Характеристика конвертерного процесса с донной продувкой
Одновременно с совершенствованием кислородно-конвертерного процесса с верхней продувкой продолжались исследования с целью организации продувки металла снизу. Организация перемешивания ванны, теплообмен в ванне, условия усвоения добавочных материалов при донной продувке значительно лучше. При продувке снизу не требуется большая высота конвертерного пролета цеха (отсутствует фурма для подачи кислорода сверху). Конвертеры с донным кислородным дутьем можно ис-пользовать для замены томасовского и мартеновского процессов без коренной реконструкции здания цеха.
В середине 60-х годов опытами канадских инженеров Г. Саварда и Р. Ли по вдуванию струи кислорода, окруженной слоем углеводородов, была показана возможность продувки через днище без разрушения огнеупоров.
В 1968 г. этот метод был внедрен на томасовских конвертерах в ФРГ. Процесс получил название процесса ОБМ. В настоящее время применяют также ряд разновидностей этого процесса, разработанных в других странах: процесс Ку-БОП (США), ЛВС (Франция), КЕК (ГДР) и др. В процессах ЛВС и КЕК в качестве защиты и охладителя струи кислорода применяется жидкое топливо. Ку-БОП процесс впервые был применен для переработки низкофосфористых чугунов и получил промышленноеразвитие. Была разработана система ввода в струю кислорода молотой извести в регулируемых количествах.
В настоящее время в мире работают несколько десятков конвертеров с донной продувкой садкой до 250 т. Каждая десятая тонна конвертерной стали, выплавленной в мире, приходится на этот процесс.
|
|
|
Конструкция конвертера
Основное отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем (0,5—0,9 м3/т) и оснащены отъемным днищем.
В днище устанавливают от 7 до 22 фурм в зависимости от емкости конвертера. Размещение фурм в днище может быть различным. Обычно их располагают в одной половине днища так, чтобы при наклоне конвертера они были выше уровня жидкого металла. Перед установкой конвертера в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.
Фурма состоит из двух труб (рис. 58): внутренней для подачи кислорода и наружной, образующей кольцевой зазор вокруг внутренней, для введения углеводородсодержащего газа (ОБМ и Ку- БОП процессы) или жидкого топлива (процессы ЛВС и
КЕК).
Размер сопел зависит от многих факторов и определяется на основе моделирования.
Для обеспечения защитной роли кольцевого газа или жидкого топлива щель между внутренней и внешней трубами должна составлять 0,5—
2,5 мм.
Защитное действие углеводородсодержащего газа или топлива заключается в том, что под влиянием высоких температур углеводороды разлагаются по реакции СхНу-+хС-\- +z//2#2, которая идет с поглощением тепла. Этого достаточно для компенсации избыточного тепла, выделяющегося при взаимодействии чистого кислорода с жидким металлом. Таким образом предотвращается быстрое разрушение фурм и частей днища, прилегающих к фурмам.
|
|
|
Интенсивность подачи кислорода находится в пределах 4^—7 м3/(т-мин). Расход природного газа составляет 6—7 % от расхода кислорода, расход пропана ~3,5 %.
Футеровка рабочего слоя конвертера — смолодоломитовая. Днища обычно делают смолодоломитовыми, набивными. Стойкость футеровки конвертеров находится' в пределах 400—600 плавок; стойкость днищ 300—400 плавок при защите газом и 500—600 плавок с использованием жидкого топлива.
Технология плавки
В условиях донной продувки изменяются условия перемешивания ванны, на порядок увеличивается поверхность металл — газ. Это оказывает благоприятное влияние на условия зарождения и выделения пузырьков СО. Таким образом, скорость обезуглероживания при донной продувке выше по сравнению с верхней. Получение металла с содержанием углерода менее 0,05 % не представляет затруднений.
