Особенности работы конвертеров с донной продувкой

Массообменные процессы, условия перемешивания ванны и контакта ме­талла со шлаком, состав отходящих га­зов и характер плавильной пыли, усло­вия службы футеровки и другие показа­тели заметно изменяются при переходе на продувку металла кислородом сбоку или снизу, через днище конвертера. От конвертеров верхнего дутья (с подачей кислорода через фурму сверху) конвер­теры донного дутья отличаются не­сколько меньшим удельным объемом (0,6-0,9м³/т стали). Это объясняется тем, что при продувке через дно опера­ции (особенно обезуглероживание) протекают более спокойно, без чрез­мерно сильного вскипания, вызванно­го местным переокислением металла в отдельных участках объема ванны. В центральной части днища на некото­ром расстоянии от стен устанавливают (при набивке днища) фурмы для пода­чи кислорода. Каждая фурма обычно состоит из двух концентрически распо­ложенных труб (труба в трубе); по внут­ренней трубе подается кислород, а в щель внутренней и внешней — защит­ный газ или жидкое топливо (рис. 15.20).

Под влиянием высоких температур углеводороды, поступающие через щель между внутренней и внешней трубами, разлагаются (на это расходу­ется определенное количество тепла):

C_xH_y → xC + y/2H₂-Q.

Рис. 15.20. Схема устройства фурмы для донной продув­ки кислородом в кон­вертере:

1 — природный газ (или

другая защитная среда);

2— кислород

Благодаря охлаждению околофур­менной зоны предотвращается быст­рое разрушение фурм и частей днища, прилегающих к фурмам. Обычно рас­ход природного газа, состоящего в ос­новном из метана, составляет 6—7 % от расхода кислорода; расход пропана составляет 3,5 %. Углерод и водород, образующиеся при разложении угле­водородов, частично сгорают, частич­но растворяются в металле. Покидаю­щие ванну Н₂ и СО уносят часть теп­ла. Анализ теплового баланса показал, что приход тепла от частичного сгора­ния в области фурм углерода и водо­рода меньше, чем расход тепла на на­грев и разложение углеводородов и на увеличение потерь тепла с отходящи­ми газами. В связи с этим при донной продувке перерабатывается несколько меньшее (на 2-3 %) количество охла­дителей (лома или железной руды), чем при верхней. При определении давления кислорода перед фурмами и размера внутренней трубы в предвари­тельных расчетах и при моделирова­нии учитываются два случая: 1)при очень высокой турбулентности потока смешение кислорода с защитным га­зом происходит на выходе из фурмы и стойкость фурм оказывается низкой; 2) при определенных расходах кисло­рода и газа возможен канальный ха­рактер движения потоков через метал­лическую ванну, при этом ухудшаются условия перемешивания и степень ус­воения кислорода (непрореагировав­ший кислород уходит через ванну в га­зовую фазу).

При использовании донных фурм в случае необходимости можно проду­вать ванну снизу не только кислородом, но и инертным газом (или азо­том). При продувке через дно по срав­нению с продувкой сверху несколько изменяется ход реакций окисления уг­лерода, марганца и фосфора, а так­же окисленность ванны, наблюдается иной характер пылеобразования, рез­ко возрастает интенсивность переме­шивания, увеличивается поверхность контакта газ—металл (по сравнению с верхней продувкой в 10-20 раз). До­полнительную поверхность образуют также частицы извести, вдуваемые в металл струей кислорода. Все это су­щественно улучшает условия образо­вания и выделения СО, в результате возрастает скорость обезуглерожива­ния. Поскольку помимо кислорода в ванну поступают углеводороды, обра­зующие Н₂, Н₂О и СО₂, пронизываю­щие ванну пузыри характеризуются меньшим парциальным давлением СО. Уменьшение р_со одновременно с улучшением условий зарождения пу­зырей СО позволяет без существенно­го переокисления ванны получать в конце операции металл, содержащий <0,05 % С.

Примерно так же, как и при верх­ней продувке, при высоких концент­рациях углерода интенсивность обез­углероживания определяется скорос­тью подвода окислителя. В этих усло­виях ванна поглощает практически 100 % вдуваемого кислорода. При низ­ких концентрациях углерода интен­сивность его диффузии к месту реак­ции становится меньше интенсивнос­ти процесса окисления железа и окси­ды железа, не успевшие прореаги­ровать с углеродом, переходят в шлак. Избежать этого можно следующими способами: 1) понизить интенсив­ность подачи кислорода; 2)рассредо­точить подачу дутья (очень много фурм малого сечения каждая); 3) раз­бавить кислород инертным газом. Первые два способа практически трудно осуществимы, третий исполь­зуется на практике. Кислород разбав­ляется аргоном или азотом.

