Способ выплавки стали

Способ выплавки стали

Реферат

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к выплавке стали в сталеплавильном агрегате - кислородном конвертере, электропечи, мартеновской печи, двухванной печи.

Известны способы выплавки стали, отличающиеся тем, что окислительное рафинирование осуществляется преимущественно за счет кислорода дутья, подаваемого в ванну в течение всего периода рафинирования. Характерной чертой этих способов является весьма высокая скорость рафинирования, короткая продолжительность плавки, значительная производительность, пониженные удельные расходы тепла. Вместе с тем, продувка ванны кислородом сопровождается большим окислением (угаром) железа, достигающем 4-6%, пониженным выходом железа в пределах 88-89%, значительным образованием шлака в количестве 150-200 кг/т стали, ухудшенной экологией [1].

Известны мартеновские процессы выплавки стали, основанные на использовании в качестве окислителя кислорода, поступающего в ванну из твердого окислителя атмосферы печи, вдуваемого окислительного газа - кислорода или воздуха [1].

Наиболее близким по технической сущности является способ выплавки стали скрап-рудным мартеновским процессом, включающий завалку части твердого окислителя, шлакообразующих материалов, металлошихты, прогрев, заливку железоуглеродистого расплава в виде жидкого чугуна или углеродистого полупродукта, плавление, скачивание шлака, окислительное рафинирование металлического расплава от избыточного количества углерода и примесей по ходу плавки, подачу газообразного кислорода, нагрев, доводку и выпуск металла (первичной стали) [2].

Металлошихта этого способа включает в себя 55-70% жидкого чугуна и 30-45% металлолома. Основным источником снабжения ванны кислородом для рафинирования чугуна от примесей является твердый окислитель. На долю его приходится 70-90% кислорода, поступающего в ванну. При этом основное количество твердого окислителя вводится в завалку на подину печи до начала подачи металлолома и заливки жидкого чугуна. Меньшая часть окислителя загружается по ходу доводки плавки (рудного кипа) на поверхность ванны. Расход его в завалку и доводку составляет в среднем 10-15 и 1,0-3% от массы металлозавалки соответственно. Определенную роль в обеспечении потребностей ванны в окислители играет атмосфера печи и газообразный кислород.

В отличие от кислородных процессов с вдуванием газообразного кислорода мартеновский скрап-рудный процесс, базирующийся на использовании конденсированного кислорода твердого окислителя, обеспечивает значительно меньшее окисление и угар железа, повышенный до 100% и более выход годного за счет восстановления чистого железа из его оксидов, меньшее количество шлака, отсутствие испарения железа. Вместе с тем, он имеет весьма серьезные недостатки.

Основными недостатками известного способа являются:

- большая продолжительность рафинирования по сравнению с кислородными процессами, достигающая многих часов, обусловленная медленной скоростью основной реакции производства стали - окисления углерода и поступления тепла в металлическую ванну;

- повышенные энергозатраты на выплавку стали ввиду, главным образом, из-за значительной длительности плавки и связанных с этим высоких тепловых потерь, достигающих 40-60% от общей потребности тепла на процесс;

- относительно большой размер кусков твердого окислителя, достигающий 250 мм, ограничивает скорость его взаимодействия с заливаемым чугуном и металлической ванной, что в сочетании с коротким временем их соприкосновения уменьшает полноту протекания реакций окисления углерода - восстановления железа из оксидов;

- всплывание большей части твердого окислителя и шлакообразующих на поверхность ванны под влиянием воздействия жидкого чугуна и значительной разницы плотностей окислителя и чугуна. Вследствие этого поверхность реагирования кусков окислителя и металла резко сокращается до уровня раздела шлак-металл и не превышает 0.2-0,4 м²/т расплава;

- образование на поверхности металла большого количества малотеплопроводного и малоактивного холодного шлака, имеющего значительную толщину и содержащего большое число кусков твердого окислителя, резко замедляет процессы переноса кислорода и тепла в металлическую ванну, в том числе основную реакцию - окисление углерода и нагрев металла;

- неполное восстановление железа из твердого окислителя - не более 30-50% из-за недостаточной поверхности его контакта с восстановителем, содержащимся в расплаве, и значительных потерь его со скачиваемым шлаком;

- относительно слабое использование подводимой к ванне энергии и тепла дожигания СО до СО₂ из-за медленной скорости окисления углерода по ходу плавки, тормозящего влияния слоя шлака, имеющего большую толщину, недостаточной интенсивности перемешивания металла и шлака.

