ПРОЦЕССЫ С АРГОНО- И ПАРОКИСЛОРОДНЫМ ДУТЬЕМ

В последние годы получает распространение выплавка в кон­вертерах низкоуглеродистых и, в частности, низкоуглеро­дистых коррозионностойких и электротехнических сталей путем продувки смесями аргон—кислород и пар—кислород. В 1990 г. процессом аргоно-кислородной продувки, получивше­го название АОД-процесса, было произведено более половины мировой выплавки коррозионностойких сталей. Широкое расп­ространение этого процесса связано с тем, что он позво-

ляет получать хромоникелевую коррозионностойкую сталь с очень низким содержанием углерода при использовании де­шевого высокоуглеродистого феррохрома, в то время как традиционный способ выплавки этих сталей в электропечах требовал применения дорогостоящего низкоуглеродистого феррохрома.

Суть процесса АОД сводится к тому, что расплав, содер­жащий высокоуглеродистый феррохром, обезуглероживают в конвертере, вдувая аргоно-кислородную смесь; при этом достигается очень низкая (0,03-0,01 %) концентрация угле­рода в металле без значительного окисления железа и хро­ма, что происходило бы при продувке одним кислородом. Причина этого в том, что в зонах протекания реакции [С] +1/20₂ = СО ее продукт — СО разбавляется аргоном, т.е. снижается парциальное давление СО, благодаря чему равновесие реакции сдвигается вправо, в сторону более полного окисления углерода. Кроме того, для уменьшения окисления хрома процесс ведут при высокой (1700—1720 °С) температуре (поскольку окисление хрома 2[Сг] +1,50₂ = = Сг₂0₃ идет с выделением тепла, повышение температуры вызывает сдвиг равновесия реакции влево).

Распространенный вариант технологии выплавки хромони-келевой коррозионностойкой стали процессом АОД заключает­ся в следующем. В электродуговой печи получают из сталь­ного лома, углеродистого феррохрома и никеля расплав, содержащий требуемые количества хрома и никеля и 1— 2,5 % углерода с температурой ~ 1550 °С. Расплав заливают в конвертер вместе с 1—2 % электропечного шлака и ведут продувку, подавая аргоно-кислородную смесь в защитной оболочке из аргона через фурмы, расположенные в стенке конвертера над днищем. Продувка делится на два периода — окислительный, когда металл продувают смесью кислорода и аргона переменного состава, и восстановительный, когда продувку ведут аргоном. Окислительная продувка длится 30—50 мин, ее начинают смесью с соотношением расходов кислорода и аргона 3:1. По мере уменьшения концентрации углерода в металле долю аргона в смеси увеличивают, что облегчает окисление углерода; заканчивают продувку при соотношении кислород—аргон 1: 3,5.

По ходу продувки в конвертер несколькими порциями за­гружают известь (до 6 % от массы металла), а в середине

продувки — охладитель (скрап). За время продувки окис ляются весь кремний и углерод, а также немного железа, марганца и хрома (при исходном содержании хрома, напри­мер, 16,5 % его концентрация в металле снижается до ~ 14,5 %). Образующийся из электропечного шлака, добав­ляемой извести и продуктов окисления шлак содержит менее 2-4% оксидов железа, до 20-30% Сг₂О_а и в конце окисли­тельного периода, имея основность 1,8—2,0, является туго­плавким и гетерогенным. Когда углерод окислен до содержа­ния около 0,03%, начинают восстановительный период, за­дачами которого являются восстановление хрома из шлака и удаление в шлак серы. Отключают подачу кислорода, в кон­вертер вводят известь для повышения основности шлака, ферросилиций и силикомарганец для восстановления хрома из шлака и плавиковый шпат (до 0,75 % от массы металла) для разжижения шлака, чтобы он стал реакционноспособным. Про­дувка аргоном длится 8 мин и более. За это время кремний восстанавливает большую часть оксидов хрома шлака (усвое­ние хрома составляет примерно 98 % от исходного содержа­ния в шихте), а также оксидов железа и марганца. В шлак удаляется до 50% (и более) содержавшейся в металле серы за счет ее реагирования с СаО. Содержание фосфора в ме­талле остается неизменным, поскольку он не удаляется в шлак из-за низкого содержания в последнем оксидов железа. Общий расход кислорода и аргона составляет соответст­венно 20-30 и 10-25 м³/т стали. Технология АОД-процесса постоянно совершенствуется; находят применение ряд разно­видностей этой технологии. Одна из них предусматривает вдувание аргоно-кислородной смеси в течение первых 5—8 мин окислительной продувки с помощью вводимой в кон­вертер сверху фурмы. Еще одна разновидность предусматри­вает проведение восстановительного периода с раздельным восстановлением хрома и десульфурацией. При этом в начале периода в конвертер добавляют ферросилиций и плавиковый шпат и ведут продувку аргоном до восстановления хрома из шлака. Далее шлак сливают, в конвертер вводят новую пор­цию шлакообразующих — известь с плавиковым шпатом и вновь проводят продувку аргоном. При этом в шлак удаляется сера (до 90 % от ее исходного содержания). С целью экономии дорогостоящего аргона иногда в начале окислительного пе­риода вместо него используют азот.

