Сталеплавильное производство

Інтенсивне  окислювання марганцю спостерігається на початку продувки, коли при низьких температурах він має велику хімічну спорідненість до кисню ; до 3 – 5хв. продувки окислюється ≈ 70% марганцю, що міститься в чавуні. Надалі поводження марганцю визначається рівновагою екзотермічної реакції:

[Mn] + (FeO) = (MnO) + Fe + 123360 Дж/моль          (3.6)

  Рис. 3. 3 - Зміна швидкості окислювання  вуглецю V_с по ходу продувки τ_пр

Відповідно до цієї реакції відмічаються  наступні особливості поведінки марганцю: при зменшенні вмісту FеO в шлаку в другій половині продувки вміст марганцю в металі зростає, тобто марганець відновлюється з шлаку; в кінці продувки, коли внаслідок підсиленого окислення заліза вміст оксидів заліза в шлаку зростає, спостерігається вторинне окислення марганцю. Кінцевий вміст марганцю в металі залежить, насамперед, від його вмісту в чавуні й зростає при підвищенні температури металу в кінці продувки і зниженні окисленості шлаку .

    Окислення вуглецю. Вуглець у кисневому конвертері окисляється переважно до СО; до СО₂ окисляється ≈ 10 % вуглецю, що міститься в чавуні. Швидкість окислювання вуглецю по ходу продувки істотно змінюється. На початку продувки вона не велика (0,1 – 0,15% С/хв), оскільки частина вдуваного кисню витрачається на окислювання кремнію і марганцю, що мають високу хімічну спорідненість до кисню при низьких температурах. Надалі, унаслідок збільшення хімічної спорідненості вуглецю до кисню при підвищенні температури і зменшенні витрачання кисню на окислювання марганцю і кремнію швидкість зневуглецювання зростає і потім залишається протягом довгого часу майже постійною. У цей період весь кисень , що вдувається , витрачається на окислювання вуглецю і швидкість окислення вуглецю (0,45 – 0,5%С/хв і іноді більше) визначається інтенсивністю подачі кисню. Наприкінці продувки швидкість окислення вуглецю знову знижується внаслідок зменшення вмісту вуглецю в металі.

Роль  реакції окислення вуглецю в киснево-конвертерній плавці значна. Це пояснюється наступним:

- окислення  вуглецю дає більшу частину тепла для нагрівання ванни;

- тривалість  окислення вуглецю визначає тривалість продувки;

- пузирі СО, що виділяються, забезпечують перемішування ванни, завдяки чому вирівнюються склад і температура, прискорюється нагрівання металу;

- внаслідок перемішування металу й шлаку прискорюється дефосфорація і десульфурація та ін.;

- з пузирями СО віддаляються розчинені в металі шкідливі гази – водень і азот;

- пузирі  СО спінюють ванну, завдяки чому можуть виникати викиди. 
 
 

3.4 Дефосфорація і  десульфурація. 

Дефосфорація. Основними джерелами потрапляння фосфору в конвертер є рідкий чавун , а також сталевий брухт. У процесі продувки видалення з металу в шлак фосфору відбувається по реакції:

2[P] + 5(FeO) + 3(CaO) = (3CaO • P₂O₅)+ 5Fe;         (3.7)

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4CaO • P₂O₅)+ 5Fe.         (3.8)

що йде  з виділенням тепла (≈ 700 кДж/моль).

Для успішного  її протікання необхідні підвищення основність (відповідно до вимог десульфурації і дефосфорації основність шлаку приймаємо рівною 3,0) і окисленість шлаку і невисока температура. При плавці в кисневому конвертері створюються сприятливі умови для видалення фосфору: швидке формування основних шлаків з порівняно високою окисленістю (високим вмістом оксидів заліза) і порівняно непогане перемішування металу з шлаком. Дефосфорація починається відразу після початку продувки у зв'язку з тим, що відразу починає формуватися основний шлак з високим вмістом FеO. Оскільки реакція видалення фосфору протікає з виділенням тепла, дефосфорація найінтенсивніше протікає при порівняно низькій температурі, тобто в першій половині продувки.

