Лекція Особливості переробки високофосфористих чавунів. Особливості процесів в обертових агрегатах.

Серед різних варіантів киснево-конвертерних процесів друге місце по питомій вазі посідає продувка зверху високофосфористого чавуну. Цей варіант свого часу отримав значне розповсюдження в країнах Західної Європи і прийшов на зміну томасівському процесу.

У разі переділу чавуну із звичайним вмістом фосфору для одержання [Р] < 0,010-0,020% достатньо мати в конвертері активний вапняно-залізистий шлак. При підвищенні у чавуні вмісту фосфору до 0,4-0,5% активність з'єднань фосфору у шлаку, що утворюється при продувці виявляється настільки високою, що для досягнення низьких значень [Р] необхідно мати досить велику масу вапняно-залізистого шлаку. Звичайні добавки вапна і окислювачів вже не забезпечують успіху. Раціональним є скачування шлаку, що містить фосфор, і наведення нового вапняно-залізистого шлаку. Тому скачування шлаку є необхідним технологічним прийомом при переробці фосфористих чавунів (двостадійний або двошлаковий процес). Шлак, який одержується при переробці фосфористих чавунів і містить 10-20% Р2О5, є цінним добривом.

Плавку в конвертері при переробці високофосфористих чавунів можна умовно поділити на два періоди: 1) до скачування шлаку; 2) після скачування шлаку. В деяких випадках його скачують двічі і продувка ділиться на три періоди.

В конвертерному процесі з продувкою чавуну зверху активний рідкотекучий шлак, в якому цілком розчинилися завантажені куски вапна, встигає сформуватися лише наприкінці продувки. При переробці фосфористих чавунів продувка переривається для скачування шлаку. Якщо не вжити спеціальних заходів, то на момент скачування шлаку вапно ще не встигне розчинитися і процес дефосфорації пройде недостатньо повно. Якщо зменшити інтенсивність подачі кисню і збільшити тривалість формування необхідного для дефосфорації шлаку, то продувка істотно подовжиться, погіршаться умови служби футеровки, збільшаться відносні втрати тепла. Тому необхідно забезпечити раннє формування активного залізисто-вапняного шлаку. Для вирішення цієї задачі існують різні методи. Частіше всього використовують два: 1) залишення в конвертері залізисто-вапняного шлаку попередньої плавки для швидкого наведення шлаку наступної плавки; 2) введення вапна в порошкоподібному стані, що дозволяє швидко прогріти і ошлакувати кожну частинку вапна і сформувати шлак.

На заводі Клекнер Хюттенверк в Хаген-Хаспе (Німеччина) розробили метод продувки киснем зверху, який одержав назву буфер-шлакового процесу.

Особливістю цього методу є м'який режим подачі кисню, при якому протягом значної частини продувки він не вступає у безпосередній контакт з металом при зустрічі з ванною і практично цілком поглинається шлаком. Кисень із шлаку передається металу і витрачається на окислення домішок. За таких умов продувки легко отримати рідкотекучий з досить високим вмістом оксидів заліза шлак, в якому порівняно швидко розчиняється вапно при додаванні його невеликими порціями. Це обумовлює порівняно швидке наростання фосфоропоглинальної здатності шлаку, швидкий перебіг знефосфорування разом із зневуглецьовуванням і отримання низького вмісту фосфору на момент досягнення кінцевого вмісту вуглецю. Усунення безпосереднього контакту кисню, що вдувається, з металевою ванною досягається шляхом підбору форми кисневого сопла, відстані сопла від поверхні ванни і тиску кисню.

Перед початком продувки в конвертер досаджують одну третину всієї кількості вапна, що витрачається на плавку, і приблизно таку ж кількість залізної руди. Початок продувки проводять при зменшеній відстані сопла від поверхні ванни і підвищеному тиску кисню, що обумовлює проникнення кисневого струменя у метал, швидке розігрівання ванни й утворення початкового рідкотекучого шлаку. Потім сопло піднімають, тиск кисню зменшують і при режимі, коли майже виключений контакт кисневого струменя з металом, продувку ведуть до моменту зупинки її для скачування шлаку або, якщо працюють без скачування шлаку, до кінця операції. В процесі продувки невеликими порціями присаджують вапно і залізну руду. Після скачування шлаку додають вапно і, якщо необхідно для охолодження операції, брухт.