Благоприятные условия протекания реакции обезуглероживания обеспечивают по ходу плавки при донной продувке меньшую окисленность металла и шлака.
|
|
|
Поэтому содержание марганца по ходу плавки несколько выше, чем при верхней продувке, и практически не меняется, оставаясь на уровне 0,25—0,5 %• Лишь в конце продувки, когда содержание углерода становится очень низким и повышается окисленность шлака, содержание марганца падает до значений ниже 0,2 % (рис. 60).
По причине низкой окисленности шлака (менее 5 % FeO) на протяжении почти всей продувки условия для удаления фосфора не благоприятны. Лишь в конце продувки при содержании углерода порядка 0,05 % окисление шлака усиливается (содержание FeO в шлаке достигает 15—18%) и фосфор начинает интенсивно переходить в шлак. В связи с этим для получения стали с низким содержанием фосфора необходимо окислять углерод до низких значений; при выплавке средне- и высокоуглеродистых сталей требуется науглероживание металла после продувки. Применением тонкоизмельченной извести в струе кислорода можно добиться удаления фосфора с начала продувки одновременно с окислением углерода и кремния. Введение порошкообразной извести способствует формированию уже на первых минутах продувки активного основного шлака, что позволяет получить 0,02—0,03 % Р при переделе низкофосфористых чугунов (<0,2 % Р)> Получение низких содержаний фосфора при переделе высокофосфористых чугунов возможно лишь при условии скачивания шлака.
|
|
|
Условия удаления серы при донной продувке более благоприятны, чем при верхней продувке. Это опять-та-ки связано с меньшей окисленностью шлака и увеличением поверхности контакта газ — металл. Последнее обстоятельство способствует удалению части серы в газовую фазу в виде S02.
Условия, определяющие содержание газов в металле при продувке снизу, отличаются от условий верхней продувки. С одной стороны, вследствие снижения температуры реакционной зоны и уменьшения подсоса атмосфер-ного воздуха при дутье снизу содержание азота в стали ниже (0,003—0,005 %). С другой стороны — в результате разложения углеводородов содержание водорода в конце продувки может достигать недопустимо высоких (до 9 см3/100 г) значений. Для получения нормального значения содержаний водорода в стали (2—3 см3/100 г) в конце плавки продувку ванны ведут аргоном, азотом или воздухом. Длительность продувки независимо от емкости конвертера составляет 10—12 мин. Расход кислорода при переделе высокофосфористых чугунов (ОБМ, ЛВС процессы) составляет 60—63 м3 на 1 т стали; при переделе низкофосфористых чугунов (Ку-БОП процесс) это значение находится в пределах 48—55 м3/т.
Ряд преимуществ процесса с донной продувкой в повышении выхода годного на 1—2%, сокращении длительности продувки, ускорении плавления лома, меньшей высоте здания цеха и т. д., позволяет успешно заменять этим процессом томасовские конвертеры. Вопрос целесообразности замены процесса с верхней продувкой на донную пока остается открытым.
Прежде всего процессы донной продувки представляют существенный интерес для возможной замены мартеновских печей без коренной реконструкции зданий мартеновских цехов.
