Металлургия черных и цветных металлов
..pdfПервое проявляется на более ранней стадии продувки и дей ствует как кинетический фактор через изменение окислитель ных свойств дутьевого потока при изменении его режима и площади поверхности реагирования марганца с газообразным окислителем и оксидами железа. Воздействие температурного режима проявляется на более поздней стадии продувки и дей ствует в основном как термодинамический фактор в связи с при ближением реакции окисления марганца к равновесию и воз
можностью протекания реакций с участием (МпО) в сторону восстановления.
При снижении концентраций углерода в металле возможно сти сохранения марганца в ванне уменьшаются и поддержива ются в большей степени за счет высоких температур ванны. Отмеченные факторы регулирования содержания марганца в ме таллическом расплаве особенно проявляются в процессе с ма лым количеством шлака в конвертере, проводимом после пред варительного удаления из чугуна кремния, фосфора и части серы. Используемое при обезуглероживании такого металла в конвертере «мягкое дутье», подаваемое при большом относи тельном расстоянии фурмы от ванны, способствует сохранению марганца в металле при производстве среднеуглеродистой стали (0,5—0,9% С).
Важной особенностью кислородно-конвертерного процесса является окисление фосфора чугуна одновременно с углеродом почти с самого начала продувки при невысокой температуре ванны (1300—1400 °С). Интенсивное поступление оксидов же леза из реакционной зоны обусловливает их повышенную ак тивность в оксидном расплаве, а затем сравнительно быстрое растворение извести с образованием основного шлака. В этот период реакция дефосфорации металла может быть представ лена в следующем виде (с учетом ионной структуры шлака):
2 [Р] + 5 (Fe2+) + 8 (О2- ) + 3 (Са2+) ** 2 (РОГ) + 3 (Са2+) +
+5[Fe]«.
Впоследующий период процесса при более высокой темпе ратуре ванны (1500 °С и выше) окисление фосфора по мере приближения к равновесию становится незначительным, может
переходить в восстановление и возобновляется при увеличении
концентрации СаО в шлаке до 47—50 % и выше.
Окисление углерода в кислородном конвертере начинается сра^у с подачеГдутья и в течение 1 -3 мин происходит в ре жиме незаглубленного в расплав дутьевого потока. в этот пе риод развивается поверхностное обезуглероживание в зоне ко такта дутья с расплавом и на поверхности капель металла, выносимых в окислительный поток. Часть углерода, находяще-
гося в металлических каплях, окисляется также при их взаи модействии со шлаком, Этому способствует возможная гетеро генность шлака, облегчающая образование газообразного про дукта обезуглероживания СО — на поверхности твердых частиц. Однако общая скорость окисления углерода в этот период еще является пониженной из-за неразвитости реакционной поверх ности.
Увеличение последней за счет взаимодействия углерода ванны со шлаком в зоне их контактирования и за счет заглуб ления реакционной зоны в расплав по мере расходования угле рода на поверхности расплава приводит к образованию газо- шлако-металлической эмульсии, подъему уровня шлака и ме талла и переходу к режиму заглубленного дутьевого потока. Это способствует более полному усвоению кислорода дутья ме таллическим расплавом, протеканию обезуглероживания на большой поверхности контакта окислительных и металлических фаз, увеличивающейся благодаря выделению СО.
В середине |
процесса обезуглероживание |
ванны происходит |
с постоянными |
максимальными скоростями |
(0,4—0,5 %/мин), |
а затем начинает замедляться. Это связано с обеднением рас плава углеродом и замедлением его поступления к месту взаи модействий с кислородом, который в большей степени начи нает растворяться в металле. При этом доля использования кислорода на окисление углерода, составляющая в середине процесса практически 100%, резко снижается и при содержа нии углерода в ванне 0,1—0,05 % для окисления 0,01 % С тре буется пятикратное количество кислорода по сравнению с тео ретически необходимым по реакции [С]Н-0,5 02 = СО.
Условия удаления серы из металла в кислородном конвер тере являются менее благоприятными, чем для фосфора. Глав ный процесс, определяющий удаление серы из ванны,— ее пере ход в шлак по реакции
(СаО) + [FeS] = (CaS) + (FeO) или в ионной форме
(02-) + [S] = (S2-) + [0].