Благоприятные условия протека­ния реакций обезуглероживания [О] + [С] = C0_r, (FeO) + [С] = СО_Г + Fе_ж обеспечивают по ходу плавки при донной продувке меньшую окис­ленность металла и шлака. Если при

верхней подаче кислорода концентра­ция FeO в шлаке по ходу всей плавки составляет не менее 15-20 %, возрас­тая еще более в конце операции, то при продувке через дно содержание FeO в шлаке не превышает 5-7 % (рис. 15.21) и только при низких кон­центрациях углерода возрастает до 15-25%.

Разбавление газовой фазы продук­тами разложения и окисления состав­ляющих, подаваемых для защиты фурм (т. е. снижение р_со), а также очень благоприятные условия для вы­деления СО приводят к тому, что окисленность металла при донной продувке ниже, чем при продувке сверху.

При донной продувке изменяются условия окисления марганца. Кон­станта равновесия реакции (FeO) + Mn = (МпО) + Fe _жК= a _(MnО)/[Мп] • a _(Fe0), т.е. [Mn] = (l/K) _∙ (a _(Mn0)/ a _(FeO)). По­скольку окисленность шлака при дон­ной продувке заметно ниже, чем при верхней, содержание марганца по ходу плавки выше. При содержании в чугу­не 0,5-0,8 % Мп в стали по ходу про­дувки содержание марганца колеблет­ся в пределах 0,25-0,50 %,опускаясь до значений <0,20 % лишь при очень низких концентрациях углерода (рис. 15.22).

Из формулы для константы рав­новесия реакции дефосфорации

К= а _{(СаО)4 -Р205} / а²_{[ p] ∙} а⁴ _{(СаО) ∙} а _{(Fe O )} следует, что успешное удаление фосфора (FeO),%

Рис. 15.21. Окисленность шлака при верхней (7) и донной (2) продувке (вместе с кислоро­дом снизу подается порошкообразная из­весть)

Рис. 15.22. Изменение содержания марганца

по ходу продувки в конвертере в зависимости

от содержания углерода:

/ — продувка сверху; 2—продувка снизу кислоро­дом и порошкообразной известью

обеспечивается при получении шлака с высокой активностью (FeO) и (СаО). Поскольку на протяжении почти всей операции при подаче кислорода снизу шлаки имеют невысокую окислен­ность, условия для удаления фосфора в эти периоды плавки неблагоприятны и лишь в конце продувки в момент, когда при низких содержаниях углеро­да окисленность шлака резко возрас­тает, условия для дефосфорации ста­новятся благоприятными и фосфор начинает интенсивно переходить в шлак. Получить средне- и высокоуг­леродистую сталь с низким содержа­нием фосфора при работе с использо­ванием кусковой извести трудно. Приходится продувать металл до низ­ких содержаний углерода (т. е. доби­ваться получения в конце плавки окислительного шлака) и затем науг­лероживать металл в ковше.

Получение низких концентраций фосфора в металле при переделе высо­кофосфористых чугунов возможно лишь при условии скачивания шлака. При вдувании в конвертер смеси кис­лорода с тонкоизмельченной известью уже на первых минутах плавки форми­руется активный основной шлак, в ко­торый удаляется фосфор при интен­сивном перемешивании до содержа­ния 0,02-0,03 % Р (при переделе чугу­на, содержащего <0,2 % Р). Однако в случае передела чугуна, содержащего >0,2 % Р, получить сталь с низким со­держанием фосфора без скачивдния шлака невозможно даже при продувке ванны известково-кислородной сме­сью. При донной продувке благодаря существенному повышению поверх­ности контакта газ—металл возрастает количество серы, удаляемой в процес­се продувки в газовую фазу. Если при верхней продувке в газовую фазу в виде SO₂ удаляется ~10% от общей удаленной серы, то при продувке че­рез дно эта доля возрастает вдвое, причем оказывается, что чем выше интенсивность продувки, тем она выше. Более устойчивые и хорошие результаты десульфурации обеспечи­ваются при быстром формировании активного основного шлака в случае вдувания извести в тонкоизмельчен­ном виде вместе с кислородом.

