Передел высокофосфористых чугунов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ПЕРЕДЕЛ ВЫСОКОФОСФОРИСТЫХ ЧУГУНОВ

Во многих странах имеются крупные запасы фосфористых железных руд, и выплавляемый из них чугун содержит много (от 0,7--1,1 до 1,6-2,0 %) фосфора. Для переработки таких чугунов обычная технология продувки сверху оказалась не эффективной, поскольку скорость формирования основного шлака из кусковой извести и интенсивность перемешивания металла и шлака были недостаточными для обеспечения быстрого и полного удаления в шлак больших количеств фосфора. Показатели таких плавок существенно ухудшались по следующим причинам: возрастала длительность продувки из-за необходимости вести ее "мягко", т.е. со сравнительно небольшим расходом кислорода, обеспечивая высокое содержание FeO в шлаке, что необходимо для ускорения растворения извести и более полного протекания реакции дефосфорации; приходилось значительно увеличивать количество шлака и в течение продувки обновлять его (сливать и наводить новый); возрастала длительность плавки в связи со сливом шлака, требующего остановки продувки, и в связи с длительным наведением нового шлака из-за медленного растворения кусковой извести; сильно снижался (до 85--84 % от массы металлической шихты) выход жидкой стали из-за больших потерь железа со шлаком, что связано с увеличенным количеством шлака и высоким в нем содержанием оксидов железа; снижалась стойкость футеровки в связи с большим количеством шлака и его высокой окисленностью; зачастую происходили выбросы.

В связи с этим со времени возникновения кислородно-конвертерного процесса было разработано много его разновидностей, более отвечающих условиям переработки высокофосфористых чугунов и, в первую очередь, обеспечивающих ускорение шлакообразования и лучшее перемешивание ванны.

Некоторые из этих процессов уже не применяются: буфер-шлаковый процесс с применением кусковой извести и продувкой сверху, проводимой так, чтобы в большей ее части вдуваемый кислород поступал лишь в шлак, не контактируя с металлом, что обеспечивало высокую окисленность шлака и улучшение дефосфо-рирующей способности; Помпе-процесс с продувкой сверху и применением кусковой извести размером 10--30 мм, с промежуточным сливом шлака и оставлением в конвертере части шлака от предыдущей плавки; роторный процесс, проводимый в цилиндрической вращающейся печи с промежуточным сливом шлака и подачей кислорода через две фурмы, одну из которых погружали в металл, а через другую подавали кислород на ванной для дожигания СО; процесс Калдо с промежуточным сливом шлака, проводимый в наклоненном под углом 17--20° к горизонту вращающемся конвертере с подачей кислорода через фурму, расположенную над ванной под углом 18--26° к ее поверхности.

В настоящее время из подобных процессов применяются процессы ЛД--АЦ и ОЛП и несколько разновидностей донной и комбинированной продувки.

Процессы ЛД--АЦ и ОЛП основаны на вдувании порошкообразной извести в струе кислорода через верхнюю фурму;

они разработаны и применяются в западноевропейских странах и различаются тем, что в процессе ЛД--АЦ часть извести (до l/З общего количества) применяют в кусковом виде. Ускорение дефосфорации при использовании порошкообразной извести (размер частиц 0,08--0,8 мм) объясняется тем, что в высокотемпературных зонах преимущественного окисления железа (у фурм) мелкие частицы извести быстро прогреваются и, реагируя с оксидами железа, превращаются в частицы шлака с высокой концентрацией СаО и FeO.

Плавка по технологии ОЛП и ЛД--АЦ состоит из двух периодов, разделенных промежуточным сливом шлака. Для ускорения шлакообразования в конвертере обычно оставляют часть конечного шлака предыдущей плавки. В конвертер с оставленным шлаком загружают лом и заливают чугун. Технология ЛД--АЦ предусматривает также загрузку кусковой извести (до 30 % от ее общего расхода). Далее ведут продувку^ начиная подачу порошкообразной извести через 3--5 мин после ее начала; это позволяет избежать появления выбросов в начале плавки. Для быстрого формирования шлака с высоким содержанием оксидов железа, продувку начинают при повышенном положении фурмы, в дальнейшем ее постепенно опускают. Через 11--15 мин, когда большая часть фосфора переходит в шлак, продувку останавливают и сливают шлак. Металл при этом содержит 0,8--1,0 % С и 0,1--0,3 % Р, а шлак 20--24 % Р2О5 и 7--10 % FeO; этот фосфористый шлак используют в качестве удобрения.

