Определение и анализ технико-экономических показателей кислородно-конвертерной плавки с комбинированным дутьем при производстве стали м

  Для загрузки сыпучих шлакообразующих  материалов конвертер оборудован индивидуальной автоматизированной системой. Из расположенных над конвертером расходных бункеров, где хранится запас материалов, их с помощью электровибрационных питателей и весовых дозаторов выдают в промежуточный бункер, а из него материалы по наклонной течке (трубе) ссыпаются в конвертер через горловину.

  Периоды плавки

  Плавка  в кислородном конвертере включает следующие периоды.

  Загрузка  лома. Стальной лом загружают в наклоненный конвертер совками. Объем совков достигает 110 м³, его рассчитывают так, чтобы загрузка обеспечивалась одним-двумя совками, поскольку при большем числе возрастает длительность загрузки и плавки в целом. Загрузка длится 2-4 мин. Иногда с целью ускорения шлакообразования после загрузки лома или перед ней в конвертер вводят часть расходуемой на плавку извести.

  Заливка чугуна. Жидкий чугун заливают в наклоненный конвертер одним ковшом в течение 2-3 мин.

  Продувка. После заливки чугуна конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение, вводят сверху фурму и включают подачу кислорода,  начиная продувку. Фурму в начале продувки для ускорения шлакообразования устанавливают в повышенном положении, а через 2-4 мин ее опускают до оптимального уровня (1,0-2,5 м в зависимости от вместимости конвертера и особенностей технологии). В течение первой трети длительности продувки в конвертер двумя-тремя порциями загружают известь; вместе с первой порцией извести, вводимой после начала продувки. Продувка до получения заданного содержания углерода в металле длится 12-18 мин. В течение продувки протекают следующие основные металлургические процессы:

  а) окисление составляющих жидкого  металла вдуваемым кислородом; окисляется избыточный углерод, а также весь кремний, около 70% марганца и немного (1-2%) железа. Газообразные продукты окисления углерода (СО и немного СО₂) удаляются из конвертера через горловину (отходящие конвертерные газы), другие оксиды переходят в шлак;

  б) шлакообразование. С первых секунд продувки начинает формироваться основной шлак из продуктов окисления составляющих металла (SiO₂, MnO, FeO) и растворяющейся в них извести (СаО), а также из оксидов, вносимых миксерным шлаком, ржавчиной стального лома и растворяющейся футеровкой;

  в) дефосфорация и десульфурация. В  образующийся основной шлак удаляется часть содержащихся в шихте вредных примесей - большая часть фосфора и немного серы;

  г) нагрев металла до требуемой перед  выпуском температуры за счет тепла, выделяющегося при протекании экзотермических реакций окисления составляющих жидкого металла;

  д) расплавление стального лома за счет тепла экзотермических реакций окисления;

  е) побочный и нежелательный процесс  испарения железа в подфурменной зоне из-за высоких здесь температур и унос окисляющихся паров отходящими из конвертера газами, что вызывает потери железа и требует очистки конвертерных газов от пыли.

  После окончания продувки кислородом предусматривают  дополнительный период - продувку аргоном длительностью до 3-6 мин. Режим подачи кислорода через верхнюю фурму (интенсивность продувки, изменение высоты положения фурмы по ходу продувки) примерно такой же, как и при верхней продувке. Режим подачи нейтральных газов через донные фурмы рекомендуется следующий. Иногда после окончания кислородной продувки проводят дополнительную продувку аргоном снизу в течение 1-3 мин с расходом до 0,3 м³/т *мин; при этом снижается окисленность шлака и содержание углерода в металле в результате протекания реакции (FeO) + [С] = Fe + СО и в металле снижается содержание фосфора (примерно на 20-30%) и серы (примерно на 10-25%). При выплавке особо низкоуглеродистых сталей кислородную продувку прекращают при содержании углерода в металле 0,03-0,04% и затем ведут перемешивающую продувку аргоном в течение 3-6 мин, получая низкоуглеродистый (до 0,01% С) металл при невысоком содержании FeO в шлаке, т.е. без повышенного угара железа.

  Отбор проб, замер температуры, ожидание анализа, корректировка. Продувку необходимо закончить в тот момент, когда углерод будет окислен до нужного в выплавляемой марке стали содержания; к этому времени металл должен быть нагрет до требуемой температуры, а фосфор и сера удалены до допустимых для данной марки стали пределов. Окончив продувку, из конвертера выводят фурму, а конвертер поворачивают в горизонтальное положение. Через горловину конвертера отбирают пробу металла, посылая ее на анализ. Если по результатам анализа и замера температуры параметры металла соответствуют заданным, плавку выпускают. В случае несоответствия проводят корректирующие операции: при избыточном содержании углерода проводят кратковременную додувку для его окисления; при недостаточной температуре делают додувку при повышенном положении фурмы, что вызывает окисление железа с выделением тепла, нагревающего ванну; при излишне высокой температуре в конвертер вводят охладители - легковесный лом и т.п., делая выдержку после их ввода в течение 3-4 мин. По окончании корректировочных операций плавку выпускают. На отбор и анализ проб затрачивается 2-3 мин; корректировочные операции вызывают дополнительные простои конвертера и поэтому нежелательны.

