Отдув кислорода в конвертерном сталеплавлении: повышение чистоты и эффективности

Отдув кислорода в конвертерном сталеплавлении

Кислород (O₂) дуют в чугун в конвертере при сталеплавлении для удаления примесей: углерода (C), кремния (Si), марганца (Mn), фосфора (P) и др. Водоохлаждаемый лавинальный угол впрыскивает кислород сверхзвуковыми скоростями в жидкую ванну. В 1950-х, когда коммерциализирован процесс верхнего отдува и размер конвертера ограничен 50 т, использовали лавинальный угол с одноотверстным кончиком. Со временем размер конвертера рос — потребовалось увеличение числа отверстий в кончике для лучшего распределения O₂ по большей поверхности ванны.

При растущих требованиях к качеству стали (ниже примеси) нужен кислород очень высокой чистоты: минимум 99,5%, идеально 99,7–99,8%. Остаток: 0,005–0,01% N₂, остальное — Ar.

В конвертерах верхнего отдува O₂ струится сверхзвуковыми скоростями через конвергентно-дивергентные сопла на кончике водоохлаждаемого лавиналя. Сила струи проникает сквозь шлак и ударяет в поверхность ванны, очищая сталь. Сейчас большинство конвертеров работают с кончиками 3–6 соплами. Используются даже 8-сопловые кончики. Оси каждого сопла в многосопловом кончике наклонены относительно оси лавиналя и равноугольно распределены вокруг кончика. Кончик из меди, приварен к стальной трубе лавиналя.

Расходы кислорода и параметры струи

Расходы O₂, скорость потока и размеры лавинального трубопровода для разных размеров конвертера в таблице 1.

Табл. 1 Проектные расходы в конвертерном лавинальном углу
Масса заряда конвертера, т	Расход O₂, нм³/ч	Внутренний диаметр × толщина трубы, мм	Скорость потока O₂, м/с
250–300	58000–66000	245×8	43,5–49,5
210	48000–54000	219×8	45,8–51,5
180	39000–44000	194×6	46,3–52,2
150	30000–33000	168×6	48,4–53,3
120	26000–28000	159×6	47,3–50,9
80	18000–20000	133×5	46,8–51,9
60	14000–16000	121×5	44,7–51,0
50	11000–13000	114×5	40,0–47,3

В конвертерном сталеплавлении O₂ сверхзвуковой скорости дуют в чугун для удаления C, Si, Mn, P. Во время отдува высоту лавиналя снижают для доступности O₂ в ванне для удаления C. Отдув длится 15–20 минут. Такт расплав–расплав (tap-to-tap) 50–60 минут в зависимости от расхода O₂, состава чугуна, профиля лавиналя, химии стали. Интересно, что время отдува и такт не зависят существенно от вместимости конвертера.

O₂ дуют через водоохлаждаемый лавинальный угол (~8–10 м) с конвергентно-дивергентным соплом при высоком давлении (~11–14 кгс/см²) и сверхзвуковой скорости (M>1). Сверхзвуковая струя из сопла обеспечивает более высокое втягивание O₂ в жидкую ванну. Во время отдува формируется трехфазная дисперсия: шлак/металлические капли/газовые пузыри. Самая важная часть лавиналя — кончик сопла. Проектирован для создания несходящихся свободных струй O₂. Функции сопла:

• Подача и распределение кислорода
• Создание газовой струи
• Индукция агитации ванны
• Формирование металлических капель

После слива предыдущего расплава и шлака осматривают выкладку. Заряжают лом и чугун. Конвертер наклоняют в вертикальное положение, опускают лавинальный угол для начала отдува. Выбор начальной высоты лавиналя: концентрация силы на уровне ванны не должна вызывать выброс мельчайших железных частиц (искрение), и при этом максимальная площадь поверхности ванны покрыта струей O₂.

Изначально дуют «мягко» — лавинальный угол выше для способствования шлакообразованию и избегания выброса частиц, так как чугун не покрыт шлаком. Известь обычно добавляют в начале и во время отдува. O₂ дуют 15–20 минут, постепенно снижая лавинальный угол так, чтобы пенообразование шлака оставалось под контролем и окислительные реакции проходили непрерывно.

Подача O₂ в виде свободной газовой струи — важная черта конвертерного сталеплавления как в чистом верхнем отдуве, так и в комбинированных. В этой форме подачи общее время отдува O₂ практически не зависит от вместимости конвертера, расхода O₂ и нижнего перемешивания. Это отражается оценкой безразмерного импульсного расхода vs. отношение времени отдува/общее время отдува для разных вместимостей 30–400 т.