Кінцевий  вміст фосфору в металі залежить від кількості шлаку  і повноти  протікання реакції дефосфорації, яку зазвичай характеризують коефіцієнтом розподілу фосфору між шлаком і металом, – (P₂O₅)/[P]. Ця величина в умовах киснево-конвертерного процесу змінюється від 40 до 100 – 120 і в цих межах тим вище, чим вище основність і окисленість шлаку і чим нижча температура металу в кінці продувки. Крім того, значення  (P₂O₅)/[P] підвищується при поліпшенні перемішування металу з шлаком, зниженні в'язкості шлаку і при ранньому шлакоутворенні, оскільки при цьому збільшується тривалість контакту металу з шлаком. Одержанню нижчого вмісту фосфору в кінці продувки сприяє також збільшення кількості шлаку, оскільки при певному досягнутому значенні коефіцієнта розподілу, кількість фосфору в шлаку тим більше, чим більше маса шлаку. Зазвичай при вмісті фосфору в чавуні <0,3% метал в кінці продувки містить менше 0,02 – 0,04% Р.

Десульфурація. Сірка поступає у кисневий конвертер з рідким чавуном , сталевим ломом , міксерним (доменним) шлаком, вапном, а також із твердим паливом в разі його використання. Багато сірки може внести шлак, у зв'язку з чим необхідна організація його скачування із заливальних ковшів перед зливом чавуну в конвертер.

    В процесі продувки небагато сірки (5 – 10% від загальної кількості видаленої сірки) окислюється киснем дуття і віддаляється у вигляді SO₂ з газами, що відходять. Остання сірка розподіляється між шлаком і металом відповідно до рівняння реакції десульфурації:

[S] + Fe + (CаO) = (CаS) + (FеO) (3.9)

тепловий  ефект якої близький до нуля. Ця реакція  може успішно протікати при великій  кількості в шлаку CаO і малому – FеO. Оскільки конвертерні шлаки  містять велику кількість FеO (від 8 до 20 – 25%), то умови для десульфурації несприятливі, і вона отримує обмежений розвиток. Міра десульфурації не перевищує 30 – 40%, а коефіцієнт розподілу сірки між шлаком і металом (S) / [S] може змінюватися від 2 до 10 – 12.

Міра  десульфурації, що досягається при  плавці, визначається, перш за все, основністю шлаку, збільшуючись при її зростанні. Вона зростає при збільшенні кількості шлаку, при збільшенні тривалості продування і ранньому шлакоутворенні (при зростанні тривалості взаємодії металу з основним шлаком, що сформувався) і при підвищенні температури, оскільки при цьому знижується в'язкість шлаку, що прискорює протікання процесу десульфурації.

Відносно  високі показники десульфурації (міра десульфурації до 40% і коефіцієнт розподілу сірки до 10 – 12) досягалися переважно в минулі роки, коли тривалість продування в багатьох цехах досягала ≥ 25 хв. Останніми роками внаслідок підвищення інтенсивності продувки її тривалість помітно зменшилася, погіршали умови шлакоутворення, особливо при переділі низькомарганцевих чавунів і у зв'язку з цим погіршали показники десульфурації: коефіцієнт розподілу сірки (S) / [S] зазвичай не перевищує 4 – 6.

    З урахуванням цього, а також у  зв'язку з необхідністю виплавки в  кисневих конвертерах високоякісних  сталей з малим вмістом сірки (менше 0,02 – 0,03%) проблема десульфурації  на багатьох заводах вирішується  методом рафінування чавуну в  ковшах перед їх доставкою в конвертерний цех.

3.5 Шлаки і шлакоутворення. Роль шлаку

Параметри шлакового режиму  - склад, в'язкість, кількість шлаку і швидкість  його формування в значній мірі впливають  на якість сталі, вихід придатного металу, стійкість футерування і ряд  інших показників конвертерної плавки.

Джерела шлакоутворення і роль шлаку

До основних джерел утворення шлаку відносяться  завантажуване в конвертер вапно (СаО) і продукти окислення складових  чавуну (SiO₂, MnO, FeO, Fe₂O₃, P₂O₅). Крім того, в шлак поступають оксиди футеровки, що розчиняється (СаО, MgO); деяка кількість миксерного шлаку (SiO₂, СаО, MnO, MgO, FeO, Al₂O₃, MnS); оксиди заліза з іржі сталевого брухту і складові флюсів. Для розрідження шлаку служить плавиковий шпат, що вносить СаF₂ і небагато SiO₂; інколи застосовують боксит, залізорудні окатиші, флюоритові і марганцеві руди, агломерат, спеціальні комплексні флюси, різні відходи (шлак від виробництва силікомарганця, відпрацьований шлак безперервного розливання та ін.).

