В электродуговой сталелитейной промышленности стадия окисления играет важнейшую роль в определении чистоты стали, эффективности рафинирования и общего металлургического качества. На этой стадии осуществляется обезуглероживание, дефосфоризация и десульфуризация посредством контролируемых реакций окисления, образования шлака и перемешивания расплава, что обеспечивает эффективное удаление газов, флотацию включений и регулирование химического состава.
Надлежащий контроль стадии окисления необходим не только для достижения требуемого качества стали, но и для ограничения времени плавки, снижения износа огнеупорных материалов и предотвращения излишнего энергопотребления.
Как следует определять степень обезуглероживания на стадии окисления?
Необходимая степень обезуглероживания на стадии окисления в электродуговой печи зависит от нескольких факторов, включая требования к марке стали, методы рафинирования и качество лома. В целом, более низкое качество сырья или более строгие требования к качеству стали требуют более высокой степени обезуглероживания.
Производственная практика показывает, что недостаточное обезуглероживание не обеспечивает эффективного удаления газов и включений. Напротив, чрезмерное обезуглероживание не приводит к значительному улучшению качества стали, а, наоборот, увеличивает время рафинирования, усиливает эрозию огнеупорных материалов и влечет за собой неоправданный расход энергии и рабочей силы. Следовательно, чрезмерное обезуглероживание не является ни экономически, ни технически оправданным.
В практике окислительной рафинировки количество обезуглероживания на стадии окисления обычно считается оптимальным в диапазоне 0,20%–0,50%.
Как следует контролировать скорость обезуглероживания?
Скорость обезуглероживания напрямую влияет на поведение ванны и эффективность рафинирования. Если скорость слишком низкая, кипение ванны слабое, что приводит к недостаточному дегазации и плохому удалению включений. Если скорость слишком высокая, обезуглероживание может завершиться за короткое время, вызывая сильное перемешивание ванны, обнажение стали, сильное повторное окисление и усиление эрозии огнеупора. В крайних случаях могут произойти разбрызгивание или потеря металла.
Следовательно, для обезуглероживания в электродуговых печах требуется контролируемая и умеренная скорость реакции. Соответствующая скорость обезуглероживания должна обеспечивать, чтобы скорость дегазации расплавленной стали превышала скорость поглощения газа, одновременно позволяя включениям всплывать и эффективно удаляться. В обычных условиях продувки кислородом скорость обезуглероживания обычно контролируется в пределах 0,005%–0,05% в минуту.
Сходства и различия между условиями дефосфоризации и десульфуризации
Процессы дефосфоризации и десульфуризации на стадии окисления имеют ряд общих требований к шлаку:
- Достаточный объем шлака
- Высокая основность шлака
- Хорошая текучесть шлака
Однако оптимальные условия реакции у них существенно различаются:
- Для дефосфоризации предпочтительны более низкие температуры, тогда как для десульфуризации требуются более высокие температуры.
- Для дефосфоризации требуется относительно высокое содержание FeO в шлаке (приблизительно 14–20%), тогда как для десульфуризации необходим низкий окислительный потенциал шлака.
В результате, одновременный контроль процессов обезуглероживания, дефосфоризации и десульфуризации на стадии окисления требует тщательного баланса температуры, состава шлака и его окислительной способности.
Как можно повысить эффективность обезуглероживания и дефосфоризации?
Практические меры по повышению эффективности обезуглероживания и дефосфоризации на стадии окисления включают в себя:
- При благоприятных температурных условиях можно добавить соответствующее количество окислителей (таких как железная руда или окалина) для ускорения дефосфоризации на ранней стадии.
- Сочетание продувки кислородом с добавлением окислителя для усиления реакций окисления.
- Поддержание относительно высокой и стабильной основности шлака, как правило, в пределах 0–3,0.
- Обеспечение достаточного электропитания для поддержания температуры расплавленного расплава в активном реакционном режиме.