Показано, что безразмерный импульсный расход описывает действие свободной струи O₂ при постоянном объемном расходе на разных высотах лавиналя. Безразмерный импульсный расход растет с падением высоты лавиналя. Снижение высоты делает отдув «жестким», повышение — «мягким». Профиль лавиналя можно считать генератором мягкого отдува в начале и постепенно жесткого с прогрессией отдува.

Фундаментальные требования к профилю лавиналя во всем конвертерном сталеплавлении: формирование FeO-богатого шлака на начальной стадии, затем удаление C и P путем прогрессивного увеличения доступности O₂ в ванне для избежания перекисления шлака. Первое достигается «мягким отдувом» (мелкое проникновение струи), второе — закалкой отдува (глубокое проникновение в ванну) прогрессивно. Таким образом, мягкий и жесткий отдув — существенные требования очистки чугуна ударом O₂ струи независимо от вместимости конвертера и типа практики (чистый верхний или комбинированный отдув), в результате общее время отдува O₂ остается более-менее постоянным.

Энергетическая доступность кислорода

O₂ доступен энергетически в процессе очистки в конвертере. Энергетическая доступность получается пропусканием заданного расхода O₂ через сопло.

В конвертерном сталеплавлении O₂ дуют через лавинальные сопла. Лавинальное сопло (конвергентно-дивергентное) характеризуется проходным сечением, площадь которого уменьшается в направлении потока, достигает минимума, затем увеличивается. Минимальное сечение — горлышко сопла. Лавинальное сопло разгоняет газ до сверхзвуковой скорости (M>1). Фактическая скорость на выходе соответствует M≈2,0–2,4.

Поведение свободной газовой струи

Поведение газа при выходе из одного лавинального сопла в окружающую среду (воздух): газ расширяется — «свободная газовая струя», так как расширение не ограничено. Свободная струя характеризуется длиной потенциального ядра (PCL) и длиной сверхзвукового ядра (SCL). В потенциальном ядре нет засасывания среды — скорость газа осевая и радиальная = выходной. За потенциальным ядром обе скорости начинают падать из-за засасывания. Достигается точка, где скорость становится звуковой (M=1). Внутри сверхзвукового ядра скорость > сверхзвуковой в обеих направлениях. За сверхзвуковым ядром — субзвуковая. Радиальное расширение и осевой затухание за потенциальным ядром — главные черты свободной струи.

Из-за расширения масса струи растет — концентрация газа в сечении P=0 падает за счет засасывания. Если через сопло течет O₂, концентрация O₂ в сечении P2 ниже, чем в P1 и P=0. Но масса струи (основной газ + среда) в P2 больше, чем в P1. Осевая скорость струи — функция осевого расстояния от выхода сопла.

Важное свойство свободной струи — она несет импульсный расход, который при ударе в жидкость превращается в силу и проникает в жидкость. Импульсный расход в струе сохраняется. Это важно — он зависит только от восходящих переменных (давление, число и диаметр соплов), не от нисходящих условий.

Поведение струй от многосопловых кончиков зависит от числа соплов и угла наклона каждого к оси лавиналя. Число соплов в конвертерном сталеплавлении варьируется с вместимостью, но обычно 3–6. Угол наклона для 3-соплового — 10–12°, для 5–6-соплового — 15–16° к оси лавиналя.

Стонут ли многосопловые струи вниз по течению или нет — зависит от угла наклона и числа соплов при заданном восходящем давлении и расходе газа. Сходящаяся струя похожа на одиночную. При угле 10–12° для 3-соплового многоструи не сходятся на определенном расстоянии. Несходящаяся струя при ударе в жидкость дает проникновение, равное числу струй.

Осевой затух и радиальное расширение зависят от отношения плотности среды/плотности O₂ струи. Если плотность струи больше плотности среды — струя расширяется медленно. Скорость расширения зависит от значения отношения. В таком случае холодная струя выходит в горячую среду — PCL и SCL длиннее, чем при отношении = 1. Если отношение <1 — O₂ струя легче среды, расширяется быстрее — PCL и SCL короче. Холодная кислородная струя выходит в шлак.

Действие свободной кислородной струи

Скорость свободной O₂ струи важна. Осевая скорость падает с расстоянием вниз по течению из-за засасывания среды. В конвертере в начале отдува среда струи — горячая атмосфера. По мере отдува среда меняется от CO к шлаку. Большую часть периода струя погружена в шлак. Среда в конвертере динамична. Скорость струи зависит от восходящего давления, нисходящего осевого расстояния и среды. Сложно рассчитать скорость при меняющейся среде, но импульсный расход в струе не зависит от нисходящего расстояния и можно рассчитать.

