2.10.1.4 Окислительный период

В окислительный период необходимо реализовать следующие основные мероприятия:

– понизить содержание фосфора ниже допустимых пределов в готовой стали;

– возможно полнее удалить растворённые в металле газы (водород и азот);

– нагреть металл до температуры, на (120–130) °С выше температуры ликвидуса;

– привести ванну в стандартное по окисленности состояние.

Окисление фосфора осуществляют присадками железной руды с известью. Начинать присадку руды следует после предварительного подогрева металла, чтобы сразу же после введения руды началось окисление углерода и кипение металла. Руду и известь надо давать равномерными порциями, поддерживая энергичное кипение металла. Шлак в этот период должен быть пенистым, жидкоподвижным и самотеком сходить через порог рабочего окна. Обеспечение самопроизвольного стекания и обновления шлака необходимо для эффективного удаления фосфора. В течение всего окислительного периода идет дефосфорация металла по реакции:

2[P]+5(FeO)+3(CaO) = (3СаО ∙ P₂O₅)+5Fe + 767290 Дж/моль.

Для успешного протекания реакции необходимы высокие основность шлака и концентрация оксидов железа в нем, а также пониженная температура. Эти условия создаются при совместном введении в печь извести и руды. Полнота дефосфорации повышается в результате перемешивания шлака и металла при кипении и вследствие непрерывного обновления шлака (слив шлака и периодические добавки новых порций шлакообразующих). Коэффициент распределения фосфора между шлаком и металлом (Р₂О₅)/[Р] изменяется в пределах (50–100), обычно возрастая при росте основности и окисленности шлака. Увеличение коэффициента свидетельствует о дефосфорирующей способности шлака.

Из-за высокого содержания оксидов железа в шлаках окислительного периода условия для протекания реакции десульфурации являются неблагоприятными, и десульфурация получает ограниченное развитие. Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом (S)/[S] равен (3–5), а всего за время плавления и окислительного периода в шлак удаляется до 30 % серы, содержащейся в шихте.

По мере окисления углерода повышается температура плавления металла и уменьшается скорость окисления углерода. Скорость окисления к концу окислительного периода уменьшается почти в два раза: примерно с 0,6 % в начале периода до 0,3 % окисления углерода в час в конце. Для поддержания энергичного кипения необходимо повышать температуру металла, что затрудняет окисление фосфора, и поэтому снижения содержания фосфора в металле можно достигнуть лишь при постоянном обновлении шлака.

Присаживать очередную порцию руды и извести необходимо при уменьшении интенсивности кипения металла, образовавшегося из предыдущей порции руды. Введение крупных порций руды нежелательно, так как это может вызвать охлаждение металла, и кипение будет слабым. Избыток в ванне непрореагировавшей руды при последующем повышении температуры может вызвать очень бурное окисление углерода и привести к выбросу металла и шлака из печи. Во избежание этого руду надо присаживать так, чтобы скорость окисления углерода в час поддерживалась в пределах (0,4–0,6) % в начале периода и (0,2–0,3) %, в конце.

Для контроля за ходом окислительных процессов регулярно через каждые 15 мин. отбирают пробы металла, в которых проверяют содержание фосфора и углерода. При содержании фосфора менее 0,020 %, если не оговорено его более низкие концентрации, окисление рудой можно прекратить. Правильно, организованный температурный режим окислительного периода, постоянное обновление шлака при поддержании его основности в пределах (2,7–3) и высоком содержании в нем закиси железа (15–20) % позволяют без особых затруднений понизить содержание фосфора до (0,010–0,012) % и менее.

Кроме режима фосфора, в окислительный период регламентируется режим углерода. Технологическими инструкциями предусматривается, чтобы за период кипения было окислено не менее 0,3 % углерода при выплавке высокоуглеродистой стали содержащей 0,6 % углерода и более, и не менее 0,5 % при выплавке среднеуглеродистой и низкоуглеродистой стали. В случае крупных печей эти количества могут быть несколько уменьшены. Окисление такого количества углерода необходимо для дегазации металла. Интенсивное кипение ванны, вызванное окислением углерода, является эффективным единственным средством снижения содержания азота в электропечи. Причем эффективность дегазации возрастает с увеличением скорости окисления углерода.

