CC BY
2ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 669.184
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПЕРЕДЕЛА ФОСФОРИСТЫХ ЧУГУНОВ В
ТОМАСОВСКОМ КОНВЕРТЕРЕ
Дида Н.И., Раковский В. С., Лопатина А. О., Галич А.А. Научный руководитель: ассистент Сафонов С.О.
Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк
Аннотация. Статья посвящена анализу конструктивных особенностей Томасовского конвертера и технологических особенностей выплавки в данном сталеплавильном агрегате, физико-химическим процессам, происходящим в конвертерной ванне, теплового баланса плавки. Приведена характеристика процесса продувки воздухом через пористые блоки в днище агрегата, описано влияние азота на качество стали. Описана конструкция и материалы, применяемые в футеровке Томасовского конвертера.
Ключевые слова: Томасовский конвертер, термодинамика, продувка, футеровка, динасовый кирпич, железоуглеродистый расплав, азот.
Введение
Назначением томасовского процесса является передел фосфористых чугунов, содержащих 1,6-2,2% Р. Для успешной дефосфорации металла необходимы основные шлаки,следовательно, футеровка конвертера должна быть выполнена из основных материалов.Томасовские конвертеры имеют смолодоломитовую футеровку. Исходными материалами длянее служат обожженный доломит (52-57% СаО, 35-40% MgO) и обезвоженная каменноугольнаясмола. Из дробленого доломита, смешанного со смолой, прессуют блоки, которыми и футеруютполость конвертера. Обжиг поверхности футеровки происходит непосредственно в конвертерепри его разогреве и распространяется на всю толщу огнеупоров во время проведения плавок.При обжиге смола коксуется и прочно связывает зерна доломита.
По конструкции томасовский конвертер принципиально не отличается от бессемеровского, но относительные размеры его большие. Так, удельный объем рабочего пространства достигает 1,4 м3/т против 0,8-1,2 у бессемеровского. Эти увеличенные размеры необходимы ввиду большого количества шлака (30% против 5-7%), образующегося при томасовском процессе. Днища конвертеров футеруют на вибрационных машинах или прессах изсмолодоломитовой массы; после формовки в теле днища образуются игольчатые сопла,которые иногда армируют металлическими трубками. Готовые днища подвергают обжигув специальных печах при температуре 600-700°С.
Особенности применяемых шихтовых материалов
Томасовский чугун имеет следующий состав, %: 0,2-0,5 81; 0,6-1,3 Мп; 1,8-2,2 Р; до 0,06 S. Фосфористые чугуны легкоплавки (температура ликвидуса 1050-1100°C), поэтому их можно заливать в конвертер при 1200-1250°С
Высокое содержание кремния в томасовском чугуне нежелательно, так как дляошлакования кислого оксида SiO2, необходимо дополнительное количество извести. Фосфорявляется главным теплоносителем процесса, по его содержанию томасовские чугуны делятна химически холодные (<1,8% P) и химически горячие (>2,2% P). Повышенное содержаниесеры в чугуне допускается потому, что в ходе процесса она может быть удалена на 30-40%.Содержание углерода в томасовском чугуне (3,2-3,6%) ниже, чем в бессемеровском, таккак фосфор снижает растворимость углерода в железе.
В качестве шлакообразующей присадки используют металлургическую известь. Припродувке перегретого или химически горячего чугуна применяют охладители: мелкий стальнойлом, руду и ее заменители.
Термохимия томасовского процесса
Теплота, получаемая ванной от окисления углерода, такая же, как и в бессемеровскомпроцессе, теплота от окисления кремния, марганца и железа различается на величину тепловыхэффектов образования соответствующих силикатов, так как в основном процессе Mn и Fe остаются в шлаке свободными, а SiO2 связывается в силикатные комплексы с CаO извести.