Вместе взятые, эти факторы вызывают значительное увеличение продолжительности рафинирования и плавки в целом, повышение удельного расхода тепла, ухудшение эффективности использования твердого окислителя, в том числе снижение степени восстановления железа. Все это послужило причиной снижения конкурентоспособности мартеновского процесса в целом и его вытеснения кислородно-конвертерным и электросталеплавильными процессами.

Технической задачей изобретения является сокращение длительности рафинирования, снижение энергозатрат на ванну стали, более эффективное использование возможностей твердого окислителя, в том числе повышение степени восстановления железа из его оксидов, увеличение выхода железа и уменьшение количества шлака.

Технический результат достигается тем, что в способе выплавки стали в сталеплавильном агрегате, включающем завалку твердого окислителя, шлакообразующих материалов, металлошихты, прогрев, заливку железоуглеродистого расплава в виде жидкого чугуна или углеродистого полупродукта, плавление, скачивание шлака, окислительное рафинирование металлического расплава от избыточного количества углерода и других примесей, ввод по ходу рафинирования твердого окислителя, подачу газообразного кислорода, нагрев, доводку и выпуск металла, после заливки железоуглеродистого расплава по ходу окислительного рафинирования большую часть твердого окислителя в порошкообразном состоянии размером частиц менее 5 мм в количестве 70-95% от общего его расхода на плавку вводят непосредственно в объем металлической ванны на глубину, составляющую 0,1-1,0 высоты слоя жидкого металла, при этом суммарный расход твердого окислителя поддерживают в пределах 2-30% от массы заливаемого железоуглеродистого расплава.

В качестве твердого окислителя используют железорудный концентрат, измельченные окалину, железную руду, агломерат и их смеси, а также оксидный железосодержащий материал и частично восстановленное железо.

Для повышения эффективности предлагаемого изобретения твердый окислитель, подают вместе с легкоплавким материалом и/или синтетической смесью, собственная температура плавления которых ниже температуры плавления твердого окислителя.

Часть твердого окислителя в количестве 5-25% от общего расхода его на плавку вводят в составе композиционного материала, содержащего смесь твердого окислителя и металлического утяжелителя в виде железоуглеродистого сплава при соотношении их масс в пределах (10-90)-(90:10) соответственно.

Газообразный кислород подают с расходом 5-20 нм³/т металла для лучшего дожигания СО до CO₂, дополнительного перемешивания шлака и металла и создания на поверхности ванны реакционных зон с повышенной температурой.

Для регулирования теплового баланса ванны и температуры металла и шлака и синхронизации обезуглероживания и нагрева при расходе твердого окислителя свыше 10% от массы заливаемого железоуглеродистого расплава осуществляют дополнительный нагрев металлической ванны в количестве 0,5-7 МДж на 1 кг твердого охладителя (металлолома железорудного окислителя и др.).

Наиболее рациональным вариантом предлагаемого способа выплавки стали является работа с повышенной долей жидкого чугуна, минимальным количеством лома и использованием в качестве основного источника снабжения ванны кислородом твердого окислителя, выполняющего одновременно роль охладителя плавки вместо лома. Замена части или всего лома окислителем-охладителем гарантирует повышенную и стабильную чистоту выплавляемого металла по содержанию примесей цветных металлов и обеспечивает получение дополнительного количества железа из его оксидов.

Способ осуществляют следующим образом.

После окончания выпуска металла и части или всего конечного шлака производят завалку твердого окислителя в количестве 5-30% от общего его расхода на плавку, шлакообразующих материалов, металлошихты, прогрев, заливку железоуглеродистого расплава, плавление, скачивание шлака, окислительное рафинирование металлического расплава от избыточного количества углерода и примесей, ввод по ходу рафинирования твердого окислителя, подачу газообразного кислорода, нагрев, доводку и выпуск металла.

