Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Еще 10-20 лет назад широкое практическое использование различных методов внедоменной обработки чугуна для дефос-форации казалось проблематичным. За последние годы положение изменилось. Использование различных реагентов (железной руды, окалины, CaF2, CaO, Na2CO3) для удаления из . жидкого чугуна фосфора рассмотрено уже в большом числе Исследований, причем число таких работ непрерывно растет. В настоящее время многие работы прошли лабораторные испытания и внедряются в промышленность [14, 15]. Работы по организации дефосфорации чугуна с использованием железной руды и окалины, вдуванию этих материалов струей кислорода в чугун известны. Исследования, проведенные в шведском технологическом институте в лабораторных и полупромышленных (в б-т ковше) условиях, показали, что удовлетворительные результаты по дефосфорации могут быть получены, при использовании в качестве реагентов и Na2CO3 и СаО

[7]. Отмечено поддержание на протяжении почти всей обработки высоких значений константы скорости дефосфорации, причем стадией, лимитирующей реакцию при вдувании Na2CO3, является массоперенос ионов (СО,)2", а при использовании СаО — ионов (Fe)z+. Таким образом, суммарную скорость реакции лимитируют в обоих случаях компоненты, обеспечивающие доставку кислорода к межфазной поверхности раздела шлак (частица вдуваемого флюса) — металл. По мере снижения концентрации фосфора наступает момент, когда реакция начинает лимитироваться массоперенором фосфора в металле. В работе, проведенной в лабораторных условиях (в металл в токе кислорода вдувается порошок СаО), удалось установить, что ошлакование вводимого в жидкий чугун СаО состоит в формировании соединения типа CaO-Fe(Mn)O, находящегося при температурах обработки в жидком состоянии, на основе которого, в свою очередь, начинают формироваться соединения типа CaO-Fe(Mn)O-P2O3 или, при содержании кремния в расплаве,— типа 2 CaOSiO2—3 СаО-Р2О5, с включением фаз типа нагельшмидтита (7 СаО-2 SiO2'P2O3) и си-ликокарнотита (5 CaOSiO2-P;O5). Последние соединения при температурах обработки чугуна находятся в твердом состоянии. Все эти соединения при содержании углерода в расплаве могут формироваться лишь в зоне воздействия фурмы, через которую подают кислород. По мере удаления от этой зоны преобладающей становится реакция окисления углерода. В работе [20] показано, что согласно термодинамическим оценкам в зоне переокисления в районе кислородных фурм за . счет СаО содержание фосфора может быть уменьшено до 0,001 %. Было высказано предположение, что из частиц порошка СаО в токе кислорода формируются мелкодисперсные частицы феррита кальция, которые, поднимаясь сквозь чугун, дефосфорируют его. Вместе с тем выяснилось, что образование соединения 3 СаО • Р2О5 практически возможно лишь при очень низком содержании кремния.

На 1.22 приведены результаты, полученные при обработке чугуна в 6-т ковше порошком Na2CO3, а также смесью извести, плавикового шпата и железной руды в струе азота, которые показывают преимущества использования соды. Метод обработки чугуна содой с целью десульфурации известен давно. В настоящее время все большее распространение  получают  методы  обработки  чугуна содой  с целью  дефосфорации. В 1982 г. на заводе "Kawasaki Steel", компании "Sumitomo Metals Ind." использован процесс SARP* . Разработанная     технология    включает     следующие     операции:

1)         обескремнивание   чугуна   в   процессе   выпуска   из   доменной

печи      обработкой      марганцевой      или      железной      рудой;

2)         обескремнивание   чугуна   в   400-т   ковше   миксерного   типа

продувкой  порошком  размолотого  шлака;  3) скачивание   обра

зующегося   шлака   при   помощи   вакуумной   установки   (метод

VSC) ; 4) дефосфорация чугуна в этом же ковше миксерного типа при помощи вдувания порошка соды; 5) скачивание образующегося шлака методом VSC и транспортировка его на установке восстановления (утилизации натрия); 6) подача дефосфорированиого чугуна в конвертер комбинированного дутья.

