Конвертерное производство стали

Учебные материалы

Бессемеровский способ

Кислый способ, футеровка конвертера выложена из динасового огнеупорного кирпича. Применяется при переплавке в сталь чугуна марок Б1 и Б2, содержащих строго ограниченное (максимально допустимое в сталях) количество фосфора и серы. Это объясняется тем, что в конвертерах или в других печах с кислой футеровкой невозможно удалять вредные примеси S и Р.

Плавка стали в конвертере состоит в следующем:

Конвертер ставится в горизонтальное положение.
Заливается жидкий чугун.
Подается воздушное дутье под давлением Р = 3÷3,5 атм. (который окисляет примеси) и одновременно с этим конвертер ставится в вертикальное положение.

Во время плавки в кислом конвертере наблюдается 3 периода:

1) Окисление Fe, Mn, Si и образуется шлак

Длится процесс окисления 3-6 минут.

2) Выгорание углерода, т.е. его окисление, жидкость кипит:

СО вырвавшись из стали догорает ярким пламенем высотой 8-10 метров

3) Пламя прекращается и появляется бурый дым, что означает горение железа, а сам дым – частицы окислов железа. Необходимо побыстрее прекратить подачу воздуха и процесс плавки окончен.

Если углерода в стали осталось меньше необходимого по марки выплавляемой стали, то состав по С доводится добавлением в стали небольшого количества высокоуглеродистого чугуна и ферросплавов Fe-Mn, Fe-Si и Al.

Процесс плавки длится 20-30 минут, емкость конвертеров всего до 30г.

Этот метод экономичный, эффективный и распространенный. Сталь содержит незначительное количество кислорода (кислород вредная примесь, FeO повышает хрупкость стали, усиливает склонность к старению и повышает порог хладноломкости), поэтому кислая (бессемеровская) сталь более пластичная, следовательно более качественная, по сравнению со сталями выплавляемыми в основных печах.

В настоящее время развитие конвертерного производства идет по расширению кислородно-конвертерного способа, емкость которых до 250-300т.

Томасовский способ

Томасовский способ – продувка через жидкий металл воздуха, но футеровка основная и благодаря этому становится возможным удаление фосфора. Футеровка доломитовая (МgO, СаО). Применяется для переплавки в стали чугунов марок Т-1 и Т-2, содержащих повышенный % фосфора до 2,2% и серы.

В томасовском конвертере процессы окисления протекают в такой же последовательности, как и в бессемеровском, за исключением того, что в третьем периоде идет бурное окисление фосфора, за счет чего резко повышается температура стали и сталь становится более качественной и пластичной.

Для удаления Р и S в конвертер загружается 12-14% от веса заливаемого чугуна – известняк СаСО₃:

Р₂О₅(СаО)₄ – очень прочное соединение и ценное удобрение для сельского хозяйства.

– FeS + СаО → СаS + FeО, где СаS – непрочное соединение, поэтому вводят Mn:

СаS + MnO → MnS + СаО, где MnS – не переходит в ванну, если остается, то это более тугоплавкое соединение нежели FeS + Fe (t_плавл. ≈ 988°С).

В настоящее время томасовский способ в нашей стране почти не применяется, так как высокофосфористых и высокосернистых руд у нас мало.

Рассмотренные конвертерные способы выплавки стали имеют следующие преимущества:

Высокая производительность (время плавки 20-30 мин.).
Простота конструкций печей (конвертеров) и следовательно малые капитальные затраты.
Малые эксплуатационные затраты.
Не требуется при плавке специально вводить тепло, так как оно получается в конвертерах за счет реакций окисления примесей.

Значительный угар железа (до 13%).
Невозможность переплавлять в больших количествах скрап (металлический лом).
Более низкое качество стали (главный недостаток конвертирования) – например, за счет продувки воздухом в стали увеличивается содержание азота (до 0,025-0,048%), которое заметно снижает качество стали.
Из-за непродолжительности процесса невозможно в конвертерах выплавлять стали сложного химического состава, а из-за невысоких температур (наибольшая t_плавл. = 1600°С) невозможно добавлять тугоплавкие легирующие компоненты (W, Mo, Nb и т.д.).

Таким образом до настоящего времени конвертерное производство стали было ограничено из-за вышеизложенных недостатков. В конвертерах выплавлялись лишь простые углеродистые стали обыкновенного качества.

Кислородно-конвертерный способ производства стали

В настоящее время промышленная индустрия настолько окрепла, что стало возможным в больших промышленных количествах получать промышленно чистый кислород. Продувая чугун кислородом имеется возможность выплавлять в них стали по качеству близкие к мартеновским. Кроме того благодаря применению О₂ в конвертерах производительность их еще более повышается и также повышается температура ванны (t_плавл. повышается до

2500°С), что позволяет уже в большем количестве в конвертерах переплавлять скрап. Кислородно-конвертерное производство позволило в последние годы выплавлять в конвертерах до 40% от общего количества выплавляемой стали.

Рисунок 1.2 – Кислородно-конверторный способ:

1 – горловина для загрузки, 2 – цилиндрическая часть,
3 – стальное кольцо с цапфами, 4 – съемное днище

При этом способе кислород подается в ванну жидкого чугуна в конвертере сверху, через охлаждаемую водой фурму.

Конвертерные установки с донной кислородно-топливной продувкой – в 1,5 раза превосходят по производительности 2-х ванную мартеновскую печь (при сохранении баланса металлолома).

