Процессы с продувкой кислородом сверху и перемешиванием ванны малоактивными газами
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Процессы с продувкой кислородом сверху и перемешиванием ванны малоактивными газами

При разработке технологии производства стали в конвертерах комбини-рованного дутья стремились сохранить преимущества как конвертеров с верхней продувкой:

  • быстрое формирование известково-железистого шлака и возможность управления процессом шлакообразования путем изменения режима продувки;
  • увеличение прихода тепла в результате дожигания части выделяющегося из ванны СО до СО2, так и конвертеров донного дутья:
  • высокая интенсивность перемешивания ванны;
  • уменьшение окисленности металла и шлака;
  • уменьшение потерь железа и количества выбросов;
  • возможность глубокого обезуглероживания металла без чрезмерного его окисления;
  • возможность продувки ванны инертным газом.

Существующие процессы выплавки стали в конвертерах комбинированного дутья можно разделить на три группы, которые предусматривают следующие режимы подачи газов:

1. Процессы с продувкой ванны снизу аргоном, азотом и другими малоактивными относительно металла газами с низким их расходом (0,01 – 0,25 м3/(т•мин)) и одновременной продувкой кислородом сверху по типу обычного конвертера верхнего дутья (LBE, LD-KG, LD-AB, STB, LD-OTB и др.).

2. Процесс, в котором снизу подается 2 – 10% общего количества кислородного дутья с введение его в защитной среде (LD-OB) без подачи через донные фурмы флюсов.

3. Процессы, в которых снизу подается более 20% кислородного дутья и известь в порошкообразном виде (OBM-S, Q-BOP-S, KMS).

При разработке процессов, которые относятся к 1-й и 2-й группам, главной задачей было повышение качественных характеристик стали и выхода годного металла при выплавке стали с низким и очень низким содержанием углерода.

Главной задачей 3-й группы процессов является увеличение доли металлического лома в металлической шихте и снижение расхода чугуна.

Процессы с продувкой ванны снизу аргоном, азотом и другими малоактивными относительно металла газами с расходом 0,01 – 0,25 м3/(т•мин) и одновременной продувкой кислородом сверху по типу обычного конвертера верхнего дутья получили наибольшее распространение.

Примером таких технологий может случить процесс LBE (название да-но французским и бельгийским институтами черной металлургии, опробовавшими этот процесс в 1977 г.). Эта технология предусматривает продувку кислородом сверху через одно- или двухъярусную (для дожигания СО) фурму, а также подачу через пористые блоки (вставки) в днище конвертера аргона или азота с интенсивностью < 0,25 м3/(т•мин).

Обычно в течение большей части продолжительности продувки металла кислородом интенсивность подачи газа через днище невелика и составляет 0,02 – 0,05 м3/(т•мин). При выплавке низкоуглеродистых марок стали в заключительном периоде продувки (за 3 – 7 минут до ее окончания) интенсивность подачи газа увеличивают до 0,1 – 0,3 м3/(т•мин). При этом для понижения концентрации азота в металле для продувки используют аргон (рисунок 12.1).

Режим подачи донного дутья

Рисунок 12.1 – Режим подачи донного дутья: I – продувка кислородом; II – повалка, отбор проб; III – послепродувочное перемешивание; IV – выпуск стали

Увеличение интенсивности донного дутья частично компенсирует уменьшение объема оксида углерода, связанное с понижением скорости окисления углерода в заключительном периоде продувки, а также интенсифицирует обезуглероживание в результате понижения парциального давления оксида углерода во всплывающих в металле пузырьках. Это позволяет получать низкое содержание углерода в конце продувки (0,03 – 0,04%) без переокисления металла и шлака.

С целью дальнейшего понижения концентрации углерода используют пе-ремешивание, которое проводится после продувки ванны кислородом или совмещается во времени с ожиданием результатов анализа после отбора проб металла. Для послепродувочного перемешивания используют подачу аргона с интенсивностью 0,1 – 0,3 м3/(т•мин). Длительность перемешивания обычно составляет 2 – 6 минут, причем меньшие значения характерны для выплавки стали рядового сортамента, большие значения – для выплавки качественной низкоуглеродистой стали. За время послепродувочного перемешивания содержание углерода в металле дополнительно понижается на 0,01 – 0,015%, составляя в конце продувки 0,01 – 0,02%.