Ход плавки на воздушном дутье

Для продувки в малобессемеровских конвертерах используют чугун марки Б-1, который содержит, %: 3,0-3,5 С; 1,25— 1,75 Si; 0,6-1,2 Мп; < 0,07 Р и <0,04S. Этот чугун от­личается повышенным содержанием кремния, являющегося ос­новным "топливом" малобессемеровского процесса.

Жидкий чугун в литейных цехах получают расплавлением в вагранках твердого чугуна. Температура чугуна при заливке в конвертер обычно составляет 1350—1450 °С. После заливки чугуна подают дутье и конвертер поворачивают так, чтобы фурмы были немного погружены в металл. Это способствует улучшению перемешивания металла и позволяет более полно использовать кислород дутья.

Продувка делится на два периода. В первом (4-6 мин) окисляются кремний, марганец, железо и образуется Шлак, состоящий из Si0₂, FeO и MnO. Вследствие повышенного уга­ра железа при поверхностной продувке содержание FeO в шлаках первого периода достигает 45 %. После того как окислились кремний и марганец, начинается второй период — выгорание углерода. Конвертер наклоняют на 5—20° от вер­тикального положения в сторону, противоположную фурмам так, чтобы дутье поступало на поверхность металла. Это создает условия для догорания окиси углерода в полрсти конвертера. Содержание FeO в шлаке во втором периоде по­нижается, так как оно расходуется на окисление углерода.

Скорость окисления углерода при малом бессемеровании периодически изменяется, что внешне проявляется в чере­дующихся подъемах и опусканиях пламени над конвертером.

В начале второго периода СО догорает до СО_г внутри конвертера и яркого пламени над горловиной не обнаружи­вается. Повышение температуры металла в результате дого­рания СО приводит к резкому возрастанию интенсивности окисления углерода. Металл вследствие выделения большого количества пузырьков СО вспенивается и поднимается выше фурм. Дутье при этом проходит через слой чугуна, и весь кислород расходуется на окисление углерода внутри метал­ла. Поэтому СО догорает лишь при выходе из конвертера, и над горловиной появляется яркое пламя.

Так как поступление тепла от дожигания СО прекраща­ется, а реакция окисления углерода за счет оксида железа

шлака идет с поглощением тепла, температура металла и интенсивность выгорания углерода быстро падают. Уровень металла опускается, и дутье снова начинает поступать в полость конвертера. Догорание оксида углерода вновь про­исходит внутри конвертера, и пламя над горловиной исчеза­ет. Дальнейшее повышение температуры металла ведет к пов­торению описанного цикла. При нормальном ходе плавки обычно наблюдаются два подъема и опускания пламени.

После окончания продувки металл раскисляют и выпускают в ковш. Длительность продувки обычно равна 14-23 мин. Температура стали при выпуске составляет 1680-1720 °С. Конечный шлак малого бессемерования содержит 55—70 % SiOj, 14-25% FeO и 8-15% MnO.

Продувка кислородом

В последние годы для продувки чугуна в малобессемеровских конвертерах применяют воздух, обогащенный кислородом, и чистый кислород. Это позволяет сократить продолжитель­ность плавки, использовать в шихте стальной лом, увели­чить выход годной стали.

При работе на кислороде количество дутья уменьшается в 12-15 раз, и поэтому устанавливают одну фурму, представ­ляющую собой медную или латунную трубку, пропущенную че­рез огнеупорный стержень с отверстием по оси (рис. 101). Фурму устанавливают в боковой стенке конвертера под углом 30—45° к поверхности ванны при вертикальном положении конвертера. Внутренний диаметр сопла в зависимости от емкости конвертера изменяется в преде­лах 8—16 мм.

Рис. 101. Кислородная фурма малого бес­семеровского конвертера: / — футеровка конвертера; 2 — огнеупор­ные трубки; 3 — латунная или медная трубка; 4 — дутьевая коробка; 5 — огне­упорная масса

При продувке кислородом в конвертер перед заливкой чу­гуна загружают лом (до 40 % от массы чугуна). После слива чугуна конвертер устанавливают так, чтобы устье фурмы бы­ло погружено в металл на 50—100 мм. С самого начала про­дувки одновременно окисляются кремний, марганец и углерод чугуна. Окисление кремния и марганца заканчивается на 3—5-й мин продувки, после чего начинается бурное окисле­ние углерода. В начале бурного окисления углерода конвер­тер поворачивают в сторону, противоположную фурмам, чтобы часть кислорода расходовалась на дожигание оксида углеро­да в полости конвертера.