Тщательный анализ преимуществ и недостатков методов верхней и нижней продувки привел к созданию процесса, в котором металл продувается сверху кислородом
Процесс с донной продувкой кислородом. Вместе с продувкой металла сверху получили распространение конвертеры, в каких продувка осуществляется кислородом снизу. При донной продувке ванна лучше перемешивается, улучшается усвоение дополнительных материалов. Основное отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним дутьем состоит в том, что они имеют наименьший удельный объем (0,5 - 0,9 м3/т) и обустроены отъемным днищем. Корпус конвертера с донным дутьем ниже и обширнее, чем корпус конвертера с верхней продувкой. В днище устанавливают от 7 до 22 фурм зависимо от емкости конвертера. Обычно их располагают в одной половине днища так, чтоб при наклоне конвертера они были выше уровня водянистого металла. Перед установкой конвертера в вертикальное положение через фурмы начинают подачу дутья. Принципиальной особенностью метода подачи кислорода через дно конвертера является подвод кислорода, струя которого окружена защитным слоем углеводородного (природного газа) либо водянистого горючего (мазута). Этот слой защиты защищает огнеупоры днища от раннего прогорания. Стойкость футеровки конвертеров находится в границах 400 - 600 плавок; стойкость днищ 300 - 400 плавок при защите газом и 500 - 600 плавок с внедрением мазута. Для примера приведен режим плавки в 200 т конвертере донного дутья: загрузка лома 2 - 3 мин, заливка чугуна 2 - 3 мин, продувка 12 - 14 мин, отбор проб, измерение температуры до 9 мин, продувка азотом до 1 мин, скачка шлака 2 - 3 мин, выпуск 5 - 6 мин. Всего 31 - 40 мин. Расход пылеобразной извести 5 т/мин, расход кислорода 3,3 м3/т.мин, выход пригодного на 1,5 % выше, чем в конвертере с верхним дутьем.
Основное отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем, т. е. объем приходящийся на тонну продуваемого чугуна. В днище устанавливают от 7 до 21 фурм в зависимости от емкости конвертера. Размещение фурм в днище может быть различным. Обычно их располагают в одной половине днища так, чтобы при наклоне конвертера они были выше уровня жидкого металла. Перед установкой конвертера в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.
В условиях донной продувки улучшаются условия перемешивания ванны, увеличивается поверхность металл-зарождения и выделения пузырьков СО. Таким образом, скорость обезуглероживания при донной продувке выше по сравнению с верхней. Получение металла с содержанием углерода менее 0,05 % не представляет затруднений Условия удаления серы при донной продувке более благоприятны, чем при верхней. Это также связанно с меньшей окисленностью шлака и увеличением поверхности контакта газ - металл. Последнее обстоятельство способствует удалению части серы в газовую фазу в виде SO2.
Технология плавки отличительные особенности
Шлакообразование при донной подаче дутья и использовании кусковой извести ухудшается вследствие снижения температуры шлака и содержания в нем оксидов железа. Снижение температуры шлака вызвано перенесением высокотемпературной реакционной зоны из верхних горизонтов ванны в объем металла. В этих условиях температура шлака близка к температуре металла, которая в первой половине плавки < 1500С.
Уменьшение содержания оксидов железа связано с интенсификацией перемешивания металла и шлака и более восстановительным характером газовой фазы (содержание СО2 в газовой фазе при верхнем дутье — 10 %, а при донной не более 3-4%). В этих концентрация оксидов железа обычно не превышает 5-6% (при верхней продувке 15-20%).
Поэтому нормальная выплавка углеродистой стали в конвертерах с донной подачей кислорода возможна только при использовании порошкообразной извести, вдувая ее также снизу в струе кислорода. В этом случае создаются благоприятные условия для шлакообразования, особенно в начальной стадии этого процесса.
Поведение примесей
За время продувки окисляется избыточный углерод, кремний, часть марганца; формируется шлак, в который удаляются фосфор и сера; расплавляется стальной лом; за счет тепла реакций окисления нагревается металл. Вначале, как и при продувке сверху, преимущественно окисляются кремний и марганец. Вместе с тем для процесса характерен ряд отличий, связанных прежде всего с тем, что при подаче дутья через несколько фурм снизу обеспечивается резкое усиление интенсивности перемешивания ванны.
В этих условиях существенно увеличивается поверхность контакта металлгаз и металл-шлак, что ведет к снижению окисленности шлака. Поэтому содержание FeO в шлаке по ходу продувки не превышает 56 %.
Из-за низкого содержания FeO в шлаке реакция окисления марганца [Мn] + (FeO) = (MnO) + Fe получает ограниченное развитие и количество окисляющегося за время продувки марганца (30-40 %) меньше, чем при верхней продувке (70-80%).