При послепродувочном перемешивании понижается температура металла (в 160-т конвертере на 3 – 4оС/мин), поэтому продувку кислородом необходимо заканчивать при более высокой температуре (на 15 – 20оС).

При использовании в качестве перемешивающего газа азота взамен более дорогостоящего аргона содержание его в стали может увеличиваться. Уровень этого повышения зависит от чистоты азота, то есть содержания в нем кислорода. Практика показывает, что при чистоте азота не менее 98% концентрация его в стали увеличивается на 0,0003 – 0,0006%, при чистоте 95% и ниже – 0,001 – 0,003%.

Такая технология обеспечивает:

  • увеличение интенсивности перемешивания ванны, выравнивание ее со-става и приближение системы металл-шлак к состоянию равновесия;
  • снижение содержания оксидов железа в шлаке и растворенного в металле кислорода при продувке ванны инертным газом.

Низкое парциальное давление оксида углерода в поднимающихся в металле пузырях аргона способствует протеканию реакции

[C] + [O] = {CO} - (12.1)

в направлении образования дополнительного количества СО. При этом концентрация кислорода в металле уменьшается по мере увеличения объема газа, подаваемого через днище конвертера.

Раскисление металла по реакции (12.1) способствует уменьшению коли-чества оксидов железа в шлаке в результате поступления в металл дополни-тельного количества кислорода по реакции

FeO = Fe + [O] - (12.2)

При этом окисленность шлака понижается тем больше, чем выше расход газа, который подают через днище конвертера.

Результат одновременного протекания реакций (12.1) и (12.2) можно описать уравнением

(FeO) + [C] = {CO} + Fe - (12.3)

Данная технология позволяет также заканчивать продувку металла кислородом при содержании углерода выше требуемого и, продувая ванну инертным газом, понижать содержание углерода до необходимого уровня.

  • повышение выхода годной стали в результате понижения содержания оксидов железа в шлаке, устранения выбросов и уменьшения количества плавильной пыли;
  • снижение угара марганца и увеличение содержания его в металле к мо-менту окончания продувки кислородом на 0,02 – 0,2%;
  • уменьшение угара ферросплавов при раскислении и легировании в ре-зультате взаимодействия с менее окисленной ванной;
  • при комбинированной продувке необходимые значения коэффициента распределения фосфора достигаются при меньшей окисленности шлака (рисунок 12.2).

Распределение фосфора между шлаком и металлом в различных кислородно-конвертерных процессах

Рисунок 12.2 – Распределение фосфора между шлаком и металлом в различных кислородно-конвертерных процессах: 1 – донная продувка; 2, 3 – комбинированная продувка с подачей кислорода через днище соответственно 1 – 2 и 0,1 – 0,8 м3/(т•мин); 4 – комбинированная продувка с перемешиванием ванны нейтральным газом; 5 – верхняя продувка

Комбинированная продувка, кроме технологических, обеспечивает также ряд организационных и экономических преимуществ. Например, для процессов типа LBE характерны следующие преимущества:

  • выход годной стали увеличивается на 0,5 – 1,5% в результате снижения содержания железа в шлаке, устранения выбросов, уменьшения количества плавильной пыли;
  • благодаря снижению опасности выбросов и периодического резкого вспенивания ванны появляется возможность уменьшить высоту конвертера (или увеличить массу металла). При увеличении массы плавки удельный объем конвертера понижают до 0,6 м3/т, уменьшают массу футеровки на 1 т вместимости конвертера, при этом снижаются потери тепла и возрастает производительность конвертера;
  • благоприятные условия перемешивания и обезуглероживания при подаче газа через днище позволяют увеличить расстояние между верхней фурмой и зеркалом металла примерно на 0,5 м. Это обеспечивает повышение стойкости фурм, уменьшение локального перегрева металла в первичной реакционной зоне, интенсивности его испарения и образования пыли;
  • уменьшается расход флюсов, которые вводятся для ускорения шлакообразования (вплоть до полного отказа от использования таких добавок, как плавиковый шпат).

Благодаря этим преимуществам срок окупаемости расходов, связанных с реконструкцией обычных конвертеров с верхней продувкой и перевода их на работу с комбинированной продувкой, может быть небольшим.