Метод дегазации конвертерной стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метод дегазации конвертерной стали

В.Т. Терещенко, В.С. Сапиро, М.Н. Стрелец, В.В. Казанский, Л.С. Сапиро, Н.И. Складчиков

Тульский филиал ЦНИИЧМ

Донецкий политехнический институт

Одним из недостатков существующей технологии плавки в кислородном конвертере является повышенная газонасыщенность металла, поэтому возможность выплавки ответственной конструкционной стали ограниченна. Осуществить продувку стали в конвертере инертными газами или создать вакуум в принципе возможно, но это требует больших материальных затрат. В связи с этим представляется целесообразным использовать в качестве инициатора кипения поверхность плохо смачиваемого углеродсодержащего материала, например графита.

Опыты по дегазации стали твердым углеродом проводили на 10-т кислородном конвертере сталеплавильного цеха Ново-Тульского металлургического завода. На повалке конвертера по окончании продувки удаляли часть конечного шлака, и после полного успокоения ванны измеряли температуру и отбирали пробы. Время от конца продувки до момента отбора проб составляло 1.0--1.5 мин. Таким образом, некоторое самораскисление металла достигалось еще до обработки твердым углеродом и полученные данные по снижению окисленности можно практически целиком отнести за счет метода дегазации.

Устройство для обработки металла твердым углеродом (рис. 1) представляло собой неохлаждаемую штангу, на которой с помощью резьбового соединения жестко закрепляли графитированный электрод. Время выдержки электрода в металле варьировали от 1 до 6 мин. По окончании обработки и повалки конвертера вновь измеряли температуру и отбирали пробы металла и шлака.

Рис. 1. Схема обработки стали в конвертере с помощью графитового блока: 1 -- камин конвертера; 2 -- ввод графита; 3 -- кислородная фурма

конвертерный плавка твердый углерод

После погружения графита реакция постепенно усиливается и затем начинается интенсивное бурление металла, локализованное в радиусе 400--500 мм от электрода. Над горловиной конвертера появляется 1.5--2.0-м факел догорающих газов, а в очаге активного бурления металла оголяется от шлака.

Интенсивность реакции в течение первых 1.5--2.0 мин обработки остается высокой и только к концу второй минуты снижается. Факел над горловиной спадает и догорание газов происходит уже в полости конвертера. Диаметр интенсивно барботируемого пятна сужается.

Еще одна особенность процесса обработки, доступная визуальному наблюдению, заключается в том, что реакция постоянно локализована вблизи электрода. Кипение металла в периферийных зонах ванны не происходит даже при максимальном времени выдержки графита. Только при высокой концентрации углерода (0.3--0.4% [С]) наблюдаются редкие прорывы крупных пузырей вне зоны интенсивного барботажа. Этот факт свидетельствует о том, что фронт реакции раскисления основной массы металла находится вблизи контакта графита с металлом и на поверхности отрывающихся от него пузырей, а не в объеме металла, как это имеет место при раскислении ванны дисперсным углеродом или жидким чугуном. В последних двух случаях движущая сила процесса значительно меньше, а условия для зарождения газовой фазы в металле менее благоприятны.

Анализ результатов показал, что процесс реагирования графита с металлом состоит из двух стадий. На первой стадии, несмотря на интенсивное растворение графита, концентрация углерода в ванне снижается на 0.02--0.03% при [С]нач<0.10% и на 0.10--0.12% при [С]нач=0.30--0.40%. Раскисление с обезуглероживанием заканчивается в течение первых двух минут обработки, после чего начинается науглероживание металла (вторая стадия). Скорости науглероживания низко- и среднеуглеродистой стали различаются незначительно и составляют в среднем 0.01 %/мин.

Таким образом, с повышением концентрации углерода в ванне перед обработкой увеличиваются суммарное количество окислившегося углерода, выход продуктов реакции и интенсивность кипения. Этому способствуют реакции вторичного окисления металла в результате усиления его контакта с окислительной фазой. Источниками вторичного окисления служат остаточный шлак конца продувки и атмосфера конвертера в активно барботируемой зоне, где металл оголяется от шлака. Степень раскисления шлака незначительна, поскольку отсутствует прямой контакт его с графитом, но окислительный потенциал шлака оказывает заметное влияние на конечный результат раскисления металла. С повышением концентрации конечный кислород [O]кон растет при остановке обработки в любой момент времени.

