Одним из первых процессов комбинированной продувкой кислородом сверху и инертным газом снизу был разработанный во Франции процесс LBE (франц.: Lance Brassage Equilibre или англ.: Lance Bubling Equilibrium – фурма перемешивание равновесие), название которого характеризует его главные особенности. Этот процесс получил широкое распространение и с некоторыми не существенными изменениями (но с разными аббревиатурами наименованиями) применяется во многих странах.
Процесс LBE в конвертерах емкостью 100–350 т и более ведут с продувкой металла кислородом сверху при расходе его 3,5–6,0 м3/(т·мин) и инертным газом (N2, Ar) снизу при расходе его 0,03–0,25 м3/(т·мин). Из указанного расхода кислорода, вдуваемого через двухъярусную фурму, 0,7–1,3 м3/(т·мин) подают через второй ярус сопел для дожигания выделяющегося из ванны в результате окисления углерода СО. Инертный газ подают через установленные в днище пористые блоки из обожженного магнезитового кирпича. Стойкость блоков в конвертерах емкостью до 350 т более 500 плавок. Применяют и другие пористые блоки, количество которых по окружности днища примерно на середине радиуса 4–6.
Для продувки снизу первые 1/3–2/3 времени продувки используют азот, а за тем — аргон. На многих заводах используют только аргон.
Донная продувка инертным газом позволяет изменением его расхода в определенной мере регулировать окисленность шлака без изменения положения фурмы, через которую кислород подают сверху, и без выбросов металла.
Донная продувка инертным газом позволяет изменением его расхода в определенной мере регулировать окисленность шлака без изменения положения фурмы, через которую кислород подают сверху, и без выбросов металла.
При продувке снизу, вследствие интенсивного перемешивания ванны, протекающие в ней реакции более приближаются к равновесию, в результате чего содержание кислорода в стали, при данном содержании кислорода, более низкое, чем при продувке сверху (рисунок 1).
1– без донной продувки; 2 – с донной продувкой; 3 – кривая равновесия
Рисунок 1 — Содержание углерода и кислорода в стали к концу продувки кислородом сверху
Достижение состояния, близкого к равновесию процесса окисления углерода, еще более наглядно представлено на рисунке 2. Как видно, при продувке ванны кислородом только сверху (область 1) произведение [%C][%O] значительно выше равновесного (прямая 3), которое определяли по уравнению Ниллеса [%C][%O] = 0212 + 0,85[%C]. Это уравнение дает более точный результат при [C] ≤ 0,10–0,12 % по сравнению с широко известным уравнением [%C][%O] = 0,0025, при использовании которого удовлетворительные результаты получаются
при более высоком содержании углерода в стали. Область 3, соответствующая одновременной продувке и снизу, располагается на линии равновесия реакции окисления углерода. Следовательно, в результате интенсивного перемешивания при донной продувке реакция окисления углерода приближается к равновесию. При данном содержании углерода содержание кислорода в металле значительно ниже, чем в случае продувки только сверху, и достигает минимальных значений.
![Величина произведения [%C][%O] при продувке кислородом сверху](https://455811.selcdn.ru/metallurgist/uploads/2017/09/1-83.png)
1 – без доннойпродувки; 2 – с донной продувкой аргоном; 3 – равновесное
Рисунок 2 — Величина произведения[%C][%O] при продувке кислородом сверху
Приближение реакции окисления углерода к состоянию равновесия при донной продувке инертным газом обусловлено не только перемешиванием ванны. Большое значение имеет ведение в металл снизу инертного газа, который в виде всплывающих пузырьков пронизывает всю толщу жидкой ванны. Эти пузырьки представляют собой готовую газовую фазу, на которой получает развитие реакция окисления углерода. В этом случае отпадает необходимость зарождения новой газовой фазы образующегося в процессе окисления СО и существенно
снижается необходимое для этого пересыщение раствора реагирующими компонентами.
Наряду с понижением содержания кислорода в металле при донной , вследствие приближения системы к равновесию, понижается содержание FeO в шлаке, примерно на 2–4 %. При этом выход жидкой стали увеличивается на ∼0,4 %.
Дополнительная продувка аргоном (1 м3/т) после окончания продувки, в течение 1–2 мин, приводит к дополнительному окислению углерода за счет растворенного в металле кислорода. Ввиду небольшого количества расходуемого на такое окисление кислорода окисляется очень малое количество углерода. Но это имеет существенное значение при весьма низком содержании углерода в металле, когда оно понижается, например, с 0,05 до 0,02 %. Это окисление позволяет получать в конвертере сталь с особо низким содержанием углерода, ≤ 0,03%. Для получения стали с содержанием углерода ≤ 0,020 % после завершения продувки кислородом продувка аргоном продолжается 4–8 мин.
