Использование железа прямого восстановления в кислородно-конвертерном производстве
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Использование железа прямого восстановления в кислородно-конвертерном производстве

Непрерывное увеличение масштабов применения непрерывной разливки стали влечет за собой постепенное сокращение количества прокатной обрези. Кроме того, ухудшается и по прогнозам будет продолжать ухудшаться положение с покупным скрапом при одновременном снижении его качества и увеличении загрязненности вредными примесями.

Вместо скрапа в конверторном процессе в качестве чистого охладителя может применяться руда. Она содержит небольшие количества вредных примесей, однородна по химическому составу. Но 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-конвертерном 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 Оберхаузене 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 Мn, 0,15 Р и 0,012% S. Обычно на тонну стали присаживается около 300 кг металлических добавок, в том числе 150 кг 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 непрерывной разливки стали предполагалось, 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 получения содержания серы в стали на том же особо низком уровне, что в чугуне после внедоменной десульфуризации.

Химический состав применявшихся сортов металлизованного сырья (А – Е) приведен ниже, %:

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.

Содержание пустой породы в сырье колебалось в очень широких пределах, в частности наиболее нежелательной ее составляющей кремнезема – от 0,92 до 7,60%.

Фракционный состав применявшегося металлизованного сырья показан на рисунке 7.1.

Гранулометрический состав металлизованных материалов

Рисунок 7.1 – Гранулометрический состав металлизованных материалов: 1 – окатыши; 2 – руда; 3 – брикеты

Из рисунка видно, 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 металлизованое сырье подвергалось трехкратным перегрузкам с образованием дополнительного количества мелочи. Как видно из рисунка 7.1, 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 приме-няющегося 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.

Основные показатели опытно-промышленных плавок, проведенных с использованием в качестве охладителей прокатной обрези, привозного скрапа, руды и металлизованного сырья, представлены в таблице 7.1.

На рисунке 7.2 приведены полученные на основании результатов исследования данные о поступлении кремнезема в шлак из различных источников.

Из рисунка 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 влечет за собой соответствующее увеличение присадок извести в конвертер и количества шлака.

На рисунке 7.3 приведены данные об увеличении расхода извести, количества шлака и потерь железа со шлаком при заданной его основности (CaO/SiO2 = 3,5) в зависимости oт содержания кремнезема в губчатом железе.

Увеличение выхода шлака (1), расхода извести (2) и потерь железа со шлаком (3) от содержания кремнезема в губчатом железе

Рисунок 7.3 – Увеличение выхода шлака (1), расхода извести (2) и потерь железа со шлаком (3) от содержания кремнезема в губчатом железе

Видно, что повышение содержания кремнезема на каждый процент сверх 1% влечет за собой увеличение присадок извести на 40 кг, количества шлака на 64 кг и потерь железа на 11,5 кг в пересчете на 1 т присаженного губчатого железа.

Другой важный фактор, который следует учитывать при применении губчатого железа в конвертерном процессе, это его охлаждающий эффект. Расчет, произведенный с учетом как физической, так и химической составляющих этого эффекта, показал, что при конечной температуре процесса 1600°С отношение охлаждающею эффекта губчатого железа к охлаждающему эффекту прокатной обрези для различных сортов губчатого железа составляет 1,1 – 1,25. При этом не учтен дополнительный эффект oт увеличенных добавок извести, обусловленных отмеченным выше большим поступлением кремнезема в шлак из губчатого железа. С учетом этого к приведенным выше 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. Для получения к моменту выпуска плавки заданного содержания углерода в металле и его температуры необходимо свести к минимуму колебания всех составляющих губчатого железа, оказывающих заметное охлаждающее влияние.