Шлаковий  режим повинен забезпечити досить повне видалення фосфору і, по можливості, сірки з металу під час продувки. З цією метою основність шлаку має бути досить високою (від 2,8 до 3,5; у розрахунку основність прийняли рівною 3,0), а в'язкість не велика, оскільки в густих шлаках сповільнюються процеси дифузії компонентів, що беруть участь в реакціях дефосфорації і десульфурації. При надмірно великій основності (>3,6), шлак починає переходити в гетерогенний стан (тверднути); при недостатній основності, тобто підвищеному вмісті в шлаку SiO₂, окрім погіршення видалення фосфору і сірки посилюється роз'їдання шлаком футеровки. Знос футеровки істотно посилюється при надмірній рідкорухомості шлаку і підвищеному вмісті в ньому оксидів заліза і зростає при збільшенні кількості шлаку. Збільшення маси шлаку і його надмірна окисленість сприяє появі викидів, і ведуть до зростання втрат заліза із зливаним шлаком у вигляді оксидів. Підвищення окисленості шлаку викликає також збільшення чаду розкислювачів. При дуже густому шлаку і підвищеній його кількості зростають втрати заліза з шлаком у вигляді корольків. Збільшення кількості шлаку викликає додаткову витрату тепла, яке втрачається із зливаним шлаком.

Формування  основного шлаку.

У зв'язку з короткочасністю продувки надзвичайно важливо забезпечити як можна раніше формування шлаку, інакше внаслідок недостатньої тривалості контакту металу з шлаком не встигнуть завершитися дефосфорація і десульфурація. Крім того, при продувці без шлаку спостерігається підвищене винесення крапель металу з газами, що відходять, і прискорений знос фурми.

Формування  основного шлаку зводиться до розчинення завантажуваного в конвертер кускового вапна в продувку, що утворюється з перших секунд, рідкій шлаковій фазі – продуктах окислення складових чавуну (SiO₂, MnO, FeO, Fe₂O₃). Вапно тугоплавке (температура плавлення СаО складає 2570⁰С), тому для її розчинення необхідно, аби СаО вступало у взаємодію із складовими довколишньої шлакової фази і при цьому утворилися б легкоплавкі хімічні сполуки, які розплавлялися б при температурах конвертерної ванни.

Практика  показала, що без вживання спеціальних  заходів розчинення вапна відбувається повільно.

Шлаковий  режим.

Для збагачення шлаку, що формується, оксидами заліза з метою прискорення розчинення вапна продувку починають при підвищеному положенні фурми. Частенько, аби прискорити розчинення вапна першу її порцію (40 – 60% від загальної витрати) завантажують в конвертер на сталевий брухт перед заливкою чавуну, а при зношеній футеровці - до завантаження брухту.

Кількість, що залишилася, або все вапно, якщо його не завантажували до заливки чавуну, вводять в конвертер двома або декількома порціями протягом першої третини тривалості продувки. Допускається присадка невеликої кількості вапна на початку останньої третини продувки. Розосередження подачі вапна обов'язково; якщо завантажувати всі шлакоутворюючі відразу, то це викличе охолоджування ванни, злипання шматків вапна і уповільнення шлакоутворення.

Першу по ходу продувки порцію вапна завантажують після «запалення» плавки; разом з нею завантажують плавиковий шпат або його замінники. Якщо застосовують сипучі охолоджувачі, їх рекомендується вводити з другою і третьою присадкою вапна і в другій половині продувки. Присадка охолоджувачів має бути закінчена не пізніше, ніж за 2 – 3 хв. до закінчення продувки.

Загальна витрату вапна складає 6 – 8% від маси плавки; його визначають розрахунком, аби забезпечувалася необхідна основність шлаку (CaO/SiO₂ = 2,8 – 3,5; у розрахунку вона складає 3,0). Витрата плавикового шпату складає 0,3%.

В період найбільш низької окисленості шлаку, внаслідок малого вмісту оксидів заліза, температура твердіння шлаку зростає і частенько починається його часткове твердіння («згортання»). При цьому починаються виноси капель металу з конвертера, прискорений знос фурми, припиняється видалення в шлак сірки і фосфору. Аби уникнути «згортання» в цей період рекомендується присадка плавикового шпату і короткочасний підйом фурми, що викликає збагачення шлаку оксидами заліза.

Співвідношення  вмісту СаО і SiO₂ визначається основністю шлаку, якою задаються при розрахунку шихти (основність дорівнює 3,0) і регулюють, змінюючи витрату вапна. Вміст MnO в шлаку зростає при збільшенні вмісту марганцю в чавуні і окисленості шлаку. Кількість MgO тим вище, чим сильніше зношується футеровка, складові якого переходять в шлак. Вміст оксидів заліза тим вище, чим нижче вміст вуглецю в металі у момент закінчення продувки; при цьому вміст Fe₂O₃ в три-чотири рази нижче за вміст FеO.