В процессе заливки железоуглеродистого расплава кремний, марганец, хром, ванадий, фосфор и другие элементы, присутствующие в металле, активно взаимодействуют с кислородом оксидов железа твердого окислителя и окисляются. Пониженная температура ванны, обусловленная охлаждением исходного жидкого расплава в результате передачи части его тепла твердому окислителю, шлакообразующим материалом к металлолому, а также интенсивное перемешивание заливаемым в печь расплавом, создают благоприятные термодинамические условия для быстрого и эффективного окисления всех примесей чугуна, за исключением углерода. Последний во время заливки практически не окисляется, так как при температуре заливаемого металла 1300-1400°С сродство его к кислороду существенно ниже кремния, марганца и других легко окисляемых элементов. Сокращение количества твердого окислителя, загружаемого в завалку до значений 5-30% от общего расхода его на плавку, служит дополнительной гарантией предотвращения окисления углерода, поскольку на его окисление кислорода не хватает. Предотвращение развития окисления углерода в процессе заливки железоуглеродистого расплава позволяет избежать выбросов металла и шлака и снизить до минимума образование пламени.

После заливки железоуглеродистого расплав по ходу окислительного рафинирования большую часть твердого окислителя в порошкообразном состоянии размером частиц менее 5 мм в количестве от 70-95% от общего расхода на плавку вводят непосредственно в объем металлической ванны на глубину, составляющую 0,1-1,0 высоты слоя жидкого металла. При этом суммарный расход твердого окислителя поддерживают в пределах 2-30% от массы заливаемого железоуглеродистого расплава. С одной стороны, это обеспечивает полное и быстрое удаление всех примесей чугуна во время заливки, исключая при этом возможное окисление углерода и вероятность выбросов и образования сильного пламени. С другой стороны, при этом обеспечиваются потребности ванны в кислороде во время окислительного рафинирования от углерода и оставшихся в металле количество кремния, марганца, ванадия, хрома и фосфора.

Ввод большей части твердого окислителя по ходу окислительного периода вместо завалки снижает охлаждение заливаемого железоуглеродистого расплава твердым окислителем и обеспечивает более высокую температуру его и степень перегрева металла над линией ликвидус в начале и по ходу рафинирования.

Одновременно с этим уменьшается количество твердого окислителя, всплывающего на поверхность ванны, снижается окисленность и общая масса образующего шлака. Результатом этого является повышенная температура металла и шлака, их лучшая жидкотекучесть, меньшее вспенивание шлака и ускоренная передача тепла металлу через слой шлака. В свою очередь, это усиливает растворение извести и других флюсов в шлаке, ускоряет формирование активного шлака требуемого состава и количества, повышает его рафинирующие свойства в отношении окисления углерода, дефосфорации и десульфурации металла.

Ввод большей части твердого окислителя в порошкообразном состоянии по ходу окислительного рафинирования непосредственно в жидкую металлическую ванну резко увеличивает скорость доставки кислорода вглубь расплава.

При этом оксиды железа поступают равномерно во все зоны металлической ванны в наиболее благоприятный период плавки, когда происходит рафинирование расплава и ванна испытывает дефицит количества кислорода, вносимого твердым окислителем, исключает необходимость подачи в ванну газообразного кислорода, сопровождающейся неизбежным окислением железа и образованием оксидов. В данном случае требуемое для окисления углерода и примесей ванны количество окислителя поступает в ванну со стороны в готовом виде.

Обеспечение потребностей ванны в кислороде достигается за счет поступления окислителя из оксидов железа, вводимых извне. Благодаря этому обеспечивается более быстрая доставка кислорода в зону реакции его с углеродом, являющейся наиболее медленной стадией окислительного рафинирования и требующей длительных затрат времени. Помимо того, при этом устраняется окисление железа, неизбежно сопровождающее вдувание газообразного кислорода в металлическую ванну, и вызывающее дополнительные потери железа.