В случае частичной или полной замены прокатной обрези, привозного скрапа или руды губчатым железом в расчет следует принимать не только изменение охлаждающего эффекта, но также изменения в расходах чугуна и извести. Расчетные шихтовки плавок при использовании различных охладителей приведены в таблице 7.1. На рисунке 7.4 приведены данные об изменении расходов шихтовых материалов, выхода шлака и концентрации серы в стали при использовании для охлаждения плавки губчатого железа с содержанием железа, кремнезема и серы, равным соответственно 94, 2 и 0,005%, и охлаждающим фактором, равным 1,15. В расчетах принимали основность шлака CaO/SiO2 = 3,5, содержание железа в шлаке – 18%.

Рисунок 7.4 – Изменение расхода шихтовых материалов, выхода шлака и со-держания серы в металле при использовании губчатого железа взамен оборотного (а) и покупного лома (б), руды (в): 1 – чугун; 2 – лом; 3 – содержание серы; 4 – шлак; 5 – известь

Приведенные данные показывают, что если необходимо использовать на 1 т жидкой стали 100 кг губчатого железа, 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 %.

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%.

При введении 100 кг губчатого железа вместо руды количество ее необходимо уменьшить на 38 кг, а чугуна – на 84 кг на 1 т жидкой 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. Поэтому при использовании в существующих цехах больших количеств губчатого железа его следует загружать его совками.

В начале испытаний губчатое железо загружалось до чугуна и скрапа. Однако при этом имели место случаи зарастания подины и велик был риск выбросов металла 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 им 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 конвертерах, наблюдали некоторое повышение содержания окислов железа в шлаке. Это может быть объяснено замедленным растворением спекающегося губчатого железа, в результате чего шлак к моменту выпуска оказывается обогащенным окислами железа, а металл – углеродом.

На основании этих наблюдений можно полагать, что в применяемом в качестве охладителя кислородно-конвертерной плавки губчатом железе желательно иметь низкое содержание углерода.

Специальные исследования были проведены в целью изучения возмож-ности выплавки в кислородных конвертерах особонизкосернистой стали. Ис-пользовавшийся при этих исследованиях чугун подвергали глубокой десульфурации одним из трех методов: вдуванием карбида кальция, замешиванием карбида кальция или погружением кокса, пропитанного магнием.

На рисунке 7.5 показано зависимость содержания серы в металле перед выпуском плавки от содержания ее в чугуне при использовании охладителей различного состава: особонизкосернистого скрапа (содержание серы менее 0,007%), руды, губчатого железа с содержанием серы 0,005 – 0,012% и обычного привозного скрапа. Видно, что использование низкосернистого губчатого железа дает возможность получать очень низкое содержание серы в готовом металле.

На рисунке 7.6 представлены расчетные зависимости содержания серы в металле к выпуску плавки от содержания ее в чугуне при использовании различных охладителей с разным содержанием серы. Из 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.

Зависимость содержания серы в стали от содержания ее в чугуне и охладителях

Рисунок 7.5 – Зависимость содержания серы в стали от содержания ее в чугуне и охладителях: 1 – низкосернистый скрап (< 0,007% S); 2 – губчатое железо (0,005 – 0,012% S); 3 – руда; 4 – привозной лом

Расчетная зависимость содержания серы в стали от содержания ее в чугуне и охладителях

Рисунок 7.6 – Расчетная зависимость содержания серы в стали от содержания ее в чугуне и охладителях: 1 – губчатое железо; 2 – прокатная обрезь 0,020% S; 3 – руда 0,010% S; 4 - прокатная обрезь 0,010% S; 5 – привозной лом 0,070% S; 6 – прокатная обрезь, привозной лом, руда

Губчатое железо может также использоваться и для корректировки конечной температуры стали путем присадки его в конвертор или в ковш. С этой целью предпочтительно использовать 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 40т 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.

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 с держания 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 применение металлизованного сырья в кислородно-конверторном производстве для выплавки сталей, требующих низкого содержания цветных примесей и азота, а также низкого содержания серы и фосфора, будет достаточно эффективным, а в ряде случаев явится большим резервом дальнейшего повышения качества стали.