Кислородный конвертер

Для производства стали применяют три хорошо отработанных технологических процесса: мартеновский, кислородно-конвертерный, электроплавильный. Согласно статистике наибольшее количество стали в мире выплавляют, используя кислородный конвертер. На него приходится более 70% всей выплавляемой стали.

Основы этого метода были разработаны в начале тридцатых годов двадцатого века. Применять его приступили на австрийских заводах, расположенных в двух городах Линце и Донавице только в пятидесятые годы двадцатого века. В зарубежной технической литературе по металлургии этот способ получения стали именуется буквами ЛД. Это название возникло из первых букв австрийских городов. У наших металлургов он именуется как кислородно-конвертерный.

Разновидности кислородно-конвертерного способа

В кислородных конвертерах технология выплавки происходит по одному из двух хорошо известных способов. Они носят имя своих создателей: томасовский и бессемеровский. Однако современные технологии шагнули далеко вперёд. Так содержание азота в томасовской и бессемеровской стали выше в три раза, чем в конвертерной или мартеновской.

Разница между ними заключается в реализации технологических решений и применяемого огнеупорного материала. В томасовском процессе достаточно сложно производить контроль над протеканием периодов плавки. Бессемеровский процесс позволяет производить продувку воздухом через дно самого конвертера.

По способу организации продувки кислородно-конвертерный процесс бывает: с верхней, нижней или донной, комбинированной продувкой.

Первый способ обеспечивает наилучшие условия следующих технологических процессов: подачи в конвертер кислорода для продувки, более эффективный вывод лишних газовых скоплений, удобную заливку жидкого чугуна, дополнительную загрузку металлического лома и других дополнительных материалов.

Конвертеры с нижней продувкой всегда сделаны с меньшим объемом, по сравнению с конвертерами, обладающими верхней продувкой. Для реализации продувки через дно в нижней части конвертера монтируют от семи до двадцати специальных устройств, называемых фурмами. Их количество зависит от объёма конвертера. Монтируют эти устройства в той части дна, которая поднимается над уровнем расплавленного металла в момент наклона конвертера. После освобождения от содержимого осуществляется этап продувки. Существенно повышается скорость движения молекул углерода к поверхности. Это снижает общее содержание химического элемента в расплаве. Таким образом, появляется возможность получать сталь, в которой процент содержания оставшегося углерода очень маленький.

Кроме углерода, удаётся получить лучшее удаление серы. Осуществляя продувку со стороны дна, удаётся повысить на 2% количество получаемого металла.

Последний способ позволяет объединить некоторые достоинства обоих методов и в то же время устранить некоторые имеющиеся недостатки. Продувка мощным потоком кислорода производиться сверху вниз. Снизу вверх производят продувку инертным газом, например аргоном. Иногда для снижения общей стоимости вместо инертных газов применяют азот. Применение комбинированной продувки позволяет добиться следующих положительных показателей:

увеличить объём выплавляемого металла;
процент добавляемого металлического лома может быть повышен;
добиться существенного снижения требуемых ферросплавов;
уменьшить требуемое количество кислорода для продувки;
снизить содержания различных газовых примесей, что позволяет повысить качество стали.

Технология кислородно-конвертерного способа

Устройство кислородного конвертера достаточно простое. По внешней форме конвертер выглядит как большой сосуд. Сверху он заканчивается сужающейся горловиной. Такая форма верхней части позволяет обеспечивать благоприятные условия для организации верхней продувочной системы. Вся загрузка компонентов в конвертер осуществляется сверху. Принцип работы кислородного конвертера заключается в следующем: в него заливают расплавленный чугун (он служит топливом для кислородного конвертера), засыпают металлический лом, загружают дополнительные материалы. В центральной части металлического корпуса конвертера располагается механизм поворота. С его помощью происходит наклон конвертера для слива готовой стали. В конвертерах, у которых объём превышает 200 тонн, применяют мощный двухсторонний привод. Для этого используют четыре мощных электрических двигателя, по два с каждой стороны.

При выборе размера верхней горловины учитывают, что целесообразно производить загрузку исходного материала, например стального лома не по частям, а сразу весь объём. Это позволяет сократить общее время, которое требуется на весь технологический процесс. Однако при увеличении размера горловины конвектора начинают увеличиваться общие тепловые потери. Происходит повышение содержания азота. Это происходит за счёт того, что через широкую горловину происходит самопроизвольное подсасывание дополнительного кислорода из окружающего воздуха. Вместе с кислородом попадает и азот. Этот дополнительный азот растворяется в металле и приводит к снижению качества.

Во многих странах наиболее распространёнными являются конвертеры с объёмом от 20 тонн до 450 тонн. Продолжительность конвертерного процесса выплавки стали не превышает 50 минут.

Сохранение надёжности протекания химических реакций при конвертерном процессе выплавки стали происходит благодаря поддержанию температуры более 1400°C. Для обеспечения этих условий металлический корпус конвертера внутри выкладывается огнеупорным материалом (обычно это специальный шамотный или тугоплавкий кирпич). На первом этапе производят загрузку кислородного конвертера. После этого, приступают к подаче кислорода. Требуемое количество подаваемого воздуха для обеспечения одной плавки составляет 350 кубических метров.

Кислород с большой скоростью вступает в химическую реакцию с расплавленным чугуном. Это позволяет удалить избыточный углерод. Присутствующие в металле серу и фосфор одновременно превращают в шлак. Такая технологическая цепочка позволяет остановить плавку в тот момент, когда уровень содержания углерода достигнет заданных технических условий. Это позволяет получать довольно большую номенклатуру углеродистых сталей и добиваться низкого содержания серы, фосфора и других примесей.