Недоліком буфер-шлакового процесу є спінення і викиди, у зв'язку з чим конвертер має збільшений питомий обсяг. Позитивною особливістю буфер-шлакового процесу є відсутність локальної високотемпературної зони і як наслідок зменшення димовиділення (протягом 20-25% тривалості продувки). Отримана сталь за якістю не поступається мартенівській.

Головними особливостями розробленого на заводі в Помпе (Франція) процесу, названого Помпе-процесом, є використання сортового вапна для наведення високоосновного шлаку (розмір кусків - від 10 до 30 мм), скачування шлаку в середині продувки, наведення другого шлаку і залишення його в конвертері після випуску металу, опускання в процесі продувки фурми. Кінцевий шлак, що залишається в конвертері, містить близько 50% СаО, 25-30% ГеО, 6-10% Р2О5, що забезпечує прискорення шлакоутворення в першому періоді наступної продувки; зменшення втрат заліза, витрат вапна і кисню; збільшення маси кондиційного фосфат-шлаку з високим вмістом Р2О5; зниження собівартості сталі на 4% в порівнянні з роботою без використання кінцевого шлаку.

До заливки чавуну в конвертер завантажують кускове вапно в кількості 20-25% загальних витрат на плавку і повільно протягом 4-5 хв. зливають чавун, що містить 1,7% Р; 0,45% 8і; 0,4% Мп. Продувку починають при низькому положенні фурми і високому тиску кисню. Після розігрівання металу для утворення рідкотекучого залізистого шлаку піднімають фурму і вводять порціями, 4-5% від маси чавуну, залізну руду. Потім повторно опускають фурму і невеликими порціями додають 3-4% вапна. Сипучі вводять без припинення продувки, використовуючи конвейєри, вібраційні жолоби і водоохолоджувані труби. В кінці першого періоду до складу металу входить 1-1,5% С, менше 0,2% Р і 0,25% Ми. Температура металу перед скачуванням шлаку, що містить 20-25% Р2О5, до 50% СаО і близько 10% РеО, коливається в межах 1550- 1600°С. Після скачування першого шлаку в конвертер завантажують 10-15% брухту, продувку ведуть при високому положенні фурми і зниженому тиску кисню, досаджують порціями 1-1,5% руди і 6-7% вапна. Другий період приблизно удвічі коротший за перший. Загальна тривалість продувки дорівнює 20-25 хв., цикл плавки триває 35-40 хв.

За цією технологією із чавуну з 1,5-2% Р одержують як киплячу, так і спокійну мало-, середньо- і високовуглецеву і низьколеговану сталь, що містить 0,02-0,03% Р. Метал не поступається за якістю мартенівському аналогічних марок.

Процес Помпе має наступні недоліки: знижена продуктивність, підвищені втрати металу з викидами і знос футеровки.

Одним з найпоширеніших варіантів переділу високофосфористих чавунів є процес ЛД-АЦ із вдуванням у ванну в струмені кисню порошкового вапна і скачуванням проміжного шлаку, розроблений науково-дослідним центром ІК8ГО (Франція) спільно з бельгійськими металургами.

У спеціальному бункері-диспергаторі мелене вапно підтримується в завислому стані. Із нижньої його частини воно ежектується струменем кисню у гшлопровід, а потім - у фурму. Тонкість помелу вапна складає 0,08-0,8 мм (в основному 0,08-0,14 мм). При таких малих розмірах часток вапна різко інтенсифікується масоперенос в мікрогетерогенній системі "шлак-тверді частки" через збільшену питому поверхню останніх.

Для переділу фосфористих чавунів переваги застосування порошкоподібного вапна в порівнянні з кусковим безперечні. На відміну від Помпе-процесу ЛД-АЦ процес характеризується значним зниженням питомих витрат вапна завдяки більш повному його засвоєнню у шлаку; збільшенням виходу придатної сталі у зв'язку з меншою кількістю шлаку; зниженням втрат металу з винесенням і викидами завдяки ранньому наведенню шлаку і спокійному перебігу продувки.

Основні особливості технології ЛД-АЦ процесу полягають у наступному. На початку плавки, до зливання чавуну в конвертер, завантажують більшу частину брухту, близько 1/3 всього вапна, що витрачається (в кусках), 1% бокситу і 2% залізної руди (від маси сталі).

