CC BY
23
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ КОНВЕРТЕРНОЙ ВАННЫ В ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД
ПРОДУВКИ
1 2 3
Рахимов В.К. , Шишкин Ю.И. , Егорова Т.Г. Email: Rakhimov675@scientifictext.ru
1Рахимов Валихан Кайратович - магистрант; 2Шишкин Юрий Иванович - кандидат технических наук, профессор; 3Егорова Татьяна Геннадьевна - магистр, старший преподаватель,
кафедра металлургии и материаловедения, Карагандинский государственный индустриальный университет, г. Темиртау, Республика Казахстан
Аннотация: в статье анализируется то, что в производственных условиях исследованы и оценены возможности получения стали с низким содержанием углерода в конвертерах. В результате повышение активности оксидов железа в шлаке и кислорода в металле является нежелательным, так как приводит к резкому снижению выхода годного к повышенному износу футеровки и другим негативным последствиям. Решением вопроса получения металла с низким содержанием углерода в металле является внедрение установок вакуумирования стали.
Ключевые слова: низкоуглеродистая сталь, интенсификация, обезуглероживание, конвертер, окисленность, металл, шлак, раскисление.
INTENSIFICATION OF MASS-EXCHANGE PROCESSES OF THE CONVERTER BATH IN THE FINAL PURGE PERIOD Rakhimov V.K1, Shishkin Yu.I.2, Egorova T.G.3
1Rakhimov Valikhan Kairatovich - Undergraduate; 2Shishkin Yuri Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, Professor; 3Egorova Tatyana Gennadievna - Master, Senior Lecturer, DEPARTMENT OF METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE, KARAGANDA STATE INDUSTRIAL UNIVERSITY OF TEMRTAU, TEMRTAU, REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Abstract: the article analyzes the fact that in the production environment investigated and evaluated the possibility of obtaining steel with a low carbon content in converters. As a result of increasing the activity of iron oxides in slag and oxygen in the metal, it is undesirable, as it leads to a sharp decrease in the yield, increased wear of the lining and other negative consequences.
To solve the problem of obtaining a metal with a low carbon content in the metal is the introduction of steel vacuum installations.
Keywords: low carbon steel, intensification, decarburization, converter, oxidation, metal, slag, deoxidation.
УДК 669.184.244.66
Известно, что скорость окисления углерода не зависит от его содержания в конвертерной ванне (до определенного предела), а определяется интенсивностью подачи кислорода и при постоянстве этой величины не меняется со временем. В этом случае скорость подвода углерода к месту реакции превышает скорость подачи кислорода - «кислородный голод».
При снижении содержания углерода ниже критического значения скорость его окисления замедляется в связи с понижением интенсивности его массопереноса в зону окисления. В этих условиях происходит смена режима взаимодействия, лимитирующим звеном которого становится скорость доставки атомов углерода к месту реакции («углеродный голод») [1].
Скорость подвода углерода становится меньше скорости подачи кислорода. Чем больше неравенство этих скоростей, тем больше кислорода тратится на окисление железа. Установлено, чем выше интенсивность продувки, тем выше критическая концентрация углерода Скр. Для конвертеров емкостью 300т получена следующая связь [2]:
С^ = 0,Н +0,0Н2 г = 0,875,
где: i - удельная интенсивность продувки; г - коэффициент корреляции.
Следовательно, при одной и той же концентрации углерода (ниже критической) содержание окислов железа в шлаке выше при более высокой интенсивности продувки. Для уменьшения переокисленности шлака рекомендуется уменьшать на заключительном этапе продувки интенсивность дутья и высоту фурмы.
Связь между интенсивностью продувки в основное время ^ и в заключительный период ^ и высотой фурмы в эти периоды - соответственно Н1 и Н2 описывается уравнением:
Н2 = Н 7 ¿2 / ¿1
В свою очередь, Hi можно определить из следующего выражения:
Н = 0,21V0'4 cos а
где cos а - угол наклона оси сопла к вертикали, град.
Поскольку процесс лимитируется доставкой углерода в зону реакции, необходимо интенсифицировать процесс перемешивания ванны, так как энергии струи кислорода оказывается недостаточной для интенсификации массообменных процессов
При отсутствии вакуумных установок в действующих цехах достижение низких содержаний углерода в кислородных конвертерах вызывает значительные трудности.
Позитивным моментом следует считать опыт НЛМК, где апробирована технология ввода в ванну конвертера в конце продувки железорудных окатышей, которая позволяет получать сталь с содержанием углерода не более 0,03%. При этом достигалось снижение окисленности шлака.
Благоприятные условия протекания реакций обезуглероживания
[C] + [O] = СОг; [C] + (FeO) = СОг + Fe
обеспечивают по ходу плавки меньшую окисленность металла. При этом реакция окисления углерода близка к равновесной.