В результате обработки состав шлака меняется следующим образом:

Изменение суммарной скорости окисления углерода ванны и графитового блока по ходу обработки низкоуглеродистой и среднеуглеродистой стали показано на рис. 2. Полученные в первую минуту обработки скорости окисления углерода в среднеуглеродистой стали такие же, как при кислородной продувке конвертерной ванны с той же концентрацией углерода, а в низкоуглеродистой стали -- значительно выше. Характерно также, что , а следовательно, барботаж ванны и интенсивность массопереноса являются величинами того же порядка, что и в лучшем варианте ковшового вакуумирования -- дегазации нераскисленной стали под слоем окислительного шлака. В начальный момент вакуумирования =4--8 %/ч, а при дегазации графитом в конвертере в среднем за первую минуту 4--7 %/ч. В том и другом случае кипение быстро затухает и к концу третьей минуты =0.3--0.5 %/ч.

Рис. 2. Изменение скорости окисления углерода по ходу обработки стали в конвертере: 1 -- среднеуглеродистая; 2 -- низкоуглеродистая

Первичное вскипание и усиление контакта металла с окислительной фазой создают необходимые кинетические условия не только для подвода в реакционную зону вторичного кислорода, но также для растворения графита и для самой реакции в связи с появлением развитой поверхности металл--газ (пузырь СО). Это предотвращает накопление кислорода в металле. Раскисление на всех этапах обработки опережает окисление, так как процесс в целом контролируется, как показал анализ, переносом кислорода в диффузионном слое металла у поверхности раздела шлак--металл.

Основные показатели дегазации конвертерной плавки твердым углеродом представлены в таблице. Данные по кислороду разбиты на две группы: для начальных содержаний углерода, меньших и больших 0.10%, с отклонениями от начального углерода, не превышающими 0.03%. Как видно из этих данных, степень удаления кислорода сильно зависит от его начальной концентрации в стали. Для типичных концентраций степень раскисления достигает 40--60%, причем основная масса данных по конечному кислороду при углероде, меньшем 0.20%, находится ниже равновесных значений, вычисленных из соотношения [С]?[О]=0.0025. Помимо значительного раскисления металла, достигается стабилизация концентрации кислорода в достаточно узких пределах.

Таблица Изменение содержания газов, серы и фосфора в результате дегазации стали твердым углеродом

*Для [C]<0.10%. ** Для [C]>0.10%.

Аналогичная зависимость эффективности дегазации от начальной концентрации наблюдается и для водорода. По ряду причин исходные концентрации водорода в условиях проводимого эксперимента были низкими, Несмотря на это, эффективность дегазации оказалась высокой и практически приближалась к показателям, получаемым при ковшовом вакуумировании нераскисленного металла аналогичных плавок. Данные по азоту также сопоставимы с показателями ковшового вакуумирования. Степень дегазации резко увеличивается при исходных концентрациях азота выше 0.007%.

Процесс дегазации твердым углеродом сопровождается снижением содержания серы и фосфора в металле на 10--14 и 11--20% соответственно в зависимости от их исходной величины.

В результате интенсивного кипения ванны температура металла понижается со скоростью 10--15 град/мин. При дегазации низкоуглеродистой стали потеря температуры составляет 30--40 град, а среднеуглеродистой -- от 40 до 60 град. Снижение температуры металла в 10-т конвертере без обработки составляет 5 град/мин, а при ковшовом вакуумировании и продувке аргоном таких же плавок достигает 100 град (время обработки 6--8 мин).

Оптимальная продолжительность обработки составляет 3 мин. За это время достигается 85--90% максимально возможной эффективности раскисления и полностью прекращается удаление водорода и азота. Расход графита за 3 мин обработки составляет 0.6 кг/т для среднеуглеродистой стали и 0.8 кг/т для низкоуглеродистой. При необходимости более глубокого раскисления продолжительность обработки может быть увеличена, но при этом резко снижается эффективность использования графита.

Поскольку процесс происходит без науглероживания, то корректировка содержания углерода в конце продувки на условия обработки низкоуглеродистой стали вообще не требуется. Для среднеуглеродистой стали содержание углерода перед обработкой должно быть выше на 0.05--0.07% над среднемарочным, так как проведение процесса с науглерожнванием до [С]нач приводит к неоправданному расходу графита. Опыт работы конвертера Ново-Тульского металлургического завода показал, что попадание в заданные пределы по углероду не связано с методом обработки, а только с возможностями остановки продувки на требуемом содержании углерода.

Размещено на Allbest.ru