Основная причина недостаточного удаления серы состоит в повышенном содержании FeO в шлаке, которое является и продуктом данной реакции. Около 10 % всей удаляемой серы может переходить в газовую фазу в виде S02 в основном в на чале продувки при более окислительной газовой фазе на гра ницах раздела и более благоприятных условиях выделения на них газообразных продуктов. Реакции с образованием S02 мо-
'гут быть представлены в виде:
[S] + 0 2 = S02; (S2-) + 3/2Оа = (О2’) + S02.
Общая степень удаления серы из металла достигает 30— 40 %. Дальнейшее ее удаление целесообразно проводить внепечной обработкой жидкого металла синтетическими шлаками или десульфурацией измельченными реагентами в сталеразли вочных ковшах.
Изменение состава шлака по ходу процесса в кислородном конвертере с верхним дутьем характеризуется быстрым нара станием в нем содержаний СаО, особенно интенсивным в конце первой половины процесса. Этому способствует повышение со держаний FeO и МпО в шлаке, образующемся в реакционной зоне и имеющем в ней очень высокую температуру (2000— 2200 °С). Ассимиляция извести шлаком начинается с образо вания твердых оксидных растворов путем замещения в решетке оксида кальция ионов Са2+ ионами Мп2+ и Fe2+. По мере повы шения концентрации FeO и МпО постепенно снижается темпе ратура плавления образующегося раствора. Снижение тем пературы плавления шлака происходит также вследствие об разования более сложных ионов и с их участием структур легкоплавких соединений типа манганатов и ферритов кальция. Этим объясняется положительное влияние оксидов марганца на образование активного высокоосновного шлака.
Ассимиляция извести в шлаке способствует также находя щийся в его составе диоксид кремния при его содержаниях 15—20 %. При более высоких содержаниях ЭЮг и низких со держаниях FeO ассимиляция извести в шлаке может замед
ляться за |
счет |
образования тугоплавкой фазы |
2СаО • S1O2 |
(^пл= 2130 |
°С) вместо легкоплавкого соединения |
2Fe0-Si02 |
|
или соединений |
промежуточных составов — оливинов также |
снизкой ^пл-
Кконцу процесса основность шлака СаО/БЮг возрастает
до 3,5—5,0, однако желательно, чтобы он сохранял в этот пе
риод гомогенное, полностью жидкое состояние.
Содержание оксидов железа в шлаке возрастает в начале и конце процесса. В средней его части оно понижается в ре зультате интенсивного обезуглероживания металла. Вследствие недостатка кислорода дутья дополнительные количества кис лорода на окисление углерода меаллического расплава заим ствуются из шлаковой фазы по реакциям
[С] + (FeO) = СО+ [Ре]ж и [С] + (МпО)=СО+[Мп].
Считалось, что для достаточно раннего шлакообразования со своевременным растворением извести требовался чугун с 0,8—1,0 % Мп. Однако для различных отечественных заводов стала обычной практика выплавки чугунов с 0,1—0,15 % Мпоез специального использования в их шихте марганцевых руд или марганцевого агломерата.
[C3;[P];[MrO;[si],% |
|
|
дов кальция и железа |
(48 % |
СаО, |
|||||||||
|
4 |
|
|
|
|
16% |
FeO). До начала продувки |
|||||||
|
J |
|
|
|
|
на оставшийся в конвертере шлак |
||||||||
|
|
|
|
|
дают известь (20—25 % от общего |
|||||||||
[S3,% |
|
|
|
|
|
расхода) |
для |
предотвращения |
бур |
|||||
Ofih - |
г |
|
|
-CSJ |
ной реакции |
шлака |
со |
сливаемым |
||||||
|
|
|
|
|
|
в конвертер чугуном. После мед |
||||||||
0,01 - |
1 - № r t N < J p^ |
* 4 |
4 |
ленного слива чугуна вновь добав |
||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
ляют |
небольшими |
порциями |
из |
|||||
0 |
5 |
10 |
15 |
го |
весть в смеси с железной рудой. |
|||||||||
|
||||||||||||||
|
|
t np, мин |
|
При достижении в шлаке 20—25 % |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
Р2О5, |
а |
также |
обычно 40—45 % |
|||||
Рис. IV.5. Изменение состава ме |
СаО |
и 10—12 % FeO его скачива |
||||||||||||
талла по ходу продувки высоко |
||||||||||||||
фосфористого |
чугуна |
в |
конвертере |
ют для |
использования |
в качестве |
||||||||
верхнего дутья с применением по |
удобрения и |
предотвращения |
воз |
|||||||||||
рошкообразной извести |
|
|
||||||||||||
фора |
в |
металл.К |
|
можного |
обратного |
перехода |
фос |
|||||||
|
этомумоменту в |
ванне |
обычно содержи |
|||||||||||
0,8—1,0 %'С и ~0,2 % Р. |
|
(второй |
период) |
в ванну до |
||||||||||
При возобновлении |
продувки |
бавляют металлолом в качестве охладителя/остальное количе ство извести (55—60 % от общего расхода) и небольшое коли чество железной руды для образования нового жидкоподвиж ного активного и высокоосновного шлака. Сталь, выплавленная по этой технологии, обычно содержит 0,02—0,03 % Р.
