешивания пузырями CO и струями донного дутья.
Мощность перемешивания пузырями оксида углерода
Мощность перемешивания пузырями CO при донной продувке больше, чем при верхней, поскольку в первом случае углерод окисляется в нижних горизонтах ванны, а при верхней продувке - в основном в верхних ее слоях и в околофурменной зоне.
При донной продувке возрастает мощность перемешивания ванны струями дутья, так как они пронизывают всю глубину металла, в то время как при верхней струя проникает примерно на половину глубины ванны. Кроме того, газы проходят через большую площадь поперечного сечения ванны.
Большая мощность перемешивания и развитая поверхность контакта металла с газом - удельная поверхность при донной продувке составляет 2 2 м2/т, т.е. на порядок больше, чем при верхней (0,1 - 0,2 м2/т) - обусловливают
низкий уровень парциального давления CO в газовой фазе. Все это существенно улучшает условия его образования и удаления, в результате возрастает скорость обезуглероживания. Поскольку помимо кислорода в ванну поступают углеводороды, образующие H2, H2O и CO2, пронизывающие ванну пузыри также характеризуются меньшим парциальным давлением CO. Уменьшение PСО одновременно с улучшением условий зарождения пузырей CO позволяет без существенного переокисления ванны получать в конце операции металл, содержащий <0,05% углерода.
Благоприятные условия протекания реакций обезуглероживания
обеспечивают по ходу плавки меньшую окисленность металла. При этом реакция окисления углерода близка к равновесной (рис. 5.2).
На данном рисунке представлена зависимость содержания кислорода от концентрации углерода в конечный период продувки для конвертеров с донной и верхней продувкой. При донной продувке благодаря интенсивному перемешиванию углеродистого расплава и шлака обеспечивается низкая окисленность шлака в процессы продувки.
Если при верхней подаче кислорода концентрация FeO в шлаке по ходу всей плавки составляет 15-20%, возрастая еще более к концу операции, то при продувке через дно содержание FeO в шлаке не превышает 5-7% и только при низких концентрациях углерода (< 0,1%) наблюдается резкий рост окисленности шлака (рис.5.3).
Поведение марганца. При донной продувке изменяются условия окисления марганца. Константа равновесия реакции
Поскольку окисленность шлака при донной продувке значительно ниже, чем при верхней, содержание марганца в стали по ходу плавки выше. Поэтому в металле сохраняется значительное содержание остаточного марганца, так как в первый период продувки окисляется лишь 30-40% от общего его количества в шихте. При содержании в чугуне 0,5-0,8% Mn в стали по ходу продувки содержание марганца колеблется в пределах 0,25-0,50%, что на 0,1-0,2% выше, чем при верхней продувке. Указанная выше разность несколько уменьшается лишь при очень низких концентрациях углерода (рис. 5.4). Это - положительный фактор. Повышенное остаточное содержание марганца в сочетании с низкой окисленностью металла и шлака обусловливает снижение расхода ферромарганца на 1- 1,5 кг/т, а также других раскислителей (SiMn, Al).
Дефосфорация металла. Одной из основных проблем конвертерного процесса с донной кислородной продувкой является удаление фосфора.
Из формулы для константы равновесия реакций дефосфорации
следует, что успешное удаление фосфора обеспечивается при получении шлака с высокой активностью FeO и CaO. Низкая окисленность шлака при донной продувке значительно осложняет процесс шлакообразования, т.е. растворения извести. Ввиду запаздывания процесса шлакообразования порядок окисления фосфора в вариантах донной подачи кислорода близок к таковому в мартеновском процессе. В этих условиях при использовании кусковой извести фосфор начинает интенсивно удаляться независимо от его исходной концентрации только к концу продувки, когда в шлаке накапливается достаточное количество оксидов железа и растворенного CaO. Содержание фосфора <0,02% в металле достигается только при содержании углерода 0,05% и менее. В этом случае степень дефосфорации достигает 70%; при содержании углерода в металле более 0,2% она составляет всего 30-40%. Поэтому для получения металла с низким содержанием фосфора процесс необходимо вести с так называемым «передувом», а получение стали с заданным содержанием углерода достигается за счет науглероживания в ковше.
Ситуация принципиально меняется в случае использования порошковой извести. Уже в начальный период плавки формируется шлак с высоким содержанием оксида кальция, который способствует удалению фосфора практически одновременно с обезуглероживанием. В этом случае реакция окисления фосфора протекает непосредственно в зоне продувки, где имеются избыток кислорода в виде оксидов железа и частицы извести с развитой поверхностью контакта. При одной и той же основности шлака, несмотря на более низкое содержание в нем железа, коэффициент распределения фосфора при выплавке низкоуглеродистой стали получается выше, чем в конвертерах с верхней продувкой (рис. 5.5).
Результаты исследований на промышленных конвертерах показали, что конечные концентрации фосфора в металле при использовании порошковой извести при переделе как фосфористых, так и передельных чугунов ниже равновесных значений или близки к ним. Это объясняется тем, что в этом случае изменяется механизм дефосфорации. Частички CaO в высокотемпературной реакционной зоне насыщаются оксидами железа, превращаясь в частицы реакционноспособного шлака. На поверхности этих частиц и протекает реакция удаления фосфора:
По мере всплывания шлаковые частички обедняются оксидами железа, которые расходуются на обезуглероживание, но фосфор к этому времени уже связан с CaO в прочные соединения. В связи с этим дефосфорация металла возможна даже при наличии гетерогенных шлаков.
Благодаря этому вдувание порошковой извести при донной подаче кислорода дает возможность останавливать продувку при высоком содержании углерода.
Десульфурация металла. Условия десульфурации при донной продувке благоприятнее, чем при верхней. Это связано с кинетическими (высокая скорость массообменных процессов) и термодинамическими (пониженное содержание оксидов железа при высокой основности шлака) особенностями процесса, а также большим развитием поверхности контакта между газообразным кислородом, с одной стороны, и металлом и шлаком - с другой. Последнее обстоятельство значительно увеличивает долю газовой десульфурации, которая в рассматриваемом процессе несколько выше, чем при верхней продувке и достигает 20-25%. Как показали исследования, сера удаляется не только в виде газообразной SO2, но и с пылью. Содержание серы в уловленной пыли составляет 0,5-0,9%. В результате при донной продувке при одной и той же основности шлака достигается более высокой показатель распределения серы (рис. 5.6).
Опыт эксплуатации конвертеров с донной продувкой показывает, что значение Ls = (S)/[S] изменяется при основности шлака от 2,5 до 3,5 в пределах 6,5-10 против 4,5-5,5 при верхней продувке.
Общая степень десульфурации металла при донной продувке составляет 50-60% вместо ~ 30% при подаче кислорода сверху и облегчает получение малосернистого металла при выплавке стали с повышенным содержанием углерода.