Вследствие интенсивного перемешивания при донной продувке конвертерной ванны более полно протекают процессы десульфурации и дефосфорации. По сравнению с продувкой сверху при дополнительной донной продувке содержание серы в металле понижается примерно на 0,005 %, а фосфора – на 0,002 %.
Для донной продувки конвертерной ванны применяют и смеси газов. Например, фирма Nippon Kokan (Япония) разработала процесс NK–CB с комбинированной продувкой (CB – Сombined Blowing) кислородом сверху и смесью газов N2, Ar, CO2 снизу. СО2 получают конвертированием СО→СО2 в отходящем из конвертера газе. Интенсивность продувки сверху 3–4м3/(т·мин), снизу – ∼0,1 м3/(т·мин). Продувку снизу ведут через вставленные в днище 4 сопла, состоящих из плотных (не пористых) огнеупоров с многими внутренними капиллярами, расположенными параллельно оси сопла. Такие многоканальные сопла имеют меньшее сопротивление движению газа и позволяют регулировать скорость его подвода в широких пределах, изменяя ее в 10 раз – от 0,01 до 0,10 м3/(т·мин). Это позволяет вести продувку как низко– так и высокоуглеродистой стали.
Эффективность донной продувки определяется главным образом,расходом газа снизу который влияет на интенсивность перемешивания. При этом, в случае применения кислорода эффект усиливается вследствие удвоения объема газа при окислении углерода с образованием СО. Влияние расхода газа, подаваемого через днище конвертера, на интенсивность перемешивания показано на рисунке 3.
Рисунок 3 — Влияние интенсивности донной продувки на время полного перемешивания металлической ванны
Приведенные на нем данные получены с использованием меди в качестве трассера при изучении времени, необходимого для полного перемешивания ванны в разных процессах – от LD с продувкой кислородом практически только сверху до OBM/Q-BOP с интенсивной продувкой кислородом только через днище (обозначения процессов см. таблицу 1). В изученных пределах время, необходимое для полной гомогенизации, примерно обратно пропорционально интенсивности донной продувки. Как показали исследования, выполненные в 180 т конвертере процессом LD-KG –(LD-Kawasaki Gas), увеличение интенсивности перемешивания повышением расхода подаваемого снизу газа вызывает существенное понижение содержания (FeO) в шлаке при данном содержании углерода в металле (рисунок 4).
Рисунок 4 — Влияние расхода газа, подаваемого снизу, на содержание (FeO) в шлаке
Соответственно, согласно другим исследованиям, при разных процессах, значительно отличающихся интенсивностью донной продувки, отличается и содержание (FeO) в шлаке при одинаковом содержании углерода в металле (рисунок 5). Например, при содержании углерода в металле 0,03 % содержание (FeO) равно 30 % в процессе LD, отличающегося малой интенсивностью донной продувки, и лишь 15 % в процессе OBM/Q-BOP с высокой интенсивностью донной продувки (см. рисунок 3).
Рисунок 5 — Зависимость содержания (FeO) в шлаке от содержания углерода в металле для процессов, отличающихся интенсивностью донной продувки
Донная продувка через многоканальные сопла позволяет регулировать интенсивность перемешивания ванны и связанные с этим окислительные процессы: изменение содержания FeO в шлаке, окисление углерода, дефосфорацию стали.
Описанные процессы комбинированной продувки, сверху и снизу, являются основой современной технологии плавки стали в конвертерах. Но, с учетом влияния режима продувки на ход процесса, стойкость донных фурм, пористых пробок и самих днищ, а также условий производства, наиболее широко применяют кислородно-конвертерный процесс (LD) с интенсификацией перемешивания ванны донной продувкой инертным газом. Это проиллюстрировано рисунком 6, где приведена схема развития конвертерного производства, начиная с бессемеровского процесса. В общем же современные конвертерные процессы отличаются лишь некоторыми параметрами продувки (таблица 1).
Рисунок 6 — Схема развития конвертерного производства
Таблица 2 — Конвертерные процессы продувкой кислородом с сверху и донным перемешивание
∗ Челябинский металлургический комбинат («Мечел»);
∗∗ Западно-Сибирский металлургический комбинат
