способ выплавки стали в конвертере

Формула изобретения

Способ выплавки стали в конвертере, включающий завалку лома, заливку чугуна, продувку ванны двухярусными потоками кислорода сверху и нейтральным газом снизу через днище в три периода, причем первый период составляет 25 - 35% времени продувки, второй 30 50% и третий 25 35% и послепродувочное перемешивание ванны нейтральным газом, отличающийся тем, что расход нейтрального газа во все периоды продувки поддерживают постоянным, при этом часть нейтрального газа подают через донные фурмы подогретым до температуры 450 500^oС, причем в первый период продувки доля подогретого нейтрального газа составляет 10 20% от его общего расхода, а в остальные периоды продувки кислородом и при перемешивании ванны 80 90% от общего расхода нейтрального газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности, к производству стали в конвертерах с комбинированной продувкой.

Известен способ комбинированной продувки металла кислородом сверху и нейтральным газом через днище конвертера, предусматривающий изменение расхода нейтрального газа по ходу плавки в зависимости от скорости обезуглероживания металла (см. а.с. СССР N 1159955, кл. C 21 C 5/34, 1985 г.). Указанный способ не позволяет организовать дожигание отходящих газов в полости конвертера и, тем самым, снизить расход жидкого чугуна. Кроме того, подача холодного нейтрального газа через днище конвертера, особенно с его повышенным расходом, приводит к возникновению резких теплосмен в околофурменных зонах днища по ходу плавки, что способствует растрескиванию и скалыванию огнеупоров, приводит к снижению стойкости донных фурм и футеровки днища.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ выплавки стали в конвертере, включающий продувку кислородом сверху двухъярусными потоками кислорода и нейтральным газом снизу через днище в три этапа с переменным его расходом в зависимости от технологического расхода кислорода, причем первый этап составляет 25-35% времени продувки, второй 30-50% и третий 25-35% (см. а.с. СССР N 1216214, кл. C 21 C 5/30, 1986). В данном случае перемешивающий нейтральный газ в течение всего времени продувки подается через днище с переменным расходом в струйном режиме истечения, что не способствует гибкому управлению состоянием ванны в различные периоды операции и высокой степени рафинирования расплава от вредных примесей. Достигаемое улучшение перемешивания ванны при этом обеспечивает уменьшение температурой неоднородности расплава и снижение окисленности шлака, но в то же время затрудняет растворение извести. Это не способствует формированию жидкоподвижного высокоосновного шлака с самого начала операции и, тем самым, затрудняет протекание процессов дефосфорации и десульфурации по сравнению с обезуглероживанием ванны, вследствие чего приходится вести плавку с "передувом", значительно переокисляя металл на заключительном этапе операции.

Кроме того, известный способ характеризуется низкой эффективностью дожигания окиси углерода в полости конвертера при перекрытии вспененным слоем шлакометаллической эмульсии верхнего яруса сопел двухъярусной фурмы. В этом случае кислородные струи, истекающие из верхнего яруса сопел фурмы, воздействуют на слой шлака, способствуя чрезмерному переокислению последнего, образованию выбросов и износу футеровки конвертера. В данном случае ощутимо снижается эффективность передачи тепла дожигания CO до CO₂ непосредственно металлическому расплаву через слой малотеплопроводного вспенившегося шлака.

Указанные обстоятельства в известном способе вынуждают в течение операции постоянно изменять интенсивность подачи технологических газов в расплав как сверху, так и через днище, что дестабилизирует состояние ванны, усложняет организацию продувки и обслуживание агрегата.

Недостатком известного способа является также значительное снижение стойкости футеровки днища, вследствие охлаждающего действия струй нейтрального газа.

Задачей предложенного изобретения является упрощение технологии комбинированной продувки, повышение эффективности дожигания отходящих газов в полости конвертера и рафинирования металла от вредных примесей, увеличение стойкости футеровки днища.

Поставленная задача достигается тем, что после завалки лома и заливки чугуна в конвертер, осуществляют продувку ванны двухъярусными потоками кислорода сверху и нейтральным газом снизу через днище в три периода, причем первый период составляет 25-35% времени продувки, второй 30-50% и третий - 25-35% При этом часть нейтрального газа подают через днище в подогретом до 450-500^oC состоянии, причем в первом периоде доля подогретого газа составляет 10-20% общего расхода нейтрального газа, а во втором, третьем периодах и в период послепродувочного перемешивания 80-90% Расход нейтрального газа во всех периодах продувки поддерживают постоянным.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Струя газа, выходящая из донной фурмы, встречает сопротивление металла и деформируется. При описании истечения газа чаще всего пользуются следующей классификацией: пузырьковый режим или режим барботирования, характеризующийся периодическим растеканием газовых пузырьков по днищу и последующим их всплыванием; режим струйного истечения, когда формируется непрерывная газовая струя, проникающая в объем металла. Реализация того или иного режима истечения связана со скоростью струи на срезе фурмы и расходом газа.

