Донная продувка ванны газами

Для ускорения процесса рафинирования стали газ вводят в ванну ДСП через пористые керамические вставки, зафутерованные в подину. Расход колеблется от 5 до 180 л/мин при давлении 0,4-0,6 МПа (лучше продувать газом СО₂ или природным газом). Мощность перемешивания пропорциональна расходу газа, температуре металла, высоте его столба и обратно-пропорциональна массе металла и определяется назначением продувки. При вакуумировании и обычном дуговом подогреве ванны достаточно иметь мощность 40 Вт/м³; для ускорения флотации неметаллических включений и выравнивания температуры и состава металла необходимо 120-150 Вт/м³; для дегазации и каолесценции неметаллических включений – 300-1000 Вт/м³. Степень десульфурации при донной продувке возрастает с 4 до 28% и конечная концентрация S достигает 0,002%, улучшается также дефосфорация и обезуглероживание металла.

Результаты плавок в печи вместимостью 50 т с эркерным выпуском стали и установкой 2-х фурм показали, что расход электроэнергии снизился на 19 кВт×ч/т, электродов до 2 кг/т, концентрация кислорода в стали изменилась с 0,052 до 0, 041% и серы с 0,043 до 0,008%.

Проблема локального перегрева расплава в зоне действия электрических дуг при плавке стали в мощных дуговых печах постоянно находится в центре внимания сталеплавильщиков. Задачи гомогенизации металла перед разливкой большей частью решаются методами ковшевой металлургии. Вместе с тем теорией и практикой современного электросталеплавильного производства показано, что основа качественного металла несомненно закладывается при плавке в ДСП. Для получения чистой по неметаллическим включениям стали с низким содержанием газов, быстрой и эффективной гомогенизации и ускорения массообменных процессов все больше используют донную продувку инертными газами в печи.

Необходимо отметить, что донная продувка может быть эффективно реализована при работе печи на жидком болоте. Кроме того, сама по себе донная продувка, без сочетания с основными признаками технологии высшего уровня (донный выпуск, работа на «жидком болоте», вспененный шлак, предварительный подогрев лома, интенсивная продувка чистым кислородом и в смеси с пылеобразным и газообразным углеродистым топливом) не может обеспечить надлежащего эффекта.

Существует несколько схем донной продувки стали в печи, основными из которых являются два типа: «прямая» продувка и «скрытая» продувка. На Белорусском металлургическом заводе используют обе схемы, разработанные немецкой фирмой “Techcom” и австрийской “VRD” (Veitsel er-Radex-Didier AG). «Скрытая» система предусматривает продувку через специальные устройства подачи газа, которые покрываются слоем газопроницаемой огнеупорной массы. В кожухе днища печи монтируются специальные (скрытые) продувочные устройства (трубки) для продувки металла газом. Последовательность операций при подготовке подины ДСП под «скрытую» донную продувку следующая. После оборудования подины устройствами для подвода инертного газа выполняется арматурная футеровка в два ряда на плашку периклазовыми изделиями размера 250х125х76 мм. При этом оставляется четыре места под огнеупорные стаканы для продувочных устройств. Кольца опалубки этих стаканов изготавливаются из листовой стали, листы между собой скрепляются в четырех местах скобами. Наружный диаметр колец – 1180 мм, внутренний – 930 мм. Высота колец: для узла продувки, расположенного на перевале подины по оси «порог рабочего окна – эркерное устройство» – 170 мм, для трех остальных узлов – 240 мм. Огнеупорные стаканы выполняются из специальной массы. Затем наносится верхний слой футеровки эркерной части на высоту 180-200 мм и откосов из огнеупорной массы.

В корпус подины перед футеровкой печи помещают три металлических цилиндрических шаблона с запорными фланцами для монтажа и демонтажа огнеупорных фурм. Вначале выполняют арматурную футеровку из двух рядов на плашку периклазовым кирпичом, оставляя 3 отверстия под фурмы, куда вставляют гнездовые блоки. Затем наращивают подину огнеупорной массой и в гнездовые блоки вставляют продувочные фурмы.

Газораспределительная установка для продувочных устройств оборудована автоматической системой регулирования давления и автоматическим байпасом на случай непредвиденного отключения электроэнергии или снижения давления инертного газа в системе. Эти системы обеспечивают постоянную подачу газа через фурмы при «прямой» продувке или через пористую футеровку подины при «скрытой» продувке, а также обеспечивают регулирование его подачи в различные периоды плавки в печь. Возможно регулировать расход газа по фурмам от 10 до 150 л/мин.

Для контроля износа продувочной фурмы при «прямой» продувке в каждую фурму вставляется глуходонная трубка на 1/3 высоты снизу, в которую постоянно подается газ под давлением. При износе фурмы более чем на 2/3 трубка вскрывается, изменяется расход газа и его давление и подается сигнал на пульт управления о возникшей ситуации для управления процессом.