Затем в конвертер загружают стальной лом и иногда железную руду и ведут продувку с подачей порошкообразной извести в течение 5--8 мин до получения требуемого содержания фосфора в металле (от 0,015 до 0,040 %). Чем дольше длится второй период продувки, тем ниже получаемые в металле содержания фосфора и углерода и тем больше окисляется железа в шлак. При продувке до низкого (< 0,02 %) содержания фосфора металл содержит 0,04--0,06 % С, а шлак -- до 25 % FeO. Конечный шлак содержит 5--12 % Р2О5; общий расход извести составляет 100--120 кг/т стали; степень десульфурации достигает 50--70 %.

Процесс с донной продувкой в начале 70-х гг. вытеснил томасовский процесс -- переработку высокофосфористых чугунов в конвертерах' с воздушным дутьем. Этот процесс имеет ряд разновидностей -- с применением кусковой и порошко образной извести, с промежуточным сливом шлака при продувке, т.е. двухшлаковый процесс, и без слива шлака, т.е. одношлаковый. Чаще применяется технология двухшлакового процесса, поскольку она обеспечивает более низкое содержание фосфора в стали.

Характерная особенность этих процессов -- необходимость продувки до низких (0,01-0,025 %) содержаний углерода в металле; лишь в этом случае обеспечивается требуемое низкое содержание фосфора в стали. По сравнению с процессом ЛД--АЦ при донной продувке обеспечивается меньшее вспенивание ванны, уменьшение выбросов; одинаковое содержание фосфора достигается при меньшей окисленности шлака; повышается выход годного металла.

Донная продувка с применением, порошкообразной извести. В конвертер на оставленный от предыдущей плавки шлак загружают лом и заливают фосфористый (1,6-2,0 % Р) чугун и ведут продувку с подачей порошкообразной извести в струе кислорода. Характер поведения примесей металла примерно такой же, как и при донной продувке обычных чугунов (см. рис. 97, а). Продувку ведуг 10-12 мин, после чего сливают шлак при содержании в металле 0,025-0,03 % С и ~ 0,1 % Р; сливаемый шлак содержит ~ 22 % Р2О5 и 10-12 % Fe, т.е. потери железа со шлаком сравнительно невелики.

Далее следует- второй период продувки (1-3 мин) с вдуванием порошкообразной извести; чем он продолжительнее, тем ниже получаемые в металле содержания углерода и фосфора и выше содержание оксидов железа в шлаке. При продувке до -0,02% С металл содержит < 0,025 % Р, шлак ~ 15 % Fe. Общий расход извести равен 90-110 кг/т стали.

Процесс донной продувки с кусковой известью проводят чаще всего так же, как и процесс с порошкообразной известью, т.е. с промежуточным сливом шлака и оставлением шлака второго периода продувки для последующей плавки. При этом поведение составляющих металла и шлака аналогично их поведению при донной продувке обычных чугунов (см. рис. 97, б); основной шлак формируется лишь в конце продувки, после чего начинается удаление фосфора. Шлак сливают при содержании в металле ~ 0,03 % С и 0,1 % Р, затем в конвертер загружают известь и продолжают продувку. Конечные содержания фосфора и углерода в металле примерно те же, что и при использовании порошкообразной извести.

Вместе с тем требуется больший расход извести (120 -- 130 кг/т стали) и увеличивается количество шлака.

Если в выплавляемой стали не требуется очень низкое содержание фосфора, то плавку проводят без промежуточного слива шлака. При этом для обеспечения удаления фосфора продувку ведут до получения шлаков с большей окислен-ностью (15-16 % Fe), чем в первом периоде двухшлакового процесса. Содержание фосфора в конечном металле ~ 0,035 %, т.е. выше, чем при плавке со сливом шлака, содержание углерода ~ 0,02 %.