Фосфор окисляется с высоким тепловым эффектом для реакции
2[Р]+2,5{02}=(Р205), ДИ°= - 1080 кДж/мольР205,
Теплота шлакования Р2О5 в фосфатные комплексы также значительна, например, для реакции
(Р205)+4Са0тв = (4CaO P2O5), ДН° = - 690 кДж/моль,
В приходную часть теплового баланса томасовской плавки 45% теплоты вносит жидкий чугун, 55% - экзотермические реакции окисления его примесей. В расходной части балансафизическая теплота металла и шлака составляет 70-72%, теплота, теряющаяся с отходящими газами, - 22-26%. Тепловой КПД томасовского процесса составляет 0,70-0,72.
Технология томасовской плавки
После выпуска очередной плавки в конвертер присаживают расчетное количествоизвести и заливают чугун. Затем включают дутье, ставят конвертер в рабочее положениеи начинают продувку металла. Томасовская плавка состоит из трех периодов. Кривыеокисления примесей в процессе продувки томасовской ванны, изменение ее температуры и состава шлака показаны на рис. 5.
В период I окисляются, главным образом, кремний, марганец и железо, образуяжидкий кислый шлак (силикаты железа и марганца), в котором находятся куски извести.Вследствие низкой температуры начала продувки растворение извести в жидкой частишлака происходит медленно; низкая активность СаО в шлаке препятствует раннему окислению и связыванию фосфора в шлаке.
После снижения концентраций кремния и марганца и разогрева металла начинаетсяпериод II -окисление углерода. Внешним признаком этого периода является появлениенад горловиной конвертера факела пламени. Окисление углерода происходит интенсивно,так как фосфористый металл характеризуется повышенной жидкоподвижностью и хорош перемешивается с газами дутья. Незначительное повышение температуры ванны в этотпериод (см. рис. 1)объясняется затратами теплоты на растворение извести при относительно небольшом тепловом эффекте реакции окисления углерода. Первые два периодапродувки томасовской ванны похожи на бессемеровские.
а г °с
5 10 15 20 Т„р, мин 5 ю ,5 20 Т||р) мин
Рисунок 1 - Изменение состава и температуры ванны t (а), состава шлака (б)
Период III -передувка. К концу второго периода в ванне остается небольшое количество элементов-примесей, кроме фосфора, содержание которого уменьшилось незначительно. Следовательно, создаются условия, при которых кислород дутья может расходоваться на окисление фосфора. Одновременно во втором периоде начинает формироваться основной известковый шлак с активностью СаО, достаточной для связыванияокисляющегося фосфора, в фосфатные комплексы, то есть для удержания его в шлаке.
Признаком начала третьего периода считают резкое сокращение факела пламени,что свидетельствует об окончании процесса обезуглероживания и начала дефосфорации.В третьем периоде совсем исчезает пламя и идет почти черный дым, продолжительностьего устанавливают по аналогии с предыдущими плавками и контролируют по секундомеру.
В начале третьего периода шлак остается еще гетерогенным, но оксиды железа икислый оксид Р2О5, переходящие в шлак, быстро растворяют остатки извести, и шлакгомогенизируется. Поэтому процесс дефосфорации протекает с высокой скоростью ипериод передувки длится всего 3-4 мин. Экзотермическая реакция окисления и шлакованияфосфора значительно повышает температуру ванны. По расчетам 1% окисленного фосфораповышает температуру металла на 120-130оС, следовательно, за период передувки ваннадолжна нагреться на 220-270°С. Как видно из диаграммы рис. 5, в третьем периодепроисходит основной нагрев ванны.
Раскисление томасовской стали
По окончании продувки конвертер наклоняют и возможно полнее сливают шлак,остатки его загущают угорловины присадками извести или доломита и из-под образовавшегося "мостика" сливают металл в ковш. После продувки в конвертерную ванну вводяттолько кусковой ферромарганец, чтобы он успел раствориться за время слива шлака.Ферросилиций и алюминий присаживают в ковш, на струю металла.