Контроль происходящих процессов и качество металла, осуществляют методом периодического отбора проб. Они позволяют определить степень оставшегося в расплаве газообразного углерода. Когда процент содержания углерода достигнет заданного, процесс продувки кислородом останавливают. По завершению технологической цепочки, сталь выливают в специальный ковш. Оставшийся шлак удаляют через специальный слив в конвертере.

Особое внимание уделяется контролю количества и скорости подачи кислорода. Процент содержания кислорода регулируют введением в конвертер охладителей. Функции охладителей могут выполнять: металлолом, железная руда, известняк.

Схема кислородного конвертера

Всё равно в готовой стали всегда сохраняется определённый процент кислорода. Он вступает в реакцию окисления с железом. Таким образом образуется окись железа. Чтобы снизить содержание этой окиси (провести операцию восстановления железа), в ковш добавляют так называемые раскислители. Если процесс так называемого раскисления произошел технологически правильно, в результате остывания отсутствует процесс выделения газов. Такую сталь металлурги называют спокойной. Для получения такой стали, в качестве раскислителей, в расплав добавляют сначала добавки на основе ферромарганца. На конечном этапе добавляют ферросилиций. В конце плавки — обыкновенный алюминий.

Вся технологическая цепочка производства стали подразделяется на следующие этапы:

окисление присутствующих добавок;
последовательные химические реакции (сначала окисление кремния; затем марганца, на завершающем этапе углерода);
дефосфорация;
десульфурация;
шлаковое образование;
процесс общего раскисления.

Если весь кислород не был удалён, продолжается образование окиси железа. Кроме этого, при остывании продолжается химическая реакция взаимодействия углерода и железа. Она приводит к выделению окись углерода. Его интенсивное образование и последующее выделение из расплава хорошо видно визуально. Процесс напоминает закипания воды в чайнике. Подобная сталь на языке профессионалов называется «кипящей». Для устранения этого эффекта в расплав добавляют ферромарганец.

Присутствие в жидком металле растворенных газов, которые не успевают выйти, приводит к образованию пустот. Они серьёзно снижают качество всего полученного металла. Чтобы не допустить таких образований, на этапе плавки, производят специальную дегазацию. Чтобы добиться наилучшего эффекта, эту операцию проводят в специальных вакуумных камерах. Таким образом удаётся существенно повысить плотность и улучшить физико-механические свойства полученной партии металла.

Достоинства и недостатки кислородно-конвертерного способа

К основным достоинствам способа относятся:

по сравнению с другими процессами выплавки у него более высокая производительность;
конструктивная схема самого кислородного конвертера достаточно проста (обыкновенный металлический резервуар, то есть корпус, внутри которого находится огнеупорный материал);
низкая стоимость расходов на огнеупоры;
невысокая себестоимость получаемой стали;
низкие капитальные затраты на строительство, даже с учётом добавления стоимости на строительство кислородных станций.

Опыт эксплуатации конвертеров показал, что экономическая эффективность превышает мартеновский способ на 14%, а электроплавильный на 25%.

К наиболее явно выраженным недостаткам относятся:

необходимость загрузки в конвертер только жидкого чугуна. Добавление и последующая переработка металлического вторсырья возможна только в небольшом количестве (не более 10%);
на этапе технологической продувки вместе с углеродом выгорает достаточно большое количество полезного железа. Технологические потери могут достигать 15%;
возникают сложности в организации системы контроля и регулирования конвертерного процесса выплавки стали. Это связано с высокой скорость протекания химических процессов;
недостаточный контроль не позволяет получать сталь точно заданных технических характеристик.

Область применения конвертерных видов стали

Имеющиеся недостатки несколько ограничивают область применения подобной стали. Из неё производят такие деталей, к которым не предъявляют повышенные технические требования. В кислородных конвертерах получают продукцию трёх видов: углеродистую, легированную и низколегированную сталь. Эти марки используются для изготовления проволоки (катанки), труб небольшого диаметра, отдельных видов рельс.

Специальные изделия активно применяются в строительстве. Практически вся так называемая автоматная сталь изготавливается по конвертерной технологии. Из неё производят большое количество метизной продукции: болты, гайки, шурупы, саморезы, скобы и так далее.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Производство стали в конвертерах

Обогащение дутья кислородом увеличивает производительность конвертеров и улучшает качество стали. Ускоренное окисление примесей сокращает длительность продувки и улучшает тепловой баланс конвертера: потери тепла зависят от продолжительности передела и количества газов, которое при обогащенном дутье уменьшается. В результате этого выявляются резервы тепла, позволяющие вводить охлаждающие добавки — скрап или железную руду и этим резко увеличить производительность по стали.

Растворимость азота пропорциональна корню квадратному из парциального давления его в газах:

Полная замена воздушного дутья техническим кислородом могла бы полностью исключить азот из газов и резко снизить содержание его в стали. Однако при продувке чугуна через днище конвертера техническим кислородом или дутьем высокого обогащения окислительные процессы развиваются с такой высокой интенсивностью и с таким большим выделением тепла, что из за местного перегрева у входа дутья фурмы и днище быстро прогорают и требуют частой замены. В связи с этим обогащение дутья кислородом возможно не более чем до 35%. Продувая чугун воздухом, обогащенным до 30% О₂, удается получить сталь с концентрацией азота 0,008—0,005%, близкую по качеству к мартеновской. Полное исключение азота из дутья возможно путем применения кислорода в смесях с водяным паром или двуокисью углерода. Диссоциация Н₂О и СО₂ способствует поглощению избытка тепла и предупреждает местный перегрев, сохраняя фурмы и днище от преждевременного износа. Азот в стали таким путем снижается до содержания

0,002%. Хорошо удаляются фосфор и сера. Продувка чугуна газовыми смесями распространена на ряде европейских заводов.

