Глубокая дефосфорация расплава в кислородном конвертере: методы

Глубокая дефосфорация в кислородном конвертере — это критический этап металлургического процесса. Она требует строгого контроля термодинамических параметров и кинетики реакций.

Пошаговый протокол снижения содержания фосфора в конвертерной ванне до сверхнизких значений

Цель — достижение массовой доли фосфора не более 0,005% в готовой стали. Успех зависит от шлакового режима, температурной траектории и интенсивности продувки.

Фосфор окисляется по реакции: 2[P] + 5(FeO) = (P₂O₅) + 5Fe. Образовавшийся P₂O₅ крайне нестабилен в кислой среде. Его прочное связывание требует основного шлака с высокой активностью CaO.

Все операции синхронизируются с этапами продувки для максимизации коэффициента распределения фосфора (LP = (P₂O₅)/[P]²).

Необходимые материалы и оборудование

• Кислородная фурма с соплами Лаваля (расчетный расход 3,5-4,0 нм³/т·мин)
• Известь высокого качества (CaO > 92%, SiO₂ < 1,5%, фракция 20-50 мм)
• Плавиковый шпат CaF₂ (или синтетический флюс CaO-Al₂O₃)
• Магнезиальный флюс (MgO) для защиты футеровки от переосновления
• Окалина или железорудные окатыши (FeO ~70%)
• Ферромарганец (FeMn) и ферросилиций (FeSi) для раскисления
• Программируемый контроллер подачи сыпучих материалов
• Автоматизированная система отбора проб и экспресс-анализа (OES или XRF)
• Пирометр непрерывного замера температуры ванны

Алгоритм выполнения процесса глубокой дефосфорации

1. Предварительная оценка шихты. Рассчитайте содержание фосфора в чугуне и металлоломе. Исходные данные: чугун с [P] до 0,12%, доля лома 20-25%. Скорректируйте количество шлакообразующих с учетом баланса фосфора.
2. Заливка чугуна и завалка лома. Температура чугуна на выпуске должна быть не выше 1350°C. Слишком горячий чугун форсирует восстановление фосфора из шлака. Заливайте при положении конвертера 45°.
3. Опускание фурмы. Установите фурму на высоту 1,5-1,8 м над уровнем спокойной ванны. Мягкая продувка с ранним шлакообразованием необходима для экстракции фосфора.
4. Первая порция извести (60% от общего объема). Тоннами: 40-50 кг/т стали. Одновременно подайте 10-15 кг/т плавикового шпата для разжижения шлака. Начинайте продувку с интенсивностью 70% от номинальной.
5. Формирование высокоосновного шлака (CaO/SiO₂ = 3,5-4,0). Удерживайте температуру ванны в диапазоне 1520-1550°C. Если температура превышает 1560°C, приостановите продувку. Высокая температура блокирует экзотермическую реакцию дефосфорации.
6. Добавление окалины. Через 3-4 минуты от начала продувки подайте 5-10 кг/т окалины. Это увеличивает FeO в шлаке до 12-16%. FeO служит переносчиком кислорода и снижает активность P₂O₅.
7. Вторая порция извести (оставшиеся 40%). Добавьте через 6-7 минут продувки. Цель — довести основность до 4,5-5,0. Контролируйте содержание MgO на уровне 6-8% для предотвращения разрушения футеровки.
8. Интенсивная продувка. Увеличьте расход кислорода до 100% номинала. Сместите фурму ниже на 0,2-0,3 м для проникновения струи в металл. Длительность этой фазы — 2-3 минуты.
9. Отбор промежуточной пробы. Произведите отсечку фурмы и отбор пробы металла на [C], [P], [Mn]. Если [P] > 0,01%, повторите шаги 6-8 с дополнительной добавкой извести и окалины.
10. Финишное шлакорегулирование. Добавьте 2-3 кг/т плавикового шпата для подвижности шлака. Выполните кратковременную додувку (30-60 сек) при низком положении фурмы для перемешивания.
11. Контроль температуры перед выпуском. Оптимальная температура выпуска: 1620-1640°C. При температуре ниже 1600°C риск застывания шлака, выше 1660°C — рефосфорация из-за термической диссоциации шлака.
12. Отсечка шлака и выпуск. Используйте шлакоотсекающие устройства (пневматические затворы или шары). Оставляйте не менее 90% конечного шлака в конвертере, чтобы избежать рефосфорации при раскислении.
13. Раскисление и легирование. В ковш добавляйте FeMn и FeSi после выпуска. Контролируйте содержание алюминия (0,02-0,04%) для связывания остаточного кислорода. Избегайте попадания конвертерного шлака в ковш.
14. Проверка готовой стали. Проведите финальный анализ на содержание фосфора. В случае неудовлетворительных результатов (P > 0,008%) используйте вакууматор для внепечной дефосфорации или добавку синтетического шлака с высоким содержанием CaF₂.

Критический параметр — отношение CaO/FeO в шлаке. Идеальное значение: 3,5-4,5. При CaO/FeO < 3,0 шлак не насыщен известью, что снижает активность связывания P₂O₅. При CaO/FeO > 5,0 шлак становится тугоплавким, ухудшается массообмен.

Время продувки не должно превышать 14-16 минут. Затяжная продувка ведет к перегреву и неизбежной рефосфорации. Каждые дополнительные 10°C сверх оптимума повышают [P] на 0,002-0,003%.

Соблюдение этой методики гарантирует стабильное получение стали с содержанием фосфора менее 0,005% при исходном фосфоре в чугуне до 0,12%. Адаптируйте режим под конкретную марку стали и конструкцию конвертера.

Какой оптимальный расход плавикового шпата для глубокой дефосфорации?

Для эффективного удаления фосфора рекомендуется подавать плавиковый шпат в количестве 2–4 кг на тонну чугуна. Это способствует разжижению раннего шлака и ускоряет его формирование, что критически важно на начальных этапах продувки. Превышение расхода может привести к чрезмерному разъеданию футеровки.

Нужно ли добавлять железорудные окатыши для стабилизации процесса?

Да, добавка железорудных окатышей (до 10–15 кг/т) помогает поддерживать высокий окислительный потенциал шлака и корректировать его основность. Окатыши служат дополнительным источником FeO, что ускоряет переход фосфора из металла в шлак, особенно при работе с низкотемпературным расплавом.

Какая температура расплава является оптимальной для начала дефосфорации?

Наиболее эффективная дефосфорация протекает в интервале 1350–1450 °С. При более низких температурах скорость окисления фосфора падает, а выше 1500 °С возможно обратное восстановление фосфора из шлака в металл. Важно удерживать тепловой режим с помощью регулировки дутья и добавок охладителей.

Сколько времени должна длиться продувка при глубоком удалении фосфора?

Для достижения содержания фосфора менее 0,02% рекомендуется продувка длительностью 18–25 минут. Критический период — первые 8–12 минут, когда формируется активный шлак. После этого интенсивность дефосфорации снижается, и необходимо следить за шлаковым режимом без увеличения времени продувки, чтобы избежать переокисления.

Как бороться с рефосфорацией (возвратом фосфора из шлака) в конце плавки?

Главные меры — присадка небольших порций извести (3–5 кг/т) за 2–3 минуты до выпуска и снижение интенсивности продувки до 60–70% от номинала. Также эффективно кратковременное повышение уровня фурмы на 10–15 см для дожигания CO до CO₂, что повышает окисленность шлака и фиксирует фосфор в нерастворимой форме.