Применение твердого окислителя в порошкообразном состоянии и ввод большей части его после заливки железоуглеродистого расплава по ходу окислительного рафинирования непосредственно в металлическую ванну на заданную глубину обеспечивает быстрый нагрев частиц окислителя до температуры плавления и переход их из твердого в жидкое состояние. Активность кислорода, содержащегося во вводимом окислителе, при этом существенно возрастает и превышает окислительный потенциал как исходного материала, так и газообразного кислорода и атмосферы агрегата [3]. В результате этого оксидный материал после его подачи в ванну превращается в концентрированный окислитель, химический потенциал которого на порядок с лишним больше, чем газообразного кислорода [5]. В результате этого резко возрастает окислительная способность оксидного материала. Поэтому присадки твердого окислителя в дисперсной форме непосредственно в металлический расплав наряду с увеличением скорости его доставки в металл позволяет одновременно повысить кислородный потенциал оксидов железа, а также ввести кислород с высоким окислительным потенциалом непосредственно в металл. Благодаря этому достигается прямое непосредственное окисление примесей чугуна железоуглеродистого расплава кислородом вводимого твердого окислителя и исключается необходимость в обязательном предварительном образовании оксидов железа за счет окисления части железа металлической ванны кислородом, подводимым извне. Следовательно, подача в ванну частиц твердого окислителя ускоряет поступление кислорода в объем металла и создает возможности для более быстрого окисления углерода чугуна и остальных примесей.

Одновременно с термодинамикой процесса улучшается и кинетика рафинирования. Этому способствует увеличение удельной поверхности контакта исходного окислителя и металлической ванны, а также заглубления частиц в металл. При диаметре частиц 2,5 мм эта величина достигает 300 м²/т расплава, что превышает удельную поверхность реагирования шлак-металл в сталеплавильной ванне, составляющую 0,2-0.4 м²/т, примерно на три порядка. Заглубление частиц твердого окислителя под слой металла увеличивает путь их движения через слой металла и время их пребывания до 10 с и более. Это обеспечивает быстрый нагрев частиц окислителя и переход их в расплавленное состояние. Параллельно с этим достигается развитие поверхности контакта окислителя с жидким металлом и обновление ее. Выделяющийся в процессе обезуглероживания монооксид углерода активно перемешивает металл и шлак, ускоряя тепломассообмен и увеличивая время пребывания частиц окислителя в ванне за счет их увеличения движущимися потоками металла. В то же время это гарантирует усвоение окислителя и отсутствие неконтролируемого перехода твердого окислителя в шлак, а также ведение плавки с минимальным и регулируемым количеством шлака и содержанием в нем оксидов железа. В свою очередь, это резко снижает потери оксидов железа и повышает выход железа из металлошихты.

Поверхность контакта окислителя с металлом в результате движения частиц окислителя через толщу металла во время их вдувания и последующего вспенивания непрерывно обновляется. Это еще больше увеличивает поверхность реагирования окислителя с расплавом, а также время реагирования. Интенсивное перемешивание металлической ванны под влиянием выделения в ней пузырьков СО, образующихся в результате реакции углерода металла и вводимого кислорода, дополнительно ускоряет процессы тепломассопереноса и окисление примесей.

Одним из преимуществ предлагаемого способа является возможность равномерного ввода твердого окислителя по всему объему металлической ванны. В этом случае зона реагирования вводимого кислорода с примесями жидкого расплава распространяется на весь объем металлической ванны и охватывает ее полностью. Благодаря этому сокращается длительность окислительного рафинирования.

Отмеченные выше кинетические факторы в дополнение к термодинамическим параметрам создают необходимые и достаточные условия для быстрого и эффективного окисления углерода и примесей железоуглеродистого расплава кислородом твердого окислителя в дисперсном состоянии. Скорость окисления углерода при этом возрастает до 0,1-0,4% С/мин и более и достигает значений, отвечающих кислородноконвертерной плавке, обладающей наименьшей длительностью процесса окисления углерода и наибольшей производительностью среди существующих способов.

Высокие скорости окисления, обусловленные вводом кислорода непосредственно в объем жидкого расплава, увеличением активности кислорода, резким возрастанием скорости доставки кислорода в зону реакции - толщу металла - значительно снижают продолжительность обезуглероживания ванны в предлагаемом способе до 20-45 мин.