Предварительные    исследования   показали,    что   в    случае продувки  содой  чугуна,  содержащего  кремний,  концентрация фосфора   остается   неизменной,   так   как   окисляется   преиму- ; щественно кремний. Сода может служить не только десульфу- < ратором,    но    также    и    десиликонизатором.    Оказалось,    что первые порции подаваемой в чугун соды расходуются прежде всего  на  окисление  кремния.  Расход  соды  на  удаление  кремния может быть достаточно большим. Ьредполагается, что в зависимости от расхода соды реакции обескремнивания могут быть     записаны     в     следующем     виде:     1) [Si] +     Na2CO3 =

 2 CO.

= Na2O-SiO2

 2Na2CO,=    2Na2O-SiO2

В случае продувки предварительно обескремненного чугуна количество удаленного фосфора (ДР) увеличивается по мере возрастания расхода соды (1.23). Одновременно с уменьшением содержания фосфора снижается содержание серы, содержания марганца и ванадия изменяются незначительно. Коэффициент распределения фосфора между металлом и шлаком (Р2О5)/[Р] в значительной степени зависит от отношения (Na2O)/(SiO2), причем при (Na2O)/(SiO2) > 3 коэффициент распределения фосфора (Р2О5)/[Р] возрастает до г 1000. Реакция дефосфорации сопровождается выделением тепла; для получения высоких значений коэффициента распределения фосфора (Р2О5)/[Р] желательно иметь температуру чугуна в процессе    его    обработки   не    более    1250°С.    Реакция    между

- содой и содержащимся в чугуне фосфором может быть записана в виде: 4[Р] + 5 Na2CO3 = 5Na2O-2P2O5 + 5 С.

В результате протекания этой реакции определенное количество углерода может быть обнаружено в пробах шлака. Замеры  показали,  что  общее  содержание  углерода  колеблется в пределах 0,2—1,1 % независимо от количества удалившегося фосфора. При работе без введения кислорода содержание углерода в шлаке составляет *0,5 %. На содержание углерода в шлаке в значительной степени влияет содержание (FeO).

На плавках без введения кислорода содержание (FeO) в шлаке обычно не превышает °,5 % и в случае введения кислорода увеличивается до 0,5-~0,75 %. Одновременно с реакцией дефосфорации при про-Дувке    чугуна содой окисляется определенное количество углерода. Окисление может протекать под действием газообразного кислорода или кислорода атмосферы, а также в результате взаимодействия с содой по реакциям: 1) Na2CO3 + 3 [С] = 2 Nar + 3 СО; 2)(Na2O)+ [C]= 2Nar+ CO.

В результате протекания этой реакции температура отходящих газов повышается. Приведенные в работе [21] расчеты показали, что основная масса удаляемых примесей содержится в шлаке, в газовую фазу переходит не более 5 % фосфора и серы.

Как правило, операция дефосфорации является одним из звеньев, составной частью комплексной технологии обработ-,ки чугуна. В качестве примера следует отметить разработанную в Японии технологию, названную ORP [22, 23]. В этом способе процесс рафинирования металла разделяется на три стадии.

1.Обескремнивание. Жидкий чугун в процессе выпуска из доменной печи на литейном дворе доменного цеха обрабатывают   окислительными   смесями,   в   результате   чего   кремний окисляется практически полностью. Образовавшийся при этом шлак тщательно скачивают.

2.         Дефосфорация   в   ковше  миксерного  типа   (типа   "Торпе

до").   Жидкий   чугун  продувают  смесью  порошков,   состоящей

Из  прокатной  окалины,  CaO,   CaF2  и  СаС12.  Основные  пара

метры   технологии   продувки   следующие:   вместимость   ковша

Торпедо"  290 т;  фурма  для  вдувания порошков  имеет  огнеу

порную    оболочку;    газом-носителем    является    азот;    расход

газа   3-5м3/мин;   размер   частиц   порошка   ~1мм;   интенсив

ность   подачи   порошка   ~ 60.0 кг/мин;   продолжительность   об

работки 25 мин.