  Выпуск. Металл выпускают в сталеразливочный ковш через летку без шлака; это достигается благодаря тому, что в наклоненном конвертере, у летки располагается более тяжелый металл, препятствующий попаданию в нее находящегося сверху шлака. Такой выпуск исключает перемешивание металла со шлаком в ковше и переход из шлака в металл фосфора и FeO. Выпуск длится 3-7 мин. В процессе выпуска в ковш из бункеров вводят ферросплавы для раскисления и легирования. При этом в старых цехах загружают все ферросплавы так, чтобы обеспечивалось раскисление и получение в стали требуемого содержания вводимых. В момент слива из конвертера последних порций металла делают "отсечку" шлака, препятствуя попаданию в ковш конвертерного шлака, содержащего фосфор, который может переходить в металл, и оксиды железа, которые будут окислять вводимые в металл в процессе внепечной обработки элементы.

  Слив  шлака в шлаковый ковш (чашу) ведут  через горловину, наклоняя конвертер  в противоположную от летки сторону (слив через летку недопустим, так как шлак будет растворять футеровку летки). Слив шлака длится 2-3 мин.

  Поведение примесей:

  В течение продувки за счет подаваемого в конвертер кислорода окисляется избыточный углерод, а также кремний, большая часть марганца и некоторое количество железа.

  Но  за счет непосредственного взаимодействия с газообразным кислородом окисляется лишь незначительная часть примесей. Окисление большей части примесей протекает по более сложной схеме — первоначально в зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо: Fe + 1/2 O₂ = FeO; это связано с тем, что концентрация железа во много раз больше концентрации других элементов. Образующаяся закись железа растворяется частично в металле: FeO ® [O] + Fe и частично в шлаке: FeO ® (FeO) и уже за счет этого растворенного в металле и шлаке кислорода окисляются прочие составляющие чугуна. Соответственно окисление, например, углерода идет по следующей схеме:

  Fe + 1/2 O₂ = FeO; Fe + 1/2 O₂ = FeO;

  FeO ® [O] + Fe; FeO ® (FeO);

  [C] + [O] = CO; [C] + (FeO) = CO + Fe.

  Если  просуммировать уравнения реакций  правого или левого столбцов, то в обеих случаях получим итоговую реакцию окисления углерода: [C] + 1/2 O₂ = CO, которая таким образом, отражает лишь начальное и конечное состояние процесса окисления.

  Таким образом, для продувки в конвертере характерно прямое окисление железа в зоне контакта кислородной струи  с металлом (в “первичной реакционной зоне”) и окисление прочих составляющих металла за счет вторичных реакций на границе с первичной реакционной зоной и в остальном объеме ванны.

  Из-за этого фактора повышенная интенсивность  перемешивания при комбинированном  дутье повышает скорость вторичных реакций окисления.

  Окисление углерода в кислородном конвертере происходит преимущественно до СО; до СО₂ окисляется менее 10-15% углерода, содержащегося в чугуне. В начале продувки, когда интенсивно окисляются углерод и марганец, а температура ванны мала, скорость окисления углерода сравнительно невелика (0,10-0,15%/мин). В дальнейшем, вследствие повышения сродства углерода к кислороду при росте температуры и уменьшения расхода кислорода на окисление марганца и кремния, скорость окисления углерода возрастает, достигая к середине продувки максимума (0,35-0,45%/мин). В конце продувки она вновь снижается вследствие уменьшения содержания углерода в металле. Роль реакции обезуглероживания в кислородно-конвертерной плавке велика, поскольку длительность окисления углерода определяет продолжительность продувки, а также потому, что выделяющиеся пузырьки СО обеспечивают удаление из металла азота и водорода и интенсивное перемешивание металла и шлака.

  

  Cера и фосфор:

  

  Дефосфорация  — удаление из металла в шлак фосфора протекает по экзотермической  реакции

  2 [P] + 5 (FeO) + 3 (CaO) = (3CaO·P2O5) + 5 Fe + 767290 Дж/моль,

  для успешного протекания которой необходимо повышенные основность и окисленность шлака и невысокая температура. В кислородном конвертере благоприятные условия для удаления в шлак фосфора — наличие основных шлаков со сравнительно высоким содержанием окислов железа и хорошее перемешивание ванны (что как раз обеспечивает комбинированный процесс).

  Сера  в конвертере практически не удаляется, поэтому график ее содержания по ходу плавки представляет прямую линию.

  Изменение состава шлака:

  

  Параметры шлакового режима — состав, вязкость, количество шлака и скорость его  формирования оказывают сильное влияние на качество стали, выход годного металла, стойкость футеровки и ряд технологических особенностей продувки.

  Основные  источники шлакообразования — это  загружаемая в конвертер известь (СаО) и продукты окисления составляющих чугуна (SiO₂, MnO, FeO, P₂O₅). Кроме того в шлак поступают окислы растворяющейся футеровки (CaO, MgO); некоторое количество миксерного шлака; окислы железа из ржавчины стального лома и составляющие флюсов (плавиковый шпат, вносящий CaF₂). 

  Расчет  профиля рабочего пространства

  Задано:

 

1. Нахожу  объем конвертера:
2. Объем ванны (должен вмещать металл):
3. Глубина ванны( выбираю наибольшую):

  А.

  Б.

4. Диаметр цилиндрической части конвертера:
5. Диаметр верхней конической части:
6. Высота верхнего конуса (беру  угол 60º):
7. Объём верхнего конуса:
8. Нахожу объём цилиндрической части как разность между объёмом конвертера и объемами верхнего конуса и ванны:
9. Нахожу объём вспененной ванны, он должен быть меньше объёма цилиндра для предотвращения выбросов:

  Проверка - => выбросов не будет

10. Высота цилиндрической части:
11. Диаметр нижнего конуса (шаровой части):
12. Высота нижнего конуса:
13. Высота шаровой части ванны:
14. Радиус шаровой части (должен быть больше высоты конвертера):

   , условие выполнено