Длительность продувки составляет 10—15 мин, давление кислорода на разных заводах колеблется в пределах 0,5-1,5 МПа.

Содержание FeO в шлаке при продувке кислородом меньше, чем при продувке воздухом. Благодаря этому, а также вследствие сокращения длительности продувки, заметно уменьшается угар железа. Сталь, выплавленная при работе на кислородном дутье, содержит в 2—3 раза меньше азота, чем при работе на воздушном дутье.

Технико-экономические показатели процесса

Производительность малобессемеровских конвертеров зависит от организации работ литейного цеха. Выход жидкой стали при работе на воздушном дутье составляет 82—87 % от массы жидкого чугуна. Потери в виде угара металла, выбросов и корольков в шлаке равны 13-18%. Расход воздуха состав­ляет 600—800 м³/т чугуна. Угар чугуна при его расплавле­нии в вагранке составляет 3-5%.

При продувке чистым кислородом выход жидкой стали уве­личивается до 92—93 %. Расход кислорода составляет 50 — 70 м³ на 1т стали. Применение стального лома при кисло­родном дутье обеспечивает снижение стоимости стали.

Г л а в а 3. МАРТЕНОВСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сущность мартеновского процесса заключается в ведении плавки на поду пламенной отражательной печи, оборудован­ной регенераторами для предварительного подогрева воздуха (иногда и газа). Идея получения литой стали на поду отра­жательной печи высказывалась многими учеными (например, в

1722 г. Реомюром), но осуществить это долгое время не удавалось, так как температура факела обычного в то время топлива — генераторного газа - была недостаточной для на­грева металла выше 1500 °С (т.е. недостаточна для получе­ния жидкой стали). В 1856 г. братья Сименс предложили ис­пользовать для подогрева воздуха тепло горячих отходящих газов, устанавливая для этого регенераторы. Принцип реге­нерации тепла был использован Пьером Мартеном для плавки стали. Началом существования мартеновского процесса можно считать 8 апреля 1864 г., когда П.Мартен на одном из за­водов Франции выпустил первую плавку.

В мартеновскую печь загружают шихту (чугун, скрап, ме­таллический лрм и др.), которая под действием тепла от факела сжигаемого топлива постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки для полу­чения металла заданного состава и температуры; затем го­товый металл выпускают в ковши и разливают. Благодаря своим качествам и невысокой стоимости мартеновская сталь нашла широкое применение. Уже в начале XX в. в мартеновс­ких печах выплавляли половину общего мирового производст­ва стали.

В России первая мартеновская печь была построена С.И.Мальцевым в 1866—1867 гг. на Ивано-Сергиевском желе­зоделательном заводе (бывш. Калужской губернии) Мальцев-ского фабрично-заводского округа. В 1870 г. первые плавки проведены в печи вместимостью 2,5 т, построенной извест­ными металлургами А.А.Износковым и Н.Н.Кузнецовым на Сор­мовском заводе. Эта печь хорошо работала и стала образцом для печей большой вместимости, построенных позже на дру­гих русских заводах. Мартеновский процесс стал основным в отечественной металлургии. Огромную роль сыграли марте­новские печи в суровые годы Великой Отечественной войны. Советским металлургам впервые в мировой практике удалось удвоить садку мартеновских печей без существенной их пе­рестройки (ММК, КМК), удалось наладить производство высо­кокачественной стали (броневой, подшипниковой и т.п.) на действовавших в то время мартеновских печах. В настоящее время наиболее крупные и высокопроизводительные мартеновские печи работают в России и Украине. По мере расширения конвертерного и электросталеплавильного производств масштабы производства мартеновской стали сокращаются.

§ 1. КОНСТРУКЦИЯ И РАБОТА МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ

На рис. 102 схематически показана мартеновская печь в тот момент, когда топливо (газ) и воздух поступают с правой стороны печи. Проходя через предварительно нагретые на­садки регенераторов (воздух через воздушный регенератор, газ через газовый), воздух и газ нагреваются до 1000—1200 °С и в нагретом состоянии через головку попа­дают в печь. При сгорании топлива образуется факел с тем­пературой 1800—1900 °С. Пройдя головку, расположенную в противоположной стороне печи, раскаленные продукты сгора­ния попадают в другую пару насадок регенераторов и по системе боровов уходят к трубе. При этом насадки регене­раторов нагреваются. При такой работе насадки регенерато­ров правой стороны постепенно охлаждаются, а насадки ре­генераторов левой стороны нагреваются. В момент, когда

Рис. 102. Современная мартеновская печь:

