Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1973. №9. С. 35—38.

Метод дегазации конвертерной стали

В.Т. Терещенко, В.С. Сапиро, М.Н. Стрелец, В.В. Казанский, Л.С. Сапиро, Н.И. Складчиков

Тульский филиал ЦНИИЧМ
Донецкий политехнический институт

Одним из недостатков существующей технологии плавки в кислородном конвертере является повышенная газонасыщенность металла, поэтому возможность выплавки ответственной конструкционной стали ограниченна. Осуществить продувку стали в конвертере инертными газами или создать вакуум в принципе возможно, но это требует больших материальных затрат. В связи с этим представляется целесообразным использовать в качестве инициатора кипения поверхность плохо смачиваемого углеродсодержащего материала, например графита.

Опыты по дегазации стали твердым углеродом проводили на 10-т кислородном конвертере сталеплавильного цеха Ново-Тульского металлургического завода. На повалке конвертера по окончании продувки удаляли часть конечного шлака, и после полного успокоения ванны измеряли температуру и отбирали пробы. Время от конца продувки до момента отбора проб составляло 1.0—1.5 мин. Таким образом, некоторое самораскисление металла достигалось еще до обработки твердым углеродом и полученные данные по снижению окисленности можно практически целиком отнести за счет метода дегазации.

Устройство для обработки металла твердым углеродом (рис. 1) представляло собой неохлаждаемую штангу, на которой с помощью резьбового соединения жестко закрепляли графитированный электрод. Время выдержки электрода в металле варьировали от 1 до 6 мин. По окончании обработки и повалки конвертера вновь измеряли температуру и отбирали пробы металла и шлака.

Рис. 1. Схема обработки стали в конвертере с помощью графитового блока:
1 — камин конвертера; 2 — ввод графита; 3 — кислородная фурма

После погружения графита реакция постепенно усиливается и затем начинается интенсивное бурление металла, локализованное в радиусе 400—500 мм от электрода. Над горловиной конвертера появляется 1.5—2.0-м факел догорающих газов, а в очаге активного бурления металла оголяется от шлака.

Интенсивность реакции в течение первых 1.5—2.0 мин обработки остается высокой и только к концу второй минуты снижается. Факел над горловиной спадает и догорание газов происходит уже в полости конвертера. Диаметр интенсивно барботируемого пятна сужается.

Еще одна особенность процесса обработки, доступная визуальному наблюдению, заключается в том, что реакция постоянно локализована вблизи электрода. Кипение металла в периферийных зонах ванны не происходит даже при максимальном времени выдержки графита. Только при высокой концентрации углерода (0.3—0.4% [С]) наблюдаются редкие прорывы крупных пузырей вне зоны интенсивного барботажа. Этот факт свидетельствует о том, что фронт реакции раскисления основной массы металла находится вблизи контакта графита с металлом и на поверхности отрывающихся от него пузырей, а не в объеме металла, как это имеет место при раскислении ванны дисперсным углеродом или жидким чугуном. В последних двух случаях движущая сила процесса значительно меньше, а условия для зарождения газовой фазы в металле менее благоприятны.

Анализ результатов показал, что процесс реагирования графита с металлом состоит из двух стадий. На первой стадии, несмотря на интенсивное растворение графита, концентрация углерода в ванне снижается на 0.02—0.03% при [С]_нач<0.10% и на 0.10—0.12% при [С]_нач=0.30—0.40%. Раскисление с обезуглероживанием заканчивается в течение первых двух минут обработки, после чего начинается науглероживание металла (вторая стадия). Скорости науглероживания низко- и среднеуглеродистой стали различаются незначительно и составляют в среднем 0.01 %/мин.

Таким образом, с повышением концентрации углерода в ванне перед обработкой увеличиваются суммарное количество окислившегося углерода, выход продуктов реакции и интенсивность кипения. Этому способствуют реакции вторичного окисления металла в результате усиления его контакта с окислительной фазой. Источниками вторичного окисления служат остаточный шлак конца продувки и атмосфера конвертера в активно барботируемой зоне, где металл оголяется от шлака. Степень раскисления шлака незначительна, поскольку отсутствует прямой контакт его с графитом, но окислительный потенциал шлака оказывает заметное влияние на конечный результат раскисления металла. С повышением концентрации конечный кислород [O]_кон растет при остановке обработки в любой момент времени.

В результате обработки состав шлака меняется следующим образом:

[C]нач, %	К-во плавок	Отбор пробы шлака	FeO	Fe2O3		CaO	SiO2
<0.10	28	До обработки	23.6	10.5	25.7	47.8	8.1
		После обработки	23.3	10.1	25.2	47.3	7.7
>0.10	9	До обработки	15.7	7.8	17.7	48.2	11.9
		После обработки	14.1	7.4	16.2	50.5	11.5

Изменение суммарной скорости окисления углерода  ванны и графитового блока по ходу обработки низкоуглеродистой и среднеуглеродистой стали показано на рис. 2. Полученные в первую минуту обработки скорости окисления углерода в среднеуглеродистой стали такие же, как при кислородной продувке конвертерной ванны с той же концентрацией углерода, а в низкоуглеродистой стали — значительно выше. Характерно также, что , а следовательно, барботаж ванны и интенсивность массопереноса являются величинами того же порядка, что и в лучшем варианте ковшового вакуумирования — дегазации нераскисленной стали под слоем окислительного шлака (Новик Л. М. Исследование и разработка процесса внепечной вакуумной обработки жидкой стали. Автореф. докт. дис. М., 1972.). В начальный момент вакуумирования =4—8 %/ч, а при дегазации графитом в конвертере в среднем за первую минуту 4—7 %/ч. В том и другом случае кипение быстро затухает и к концу третьей минуты =0.3—0.5 %/ч.