Образующийся при обработке шлак скачивают, смешивают со шлаком, образовавшимся в процессе обескремнивания и гранулируют. Обескремненный и содержащий малое количество фосфора чугун заливают в конвертер комбинированного дутья LD-OB.

3.         Обезуглероживание    в    конвертере.    Полученную    сталь

перед разливкой на УНРС обрабатывают в ковше вакуумирова-

нием или продувкой порошками. Предварительно удаляют ко

нечный окисленный шлак методом отсоса способом VSC.

Полученная сталь содержит * 0,01 % Р. На 1.24 приведены сравнительные данные для процессов удаления примесей при продувке обычного (Si', P' и С) и рафинированного от примесей (Si, P, С) чугуна в конвертере комбинированного дутья LD-OB. Из 1.24 видно, что во втором случае обеспечивается получение стали с очень низким содержанием фосфора.

В большинстве случаев успешное использование методов внедоменной обработки чугуна связано с использованием для этого ковшей миксерного типа. Конструкция чугуновозного ковша миксерного типа обеспечивает минимальные потери тепла в процессе обработки. При обработке чугуна в чугу-новозных ковшах открытого типа обнажение поверхности металла при вдувании в него порошка соды и вызываемом при этом барботировании существенно увеличивает потери тепла. В связи с тем что вдувание порошка соды в металле в обычном чугуновозном ковше сопровождалось заметным снижением температуры, на заводе "Fukuyama Works" компании Nippon Kokan" (Япония) провели серию опытов по трем ва-РИантам   введения   соды;   1) ссыпание   из   бункера   сверху   на поверхность чугуна ("быстрый метод"); 2) вдувание в глубь металла; 3) введение к ковш со специальной крышкой. Схема установки показана на 1.25. Все плавки были разделены на две группы: А- подача соды с интенсивностью >0,67 кг/(т-мин); Б- подача соды с интенсивностью < 0,67 кг/(т-мин).

Различия между сериями плавок с различными способами введения соды оказались не столь заметны, однако они свидетельствуют в пользу метода вдувания. Авторы работы [24] указывают, что быстрый метод (подача соды сверху) позволяет уменьшить продолжительность обработки на 15-20 мин, соответственно улучшаются условия службы огнеупоров и снижается их расход. Наилучшие результаты получены при использовании крышки специальной конструкции, предохраняющей футеровку ковша от контакта с активным шлаком. Использование крышки позволяет уменьшить подвод тепла при достижении той же степени дефосфорации и десульфурации. Решая вопрос об интенсивности введения соды, предпочтение отдают первому варианту, в основном благодаря уменьшению продолжительности обработки (1.26). При более интенсивной подаче порошка обеспечивается также получение более низких концентраций серы (< 0,004 % против 0,02-0,009 % в случае менее интенсивной подачи порошка).

Следует отметить и другие возможные способы дефосфорации чугуна. В ряде отечественных институтов (ВНИИМетМаш, ЦНИИЧМ, МИСиС и др.), проведены широкие исследования возможности дефосфорации чугуна с использованием агрегата струйногв рафинирования. Был создан опытный агрегат струйного рафинирования и определены основные закономерности процесса. При обработке чугуна, содержащего до 1.2 % Р,    получали    полупродукт    с    содержанием    ~ 0,2 % Р.

При этом получали фосфат-шлаки с содержанием 10-18 P2OS. В работе [25] обращено внимание на возможность ор ганизации обработки чугуна в воссгановительных условия смесями СаО—СаС12 при образовании соединени СаС12-Саз(РО4)2. Проведенные авторами работы [25] опыты методом плавки во взвешенном состоянии свидетельствовали о возможности глубокой дефосфорации фосфористых чугунов (0,72 % Р) при обработке их смесями состава: 66 % (мол. СаС12, 33 % (мол.) СаО [25]. Ниже показано, что процессы дефосфорации чугуна протекают эффективно в случае предва рительного их обескремнивания.