Поведение элементов в кислородно-конверторной ванне

Продувка металла кислородом в конверторе сверху характеризуется высокими температурами в зоне подво­да кислорода (до 2500° С), большим давлением и ско­ростью дутья, высокой концентрацией кислорода в дутье. Это определяет высокую интенсивность окисле­ния железа и примесей. Однако последовательность окисления примесей в кислородно-конверторной ванне определяется их сродством к кислороду с учетом зако­на действующих масс.

На рис. 129 представлено изменение состава метал­ла и шлака, а также температуры металла по ходу кис­лородно-конверторной плавки.

Окисление железа

Газообразный кислород, посту­пая в металл из фурмы, взаимодействует как с примеся­ми (в первую очередь с кремнием, углеродом и марган­цем), так и с железом. Реакции окисления железа опи­шутся уравнениями

2[Fe] + {О₂} = 2(FeO)                                             (179)

4(FeO) + 3{O₂} = 2 (Fe₂O₃).                                  (180)

Образующиеся оксиды железа разносятся по ванне и являются источником кислорода вторичных реакций окисления примесей. Окисление железа по указанным реакциям ускоряется с уменьшением проникновения кислородных струй в металл, т. е. с повышением поло­жения фурм над металлом. В этом случае уменьшается степень перемешивания металла и скорость поступления примесей на поверхность раздела металл — газообраз­ный кислород. Часть FeO, образующегося по реакции (179), разлагается и кислород растворяется в металле, что увеличивает окислительный потенциал металла:

(FeO) = [О] + [Fe].                                                    (181)

Оксиды железа как источник кислорода интенсивно расходуются в момент энергичного окисления углерода (середина продувки). Когда в ванне остается только железо (конец продувки), оно вновь интенсивно окисляется, и содержание оксидов железа в шлаке заметно возрастает, иногда достигая 30% и выше. Для уменьшения потерь железа необходимо своевременно заканчивать продувку.

В зоне внедрения кислородных струй в металл развивается высокая температура (2000—2500° С), того же порядка, что и температура кипения железа. Поэтому в этой зоне испаряется железо, пары железа уносятся газами. Чем концентрированнее внедряется струя кислорода в металл, тем выше температура в этих объемах, так как уменьшается теплопередача в другие объемы, и тем больше испарение железа. Таким образом соотношение потерь железа в результате окисления и испарения зависит в первую очередь от условий подвода кислорода. Это обстоятельство учитывается при выборе режима продувки.

Окисление кремния и марганца

Высокое сродство кремния к кислороду обусловливает интенсивное его окисление как непосредственно газообразным кислородом, так и растворенным в металле кислородом и оксидами железа:

[Si] + {O₂} = (SiO₂);                        (182)
[Si] + 2[О] = (SiO)₂;                        (183)
[Si] + 2(FeO) = 2[Fe] + (SiO₂).     (184)

Через 2—4 мин начала продувки кремний полностью окисляется (рис. 129). В шлаке кремнезем связывается в силикаты железа.

Одновременно с кремнием в начальный период про­дувки окисляется и марганец кислородом из тех же источников, что и кремний:

2[Mn] + {O₂} = 2MnO;               (185)
[Mn] + [О] = (MnO);                   (186)
[Mn] + (FeO) = [Fe] + (MnO).  (187)

Оксид MnO положительно влияет на процесс шлако­образования в первый период продувки, когда известь еще не растворилась в шлаке. Силикаты марганца, об­разующиеся по реакции

2 (MnO) + (SiO₂) = (MnO)₂-SiO₂,                               (188)

характеризуются низкой температурой плавления, что способствует более быстрому образованию гомогенного жидкого шлака.