1 — головка; 2 — вертикальный канал; 3 — шлаковик; 4 — борова; 5 — насадка газового регенератора; 6 — сталевыпускное OTBejpcrae; 7 — отверстие в задней стенке печи для спуска шлака; 8 — под; Р — завалочные окна; 10 — передняя стенка; 11 — задняя стенка; 12 — рабочее пространство; 13 — свод; 14 — ре­генераторы (газовый и воздушный); А — поперечный разрез рабочего простран­ства печи; Б — разрез по "головке* печи

регенераторы, через которые проходят в печь воздух и газ, уже не в состоянии их нагревать до нужной температуры, а регенераторы, через которые из печи уходит дым, перегре­ваются, осуществляется изменение направления движения га­зов печи. Для изменения направления движения газов пре­дусмотрены перекидные клапаны (рис. 103), а операцию на­зывают перекидкой клапанов. Холодный воздух и газ направ­ляются через хорошо нагретые левые регенераторы, а про­дукты сгорания уходят в правую сторону печи, постепенно нагревая остывшие правые регенераторы, затем цикл повто­ряют. Через некоторое время наступает момент, когда на­правление движения газов опять изменяется и т.д.

Энтальпия продуктов сгорания Я равна произведению мас­
сы продуктов сгорания т на их теплоемкость С и температу­
ру t, т.е. Я = Cmt, откуда t = Н/Ст. Энтальпия Я склады­
вается из химического тепла сгорания топлива Я_хт, тепла
нагрева воздуха Я_{н в} и тепла нагрева газа Я_{н г}, т.е. Я =
= Я_{х т} + Я_{н в} + Я_{н г}; соответственно t = (Я_{х т} + Я_{н в} +

+ Н_ИТ)/Ст.

Таким образом, при нагреве поступающих в печь газа и воздуха обеспечивается достаточно высокая температура факела (> 1800 °С). Чем выше удается повысить температуру поступающих в печь газа и воздуха, тем выше температура факела и тем лучше работает печь.

Повысить температуру факела можно и другим способом — заменить весь воздух или часть его кислородом. Тогда в формуле t = Н/Ст уменьшается знаменатель (уменьшается т)

Рис. 103. Схема перекидных устройств:

1, 7 — газовые клапаны (пере­кидные клапаны на пути движе­ния газа; 2, 8 — задвижки (шиберы) на каналах (боровах) от газовых регенераторов; 3, 4 — воздушные клапаны; 5, б — задвижки на клапанах от воз­душных регенераторов; Р — регулировочная задвижка (ши­бер); 10 — задвижки на борове трубы; 11 — задвижки на боро­ве к котлу утилизатору; 12 — регулирующие колонки

и соответственно возрастает температура. На каждый объем подаваемого с воздухом кислорода поступает 3,762 объемов балластного азота. Обогащение воздуха кислородом приводит к уменьшению количества продуктов сгорания (при том же количестве теплоты, выделенной топливом) и соответственно повышается температура.

Повышая постепенно степень обогащения (вплоть до пол­ной замены воздуха кислородом), можно добиться достаточно высокой температуры факела без предварительного подогрева газа и воздуха (или смеси воздуха и кислорода). В этом случае регенераторы оказываются ненужными.

В мартеновской печи газы попадают сначала в шлаковик, а уже затем в регенератор. Шлаковики служат для улавлива­ния плавильной пыли и шлаковых частиц, уносимых продукта­ми сгорания из рабочего пространства, и тем самым пред­охраняют насадки регенератора от засорения. Сечение шла­ковика гораздо больше сечения вертикального канала, по­этому при попадании дымовых газов в шлаковик их скорость резко уменьшается и, кроме того, меняется направление движения газов. Это приводит к тому, что значительная часть (50—75 %) плавильной пыли оседает в шлаковиках.

Из рабочего пространства печи дымовые газы выходят с температурой 1680—1750 °С, из шлаковика в регенератор — с температурой 1500-1550 °С. Пройдя насадку регенератора, они охлаждаются до 500—700 °С. Обычно стремятся использо­вать тепло отходящих газов, направляя их по системе боро­вов в котел-утилизатор.

Если по каким-либо причинам котел-утилизатор не уста­новлен или находится на ремонте, дымовые газы по боровам направляют в трубу.

В зависимости от вида топлива и его теплоты сгорания мартеновские печи могут иметь две пары регенераторов — для подогрева воздуха и газа (при отоплении печи газом с невысокой теплотой сгорания) или одну пару регенераторов (если печь отапливается топливом с высокой теплотой сго­рания, подогрев которого не нужен или трудно осуществим).

В зависимости от вместимости мартеновские печи делят на печи малой («125 т), средней (125-300 т) и большой (> 300 т) вместимости. Выпуск металла из большегрузных печей производится обычно одновременно в два ковша (в исключительных случаях— в три).

Под вместимостью обычно понимают массу загруженной в печь металлошихты. Массу вводимых в печь по ходу плавки добавочных материалов при этом не учитывают.