Протягом перших 4-5 хв. продувки порошкове вапно до кисню не додають, щоб уникнути посилених викидів металу, а також починають його вдування. Для збагачення шлаку оксидом заліза фурму піднімають, а якщо в подальшому розвиваються викиди шлаку, фурму опускають. Гіри досягненні приблизно 1% вуглецю продувку зупиняють і скачують шлак. У цей момент [Р] < 0,2%. У шлаку, що скачали, міститься 20-24% Р₂0₅, 8-10% РеО, близько 48% СаО і 10% 8і0₂. Тривалість періоду від початку продувки до моменту скачування складає в середньому 14 хв. Після скачування шлаку при високій температурі ванни присаджують брухт або руду, відновлюють продувку з подачею у струмені кисню пилоподібного вапна. Другий, заключний період триває 3-5 хв. Після закінчення продувки, загальна тривалість якої складає 16-20 хв., зливають шлак і випускають метал у ківш, де сталь розкислюють.

Технологія ЛД-АЦ процесу дозволяє отримати низький вміст фосфору і зупинити продувку на заданому вмісті вуглецю, не вдаючись до передувки, не тільки при виплавці маловуглецевих, але й сталей з підвищеним [С] в готовому металі.

Іноді ЛД-АЦ процес ведуть із залишенням в конвертері кінцевого шлаку і використанням його в наступній плавці. При цьому забезпечується раннє утворення гомогенного, активного вапняного шлаку, що створює сприятливі умови і для видалення сірки з металу, ступінь його десульфурації досягає 60-70% від первинного вмісту сірки у чавуні.

Продувка фосфористого чавуну в конвертерах з верхнім кисневим дуттям за результатами знесірчування близька до роторного і Кал-До процесів і перевершує звичайний томасівський переділ, оскільки спостерігаються більш раннє формування активного шлаку і велика інтенсивність видалення сірки в процесі продувки.

Кал-До процес був розроблений з метою збільшення частки брухту в металошихті за рахунок допалювання СО-СО2. Кал-До конвертер здатний обертатися зі швидкістю 0,5 с"¹. Поздовжня вісь його під час обертання при продувці розташована під кутом 17-20° до горизонту (рисунок ). Процес розроблений у Швеції і призначався для переділу високофосфористих чавунів.

Кал-До процес характеризується наступними особливостями:

1. малий тиск дуття і подача його під кутом 26° до горизонту обумовлює невелику швидкість і глибину проникнення струменя кисню в метал. Тому домішки окислюються, в основному, через шлак;

2. монооксид вуглецю СО, що виділяється з ванни, допалюється незасвоєним ванною киснем до СО2 у межах конвертера, внаслідок чого додаткове надходження тепла дозволяє збільшити кількість руди (до 17%) або брухту (до 48% від маси металевої шихти);

3. обертанням конвертера регулюється перемішування металу і шлаку, що забезпечує ефективне керування перебігом реакцій у ванні;

4. при обертанні конвертера футеровка нагрівається від спалювання СО-СО2 вище рівня ванни, який знаходиться в зоні високих температур. Потрапляючи під метал і шлак, перегріта футеровка віддає їм тепло, що дещо знижує швидкість її зносу;

5. об'єм газів, що відходять, у 6-8 разів менший, ніж у звичайних конвертерах, що дозволяє спростити конструкцію і габарити очисних установок.

Переваги Кал-До процесу полягають у наступному:

1. значна частка брухту в металевій шихті (до 45-48%);

2. більш високий вихід рідкої сталі (91-93%);

3. можливість регулювання перебігу реакцій за рахунок поєднання змін швидкості обертання, положення фурми і інтенсивності продувки;

4. високий коефіцієнт використання тепла в агрегаті, обумовлений допалюванням СО до СО2 в конвертері;

5. глибока десульфурація металу, обумовлена значною кількістю шлаку в конвертерній ванні, високим коефіцієнтом розподілу;

6. менші капітальні витрати.

Суттєвими недоліками Кал-До процесу є: велика тривалість продувки і циклу плавки, складність конструкцій механізмів обертання конвертера масою 500 т, високі питомі витрати вогнетривів, значні питомі капітальні витрати.

1 - випускний отвір; 2 - газовідвід; З кисню; 6 - механізм обертання

З метою успішного проведення попередніх дефосфорації і десиліконізації чавуну застосовують роторний процес. Проте в роторі можна одержувати і сталь. Роторний процес здійснюється в горизонтально розташованому циліндричному агрегаті, що обертається зі швидкістю -0,07 с"¹ (рисунок ).