В середине продувки при интенсивном окислении уг­лерода и повышенной температуре создаются условия для восстановления марганца из шлака по реакции

(MnO) + [С] = [Mn] + {СО},                                         (189)

что приводит к некоторому повышению содержания марганца в металле и снижению концентрации MnO в шлаке (рис. 129). В дальнейшем, особенно при выплав­ке низкоуглеродистых сталей, в связи с повышением со­держания оксидов железа в шлаке марганец вновь окисляется и его содержание в металле уменьшается.

Окисление углерода

Процесс окисления углерода в кислородно-конверторной ванне, так же как и ванне любого другого сталеплавильного агрегата, имеет боль­шое значение, поскольку наряду с выделением тепла образующиеся пузыри оксида углерода CO улучшают перемешивание металла и шлака, способствуют удале­нию газов и неметаллических включений из металла. Углерод окисляется как в зоне подвода газообразного кислорода по реакции

2 [С] + {O₂} = 2 (СО),                                               (190)

так и в других объемах ванны растворенным в металле кислородом:

[С] + [O] = {СО}.                                                      (191)

В незначительной степени получает развитие и ре­акция образования диоксида углерода:

[С] + 2[O] = {СO₂}.                                                   (192)

Схема взаимодействия кислородной струи с метал­лом и циркуляция металла в кислородной ванне, вызы­ваемая кислородной струей и выделяющимися пузыря­ми CO, представлена на рис. 130.

В начале продувки при относительно низкой темпе­ратуре ванны скорость окисления углерода невелика, поскольку в этих условиях сродство кремния и марганца к кислороду выше, чем углерода. По мере понижения содержания кремния и марганца и повышения температуры металла зона активного окисления углерода увеличивается и распространяется по всему объему ванны. Возрастает и средняя скорость окисления углерода, достигая 0,3—0,6%/мин в середине продувки. Через 3—5 мин после начала продувки весь подводимый в ванну кислород расходуется на окисление углерод. Частично углерод окисляется кислородом оксидов шлака, т. е. реакция окисления углерода описывается уравнениями (190), (191) и отчасти (192). Содержание FeO в шлаке заметно снижается (см. рис. 129).

К концу продувки при содержании углерода <0,2% скорость его окисления заметно уменьшается, в зоне подвода кислорода преимущественно окисляется железо, а углерод окисляется в основном оксидами железа, разносимыми по объему ванны. Окисленность шлака, т. е. содержание в нем оксидов железа, возрастает.

С изменением скорости окисления углерода изменя­ется и количество выделяющихся из ванны газов. В пе­риод интенсивного окисления углерода металл и шлак вспениваются и объем шлако-металло-газовой смеси в конверторе возрастает в два-четыре раза по сравне­нию со спокойным состоянием ванны, и уровень вспе­нившейся ванны находится выше нижнего среза фурмы.

Чрезмерное вспенивание ванны может привести к значительным выбросам металла и шлака из конвертора, что уменьшает выход жидкого металла. Поэтому режим продувки и конструкцию фурмы выбирают такими, что­бы при больших скоростях подвода кислорода уменьшить вспенивание ванны. В частности, продувка заглуб­ленной струей, способствующая уменьшению вспенива­ния, широко применяется в практике заводов.

Поведение азота

При кислородно-конверторном про­цессе решающее влияние на содержание азота в метал­ле оказывает его содержание в газообразном кислоро­де, используемом на продувку. Это связано с тем, что при высокой температуре, развивающейся в зоне под­вода кислорода, молекулярный азот разлагается на атомарный, который интенсивно поглощается металлом. При чистоте кислорода >99,5% содержание азота в ме­талле к концу продувки не превышает 0,004%, а при чистоте кислорода 97—98% возрастает до 0,009— 0,006%. Для кислородно-конверторного процесса исполь­зуют кислород высокой чистоты (99,5—99,8%).

Кислородно-конверторный процесс характеризуется наименьшим содержанием азота в готовом металле по сравнению с другими способами производства стали в открытых сталеплавильных агрегатах (дуговых сталеплавильных и мартеновских печах).