При всех вариантах технологии донного дутья после окончания кислородной продувки металл иногда продувают до 1 мин нейтральным газом, что приводит к уменьшению содержания углерода и фосфора в металле и оксидов железа в шлаке.

Процесс комбинированной продувки для переработки высокофосфористых чугунов применяют в западноевропейских странах; в основном это процесс ЛБЕ с подачей кислорода сверху и нейтральных газов через дно. Технология обычно предусматривает продувку в два периода с промежуточным сливом шлака и оставлением шлака второго периода продувки в конвертере. Преимуществом процесса по сравнению с донной продувкой является то, что вследствие большей скорости шлакообразования требуемое низкое содержание фосфора в металле получают при несколько более высоком содержании углерода в металле, чем при донной продувке.

Одна из разновидностей подобной технологии переработки чугуна, содержащего 1,6 %Р, в 260-т конвертере с применением кусковой извести предусматривает следующее. В конвертер с оставленным конечным шлаком предыдущей плавки загружают лом, заливают чугун и начинают продувку с загрузкой кусковой извести. Продувку останавливают при содержании в металле 0,15-0,2% С, -0,07% Р и 0,02% S; сливают фосфористый шлак и наводят новый, присаживая известь (15-30 кг/т). Затем проводят второй период продувки, получая металл с содержанием 0,03--0,045 % С; 0,01-0,015 %Р и 0,012% S. порошкообразный известь переработка чугун

Находит применение разновидность подобной технологии, при которой после окончания второго периода продувки кислородом проводят кратковременную перемешивающую продувку аргоном, обеспечивающую дополнительную дефосфорацию, де сульфурацию при одновременном окислении углерода и снижении содержания оксидов железа в шлаке. Результаты дополнительной продувки характеризуют следующие данные: останавливая кислородную продувку при содержании в металле 0,21% С, 0,026% Р и 0,019% S после двухминутной продувки аргоном получали в стали 0,12% С, 0,013% Р и 0,015% S.

2. ВНЕДОМЕННАЯ ДЕСУЛЬФУРАЦИЯ ЧУГУНА

В качестве реагентов-десульфураторов при внепечной обработке чугуна используют магний (в виде чистого магния, смеси извести и магния, в виде кусков кокса, пропитанных магнием, в виде гранул магния, покрытых солевыми покрытиями и др.), кальцийсодержащие материалы (в виде извести, известняка, карбида кальция) и соду. Основные реакции десульфурации чугуна:

Mgr + [S] = MgS; AG° = -104100 + 44,077;

СаОт+ [S] + Сгр = AG° = 25320 - 26,337;

CaST + СОГ; ДС = -86900 + 28,727;

СаС2 + [S] = CaS + 2С; Д<7° = -2000 - 26,787. Na2O + [S] + С = = Na2S + СОГ;

Расчеты показывают, что для связывания 1 кг серы необходимо 0,75 кг Mg, 1,75 кг СаО, 2 кг СаС2, 3,31_кг Na2CO3. Наиболее низкий расход реагента -- в случае использования металлического магния. При этом обеспечивается высокая степень десульфурации. К преимуществам использования именно магния можно отнести такие факторы, как малое количество образующегося шлака и то, что в процессе десульфурации магнием практически не образуется продуктов, вредных для окружающей среды. Однако стоимость магния сравнительно высока и выбор реагента определяется в конечном счете экономическими соображениями.

Ввод реагентов в металл может осуществляться в виде кусков, гранул, порошков, проволоки. При вдувании порошков в качестве несущего газа используют воздух, азот, природный газ. Перемешивание реагентов с металлом можно осуществлять различными способами, в том числе:

1) падающей струей металла; 2) различными механическими мешалками; 3) барботажем под воздействием продувки газом; 4) пульсирующей затопленной струей и др. (воздействием вибрации, воздействием ультразвука, газлифтным перемешиванием).