Доставка кислорода внутрь металлического расплава является наиболее медленной стадией общей гетерогенной реакции окисления углерода, являющейся основой сталеплавильного процесса и определяющей его продолжительность и показатели процесса в целом. В предлагаемом способе выплавки стали наблюдается резкое ускорение скорости доставки кислорода в объем металла. При этом механизм окисления углерода и других примесей принципиально изменяется. Их окисление производится непосредственно кислородом оксидов железа, поступающих в металл. Вследствие этого обязательное образование оксидов железа в толще железоуглеродистого расплава утрачивает свое значение. Рафинирование металла от примесей в данном случае не требует предварительного образования оксидов железа и происходит с повышенной скоростью по одностадийной схеме вместо обычной двухстадийной. При этом скорость окисления углерода не уступает обезуглероживанию металла при продувке кислородом.

Из изложенного следует, что дисперсное состояние частиц твердого окислителя и их ввод в толщу металлической ванны, предлагаемые в данном изобретении, принципиально изменяют кинетику основной реакции сталеварения - окисления углерода, в том числе лимитирующего стадию. В этом случае достигается непосредственная доставка кислорода в металл и огромное увеличение поверхности реагирования окислителя и жидкого расплава (на три порядка и выше). Это ускоряет перенос кислорода в металлическом расплаве, являющийся лимитирующим звеном обезуглероживания ванны, до уровня, соответствующего кислородно-конвертерной плавке и выше. Окисление углерода при этом происходит за счет прямого взаимодействия углерода и кислорода оксидов железа и протекает с весьма высокими скоростями. Благодаря этому длительность плавления рафинирования и доводки, а также плавки в целом значительно сокращаются. Одновременно с этим снижаются потери тепла и энергозатраты на выплавку стали, увеличивается степень использования кислорода твердого окислителя, возрастает степень восстановления железа из его оксидов.

Применение конденсированного кислорода оксидов железа с заменой части и всего газообразного кислорода резко сокращает испарение железа и переход его в шлак и дым, а также снижает массу шлака, образующегося за период плавки и концентрацию в нем оксидов железа. Благодаря этому достигается лучшее использование окислителя, снижение потерь железа, значительный приход нового железа, восстановленного из оксидов твердого окислителя-охладителя.

Лимитирующей стадией реакции обезуглероживания при этом становится подвод тепла к металлу, так как окисление углерода конденсированным кислородом оксидов железа является эндотермической реакцией и сопровождается снижением температуры металла.

Во время рафинирования расход твердого окислителя по ходу плавки поддерживают в пределах 70-95% от общего его количества на плавку. Это обеспечивает основные потребности ванны в кислороде в период окислительного рафинирования, в том числе для окисления углерода.

После завершения удаления большей части углерода и фосфора расход твердого окислителя постепенно снижают с учетом содержания углерода в металле, поддерживая его на уровне, равном или превышающем стехиометрическое значение по реакции углерод-кислород, равное 0,75. Одновременно с этим по ходу рафинирования подают газообразный кислород с расходом 5-20 нм³/т металла. Благодаря этому доля углерода, окисляемого кислородом твердого окислителя по эндотермической реакции с затратами тепла по ходу плавки постепенно снижается. Доля же углерода, удаляемого за счет реакции его с кислородом дутья, имеющей экзотермический характер, соответственно возрастает. По этой причине приход тепла в ванну по ходу рафинирования усиливается, а температура металла повышается. После достижения заданной концентрации углерода и фосфора и требуемой температуры металла перед выпуском расплав выпускается из печи в ковш.

Окисление углерода в предлагаемом способе является регулируемым процессом и задается скоростью подачи твердого окислителя, его расходом, выбором размеров частиц и глубиной их погружения в металл. Вследствие этого достигается непрерывное и равномерное окисление углерода по ходу плавки с устранением пиков на кривой окисления углерода. Стабильный характер обезуглероживания металла и выделения монооксида углерода улучшает условия дожигания СО до СО₂ и передачу этого тепла металлической ванне, снижая тем самым энергозатраты.