Поэтому после понижения до необходимых значений концентрации фосфора окисление углерода целесообразно интенсифицировать. Очень высокие скорости выгорания углерода позволяет получить продувка металла газообразным кислородом. Так, в печи емкостью 40 т, и при расходе кислорода 1200 м³/ч скорость окисления углерода составляет (3–4) % углерода в час при содержании его в пределах (0,9–1,0) % и (0,7–0,8) % углерода час при содержании 0,20 % С, причем надо иметь в виду, что скорость обезуглероживания возрастает с увеличением интенсивности продувки.

Окисление углерода газообразным кислородом позволяет сократить длительность периода, благодаря чему при расходе кислорода (4–7) м³/т на (5–10) % увеличивается производительность печей и на (5–12) % снижается расход электроэнергии.

Для уменьшения угара железа продувку ванны кислородом следует начинать после нагрева металла. После начала окисления углерода вследствие большого теплового эффекта этой реакции (табл. 12) температура металла быстро возрастает.

В процессе продувки отбираются пробы металла, в которых контролируется содержание углерода. К концу продувки содержание углерода должно быть немного ниже нижнего предела для заданной марки, в результате чего с учетом вносимого ферросплавами углерода и науглероживания от электродов обеспечивается получение заданного содержания его в металле. Однако чтобы предотвратить переокисление металла, содержание углерода к концу окисления не должно быть ниже 0,1 %, за исключением случая выплавки стали, в которой углерод является нежелательной примесью. Для стали таких марок ГОСТами устанавливается только верхний предел содержания углерода.

Режим марганца в окислительный период обычно не регламентируется. Реакция окисления марганца в окислительный период близка к равновесию, поэтому нормальный ход плавки с необходимым повышением температуры к концу периода сопровождается восстановлением марганца из шлака.

В окислительный период окисляется и хром, причем значительное его количество окисляется еще в процессе плавления. Скачивание шлака в период плавления и постепенное его обновление в течение окислительного периода способствуют дальнейшему окислению хрома и потере его со шлаком.

Тугоплавкие оксиды хрома сильно понижают текучесть шлака и затрудняют процесс окисления фосфора. Поэтому использование хромистых отходов на плавках с полным окислением нецелесообразно. И тем не менее иногда с целью использования содержащихся в шихте никеля и молибдена в завалку дают некоторое количество хромоникелевых и хромоникельмолибденовых отходов в таком количестве, чтобы содержание хрома в первой пробе не превышало 0,4 %.

Интенсификация окисления газообразным кислородом позволяет быстро поднять температуру металла до необходимого уровня. Однако при продувке кислородом металл легко и перегреть, что нежелательно, так как перегрев отрицательно влияет на состояние футеровки, ухудшает условия дефосфорации и может привести к увеличению в металле содержания азота. Поэтому при продувке нельзя допускать перегрева ванны, охлаждая ее при необходимости железной рудой.

Достижением нужного содержания фосфора, углерода и необходимой, температуры исчерпываются основные задачи окислительного периода. После присадки последней порции руды или окончания продувки кислородом, делают выдержку в течение не менее 10 мин, во время которой отбирают пробу на анализ и замеряют температуру металла. Общая продолжительность окислительного, периода составляет (40–70) мин, а в случае применения газообразного кислорода она может быть сокращена до 30 мин.

Длительность окислительного периода определяется в основном скоростью окисления фосфора. Для ускорения этого процесса вместе с кислородом, иногда вводят смесь порошков извести и плавикового шпата. Порошкообразные материалы в зоне реакции снижают перегрев металла и создают благоприятные условия для окисления фосфора, в результате чего длительность окислительного периода может быть дополнительно сокращена.

В окислительный период удаляется до 30 % серы, вносимой шихтой. Успешной десульфурации способствует высокая основность шлака не менее (2,7–2,8) и его постоянное обновление. Благоприятные условия для удаления серы в окислительный период создаются при введении вместе кислородом порошкообразной извести.

Шлак в конце окислительного периода имеет примерно следующий состав, %: (35–50) СаО; (10–20) SiO₂; (4–12) МпО; (6–15) MgO; (3–7) А1₂О₃; (6–30) FeO; (2–6) Fe₂O₃; (0,4–1,5) Р₂О₅. Содержание оксидов железа в шлаке зависит от содержания углерода в выплавляемой марке стали; верхний предел характерен для низкоуглеродистых сталей, нижний для высокоуглеродистых.