Условия, определяющие содержа­ние газов в стали при продувке снизу, существенно отличаются от условий, соответствующих в верхней продувке. Наиболее важные отличия следую­щие: 1) температура в реакционной зоне при донной продувке благодаря охлаждающему действию слоя защит­ных газов и вдуваемой извести ниже, чем в реакционной зоне при верхней продувке; 2) при продувке сверху не­которое количество атмосферного воздуха обычно эжектируется кисло­родной струей в полость конвертера. В результате в составе газовой фазы в конвертере содержится некоторое ко­личество воздуха, который является источником поступления азота в ме­талл. Чем выше давление кислорода, тем больше «воронка» в том месте, где струя кислорода входит в металл, тем на большую глубину проникает газо­металлическая эмульсия и тем больше ее путь (и продолжительность контак­та с металлом) вначале вниз, а потом вверх.

При донной продувке чем выше давление кислорода, тем меньше про­должительность контакта дутья с ме­таллом; подсос атмосферного воздуха в полость конвертера при продувке снизу практически отсутствует. Вслед­ствие снижения температуры реакци­онной зоны, а также в результате уменьшения подсоса атмосферного воздуха при дутье снизу содержание азота в стали ниже, чем при продувке сверху. Обычно содержание азота в конце операции при донной продувке составляет 0,001-0,003 %. Некоторое колебания его содержания объясняются применяемыми методами охлажде­ния ванны и чистотой кислорода.

Большее значение для получения чистой по азоту стали имеют чистота кислорода и содержание азота в при­родном газе. При использовании кис­лорода чистотой -99,8 % и чистого от азота метана можно получить в кон­вертере в конце продувки сталь, со­держащую <0,001 % [N]. Содержание водорода в металле определяется ин­тенсивностью двух одновременно протекающих процессов: растворения газов и удаления их с пузырями СО. Образующийся при разложении угле­водородов, подаваемых для защиты фурм, водород частично окисляется кислородом дутья с образованием па­ров Н₂О. При прохождении Н₂О через слой металла возможно наводороживание металла:

Н₂0_Г → 2[Н] + [0],

К =[Н]²-[0] /р_Н20,

т. е.

[Н]²=Kp _H2O/[0],

[H] = _H2O/[O]

Таким образом, в те периоды плав­ки, когда окисленность металла мала, в зоне контакта пузырей с высоким парциальным давлением /з_Н2о возмо­жен интенсивный переход водорода в металл. Кроме того, возможен и не­посредственный контакт водорода с металлом, т.е. Н_2(г) → 2[Н], а в зоне разложения углеводородов Н_атом → [Н]. Одновременно идут процессы удале­ния водорода вследствие дегазирую­щего воздействия пузырей СО. В тех случаях, когда плавка заканчивается при очень низких содержаниях угле­рода (например, при переработке вы­сокофосфористых чугунов), содержа­ние СО в отходящих газах становится в конце продувки очень малым, соот­ветственно повышается парциальное давление водородсодержащих компо­нентов (Н₂О и Н₂). Содержание водо­рода в отходящих газах в этот момент может составлять 20—30 %. Соответ­ственно в этом случае содержание во­дорода в металле заметно возрастает, и если не принять необходимых мер, то повышенное содержание водорода может ухудшить качество стали.

Для снижения содержания водоро­да обычно осуществляют кратковре­менную продувку ванны перед выпус­ком металла инертным газом. Эту операцию используют также и для уменьшения окисленности ванны. Кратковременная (~1 мин) продувка ванны аргоном обеспечивает доста­точное снижение концентрации водо­рода в металле. Во многих случаях для кратковременной продувки ванны в конце плавки используют более деше­вый азот. Переход азота в металл при такой продувке за столь короткий промежуток времени практически не­заметен, особенно в случае продувки низкоуглеродистого металла.

Накопленный опыт эксплуатации конвертеров с донной продувкой по­зволяет отметить следующие особен­ности этой технологии:

1. Рассредоточенная подача кисло­рода и хорошее перемешивание ванны дают возможность проводить продув­ку очень интенсивно. Продолжитель­ность собственно продувки при ис­пользовании для охлаждения желез­ной руды и-извести составляет обычно 7—8 мин, а при использовании метал­лического лома и руды— 10—12 мин. Поскольку плавка в конвертере с дон­ной продувкой идет быстрее, соответ­ственно производительность конвер­тера может быть увеличена (по расче­там, на > 5 %); вместе с тем высокая производительность может быть дос­тигнута лишь при высокой стойкости днищ (при равной стойкости футеров­ки). При низкой стойкости днищ не­избежны существенные затраты вре­мени на их ремонт и замену.