При несколько меньшем начальном содержании фосфора (0,8—1,1 %) и 0,7—1,0 % Si в чугуне из руд Лисаковского ме сторождения продувку тем же вариантом ведут до 0,3—0,8 % С в ванне, а металлолом и большую часть извести загружают в конвертер до заливки чугуна. В скачиваемом шлаке содер жится до 10 % Р20б. Для повышения дефосфорирующей спо собности шлака как в первом, так и во втором (после скачива ния шлака) периоде применяют добавки извести и малые коли чества плавикового шпата.
Передел фосфористых чугунов в кислородных конвертерах с вдуванием порошкообразной извести (рис. IV.5) основан на получении более тесного ее контакта с расплавом и увеличе нии реакционной поверхности. Это позволяет на ранних стадиях процесса быстро увеличить основность шлака и улучшить воз можности дефосфорации и десульфурации ванны. Повышение кинетической энергии струи кислорода вследствие введения в нее твердых частиц с большей плотностью способствует более глубокому проникновению дутья в расплав и дополнительному увеличению контакта вводимой твердой фазы.
Окисление фосфора может происходить на поверхности ча стиц извести в присутствии оксидов железа и на границе раз дела металл—шлак. Расход порошкообразной извести состав ляет от 50 до 750 кг/мин. Ее фракции при подаче в конвертер
составляют < 2 |
мм, причем 85 % извести имеет размер частиц |
|
до 1 мм. |
г |
г |
Плавку, как и на сортированной извести, ведут в два пе риода с оставлением в конвертере конечного шлака предыду щей плавки. Это увеличивает извлечение фосфора в фосфатшлак и снижает общий расход добавляемой извести (главным образом порошка) на 20—30%. Процесс с применением вдувания в конвертер порошкообразной извести может быть прове ден и с одним шлаком (см. рис. IV.5). Необходимость соору жения и эксплуатации дополнительного оборудования для помола и дозирования подачи порошкообразной, извести в кон вертер увеличивает стоимость цеха на 10—15 %.
Применение вращающихся вокруг наклонной оси конверте ров (Калдо-процесс) с подачей кислорода под углом к поверх ности ванны позволяет увеличить подачу тепла к металлу, ускорить шлакообразование и гибко регулировать окислитель ные процессы. Однако высокие затраты на оборудование, малая стойкость футеровки и пониженная производительность огра ничивают его распространение.
§2. Передел природнолегированных чугунов
Внастоящее время в связи с необходимостью более полного ис пользования содержащихся в природных материалах металлов важное значение приобретает разработка комплексных желез ных руд, содержащих, кроме железа, ванадий, никель, хром, марганец и другие ценные элементы. Высокие технико-эконо мические показатели могут быть достигнуты одновременным или последовательным использованием основных составляю
щих этих руд, нужных для промышленности.
Технологией, позволяющей получить сталь и в то же время использовать сопутствующие железу элементы, является пере работка ванадиевых чугунов, выплавляемых из комплексных РУД (титано-магнетитов) Качканарского месторождения. Пере работку таких чугунов проводят дуплекс-процессом в двух кис лородных конвертерах последовательно или дуплекс-процессом
кислородный конвертер — мартеновская печь.
На первой стадии производят возможно полное извлечение ванадия из рафинируемого металла с получением кондицион ного шлака, который служит исходным сырьем для производ ства феррованадия, а также полупродукта, пригодного для пе
реработки в |
сталь |
на последующей стадии дуплекс-про |
цесса. |
чугуне |
о |
В исходном |
содержится, кроме обычных примесея, |
0,40—0,55 % V, 0,10—0,35 % Ti, 0,04—0,06 % Сг. Тип образую щегося в шлаке оксида ванадия зависит от концентр ц
129