Окисление фосфора. При донной подаче дутья с применением порошкообразной извести дефосфорация протекает несколько полнее, чем при верхней подаче дутья.
Удаление серы. При донной подаче дутья с порошкообразной известью возрастает коэффициент распределения серы между шлаком и металлом (при В= 3-3,5 Lg= 6-8, может достигать 10), и доля серы, переходящей в газовую фазу (15-20%), поэтому общая степень десульфурации (переход в шлак и газовую фазу) увеличивается и обычно составляет 50-60% (при верхней подаче дутья 30-50%).
Особенностью процесса является то, что водород, образующийся в результате термического разложения вдуваемых углеводородов, растворяется в металле и в конце продувки содержание водорода достигает 69 см3 на 100 г металла, что недопустимо для сталей многих марок. Для удаления избыточного водорода перед выпуском проводят кратковременную (в течение 1060 с) продувку металла аргоном; содержание водорода при этом снижается до 24 см3 на 100 г.металла.
Длительность продувки в зависимости от интенсивности подачи кислорода изменяется от 8 до 14 мин, удельный расход кислорода 45-55 м3/т, природного газа 45 м3/т, пропана 1,5 м3/т, жидкого топлива 23 л/т. Расход азота на продувку металла и на подачу в межплавочные периоды через фурмы с целью их охлаждения достигает 1520 м3/т.
Тепловой баланс плавки при донной подаче дутья, несмотря на введение некоторого количества топлива, ухудшается. Это связано в основном с тем, что сжигание топлива происходит неполно, выделяющееся тепло обычно не компенсирует затраты тепла на разложение углеводородов; кроме того, уменьшается окисление железа. Вследствие этого доля лома в шихте при донной подаче дутья снижается на 2-5% по сравнению с верхней подачей.
4. Особенности протекания физико-химических процессов при донной продувке. Применяемая повсеместно в конвертерном производстве продувка кислородом сверху, даже через 5–6 сопловую фурму, вызывает возникновение относительно узкой реакционной зоны и неравномерное распределение кислорода в объеме всей ванны, продувка протекает весьма бурно, иногда с выбросами. Для устранения этих недостатков в конце 60-х – начале 70-х годов был разработан процесс с донной продувкой кислородом в защитной оболочке газообразного или жидкого топлива.
Отличительной особенностью работы конвертера с донной продувкой, по сравнению с продувкой сверху, является спокойный ход процесса при интенсивном перемешивании ванны.
Донная продувка обеспечивает интенсивное перемешивание ванны практически во всем ее объеме. Это приводит к выравниванию состава и температуры во всей массе металла и к более полному развитию в ванне химических реакций, достигающих состояния, близкого к равновесию.
При донной продувке металлической ванны кислородом образующиеся в реакционной зоне оксиды железа, всплывая в виде капель через слой металла, частично восстанавливаются. Вследствие этого уменьшается содержание FeO в шлаке: до 4–5 % при [C]. Результатом этого является увеличение выхода жидкой стали примерно на 2 %. Однако в результате уменьшения расхода тепла от окисления железа расход металлического лома примерно на 4 % ниже, чем при продувке сверху. Главным же недостатком донной продувки кислородом, по сравнению с обычной продувкой сверху, являются: менее благоприятные условия шлакообразования и, следовательно, десульфурации и дефосфорации, вследствие низкого содержания в шлаке оксидов железа.
С учетом преимуществ и недостатков рассмотренных процессов с целью их интенсификации есть ряд вариантов комбинированного процесса в конвертере, сочетающего возможности регулирования окислительных реакций и шлакообразования при продувке сверху и интенсивное перемешивание обеспечивающее более полное протекание реакций и выравнивание состава и температуры в объеме металлической ванны при продувке снизу. Для этого продувку ведут одновременно сверху и снизу. Но для большей стойкости футеровки снизу обычно подают не кислород, а нейтральный газ или смесь газов, в некоторых вариантах включая и кислород.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 1203; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!