Благодаря равномерной подаче частиц твердого окислителя в металл окисление углерода и выделение монооксида происходит равномерно по всему объему и всей площади зеркала металла. Это обеспечивает полное участие всей поверхности ванны в тепломассообмене, повышает степень использования тепла, в том числе тепла дожигания до 60-100%, и степени передачи этого тепла ванне до уровня 60% и более. Снижение количества шлака, образующегося по ходу плавки, и его непрерывное и интенсивное перемешивание по ходу окислительного периода, также благоприятствуют этому.

Подача окислителя в дисперсном состоянии вглубь металлической ванны повышает эффективность использования этого материала, в том числе его окислительной способности, а также обеспечивает более полное восстановление оксидов железа твердого окислителя примесями чугуна. Это создает предпосылки для увеличения расхода окислителя и поступление кислорода в металл вплоть до максимальных значений, отвечающих полному удовлетворению потребностей ванны в кислороде на окисление всех примесей, включая углерод.

Тепловой потенциал плавки на жидком чугуне и ломе позволяет использовать не более 30% металлолома и до 10% твердого окислителя, охлаждающий потенциал которых соотносится примерно как 1:3,3.

При вводе максимально возможного количества окислителя-охладителя, равного 10%, в ванну поступит 2,5-3,0% кислорода или около 18-25 нм³ О₂/т введенного материала. Это количество кислорода обеспечивает полное окисление примесей типа кремния, марганца, хрома и др. и части углерода. Однако этого количества недостаточно для окисления всего углерода ванны, для чего требуется 40-50 нм³/т. Поэтому расход твердого окислителя на плавку в предлагаемом способе увеличен до значений, обеспечивающих потребность ванны в кислороде на окисление практически всего углерода, то есть с 10 до 30%.

Учитывая, что потенциальный запас энергии ванны ограничивает количество твердого окислителя 10%, дальнейшее увеличение его расхода требует ввода дополнительного количества тепла. Поэтому при выплавке стали с расходом металлолома выше 25-30% либо твердого окислителя с расходом более 10% от общей массы металлошихты на плавку в металлическую ванну дополнительно вводят извне дополнительное тепло в виде индукционного, дугового, плазменного нагрева, топливокислородных горелок в количестве 0,5-7,0 МДж на 1 кг охладителя. Необходимость ввода дополнительного количества тепла в ванну может возникнуть также и при работе с расходами охладителей ниже верхнего предельного значения, например, при использовании физически и химически холодного углеродистого полупродукта с температурой менее 1300°С.

Дополнительным фактором, расширяющим возможности регулирования температуры металла по ходу плавки и регулирования особенно перед выпуском является окисление железа газообразным кислородом аналогично обычной плавке в кислородных конвертерах и двухванных печах. Однако в этом случае нагрев металлической ванны достигается ценой дополнительного окисления железа, возрастанием его потерь, увеличением количества шлака и содержание в нем оксидов железа. Поэтому этот прием используют лишь в крайнем случае, когда отсутствует возможность компенсации дефицита тепла за счет подвода его извне и/или использования тепла дожигания СО до СО₂.

Рекомендуемые параметры плавки по предлагаемому способу основаны на следующем. Применение твердого окислителя в порошкообразном виде с размером частиц менее 5 мм увеличивает их удельную поверхность. Введение этих мелких частиц с развитой поверхностью в объем металлической ванны повышает поверхность реагирования частиц с металлом на несколько порядков до уровня 300-17000 м²/т вместо 0,2-0.4 м²/т при использовании кускового твердого окислителя. Дисперсный характер частиц ускоряет их нагрев и переход из твердого в расплавленное состояние. Благодаря этому кислородный потенциал жидких оксидов железа возрастает на порядок и более и становится значительно вше, чем чистого газообразного кислорода, не говоря уже об атмосфере агрегата [3]. Вместе взятые эти факторы резко усиливают поступление кислорода в металл и повышают его активность. Вследствие этого окисление углерода и других примесей чугуна при вводе в толщу расплава более мелких частиц твердого окислителя резко усиливается и достигает значений, отвечающих кислородно-конвертерной плавке, либо превосходящих их.