Подача холодного нейтрального газа через донные фурмы влечет за собой быстрое охлаждение среза сопла и частичное его закупоривание грибовидной настылью с направленной пористой структурой, которая хорошо защищает фурмы как от расплавленного металла, так и от ударов тяжеловесного скрапа при завалке. При этом прохождение холодного перемешивающего газа через пористые настыли приводит к изменению режима истечения от расчетного струйного к менее эффективному с точки зрения перемешивания пузырьковому.

Во всех известных вариантах кислородно-конвертерных процессов с комбинированным дутьем, направленных на улучшение перемешивания ванны, через днище конвертера подаются с различной интенсивностью холодные газообразные реагенты. Данная технология вследствие интенсивного перемешивания расплава холодными газами, несколько увеличивает теплопотери агрегатов, а проведение послепродувочного перемешивания приводит к необходимости значительного перегрева металла по отношению к принятой температуре выпуска плавки, что повышает скорость износа донных фурм. Непрерывная подача газов через днище в холодном состоянии усложняет работу футеровки из-за резких теплосмен в околофурменной зоне на протяжении цикла плавки, а периодический нагрев и охлаждение околофурменных участков футеровки днища способствует быстрому его износу путем растрескивания и скалывания огнеупоров.

Устранение перечисленных недостатков реально при технологии комбинированной продувки с подачей через днище подогретых до 450-500^oC газов.

При этом подача подогретого газа в период продувки расплава позволяет предотвратить образование настыли и, тем самым, обеспечить расчетный струйный режим истечения, а во время повалок конвертера, в период вспомогательных операций и межплавочных простоев в значительной степени снизить температурные градиенты в околофурменной футеровке, что повысит ее стойкость.

При предложенном варианте продувки через днище фурмы, например, типа "труба в трубе" подают нейтральный перемешивающий газ (N₂, Ar и т.д.). Причем подогретый и холодный перемешивающий газ подают по центральному и щелевому каналам соответственно. Изменяя соотношение холодного и подогретого газов в различные периоды операции, создается возможность при постоянном общем расходе изменять режим истечения от пузырьков при подаче холодного газа и образовании пористой настыли до струйного при ее отсутствии.

В первом периоде операции, составляющем 25-35% времени продувки и соответственно времени окисления шлакообразующих примесей, расход подогретого нейтрального газа составляет 10-20% что объясняется следующим. В начальный период продувки низкая температура и высокая вязкость металла за пределами реакционной зоны не обеспечивают необходимой скорости подвода растворенного углерода к месту реакции, что приводит к небольшим общим скоростям окисления углерода и значительному накоплению оксидов железа в шлаке. Обеспечение пузырькового режима истечения нейтрального газа через донные фурмы в этот период операции обеспечивает незначительное снижение (FeO), что положительно сказывается на растворение извести, процессе шлакообразования, а следовательно, и на рафинировании металла на ранней стадии операции.

При продувке нейтральным газом через днище с долей подогретого газа менее 10% наблюдается затекание металла в центральный канал коаксиальной фурмы.

При доле подогретого газа более 20% устойчивое образование пористой настыли прекращается до оголения фурмы, приводя к переходу от пузырькового к струйному режиму истечения нейтрального газа.

В середине продувки высокая скорость окисления углерода приводит к резкому увеличению уровня ванны и ее общего объема за счет выделяющейся из ванны СO. В реальных условиях вспенившийся шлак затрудняет организацию процесса дожигания CO до CO₂ и соответственно передачу тепла ванне,

Интенсивное перемешивание ванны при реализации струйного режима истечения нейтрального газа не только улучшает теплопередачу к металлу, но и обеспечивает уменьшение уровня вспененной шлакометаллической эмульсии за счет раскисления шлака и соответственно уменьшения концентрации (FeO).

В третьем периоде продувки наблюдается понижение скорости окисления углерода по мере снижения его концентрации в металле. Это приводит к росту концентрации растворенного кислорода в металле сверх равновесного с углеродом и постепенному его накоплению в металле и шлаке. Поэтому для обеспечения термодинамических и кинетических условий продолжения окисления углерода без переокисления ванны предпочтительным является интенсификация донного перемешивания также за счет струйной подачи донного дутья через открытые фурмы.

После прекращения продувки кислородом в течение 2-3 минут осуществляется послепродувочное перемешивание нейтральным газом через донные фурмы, обеспечивающие дальнейшее обезуглероживание металла, удаление фосфора и серы, снижение окисленности металла и шлака, причем в большей степени при подаче перемешивающего газа через открытые донные фурмы в струйном режиме.