Работа с магнием имеет свои особенности, связанные, во-первых, с тем, что магний при нагреве до температуры расплавленного металла испаряется, объем его возрастает в тысячи раз и, во-вторых, энергия взаимодействия паров магния с примесями жидкого металла и с окружающим воздухом (окисление магния с образованием MgO с выделением большого количества тепла 2Mgr + О2 = 2MgO;

AG° = -726900 + 202,027 настолько велика, что наблюдается пироэффект в виде яркой вспышки). Поэтому магний вводят в металл обычно под специальным колпаком -- испарителем со щелями для выхода паров магния (рис. 213) или каким-либо иным способом, исключающим выброс жидкого металла (пассивированием кусков магния, заполнением магнием пор в кусках инертного материала, в пористых кусках кокса (рис. 214), введением в чугун гранулированного магния в токе природного газа или азота и т.п.).

Виды механического перемешивания чугуна приведены на рис. 215-217.

При использовании смесей типа [известь + плавиковый шпат + реагент, снижающий окисленность ванны (алюминий, кокс и т.п.)] используют мешалки (рис. 217, в). Перемешивание металла с реагентом достигается вращением ротора-мешалки и пропусканием через ротор газа-перемешивателя (обычно азота), создающего эффект кипения. В последнее время все большее распространение получает метод обработки чугуна с использованием проволоки, наполненной реаген-тами-десульфураторами. Перемешивание массы металла достигается при этом дополнительной продувкой ванны газом (азотом).

При использовании азота необходимо учитывать реакцию

3Mgr + N2 = Mg3N2 + Q.

Лучшие результаты получают при использовании природного газа, так как в зоне реакции происходит диссоциация метана, снижающая температуру (до ~ 1200 °С), что способствует протеканию экзотермической реакции образования MgS и создает защитную восстановительную атмосферу над поверхностью расплава в ковше, блокируя поступление кислорода из атмосферы.

Результаты обессеривания при использовании смесей на базе СаО зависят от ряда факторов: а) конструкции ковша [в открытом ковше результаты хуже, чем в ковше миксерного типа]; б) количества попавшего в ковш миксерного шлака (при значительном количестве миксерного шлака получение низких концентраций серы в чугуне практически недостижимо); в) температуры чугуна (чем выше температура, тем лучше результаты десульфура

Рис. Фурма для ввода магния в чугун:

1 -- испарительная камера с отверстиями для выхода паров магния; 2 -- несущая труба; 3 -- канал; 4 -- стальная арматура (покрывается огнеупорной обмазкой); 5 -- фланец

Рис. 214. Схема установки для десульфурации чугуна магниевым коксом: 1 -- цепной подъемник; 2 -- балласт; 3 -- стальной вал; 4 -- ковш "Торпедо"; 5 -- графитовый стержень; 6 -- чугун; 7 -- магниевый кокс; 8 -- графитовый колокол

ции; г) содержания в чугуне кремния (чем меньше в чугуне кремния, тем лучше для десульфурации); д) расхода реаген-тов-десульфураторов. При прочих равных условиях расход зависит от содержания серы в чугуне до обработки [S]Ha4 и требуемого после обработки [S]KOH.

Рис. Механическое перемешивание чугуна методом падающей струи, Метод вибрационного перемешивания чугуна, Перемешивание чугуна с использованием мешалок

Хорошие результаты по обессериванию чугуна могут быть получены при использовании соды, однако при обработке содой в атмосферу выделяется большое количество летучих веществ (включая испаряющийся Na2O, образующийся при контакте соды Na2CO3 с расплавленным металлом). Этот метод требует обязательного наличия стендов, оборудованных хорошо действующими пылеулавливающими устройствами, и технологии утилизации уловленных соединений натрия.

3. ВНЕДОМЕННАЯ ДЕФОСФОРАЦИЯ ЧУГУНА

Для удаления из жидкого чугуна фосфора используют обычно или смеси прокатной окалины (или железной руды) с известью и плавиковым шпатом, или соду, или вдувание извести в потоке кислорода (рис. 218).

При обработке смесями оксидов железа и извести идет реакция

2Р + З(СаО) + 5FeO = ЗСаО * Р2О5 + 5Fe;

при обработке содой реакция

4[Р] + 5Na2CO3 = 5Na2O * 2Р2О5 + 5С.

Размещено на Allbest.ru