Томасовский металл всегда получают низкоуглеродистым, поэтому для получениясреднеуглеродистых сталей его следует науглероживать. Для этого обычно применяютжидкий зеркальный чугун, который заливают в ковш непосредственно перед выпускомплавки. Во избежание сильной рефосфорации, использование твердых и порошкообразныхкарбюризаторов (кокса, электродного боя и др.) не допускается. Несмотря на всепредупредительные меры при выплавке
спокойной стали, концентрация фосфора в металлеперед разливкой увеличивается обычно на 0,0060,010%.
Томасовский фосфатшлак
Фосфатшлак- ценный побочный продукт, в значительной степени определяющийэкономичность всего процесса. Средний химический состав конечного шлака томасовскойплавки следующий, %: 5-10 SiO2, 16-24 P2O5, 40-50 CaO, 8-12 FeO, остальное - MnO,MgO, AШз. Количество шлака обычно составляет 20-24% от массы чугуна.
Качество фосфатшлака как удобрения определяется содержанием Р2О5 и растворимостьюфосфатов в органических кислотах. При испытаниях растворимость Р2О5 шлака в 2-процентном водном растворе лимонной кислоты должна быть не ниже 90%. Хорошо растворяются ворганических кислотах соединения типа силикат-фосфатов кальция: 4СаО Р2С>5-8Ю2.
При недостатке SiO2 в шлаке образуются труднорастворимые соединения типаапатитов. Особенно нежелательно присутствие в шлаке СаР2, связывающего фосфор внерастворимые фторапатиты. Так, повышение содержания в шлаке фтора с 0,02 до 0,05%снижает растворимость Р2О5 с 90 до 80%. Поэтому в томасовском процессе применениеплавикового шпата для разжижения шлака недопустимо.
Для получения высококачественного фосфатшлака в нем должно быть не менее 7-8%SiO2. Недостающее его количество вводят в шлак при выпуске плавки в виде сухого песка,который хорошо растворяется в горячем шлаке. После застывания шлак измельчают, затемтонко размалывают, фасуют и используют в сельском хозяйстве.
Качество и назначение томасовской стали
Томасовская сталь характеризуется повышенным содержанием фосфора (0,040-0,080%)и азота (0,015-0,025%). Эти особенности состава определяют снижение вязкости и пластичности стали, хладноломкость и склонность к старению.
Томасовский металл интенсивно насыщается азотом в период передувки, характеризующейся высокими температурами и отсутствием промывающего эффекта пузырьков СО2 поэтому в современных вариантах томасовского процесса большое внимание уделяютрегулированию температурного режима третьего периода. Наиболее благоприятные результаты были получены при использовании мелкой руды или окалины, вводимых в конвертер в конце второго или в начале третьего периода. Снижение температуры, повышение степени окисленности шлака и металла и одновременное уменьшение расхода дутья снижают содержание азота в готовом металле до 0,012-0,014%.
Томасовская сталь используется, как правило, для изделий неответственного назначения: строительных профилей, арматурного железа, проволоки, штрипсов для сварных труби др. Этот металл характеризуется хорошей свариваемостью и способностью держатьпокрытия (краски, эмали). Поэтому томасовскую сталь улучшенного качества, то есть спониженным содержанием азота и фосфора и благодаря низкому содержанию углерода,используют для массового производства автомобильного листа.
Список литературы
1. Конвертерное производство стали. / Б.М. Бойченко - Днепропетровск: Металлургия, 2006. - 453
с.
2. Технологии интенсификации кислородно-конвертерного процесса/ С.О. Сафонов // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения. Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - 2021. - С. 177 - 180.
3. Изучение влияния (положения, интенсивности) фурмы на параметры реакционной зоны/ В.С. Фадеев, С.О. Сафонов // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения. Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - 2021. - С. 193 - 196.
4. Анализ конструктивных особенностей дутьевых устройств для продувки металлического расплава в конвертере/ С.О. Сафонов // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения. Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - 2017. - С. 141 - 143.