Кислородно-конвертерный процесс

Идея окисления чугуна кислородом сверху возникла при обдуве металла в ковше в 1934 г. А. И. Мозговым. В промышленном масштабе она была осуществлена на заводах Австрии в Линце и Донавице в 1952—1953 гг. С тех пор доля стали, выплавленной в кислородных конвертерах, непрерывно возрастает. Способ заключается в обработке жидкого чугуна в глуходонных конвертерах кислородом, подаваемым при высоком давлении (800—1200 кН/м 2 ) вертикальной фурмой, введенной через горловину (рис.).

Рис. Схема кислородно-конвертер ной продувки при обычном (а) и вы соком (б) положении фурмы

Применение технического кислорода делает процесс независимым от состава чугуна; даже при малом содержании одного или нескольких элементов, дающих наибольший приход тепла (Si, Мn, Р), можно конвертировать чугун в сталь. Основная футеровка и основные шлаки позволяют успешно перерабатывать чугун с повышенным содержанием фосфора и серы. Кислородно конвертерным способом перерабатывают чугун любого состава, однако наиболее выгодно следующее содержание примесей: 3,7-4,4% С; 0,3-1,7% Si; 0,4-2,5% Мn; 0,3% Р; 0,03—0,08% Возможность конвертерного передела мартеновского чугуна по зволяет упростить доменное производство данного завода выплавкой одного вида чугуна для двух передельных цехов. Чугун с содержанием 0,2—0,3% фосфора продувают с промежутокным сливом и наводкой нового шлака, в Советском Союзе при обычном содержании фосфора до 0,15% этого не требуется. Количество добавляемого скрапа определяется содержанием кремния и марганца в чугуне и его температурой; оно достигает 25—30% от массы чугуна. Железная руда, применяемая как охладитель, должна содержать менее 8% SiО₂. Расход извести составляет до 9% от массы металлической шихты.

Конструкция кислородного конвертера

Кислородный конвертер показан на рис. 2. Емкость современных конвертеров составляет от 70 до 300 т, в настоящее время в строятся конвертеры на 300 т, а в ближайшем будущем будут строиться конвертеры на 350 т стали и более. Корпус конвертера — сварной, изготовлен из стальных листов толщиной 50—100 мм. Конвертеры новой конструкции имеют так называемую «тигельную» форму, т. е. делаются без разъемов. Цапфами, закрепленными на корпусе секторами или кольцом, конвертер опирается на станины. Для поворачивания 100•т конвертера ставят два электродвигателя. Мощность каждого электродвигателя равна 95 кВт. Футеровка кислородного конвертера— двухслойная: слой, примыкающий к кожуху, изготовлен из магнезитового кирпича и служит несколько лет, внутренний слой, рабочий, заменяемый при каждом ремонте, выполнен из смолодоломитового или смолодоломитомагнезитового кирпича и выдерживает до 600 плавок.

Кислородное дутье подают вертикальной водоохлаждаемой фурмой, которую можно перемещать по высоте. Она состоит из трех коаксиально сваренных труб. По внутренней трубе подается кислород, по наружным — подводится и отводится охлаждающая вода. Формирование кислородной струи производится медной головкой с одним или несколькими соплами. Сопло Лаваля позволяет подавать кислород со скоростью более 500 м/с

Изменяя расстояние от фурмы до поверхности ванны, управляют глубиной внедрения струи и образования зоны контакта ее со шлаком и металлом. Окислительные процессы в шлаке и на границе шлак — металл регулируют изменением расхода кислорода. В реакционной зоне возникают высокие температуры, достигающие 2200—2400° С. Они вызывают испарение железа и его окисление в газах с выделением из конвертера бурого дыма. По этой причине из газов кислородных конвертеров необходимо улавливать пыль, состоящую из окислов железа, Кислородно-конвертерный цех (рис. 225) состоит из четырех пролетов — загрузочного, конвертерного и двух разливочных. Разливочные пролеты современных цехов имеют машины литья заготовок (МНЛЗ).

Рис. 2. Кислородный конвертор емкостью 100—130 т

Кислородно-конвертерный процесс по химизму не отличается от бессемеровского и томасовского. Здесь также сначала окисляется железо, образующаяся закись железа растворяется в металле, переходит в шлак, образуя железистый шлак и окисляет примеси чугуна. Высокое давление дутья [(9,8—11,7) •10 5 кН/м 2 ] и его сильное окислительное воздействие в малой по объему реакционной зоне с высокими температурами создают условия для одновременного или практически одновременного окисления примесей, чугуна (Si, Мn, С). Периоды окисления отдельных элементов, типичные для донной продувки чугуна воздухом, здесь выражены слабо (рис. 4). Окисление кремния заканчивается за первые 3—5 мин. Марганец окисляется одновременно, однако с меньшей полнотой, а затем частично вновь восстанавливается из шлака.