2. Выход жидкой стали при донной продувке несколько выше, чем при продувке сверху (в результате умень­шения выноса плавильной пыли и снижения содержания железа в шла­ке), в случае правильно организован­ной технологии.

3. Существенно различие тепловых балансов плавок с продувкой снизу и сверху. При продувке сверху опреде­ленное количество тепла теряется с водой, которой охлаждается фурма. Вместе с тем в отходящих газах в конвертере с верхней продувкой много СО₂, т. е. заметное количество СО до­горает непосредственно в полости конвертера, увеличивая приход тепла. При продувке сверху большее, чем при продувке снизу, количество тепла поступает от окисления железа. При продувке снизу меньше продолжи­тельность продувки, меньше удельный объем конвертера, соответственно ниже холостые потери тепла (т. е. по­тери тепла на поддержание футеровки в рабочем нагретом состоянии). Вмес­те с тем при донной продувке больше тепла теряется с отходящими газами, увеличиваются потери тепла, связан­ные с нагревом и разложением углево­дородов защитного газа. В целом ока­зывается, что потери тепла при дон­ной продувке несколько выше, чем при верхней, поэтому количество лома, которое можно переработать в конвертере донной продувкой, не­сколько меньше, чем в конвертере с верхней продувкой.

4. В связи с более интенсивной продувкой, а также с вводом смеси кислорода с углеводородами при про­дувке снизу объем отходящих газов в единицу времени примерно на 20 % больше, чем при верхней продувке; в отходящих газах при донной продувке содержится примерно в 5 раз меньше плавильной пыли; средний размер ча­стиц этой пыли существенно меньше (из ванны с пузырями газа уходят мельчайшие частички, которые «вита­ют» в пузырях). Существенным отличием состава отходящих газов из кон­вертера является высокое содержание в них СО и Н₂. При таком составе га­зов предъявляются очень высокие требования к работе улавливающих установок, прежде всего с точки зре­ния охраны труда и техники безопас­ности.

5. Особенности ведения плавки при донной продувке и характер со­става отходящих газов требуют очень тщательного уплотнения между кожу­хом горловины конвертера и нижней частью устройства для отсоса и улав­ливания газов. При такой работе за­трудняется организация контроля за ходом операции во время продувки обычными методами (отбор проб ме­талла, замер температуры).

6. При переходе на донную продув­ку изменяются требования к конст­рукции конвертера и к зданию. Отно­шение массы садки к объему конвер­тера может быть увеличено, т. е. в кон­вертере того же объема можно продувать большую порцию металла. Отношение высоты к диаметру кон­вертера может быть уменьшено. Изме­няются условия проектирования зда­ния: отпадает необходимость в разме­щении поднимающейся продувочной фурмы и механизмов для ее подъема; при вдувании флюсов в порошкооб­разном виде снизу вместе с кислоро­дом отпадает необходимость размеще­ния вверху цеха транспорта для пода­чи к конвертерам добавочных матери­алов. Все это позволяет уменьшить

Рис. 15.23. Сравнительная оценка работы конвертеров с верх t _плней, донной и комбинированной

продувкой:

о —продувка сверху; б —донная продувка; в — комбинированная продувка; 1 — хороший контроль шлака; 2 — выбросы; 3 — неоднородный состав ванны; 4 — высокая температура шлака; 5—слабое развитие реак­ций шлак-металл; б—недостаточное перемешивание ванны; 7—ускорение реакций шлак-металл; 8 — хорошее перемешивание ванны; 9— введение углеводородов; 10— введение смеси О₂ + порошок СаО; 11 — низкая температура шлака; 12 — затрудненный контроль шлака; 13 — относительно невысокая температура шлака; 14 — дополнительное перемешивание ванны; 15— введение инертного и охлаждающего газа, а также

порошка СаО

высоту цеха. Однако при этом необхо­димы новые решения по конструиро­ванию пылеулавливающих устройств, так как они лимитируют высоту цеха в целом. При донной продувке требуют­ся соответствующие конструктивные решения по организации размола и подачи к конвертерам порошкообраз­ных флюсов, подачи природного газа или мазута для охлаждения фурм, по­дачи инертного газа и т. д. и т. п. Как видно из рис. 15.23, недостатки, при­сущие конвертерам с верхней продув­кой и донной продувкой, исчезают при использовании комбинированной (верхней и донной одновременно) продувки.