Струя несет импульсный расход, который при ударе в ванну превращается в силу. Действие свободной струи описывают безразмерным номером расхода. Безразмерный номер растет с падением высоты лавиналя. Таким образом, безразмерный номер описывает динамическую вариацию высоты лавиналя. Безразмерный импульсный номер означает действие O₂ струи на ванну при высоте лавиналя против гравитации.

Проникающая способность струи

Безразмерный номер расхода описывает эффект высоты лавиналя на проникаемость струи. Мелкое проникновение при большей высоте — «мягкая струя», глубокое проникновение при меньшей высоте — «жесткая струя».

Это значит, что постоянный объемный расход O₂ при постоянном давлении, выгружаемый через сопло, можно сделать ударяющим в ванну «мягко» и прогрессивно «жестче». Таким образом, метод подачи O₂ в конвертерном сталеплавлении через «свободную струю» очень эффективен физико-химически.

Эффекты реактивного мягкого удара O₂ струи по жидкой металлической ванне: (i) окисление железа (Fe), (ii) мелкое проникновение, (iii) реакция шлак/металл, (iv) усиление шлакообразования и удаления P. Слишком длительный мягкий отдув — перелив шлака из-за перекисления.

Эффекты реактивного жесткого удара: (i) доступность O₂ глубоко в ванне, (ii) усиление окисления C и ухудшение удаления P, (iii) эволюция CO глубоко в ванне и ее побег через ванну агитирует ванну, (iv) генерация капель, эмульгируемых в шлаке.

Типы O₂ струй и их эффекты на рис. 1.

Рис. 1 Типы кислородных струй и их эффекты

Реакции в конвертере

В O₂-сталеплавлении C-насыщенный чугун дуют чистым O₂ сверхзвуковыми скоростями. Реакции и перемешивание интенсивны. O₂ реагирует с растворенным Si, Mn и самим Fe — образует жидкий FeO-содержащий шлак. O₂ также реагирует с растворенным C — освобождает CO газ и декарбуризует железо. Путь окисления этих элементов (C, Si и др.) при очистке — дуть O₂ в железный раствор до точки, где его концентрация в жидкой ванне превышает равновесный уровень, допустимый конкретной примесью. Растворенный O₂ и примесь объединяются в CO газ (для C) или жидкий SiO₂ (для Si). Так как растворимость обоих продуктов [CO (газ) и SiO₂ (жидкость)] в жидком железе очень ограничена, они быстро нуклеатируют свои фазы, коагулируют, консолидируются и выплавают интенсивным перемешиванием процесса.

Также во время интенсивного O₂ отдува часть жидкого железа окисляется до FeO, которое интенсивно перемешивается с жидкой металлической ванной в эмульсию и может реагировать с растворенными примесями в жидком железе напрямую:

2Fe (жидк.) + O₂ (газ) = 2FeO (жидк. шлак)
FeO (жидк. шлак) + C (раств. в жидк. железе) = CO (газ) + Fe (жидк.)
2FeO (жидк. шлак) + Si (раств. в жидк. железе) = SiO₂ (жидк.) + Fe (жидк.)

Эти окислительные реакции сильно экзотермичны. Тепло от окисления Si и других примесей, вместе с энтальпией окисления самого железа, используется для плавления холодного лома для увеличения массы заряда конвертера и повышения температуры жидкой стали для низовых операций. CO₂ никогда не образуется в ванне сталеплавного конвертера кроме следовых количеств. CO₂ (если образуется) быстро превращается в CO реакцией с оставшимся растворенным C. Если нет растворенного C после окисления ванны, CO₂ восстанавливается до CO окислением самого Fe. Таким образом, CO₂ — окислитель при температурах сталеплавления. Равновесный продукт реакции окисления Fe или C в железе CO₂ сильно смещен к CO, с следовым CO₂ по расчетам Гиббса. C действует как восстановитель FeO по уравнению выше, и это другой фактор, замедляющий (или мешающий) окислению железа.

В процессе сталеплавления часть железа окисляется до такой степени, что добавляет в % жидкого FeO в жидкой шлаковой фазе, сосуществующей в конвертере с металлом. Если O₂ дуют за предел конца окисления примесей, окисление Fe становится избыточным. Это проявляется как измеримая потеря Fe в шлак — предсказуемо более высокие концентрации жидкого оксида железа (FeO) в шлаке. После окисления C до CO любой дополнительный O₂ объединяется с Fe для образования FeO в шлаке.