Рис. 3. Поперечный разрез здания кислородно-конвертерного цеха с конвертерами емкостью 100—130 т:

1— конвертер; 2 — камин для приема конвертерных газов; 3 —мостовой заливочный кран грузоподъемностью 180/50 т; 4 — мостовой разливочный кран грузоподъемностью 180/50 т; 5 — консольный кран грузоподъемностью 5 т; 6 — консольный поворотный кран; 7 — тележка для изложниц грузоподъемностью 160 т; 8 — тележка для шлакового ковша емкостью 16 м 3 ; 9 — самоходный сталевоз с ковшом емкостью 130 т; 10 — кран грузоподъемностью 3 т; 11 — бункера для запаса сыпучих; 12— весы-дозаторы; 13— чугуновоз с ковшом емкостью 140 т

Важная особенность кислородно-конвертерного процесса — возможность окисления фосфора вскоре после подачи кислоро-

да и дальнейшее усиление дефосфорации. Это объясняется быстрым образованием необходимого известково-железистого шлака. Окисление углерода также начинается сразу после начала подачи дутья. Средняя скорость выгорания углерода составляет 0,4—0,5% С/мин. Интенсивное выделение газовых пузырей поднимает уровень расплавов и создает режим заглубленной струи.

Десульфурация происходит в менее благоприятных условиях, чем дефосфорация, но успешнее, чем при донном воздушном дутье, достигая 40%, причем до 1 /₁₀ серы переходит в газы в виде SO ₂.

Возможность быстрого образования основного шлака в начале продувки позволяет успешно перерабатывать фосфористые чугуны, получая годные для удобрения шлаки, богатые Р₂О₅. Один из способов состоит в применении кусковой извести. В конвертере оставляют конечный шлак предыдущей плавки, добавляют к нему до 7б общего расхода извести, продувают, вводя постепенно еще 20—25% СаО и железную руду. В слитом после этого шлаке оказывается не менее 20% Р₂О₅. Продолжая продувку, добавляют скрап, остальное количество извести и железную руду. По другому способу (OLP) известь в виде порошка вдувают через кислородную фурму. Железную руду загружают перед продувкой и после слива промежуточного шлака. Во втором периоде добавляют скрап (охладитель), остальную известь и необходимое количество железной руды.

Рис. 4. Изменение состава и температуры металла (а) и состава шлака (б) по ходу кислородно-конвертерного процесса в конвертере емкостью 100 т

Применение технического кислорода резко улучшает качество конвертерной стали, прежде всего по азоту, концентрация которого снижается до 0,007—0,002%. Механические свойства кислородно-конвертерной стали приближаются к свойствам мартеновской стали и даже превышают их.

В настоящее время освоена выплавка кислородным конвертированием малоуглеродистой (кипящей и спокойной), рельсовой, низколегированной, динамной, трансформаторной, судостроительной, электротехнической и других сталей.

Тепловой баланс передела позволяет перерабатывать большие количества скрапа и использовать железную руду, что повышает технико-экономическую эффективность кислородно-конвертерного производства. С увеличением емкости конвертеров до 300—350 т эффективность производства увеличивается. Расход на передел кислородно-конвертерным процессом — низкий, основная доля в себестоимости стали — стоимость материалов; строительство и ввод в действие конвертеров и конвертерных цехов осуществляется в более короткие сроки и значительно дешевле мартеновских. Эти особенности определили на ближайшее время кислородно-конвертерное производство— основным направлением развития сталеварения.

Статья на тему Производство стали в конвертерах

КОНВЕРТЕРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

В настоящее время конвертерное производство является основным производителем стали: из 798,5 млн. т. всей выплавляемой в мире стали 541 млн. т. приходится на долю конвертерного металла (около70 %).

В России работают 8 цехов с 22 конвертерами емкостью 9х(300-350 т) и 13х160 т общей мощностью 35 млн. т. Технический уровень конвертерных цехов достаточно высок, а лучшие из них по своей оснащенности и технологическим возможностям входят в число ведущих цехов мира.

Предшественниками современного конвертерного процесса, называемого кислородно-конвертерным были бессемеровский и томасовский способы конвертирования. В настоящее время эти способы практически не используются.

Генри Бессемер, прирожденный изобретатель, получил за свою жизнь более 120 патентов. Один из них – способ получения стали, запатентованный 17 октября 1855 года, открыл новую эпоху в черной металлургии. Бессемер расплавил в керамическом тигле пять килограммов доменного чугуна, затем продул через полученный расплав воздух через вставленную в ванну керамическую трубку. После такой обработки нековкий чугун превратился в ковкое железо. Эту первую бессемеровскую сталь прокатали в морском арсенале. В коллекции Iron and Steel Institute хранится проба этой стали, к которой посетители относятся как к реликвии.

Кислородно-конвертерный процесс был впервые реализован в промышленном варианте в 1952 г. и в течение последующих десятилетий получил интенсивное развитие и быстро вытеснил мартеновский процесс практически во всех промышленно развитых странах.

Приоритетное развитие процесса объясняется прежде всего его существенными технико-экономическими преимуществами в сравнении с другими сталеплавильными процессами:

— высокой производительностью кислородных конвертеров (до 450 т/ч) и мощностью современных конвертерных цехов до 6…8 млн. т стали в год;

— высокой технологической гибкостью процесса, т.е. возможностью переработки различных шихтовых материалов и прежде всего чугунов различного химического состава;

— возможностью производства сталей широкого сортамента – от углеродистых обыкновенного качества до качественных, низко- и среднелегированных;

— простотой конструкции агрегатов, низким расходом огнеупорных материалов, относительно невысокой трудоемкостью ремонтов при высокой стойкости огнеупорной футеровки;

— возможностью внедрения систем отвода конвертерных газов без дожигания (снижение капитальных затрат, увеличение интенсивности продувки ванны кислородом и использование отводимого СО в качестве вторичного энергоносителя);

— эффективное управления процессом (удобен для автоматизации) и обеспечение выпуска металла с минимальным количеством корректировок температуры и химического состава при работе на стабильной металлошихте.