Наиболее перспективным вариантом является присадка в конвертерную ванну в конце продувки известняка совместно с железорудными катышами в случае ведения процесса с избытком тепла, что характерно для условий работы АО «АМТ». При вводе известняка в ванну конвертера при его разложении происходит интенсивное ее перемешивание пузырями СО2.
Эффект ввода железорудных охладителей и известняка аналогичен продувке металла в комбинированном конвертере с подачей нейтрального газа снизу.
Анализ контрольных промышленных плавок показал, что в момент присадки известняка в конце продувки происходит бурное кипение ванны, что в свою очередь приводит к дополнительному перемешиванию и увеличению поверхности раздела металл-шлак ^м-шл).
Кроме того, термодинамический анализ показал возможность протекания реакций при совместном воздействии известняка и окатышей:
СО2 + [С] =2СО FeO + [С] = СО + Fe
Окисление углерода ускоряется за счет протекания этих реакции.
К достоинству использования известняка относится то, что при его разложении происходит эффект увеличения вдвое объема пузырьков, образующихся в результате реакции СО2 + [С] = 2 СО, что должно обеспечить более интенсивное перемешивание ванны. При рассмотрении физико-химических особенностей взаимодействия СО2 с расплавом важно определить возможные варианты реакций, так как окисляться могут и углерод, и железо.
{СО2} + [С] = {2СО}
ДG0 = 138400 - 125,44Т
Далее углекислый газ частично диссоциирует, что обеспечивает охлаждающий эффект. С железом диоксид углерода может взаимодействовать по реакции: {СО2} + Fe = {СО} + ^еО)
ДG0 = 34000 - 30,97Т
Как показывают расчеты, эта реакция может протекать преимущественно только при очень низких концентрациях углерода (менее 0,03%.) [1,2].
Данные промышленных исследований свидетельствуют о том, что при использовании в качестве перемешивающего газа СО2 содержание азота в металле в конце операции существенно ниже (0,0030%), чем обычно, что объясняется более интенсивным его удалением из-за усиления перемешивания жидкой ванны.
Интенсификации процесса окисления углерода, а тем самым и перемешивания ванны способствует также снижение парциального давления СО при разложении известняка:
Р _ УСО
СО V + V
СО СО2
где ^о, ^О2 - объем выделяющегося оксида и диоксида углерода.
Объем ^о в нижних слоях ванны невелик (пузырь СО растет в объеме по мере всплывания), и влияние на РСО даже небольшого количества перемешивающего газа является довольно существенным.
В результате интенсификации перемешивания ванны сокращается время полного смешения, т.е. продолжительность выравнивания состава и температуры ванны.
Необходимо отметить, что в процессе перемешивания ванны снижается (за счет взаимодействия с углеродом) окисленность металла и шлака, всплывают неметаллические включения, удаляются газы, состав металла приближается к равновесному состоянию со шлаком.
Продувка нейтральным газом снизу увеличивает поверхность взаимодействия фаз, что способствует ускорению процессов рафинирования и приближает концентрацию элементов к равновесной. Перечисленные факторы оказывают позитивное влияние, прежде всего, на увеличение выхода жидкой стали и снижение расхода ферросплавов, причем последнее достигается вследствие меньшего их угара при раскислении, причиной чего является пониженная окисленность металла и шлака.
Изложенное выше предопределяет возможность достижения низких концентраций углерода (0,03%) в конвертерной ванне при соблюдении следующих условий:
1 - ввод в ванну конвертера в заключительный период продувки известняка;
2 - снижение в этот период продувки интенсивности подачи кислорода.
Для получения уточняющих результатов и отработки технологического режима совместного использования железосодержащих материалов и известняка планируется проведение лабораторных экспериментальных исследований на установке горячего моделирования.
Список литературы /References
1. Рахимов В.К., Шишкин Ю.И., Егорова Т.Г.. и др. Получение стали в кислородных конвертерах с содержанием углерода 0,03%. Тр. Х международной научно-практической конференции «Конкурентоспособность нации - основное условие повышения благосостояния народа», посвященной 55-летнему юбилею.1 часть, Темиртау, 2018. С. 365-368.
2. Колпаков С.В., Старое Р.В., Смоктий В.В. и др. Технология производства стали в современных конвертерных цехах. М.: Машиностроение, 1991. С. 464.
3. Меджибожский М.Я. Основы термодинамики и кинетики сталеплавильных процессов. Киев-Донецк.: «Вища кола», 1986. С. 28.
4. Дюдкин Д.А., Киселенко В.В. Производство стали. Т. 1. Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали. М.: «Теплотехник», 2008. С. 528.