Устройствами обеих типов были оборудованы две ДСП (ДСП-3-«прямая»; ДСП-2 – «скрытая») Белорусского металлургического завода. Показатели сравниваются с работой ДСП-1 не оборудованной продувочным устройством. Все три печи имеют вместимость 100 т, с эркерным выпуском металла, оборудованы стеновыми газокислородными горелками и трансформатором мощностью 75 МВ×А; ДСП-3 дополнительно оборудована дверной газокислородной горелкой, манипуляторами для вдувания кислорода и углеродсодержащих материалов, установкой для вдувания доломита. Основная технология выплавки стали – одношлаковый процесс с «жидким» стартом с использованием в шихте углеродистого металлолома и металлизованных окатышей.

Большую часть в сортаменте ЭСПЦ занимает качественная углеродистая легированная сталь для металлокорда с жесткими требованиями по содержанию неметаллических включений и газов. Так, содержание серы и фосфора в кордовой стали должно быть не более 0,015% каждого, азота и кислорода не более 50 ррm (0,005%) каждого.

Для обеих схем продувки вначале плавления расход газа составляет в течение 20 минут – 20 нл/мин, затем поднимается до 40 нл/мин и поддерживается на этом уровне в течение 20 мин, а затем до выпуска стали в ковш вновь увеличивается и поддерживается на уровне 60 нл/мин. Расход продувочного газа определяется потребляемой мощностью и видом металлошихты.

Продувка инертным газом способствует интенсивному перемешиванию металла со шлаком; мелкие пузырьки оказывают фильтрующее воздействие на металл. Слои металла, насыщенные инертным газом, вследствие снижения плотности получают вертикальное перемещение, вызывая противоположное перемещение соседних слоев стали. В результате выравнивается температура и химический состав в объеме ванны. Перепад температуры металла между последним измерением в печи и первым измерением в ковше снижается на 15⁰С (табл.), что позволяет снизить температуру стали в печи перед выпуском примерно на 15⁰С, сократить продолжительность работы печи под током на 1,5-2 мин и сэкономить 15-20 кВт×ч/т.

Таблица. Температурный режим плавок с донной продувкой ванны инертным газом

Положительное влияние донной продувки ванны на ускорение массобменных процессов между металлом и шлаком объясняется существенным увеличением удельной поверхности контактирующих фаз. Причем, благотворное влияние продувки сказывается уже в период плавления (табл.). На плавках с донной продувкой содержание фосфора в металле по расплавлению в 1,3-1,5 раза, а серы в 1,2 раза меньше, чем без продувки. В готовой стали соответственно в 1,4 и 1,13 раза меньше. Следует учесть, что более глубокая десульфурация и дефосфорация расплава достигаются при меньшем расходе извести из-за лучшей ее ассимиляции шлаковым расплавом. Постоянное эффективное перемешивание металла и шлака способствует более раннему образованию гомогенного высокоосновного шлака; при этом расход извести на плавках с продувкой по сравнению с обычными уменьшается на 14-16%.

Интенсивное кипение и дополнительное перемешивание ванны оказывает значительное влияние на кинетику процесса обезуглероживания и остаточную концентрацию углерода в металле. Дополнительный поток газов при продувке ванны аргоном или азотом увеличивает массоперенос кислорода, создает надшлаковый слой, обогащенный нейтральными газами и окисью углерода, и тормозит переход кислорода из печных газов в металл. В целом это приближает систему к равновесию; содержание кислорода снижается в среднем на 150 ррm (0,015%). Уменьшение концентрации кислорода в металле и всплывание неметаллических включений при донной продувке в печи способствуют снижению содержания оксидных включений в стали для металлокорда в 1,3 и угара раскислителей в 1,05 раза. Выход годного металла увеличивается на 0,5%.

Таблица . Десульфурация и дефосфорация стали при «скрытой» и «прямой» продувке в ДСП

*Содержание элементов по расплавлению (р) и в готовой стали (гт); числитель – мин-макс; знаменатель – средневзвешенное значение

При выплавке качественной стали, в частности для металлокорда, актуальным является достижение низкого содержания азота в металле. Результирующая концентрация азота в расплаве определяется поступлением его с металлошихтой и из атмосферы печи и удалением, вследствие кипения ванны в окислительный период. При сравнительно высоком содержании углерода (0,20-0,30%) интенсивность обезуглероживания металла высока и баланс азота в металле имеет отрицательное значение. Однако, по мере уменьшения концентрации углерода (до 0,15% и менее) и снижения интенсивности обезуглероживания баланс азота становится положительным за счет более интенсивного поступления его в металл. Содержание азота в металле без продувки через днище в этот период увеличивается в среднем на 20 ррm (0,0020%). Компенсация мощности кипения ванны в случае принудительной продувки аргоном снизу обеспечивает снижение концентрации азота в стали в этот период в среднем на 15 ррm (0,0015%).

Таким образом, применение системы донной продувки ванны инертным газом позволяет существенно повысить качество металла и улучшить технико-экономические показатели процесса.