Недостатками процесса являются:

— вдувание большого количества газообразного кислорода от 2,5 до 4,5 м 3 /(т . мин) в достаточно ограниченный объем металла, что приводит к целому ряду нежелательных последствий – переокислению и перегреву металла в реакционной зоне и, как следствие, к интенсивному испарению железа и необходимости сооружения дорогостоящих систем газоочистки;

— ограничения по количеству перерабатываемого лома в конвертерном процессе вследствие его аутотермичности и напряженности теплового баланса процесса;

— достаточно высокая ресурсо- и особенно энергоемкость процесса;

— определенные трудности при выплавке углеродистых сталей (рельсовая, металлокорд, инструментальные и др.) из-за недостатка тепла и трудности остановки продувки при высоком содержании углерода;

— трудность удаления серы по ходу процесса.

В основу конвертерного производства положена обработка жидкого чугуна газообразным окислителем, при этом извне дополнительный подвод тепла не производится, и процесс осуществляется за счет химического тепла экзотермических реакций окисления примесей и физического тепла чугуна.

Конвертер (рис. 32) представляет собой стальной сосуд грушевидной формы. Внутренняя часть футерована огнеупорным материалом. Конвертер цапфами опирается на стойки и имеет возможность поворачиваться при заливке жидкого чугуна, выпуске стали и шлака.

Размеры и форма конвертера влияют на показатели процесса и должны обеспечивать продувку без выбросов металла через горловину.

Для своих опытов Бессемер использовал цилиндрический конвертер высотой чуть более 1м, выполненный из листового железа футерованного изнутри. Поскольку об оптимальных размерах устройства и возможностях процесса ничего не было известно, в один из дней произошло следующее. Не прошло и десяти минут после начала продувки, как из отверстия в крышке внезапно выбился фонтан искр, который с каждым мигом становился все сильнее и сильнее, пока не превратился в большой столб пламени. Вслед за этим раздались глухие хлопки и высоко в воздух начал выбрасываться расплавленный металл и шлак. Конвертер стал напоминать вулкан во время извержения. Так как подойти к вулкану и отключить подачу дутья было невозможно, Бессемер оказался в положении беспомощного наблюдателя: в любое мгновенье мог начаться пожар или произойти взрыв. Но, к счастью, не произошло ни того, ни другого, и спустя несколько минут извержение прекратилось. Выпущенный из потухшего вулкана металл оказался ковким железом.

Диаметр горловины равен 0,4 — 0,6 диаметра рабочего пространства, который составляет 4 – 7 м.

Горловина конвертера больше всего подвержена высокотемпературной пластической деформации вследствие теплоизлучения металла и газов в период плавки. Поэтому для увеличения срока службы горловины применяют водяное охлаждение, иногда горловину выполняют съемной.

Наружная часть – кожух конвертера выполняют сварным из листов стали толщиной до 110 мм.

Днищеможет быть неотъемным и отъемным (в этом случае облегчается и ускоряется ремонт футеровки, но уменьшается прочность и надежность конструкции нижней части кожуха).

Механизм поворотаобеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360 о со скоростью 0,1 — 1 м/мин.

Футеровкасостоит из арматурного слоя, прилегающего к кожуху, промежуточного и рабочего слоя, обращенного внутрь конвертера. Арматурный слой выполняется из обожженного магнезитового или магнезитохромитового кирпича и имеет толщину 110 — 250 мм. Он длительное время не требует замены. Промежуточный слой, защищающий основной арматурный слой, выполняется из смолодоломитового кирпича. Рабочий слой выполняют из безобжигового смолодоломитового или доломитомагнетизитового кирпича. Толщина рабочего слоя составляет 380 — 750 мм для конвертеров разной вместимости. Общая толщина футеровки конвертеров в зависимости от вместимости 700 — 1000 мм.

Условия эксплуатации огнеупоров в конвертерах значительно сложнее, чем при других способах производства стали. Это обусловлено следующими причинами: 1) интенсивным перемешиванием стали при продувке кислородом; 2) ударным воздействием загружаемых материалов; 3) действием знакопеременных нагрузок, возникающих при вращении конвертера; 4) резкими колебаниями температуры в период от одной плавки до выпуска стали следующей плавки; 5) действием высоких температур; 6) образованием большого количества пыли.

Огнеупоры для кладки конвертера должны обладать высокой химической стойкостью, сопротивляемостью размывающему воздействию потоков металла и шлака и противоударной устойчивостью загрузке шихты.

Бессемеровский конвертер имел кислую футеровку, поэтому не был пригоден для использования в процессе плавки чугуна с высоким содержанием фосфора (содержание фосфора должно быть 3 /мин.

Наибольшее распространение получили трех- и четырехсопловые фурмы. Головки этих фурм имеют веерообразно расходящиеся сопла, наклоненные под углом 6 – 15 о к оси фурмы. Стойкость фурм – 70 — 100 плавок.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Конвертерный и мартеновский способы производства стали

Конвертерный процесс плавки осуществляют в конвертерах — плавильных агрегатах грушевидной формы, изготовленных из стального листа и выложенных внутри основным кирпичом. В процессе работы конвертер можно поворачивать па цапфах вокруг горизонтальной оси на 360° для загрузки скрапа и других компонентов (известь, боксит, плавиковый шпат), заливки чугуна, слива стали, шлака и т.д.