Этот предел ограничивается только затратами, связанными с диспергированием твердого окислителя. По расчетам уменьшение размера частиц менее 0,05 мм, обладающих средней удельной поверхностью 17000 м²/т, заметно увеличивает расходы на измельчение. Поэтому повышение степени дисперсности окислителя до уровня менее 0,05 мм нежелательно. При размере частиц твердого окислителя менее 5 мм нагрев и расплавление оксидного материала и их взаимодействие с элементами чугуна успевает завершиться за время их пребывания в металлическом расплаве. Это обеспечивает эффективное окисление углерода и других примесей во всем объеме металлической ванны и полное использование окислительного потенциала подаваемого в ванну оксидного материала. Нижний предел размера частиц не имеет ограничений, поскольку с уменьшением размера частиц увеличивается удельная поверхность их контакта с металлом, ускоряется прогрев и расплавление частиц. При увеличении размера частиц окислителя свыше 5 мм из-за снижения удельной поверхности и замедления переноса тепла частицы не успевают полностью перейти в жидкое состояние. Это уменьшает скорость поступления кислорода в металл и снижает скорость обезуглероживания ванны и других реакций, увеличивая длительность плавки и энергозатраты. Кроме того, часть нерасплавившихся и не успевших прореагировать частиц окислителя всплывает в шлак, снижая тем самым эффективность использования вводимого окислителя, увеличивая содержание оксидов железа в шлаке и его количество. Поэтому выбранный размер частиц - менее 5 мм является рациональным.

Твердый окислитель вводят вглубь металлической ванны на глубину, равную 0,1-1,0 высоты слоя жидкого металла. Эти параметры обеспечивают необходимое время пребывания частиц окислителя в расплаве, достаточное для их нагрева, расплавления и взаимодействия с элементами ванны.

Меньшее значение этого предела относится к частицам относительно небольшого диаметра порядка менее 0,1 мм, время расплавления которых и реагирования не превышает 1-2 с. Поэтому заглубление их в металл выше 0.1 м не вызывается необходимостью. Если этот параметр взять менее 0,1, то процессы тепло- и массообмена в окислителе не успеют завершиться, что нежелательно.

Наибольшее значение этого параметра - 1 относится к частицам с увеличением до 5 мм диаметром. Введение в металл их на большую глубину обеспечивает более длительное пребывание их в металле в течение времени, достаточном для их нагрева, расплавления и завершения взаимодействия кислорода с элементами ванны. Значение параметра является предельно возможным и пределы 0,1-1 гарантирует обработку всего объема металла в ванне частицами твердого окислителя и высокую эффективность использования твердого окислителя.

Количество вводимого в металл по ходу рафинирования твердого окислителя, равное 70-95% от общего расхода его на плавку, обеспечивает максимальную эффективность способа, позволяя использовать для рафинирования большое количество кислорода из оксидов твердого окислителя. Благодаря относительно высокой доли окислителя, подаваемого непосредственно в металлическую ванну и снижению доли газообразного кислорода, достигается быстрое и полное окисление углерода и других элементов за счет кислорода, вносимого твердым окислителем. В результате этого обеспечивается также эффективное и полное удаление кремния, марганца, углерода и других элементов без дополнительного окисления железа, неизбежно сопровождающее рафинирование газообразным кислородом.

Если количество окислителя составляет менее 70%, то вносимого им кислорода не хватает для рафинирования чугуна от примесей. Это вызывает необходимость введения дополнительного количества твердого окислителя на поверхность металлической ванны. В этом случае резко ухудшается интенсивность подвода кислорода в металл. Объясняется это тем, что поверхность раздела шлак-металл невелика и составляет всего 0,2-0,4 м²/т металла, что на несколько порядков меньше удельной поверхности контакта окислителя с жидким расплавом. Это замедляет рафинирование металла, удлиняет длительность плавки, увеличивает энергозатраты, а также ухудшает использование вводимого окислителя и тепла дожигания СО до CO₂.

Возможным вариантом устранения дефицита кислорода в данном случае является увеличение расхода кислородного дутья. Однако это сопровождается дополнительным испарением железа, повышенным его переходом в шлак и в дым, снижением выхода железа, ухудшением экологии.