Рис. 2. Изменение скорости окисления углерода по ходу обработки стали в конвертере:
1 — среднеуглеродистая; 2 — низкоуглеродистая

Первичное вскипание и усиление контакта металла с окислительной фазой создают необходимые кинетические условия не только для подвода в реакционную зону вторичного кислорода, но также для растворения графита и для самой реакции в связи с появлением развитой поверхности металл—газ (пузырь СО). Это предотвращает накопление кислорода в металле. Раскисление на всех этапах обработки опережает окисление, так как процесс в целом контролируется, как показал анализ, переносом кислорода в диффузионном слое металла у поверхности раздела шлак—металл.

Основные показатели дегазации конвертерной плавки твердым углеродом представлены в таблице. Данные по кислороду разбиты на две группы: для начальных содержаний углерода, меньших и больших 0.10%, с отклонениями от начального углерода, не превышающими 0.03%. Как видно из этих данных, степень удаления кислорода сильно зависит от его начальной концентрации в стали. Для типичных концентраций степень раскисления достигает 40—60%, причем основная масса данных по конечному кислороду при углероде, меньшем 0.20%, находится ниже равновесных значений, вычисленных из соотношения [С]×[О]=0.0025. Помимо значительного раскисления металла, достигается стабилизация концентрации кислорода в достаточно узких пределах.

Изменение содержания газов, серы и фосфора в результате дегазации стали твердым углеродом

Элементы	Пределы начальных концентраций	Количество плавок	Концентрация, %		Удалено, %
			до дегазации	после дегазации
[O]*, %	<0.030 0.030—0.050 >0.050	2 4 17	0.025 0.044 0.065	0.018 0.023 0.027	28 48 59
[O]**, %	<0.040	8	0.026	0.015	42
[H], см3/100 г	1—2 2—3 3—4 4—5 >5	7 12 5 5 8	1.76 2.35 3.52 4.30 6.30	1.50 1.74 2.27 2.23 3.20	15 26 36 48 50
[N], %	<0.0070 >0.0070	26 19	0.0062 0.0081	0.0059 0.0069	5 22
[S], %	<0.020 0.020—0.040 >0.040	15 22 15	0.0135 0.0273 0.0520	0.0122 0.0240 0.0450	10 12 14
[P], %	<0.010 0.010—0.020 >0.020	11 24 21	0.0090 0.0144 0.0321	0.0080 0.0127 0.0257	11 12 20

*Для [C]<0.10%. ** Для [C]>0.10%.

Аналогичная зависимость эффективности дегазации от начальной концентрации наблюдается и для водорода. По ряду причин исходные концентрации водорода в условиях проводимого эксперимента были низкими, Несмотря на это, эффективность дегазации оказалась высокой и практически приближалась к показателям, получаемым при ковшовом вакуумировании нераскисленного металла аналогичных плавок. Данные по азоту также сопоставимы с показателями ковшового вакуумирования. Степень дегазации резко увеличивается при исходных концентрациях азота выше 0.007%.

Процесс дегазации твердым углеродом сопровождается снижением содержания серы и фосфора в металле на 10—14 и 11—20% соответственно в зависимости от их исходной величины.

В результате интенсивного кипения ванны температура металла понижается со скоростью 10—15 град/мин. При дегазации низкоуглеродистой стали потеря температуры составляет 30—40 град, а среднеуглеродистой — от 40 до 60 град. Снижение температуры металла в 10-т конвертере без обработки составляет 5 град/мин, а при ковшовом вакуумировании и продувке аргоном таких же плавок достигает 100 град (время обработки 6—8 мин).

Оптимальная продолжительность обработки составляет 3 мин. За это время достигается 85—90% максимально возможной эффективности раскисления и полностью прекращается удаление водорода и азота. Расход графита за 3 мин обработки составляет 0.6 кг/т для среднеуглеродистой стали и 0.8 кг/т для низкоуглеродистой. При необходимости более глубокого раскисления продолжительность обработки может быть увеличена, но при этом резко снижается эффективность использования графита.

Поскольку процесс происходит без науглероживания, то корректировка содержания углерода в конце продувки на условия обработки низкоуглеродистой стали вообще не требуется. Для среднеуглеродистой стали содержание углерода перед обработкой должно быть выше на 0.05—0.07% над среднемарочным, так как проведение процесса с науглерожнванием до [С]_нач приводит к неоправданному расходу графита. Опыт работы конвертера Ново-Тульского металлургического завода показал, что попадание в заданные пределы по углероду не связано с методом обработки, а только с возможностями остановки продувки на требуемом содержании углерода.

© В.Т. Терещенко, В.С. Сапиро, М.Н. Стрелец, В.В. Казанский, Л.С. Сапиро, Н.И. Складчиков, 1973