"777

"777

77/

~777~

ротор; 4 - подача вторинного кисню; 5 - подача первинного

Рисунок . - Схема роторної печі

Роторні печі використовуються у ряді країн світу. В обох торцевих стінках кожного ротора (ємність 60 і 90 т) зроблені отвори діаметром 0,6-0,8 м. Через передній отвір завантажують тверді матеріали і заливають чавун. У цей же отвір вводять водоохолоджувальні кисневі фурми. Через інший отвір, з боку зливу металу і шлаку, відводяться гази. У цій же торцевій стінці є сталевипускний отвір і шлакова льотка. Футеровка складається із двох шарів: робочого набивного із смолодоломітової маси і постійного шару з магнезитової цегли.

Перед продувкою в ротор завантажують вапно і залізну руду і заливають рідкий чавун. Потім його повертають у положення продувки, при якому поздовжня вісь розташовується на одній лінії з каретками, які переміщують дві кисневі фурми і димовловлюючий камін.

Через нижню фурму, занурену в метал на глибину близько 250 мм, вводять первинний кисень чистотою 95-99% під надмірним тиском 0,6 МПа з інтенсивністю 4000 м³/год. Через верхню фурму в робочий простір подають розведений азотом вторинний кисень чистотою 70-75% О2 під надмірним тиском 0,3 МГІа з інтенсивністю 6000 м³/год. Первинний кисень окислює домішки металу, а верхнє дуття служить, в основному, для допалювання моновуглецю СО до СО2. Продувка звичайно триває 40-50 хвилин. Завдяки цьому утилізується тепло від реакції {С0}+7₂{0₂}={С0₂}.

При роторному процесі фосфор інтенсивно окислюється, випереджаючи окислення вуглецю при [С]=2%, [Р]>0,1%. ГІри концентрації вуглецю [С]=2% спускають шлак, потім додають вапно і руду для наведення повторного шлаку. Після закінчення продувки фосфористого чавуну кінцевий шлак залишають у роторі і використовують в наступній плавці. Шлак, що випускається, містить 18-20% Р2О5 і використовується як сільськогосподарське добриво.

Ранн^ окислення фосфору дозволяє виплавляти в роторах високовуглецеві сталі. В них також освоєна виплавка якісних сталей.

У порівнянні з Кал-До процесом роторний процес має наступні недоліки: велику тривалість продувки і плавки (близько 2 год.), громіздке устаткування і нижчі техніко-економічні показники. Для використання роторного процесу необхідно вирішити питання про значне підвищення стійкості агрегату, його охолодження.

1 - ківш; 2 - положення конвертера при випуску сталі; 3 - подача охолоджувальної води; 4 - подача кисню; 5 - подача порошкоподібних матеріалів через фурму; 6 - пересувний газовідвід; 7 - положення конвертера при завантаженні шихти; 8 - подача вапна і руди

Рисунок . - Конвертер Кал-До

Конвертери Кал-До застосовувались у ряді країн Європи, Північної Америки і Японії. їх садка складає від 30 до 160 тонн. Футеровка конвертера Кал-До виконується із смолодоломітової і магнезитової цегли. Привід конвертера забезпечує його обертання і поворот відповідно навколо поздовжньої і горизонтальної осей.

Кисень чистотою не нижче 95% під тиском 0,3 МПа подається через горловину конвертера по водоохолоджуваній фурмі, встановлюваній над поверхнею ванни під кутом 26° до горизонту. Завантаження твердих присадок, випуск сталі і шлаку, а також відведення газів, що утворюються під час продувки, здійснюється через горловину.

При обертанні конвертера створюються сприятливі умови для перемішування ванни. Допалювання монооксиду вуглецю в конвертері сприяє інтенсивному нагріванню ванни і формуванню активного вапняно-залізистого шлаку і раннього швидкого окислення фосфору. Швидке окислення фосфору на початку продувки пов'язане зі значною площею розподілу.

При процесі Кал-До з самого початку продувки створюються сприятливі умови для формування шлаку з високою фосфоропоглинальною здатністю, що забезпечують швидку і повну дефосфорацію металу при підвищеному вмісті вуглецю. Процесом Кал-До переробляються як фосфористі (1,6-2,2% Р), так і малофосфористі (-0,1% Р) чавуни.

До заливання чавуну завантажують брухт (50-70% загальної кількості) на залишений у конвертері кінцевий шлак і вапно в кількості 55 кг/т сталі. Після заливки чавуну і продувки протягом 10-12 хв. додають залишок брухту. Первинний шлак, який містить 18-24% Р2О5, скачують при вмісті 0,03-0,04% [Р] і 0,3-1% [С]. Після додавання на 1 т сталі по 8 кг вапна і руди ванну продувають до одержання заданого вмісту вуглецю і для загущення шлаку вводять 25 кг вапна.