При расходе окислителя в период рафинирования менее 70%, количество окислителя, вводимого в завалку до заливки железоуглеродистого расплава, возрастает и превышает потребности ванны на окисление примесей металлической ванны Si, Mn, Cr и др. Избыток окислителя частично расходуется на окисление углерода, происходящее во время заливки, что нежелательно по соображениям безопасности и экологии, часть его также всплывает в шлак, увеличивая его массу и окисленность и снижая эффективность использования твердого окислителя. Поэтому снижение этой цифры ниже 70% нежелательно.

Если количество твердого окислителя по ходу рафинирования, превышает 95% от общего его расхода на плавку, то это вызывает сокращение расхода этого реагента, вводимого в завалку, до уровня менее 5%. Количество кислорода, вносимое в этом случае окислителем, оказывается недостаточным для окисления примесей, содержащихся в заливаемом расплаве, особенно при использовании природно-легированных чугунов, имеющих повышенную концентрацию Ti, V, Si, Mn, Cr, P и др. Поэтому увеличение этого показателя сверх 95%и соответствующее снижение расхода окислителя в завалку нецелесообразно. Пределы 70-95% отвечают наилучшим показателям предлагаемого способа выплавки.

Суммарный расход твердого окислителя на плавку поддерживают в пределах 2-30%, гарантирующих достижение наибольшего эффекта предлагаемого способа. Нижний предел 2% выбран из условия ограничения ввода кислорода лишь количеством, необходимым для окисления кремния, ванадия, хрома, фосфора и т.д., за исключением углерода. Выбранная величина позволяет провести рафинирование чугуна от этих примесей, обладающих повышенным сродством к кислороду по сравнению с углеродом при температуре заливаемого чугуна. За счет этого достигается избирательное рафинирование чугуна от примесей и сохранение подавляющего количества углерода в металле. Если это значение уменьшить ниже 2%, то количество введенного окислителя окажется недостаточным. Это не позволит завершить рафинирование чугуна от примесей в процессе заливки и вынудит перенести эту задачу на последующие периоды плавки. Верхний предел 30% определен из условия ввода кислорода в количестве, обеспечивающем потребности ванны в окислителе для полного обезуглероживания ванны при доле жидкого чугуна в металлозавалке 100%. Увеличение этого показателя сверх 30% не нужно, так как количество твердого окислителя получается излишним и он не будет использован по своему прямому назначению - для окисления углерода. При большем количестве окислителя избыток его перейдет в шлак, способствуя тем самым росту массы шлака и содержания оксидов железа в нем. В свою очередь, это замедляет процессы тепломассопереноса в системе шлак-металл, увеличивает потери железа со шлаком и приводит к перерасходу окислителя. Поэтому пределы 2-30% отвечают условию достижения наибольшей эффективности предлагаемого способа.

Твердый окислитель подают совместно с легкоплавкими шлакообразующими материалами и/или синтетической шлаковой смесью, собственная температура плавления которых ниже температуры плавления твердого окислителя. Совместный ввод этих материалов обеспечивает понижение температуры плавления оксидного компонента, равной 1300-1400°С, до температуры, соответствующей или меньшей температуры заливаемого чугуна. Это ускоряет переход твердого окислителя в расплавленное состояние и повышает активность оксидов железа. При этом скорость взаимодействия примесей чугуна (кремния, марганца, хрома и др.) с оксидами железа существенно возрастает, поскольку процессы диффузии кислорода в жидкой частице протекают намного быстрее по сравнению с твердой фазой. В сочетании с малым размером вводимого в металл частиц окислителя это обеспечивает эффективное рафинирование чугуна от его примесей как во время заливки жидкого чугуна на твердый окислитель, продолжительность которого невелика и составляет всего 2-4 мин, так и при вводе окислителя в объем металлического расплава по ходу плавления, окислительного рафинирования и доводки. Добавки к твердому окислителю компонентов, способствующих образованию жидкой шлаковой фазы с высоким содержанием оксидов железа, обеспечивает более полное окисление элементов чугуна и повышенное восстановление железа, содержащихся во вводимом окислителе. В качестве разжижающих реагентов могут быть использованы различные вещества и отходы производства, содержащие фториды и оксиды кальция, марганца, магния, нат