Исходные шихтовые материалы (чугун, скрап, известь, боксит, плавиковый шпат) вводят в конвертер через горловину (рис. 2.8, а, б). Количество скрапа составляет 25. 30 % от массы чугуна. Чугун, используемый для переработки в кислородных конвертерах, должен содержать 3,7. 4,4 % углерода, 0,7. 1,1 % марганца, 0,4. 0,8 % кремния,

Рис. 2.8. Последовательность операций при выплавке стали в кислородных конвертерах:

а — загрузка твердых исходных материалов; 6 — заливка жидкого чугуна; в — кислородное дутье; г — выпуск стали; д — слив шлака

0,03. 0,08 % серы, ОД5. 0,30 % фосфора. Температура заливки чугуна — 1250. 1400 °С. Известь необходима для наведения шлака, боксит и плавиковый шпат для его разжижения.

После ввода исходных шихтовых материалов внутрь конвертера через горловину вводят водоохлаждаемую кислородную фурму и начинают подавать кислород (рис. 2.8, в). Фурму устанавливают строго вертикально по оси конвертера. Ее поднимают специальным механизмом, сблокированным с механизмом вращения так, что конвертер нельзя повернуть, пока из него не удалена фурма. Во время продувки чугуна кислородом конвертер находится в вертикальном положении. Одновременно с началом продувки и далее, по мере надобности, в конвертер загружают шлакообразующие материалы.

В зоне контакта кислородной струи с металлом (0,9. 1,4 МПа) кислород окисляет все примеси, но наиболее интенсивно — железо, так как его концентрация во много раз выше концентрации примесей:

Образовавшийся оксид железа FeO растворяется в металле и частично в шлаке. Растворяясь в металле, он обогащает его кислородом:

В результате этого окисление примесей происходит как кислородом, растворенным в металле, так и оксидом железа на границе шлак — металл по реакциям:

Удаление фосфора происходит путем связывания его известью и оксидом с образованием фосфата кальция, поглощенного шлаком:

При повышенном содержании фосфора в жидком металле (более 0,15 %) производят промежуточный слив шлака и наведение нового путем загрузки шлакообразующих элементов.

Удаление серы происходит по реакции:

Поскольку высокое содержание оксида железа FeO (до 7. 20 %) затрудняет протекание реакции удаления серы из металла, то для передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с ограниченным содержанием серы (до 0,07 %).

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному содержанию его в стали. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.8, г), раскисляя ее. Для этого в ковш добавляют ферромарганец, затем ферросилиций и алюминий. Раскисляющие элементы, соединяясь с кислородом, образуют нерастворимые в металле окислы, всплывающие в шлак. Затем шлак сливают из конвертера (рис. 2.8, д).

В кислородных конвертерах трудно выплавлять легированные стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому такие конвертеры используют для получения конструкционных углеродистых и низколегированных сталей, содержащих 2. 3 % легирующих элементов. Последние вводят в ковш в виде ферросплавов, предварительно расплавив их в электропечи.

К технико-экономическим показателям конвертерной плавки относятся производительность (т/ч), себестоимость 1 т конвертерной стали и расход 0₂ на 1 т металла. В связи с тем что процесс плавки составляет 25. 50 мин, производительность конвертеров достигает

400. 500 т/ч. Расход кислорода колеблется от 1,8 до 4,0 м 3 на 1 т стали.

Процесс плавки мартеновским способом осуществляется в мартеновских печах — пламенных отражательных регенеративных плавильных агрегатах (рис. 2.9). Основной частью мартеновской печи является плавильное пространство 12, образуемое передней 5 и задней 10 боковыми стенками и сводом 11. В передней стенке печи нахо-

Рис. 2.9. Схема мартеновской печи

дятся загрузочные окна 4 для подачи шихтовых материалов в печь. В задней стенке расположено сталевыпускное отверстие 9. С обоих торцов сталеплавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с нагретым воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство.

Для подогрева воздуха печь оборудована двумя воздухонагревателями (регенераторами) 1, в которых размещены насадки из огнеупорного кирпича, выложенного в клетку. Оходящие от печи газы при температуре 1500. 1600 °С попадают, например, в левый воздухонагреватель и нагревают его насадку до температуры 1250. 1280 °С. Воздух, поступая в печь через нагретый, например, правый воздухонагреватель, нагревается до температуры 1100. 1200 °С, в головке 2 печи смешивается с топливом (мазут, газ) и на выходе из головки образует горящий факел 7, направленный на шихту 6. Факел имеет температуру

1750. 1800 °С, нагревает рабочее пространство и шихту и способствует окислению примесей шихты при плавке.

Отходящие газы, направляясь в левую головку, очищаются в очистных устройствах (шлаковиках) от шлака и пыли, нагревают насадку и в охлажденном виде покидают печь через дымовую трубу 8.

За расплавлением шихты, окислением значительной части примесей и разогревом металла наступает период «кипения» ванны. При этом в печь загружается руда или ванна продувается поступающим по трубам 3 кислородом, способствующим созданию оксида углерода. В это время может отключаться подача смеси топлива и воздуха в печь и удаляться шлак.