Экспериментально установлено, что снижение расхода подогретого перемешивающего газа во втором, третьем периодах продувки и при послепродувочном перемешивании менее 80% не позволяет организовать продувку в струйном режиме, что не обеспечивает снижение уровня ванны и эффективного дожигания СO и CO₂.

Увеличение расхода подогретого газа не более 90% нецелесообразно по причине возможного заметалливания щелевого канала донных фурм, через которые подаются оставшиеся 10% холодного нейтрального газа.

При температуре нагрева нейтрального газа ниже 450^oC наблюдаются значительные колебания давления газа перед соплом, что свидетельствует о периодическом образовании пористых настылей на срезе фурмы и, соответственно, изменении режима истечения. Температура нагрева нейтрального газа выше 500^oC лимитируется конструкционными особенностями и работоспособностью теплообменника.

Проверка предлагаемого способа выплавки стали была осуществлена на 150 кг лабораторном конвертере, оснащенном оборудованием для продувки металла кислородом сверху и одновременно подогретым или холодным нейтральным газом (азот, аргон) через днище. Конструкция верхней продувочной фурмы с индивидуальным регулированием расходов технологических газов на группы сопел, обеспечивала верхнюю продувку расплава двухъярусными потоками кислорода. В днище конвертера устанавливали донные фурмы типа "труба в трубе", изготовленные из нержавеющей стали Х18Н10Т. Предварительно цилиндрические сопла и щелевые каналы донных фурм тарировали по расходам в зависимости от давления перед фурмой. При этом обеспечивалось постоянство давлений перемешивающего газа перед входом в каждую из донных фурм благодаря соблюдению равенства длин и конфигурации двух раздельных трубопроводов подвода газа. В качестве перемешивающего газа использовали азот, поступающий от рампы с баллонами, причем два подвода газов к днищу, обеспечивали раздельную подачу на каждую фурму (по центральному каналу и щелевому зазору) подогретого до температуры 450-500^oC и холодного (20^oС ) газов. Подогрев осуществляли в змеевике, помещенном в рабочей зоне трубчатой электропечи сопротивления типа СУОЛ-0,25. При этом с целью предотвращения тепловых потерь на пути движения подогретого азота к фурме участок трубопровода от зоны нагрева до фурмы изолировали путем обмотки асбестовым шнуром с последующей огнеупорной обмазкой сверху. Выполненная схема подвода нейтрального газа к донным фурмам, обеспечивала индивидуальное регулирование, контроль расхода и давления газа через каждую фурму. Контроль технологических параметров плавки осуществляли отбором проб металла и шлака с последующим химическим газовым анализом и замером уровня ванны по ходу продувки. При этом образование пористой настыли на срезе донных фурм и переход, соответственно, к пузырьковому режиму истечения газа, фиксировали по периодическому изменению давления азота перед фурмами при постоянстве его давления в сети. Как установлено, характер колебания давления азота перед соплом в некотором приближении отражает процесс образования, роста и последующего отрыва пористой настыли от среза донной фурмы.

Удельный объем конвертера составлял 0,83 м³/т, глубина ванны в спокойном состоянии 250 мм, внутренний диаметр 400 мм, отношение высоты рабочего пространства к внутреннему диаметру 2,07. Футеровка выполнена из магнезита. Опытные плавки были проведены по технологии комбинированной продувки с подачей кислорода сверху двухъярусными потоками и азота через донные фурмы по предложенному способу азота (одновременная подача холодного и подогретого до 450-500^oC азота).

Во всех вариантах постановки опытов использовалась двухъярусная фурма следующей конструкции: шесть цилиндрических сопел верхнего яруса диаметром 1 мм располагались на высоте 250 мм от среза фурмы под углом 30^o; четыре сопла нижнего яруса сопла Лаваля диаметром 1,7 мм расположены под углом 20^o к вертикальной оси фурмы. Азот через днище подавали через четыре коаксиальных фурмы типа "труба в трубе", расположенных по окружности диаметром 200 мм с диаметром цилиндрического канала 1, мм и кольцевого зазора 1 мм.

Расход технологического кислорода во всех случаях составлял 4,5 м³/тмин. Суммарный расход нейтрального газа (холодного и подогретого) 0,1 м³/тмин.

Продувался чугун, содержащий 4,2% С; 0,6% Si; 0,42% Mn; 0,045% S и 0,068% Р. Температура заливаемого чугуна 1350^oC. Известь и плавиковый шпат присаживали двумя порциями по ходу продувки в количестве 7,1 и 0,25% от веса металлошихты соответственно. Продувку вели до момента падения факела, что соответствовало 0,05^oC0,08% С.

Результаты опробования известного и предлагаемого способов выплавки стали даны в таблице.