Типичные сценарии работы на стадии окисления
Низкое содержание углерода и низкая температура
Когда содержание углерода и температура на стадии окисления низкие, можно подавать небольшой поток кислорода на поверхность шлака, одновременно добавляя в печь углеродный порошок для ускорения пенообразования шлака. Одновременно следует подавать максимальную электрическую мощность для повышения температуры ванны. При необходимости можно добавлять отработанный ферросилициевый порошок или аналогичные материалы, используя химическое тепло для восстановления температуры.
Высокое содержание углерода и фосфора
Такое состояние обычно наблюдается на ранней стадии окисления. Правильный метод включает добавление извести и продувку шлака для ускорения дефосфоризации, а также подачу энергии для повышения температуры, поддерживая основность шлака выше 2,0. По мере повышения температуры и улучшения кипения расплава следует продолжать добавление извести вместе с соответствующим количеством железной руды или окалины, обеспечивая одновременное протекание процессов обезуглероживания и дефосфоризации.
Когда пенообразование шлака стабилизируется и станет возможен автоматический отвод шлака, часть шлака может быть слита. На основе химического анализа можно добавить известь и окислители для дальнейшего усиления обезуглероживания и дефосфоризации, подготавливая таким образом стадию удаления шлака. По сравнению с традиционным подходом «сначала дефосфоризация, затем обезуглероживание», эта комбинированная операция помогает сократить время рафинирования.
Высокое содержание углерода и низкое содержание фосфора
Высокое содержание углерода и низкое содержание фосфора. В этом случае температуру ванны следует контролировать в пределах 1550–1580 °C, а основность шлака поддерживать в диапазоне от 2,0 до 2,8. Чрезмерно высокая основность увеличивает вязкость шлака и препятствует обезуглероживанию, в то время как недостаточная основность ослабляет реакцию и увеличивает риск бурного кипения.
В процессе обезуглероживания, если температура ванны становится слишком высокой, для контроля температуры и обезуглероживания, а также для одновременного удаления остаточного фосфора, можно добавлять железную руду или окалину, а также продувать кислородом.
Низкое содержание углерода и высокое содержание фосфора, а также переход к стадии восстановления.
Когда содержание углерода низкое, но содержание фосфора высокое, окислительная способность шлака обычно высока, а его текучесть хорошая. В этой ситуации следует добавлять известь, смешанную с углеродным порошком, для поддержания основности шлака выше 2,0, периодически добавляя известь с углеродным порошком для снижения содержания FeO и стимулирования пенообразования шлака. Это улучшает покрытие дуги и усиливает дефосфоризацию на границе раздела сталь-шлак.
Для улучшения теплопередачи следует применять перемешивание расплава. Если текучесть и температура шлака позволяют, для его растекания можно использовать продувку кислородом с малым потоком. После завершения дефосфоризации и достижения соответствующей температуры шлак следует удалить. Затем на открытую поверхность расплавленной стали можно добавить углеродистые науглероживающие вещества, после чего происходит образование шлака для перехода к стадии восстановления.
Если обезуглероживание на стадии окисления недостаточное, качество стали может ухудшиться. В таких случаях для улучшения чистоты стали часто требуется перемешивание аргоном в ковше после выпуска шлака. Крайне важно обеспечить адекватную температуру во время удаления шлака; в противном случае может произойти обратное образование фосфора из-за плавления лома в холодной зоне.
Примечание о сфере применения и сфере действия процесса.
Приведенное выше обсуждение посвящено стадии окисления в традиционном трехстадийном процессе выплавки стали в электродуговой печи.
Следует отметить, что в гражданском и коммерческом сталелитейном производстве современные электродуговые печи все чаще характеризуются большой производительностью, высокой эффективностью и интеллектуальным управлением и стали основным технологическим направлением. Однако традиционная практика трехступенчатых электродуговых печей остается незаменимой для некоторых специальных марок стали и при специфических региональных условиях производства.
Более того, несмотря на различия в масштабах оборудования и уровне автоматизации, основные металлургические принципы, регулирующие обезуглероживание, дефосфоризацию, десульфуризацию, контроль шлака и поведение расплавленной ванны, в значительной степени являются общими для традиционного и современного производства стали в электродуговых печах. По этой причине понимание процесса окисления в традиционной практике электродуговых печей по-прежнему имеет важное инженерное и практическое значение.