В качестве топлива в мартеновских печах используют природный газ или мазут. Футеровка печи может быть основной и кислой. Если при плавлении стали в шлаке преобладают кислотные оксиды, мартеновский процесс называется кислым, если основные соединения — основным. Кислую футеровку изготовляют из динасового кирпича, верхний рабочий слой набивают кварцевым песком, а о с н о в — н у ю — футеровку выполняют из магнезитового кирпича, на который набивают магнезитовый порошок.

Свод мартеновской печи не соприкасается со шлаком, поэтому его делают из динасового или шамотного кирпича независимо от типа процесса, осуществляемого в печи.

Наибольшее количество стали получают в мартеновских печах с основной футеровкой, так как в этом случае возможно переделывать в сталь различные шихтовые материалы, в том числе и с повышенным содержанием фосфора и серы.

Посредством кислого мартеновского процесса выплавляют качественные стали, которые содержат значительно меньшее количество растворенных газов, неметаллических включений, чем стали, полученные в основной печи. Поскольку в печах с кислой футеровкой нельзя навести основный шлак, способствующий удалению фосфора и серы, то при плавке в таких печах применяют металлическую шихту с низким содержанием серы и фосфора. Благодаря этому кислая сталь имеет более высокие показатели механических свойств, особенно ударной вязкости и пластичности. Ее используют для ответственных деталей: коленчатых валов судовых двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников, стволов орудий и т.д.

В зависимости от состава металлической шихты, используемой при плавке, различают следующие разновидности мартеновского процесса:

1) скрап-процесс, при котором основной частью шихты является стальной скрап (кроме скрапа входит 25. 46 % чушкового передельного чугуна);
2) скрап-рудный процесс, при котором основная часть шихты состоит из жидкого чугуна (55. 75 %), а твердая часть — из скрапа и железной руды; применяется на заводах, имеющих доменные печи.

При скрап-рудном процессе по окончании прогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун, который, проходя через слой скрапа, взаимодействует с железной рудой. В период плавления примеси чугуна интенсивно окисляются за счет восстановления железа из руды и скрапа:

В этот период плавления полностью окисляется кремний и марганец, большая часть углерода и фосфора.

Для ускорения плавления и окисления производят продувку ванны кислородом через специальные фурмы, опускаемые в расплав через отверстия в своде печи. При этом в процессе плавления происходит дальнейшее удаление фосфора по реакции

Образовавшийся фосфат кальция удаляется со скачиваемым из печи шлаком. Но окончании расплавления шихты наступает период кипения.

В процессе кипения в печь дополнительно подают некоторое количество железной руды или продувают ванну кислородом, что создает условия для окисления содержащегося в металле углерода с образованием оксида углерода. В это время отключают подачу топлива и воздуха в печь, в результате чего давление газов в плавильном пространстве печи уменьшается, и выделяющийся оксид углерода вспенивает шлак. Появляющиеся при кипении пузырьки оксида углерода интенсивно перемешивают металл, выравнивая его состав и температуру по объему ванны. Кроме того, на своем пути они захватывают растворенные в металле водород и азот и способствуют всплытию взвешенных неметаллических включений. Сера удаляется в конце периода кипения:

Шлак начинает вытекать из печи через завалочные окна в шлаковые чаши. Эта операция называется скачиванием шлака. Вместе со шлаком удаляется значительное количество фосфора и серы. После этого вновь включают подачу топлива и воздуха, давление газов в печи возрастает, шлак перестает вспениваться и его скачивание прекращается.

Для более полного удаления из металла серы и фосфора в печи наводят новый шлак. Процесс кипения считают закончившимся, если содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание серы и фосфора минимально.

После этого приступают к раскислению. Металл раскисляют в два этапа: в период кипения, путем прекращения подачи руды в печь (вследствие чего раскисление происходит за счет углерода, содержащегося в металле) и подачи в ванну раскислителей: ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное раскисление стали производят в ковше при выпуске ее из печи. При выплавке легированных сталей легкоокисляющиеся легирующие элементы вводят в ванну после раскисления, перед выпуском металла из печи. Плавку считают готовой, когда сталь имеет заданный химический состав и температуру.

Мартеновской плавкой получают углеродистые и разнообразные марки легированных сталей. Посредством основного скрап-рудного процесса преимущественно выплавляют углеродистые стали, так как чугун, известняк и железная руда вносят в металл много вредных примесей. Наиболее качественную, чаще всего легированную сталь получают в кислых мартеновских печах.

Технико-экономические показатели мартеновской плавки:

? средний объем стали с 1 м 2 площади в сутки (в современных печах составляет приблизительно 10 т/сут.);
? расход топлива на 1 т выплавки стали (до 80 кг/т);
? расход кислорода на 1 т стали;
? расход жидкого чугуна на 1 т стали (кг/т);
? себестоимость 1 т стали.

Пути повышении эффективности мартеновской плавки:

? интенсификация металлургических процессов (обогащение дутья кислородом);
? улучшение конструкции печи;
? увеличение интенсивности продувки ванны кислородом и вдувание угольной пыли в жидкую ванну.

Наиболее эффективной является замена обычных мартеновских печей прямоточными двухванными сталеплавильными агрегатами. В этих печах имеются две ванны: в то время как в одной из них протекают процессы загрузки, прогрева, плавления, в другой происходят металлургические процессы получения стали. Двухванные печи не имеют регенераторов, просты по конструкции, в обслуживании и ремонте. Производительность таких печей в 2. 3 раза выше при снижении затрат топлива в 4. 6 раз.