Конвертерное производство стали

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.

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

Разновидности кислородно-конверторного производства стали

Около 70% стали от общего объема мирового производства изготавливается конвертерным способом. До середины прошлого столетия для получения стали применялись бессемеровский и томасовский процессы. Однако в дальнейшем сталь начали производить усовершенствованным кислородно-конвертерным способом. В настоящее время предшественники современного метода практически не применяются.

Суть конвертерного производства

В конвертерном производстве применяются специальные сталеплавильные агрегаты, называемые конвертерами. Производство стали осуществляется путем продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Данный металл содержит различные примеси, в том числе кремний, углерод и марганец. Примеси окисляются под действием кислорода и удаляются из расплава. Основным преимуществом конвертерного способа является то, что для работы сталеплавильного устройства не требуется топливо. Сталь расплавляется под действием тепла, которое выделяют окисляющиеся примеси.

Принцип бессемеровского способа

Впервые массовое получение жидкой стали стало возможным в 1856 году благодаря Г. Бессемеру – изобретателю из Англии. Он придумал, как нагреть металл до температуры, превышающей 1500°С. Именно такая температура необходима для того, чтобы расплавить металл с пониженным содержанием углерода.

Бессемеровский процесс предусматривает продувку расплава атмосферным воздухом. Для этих целей применяются конвертеры, у которых внутренняя часть камеры сгорания защищена динасовым кирпичом. Благодаря такой защите бессемеровский способ называют кислой футеровкой конвертера.

Плавка в бессемеровском сталеплавильном агрегате осуществляется путем заливки чугуна при температуре 1250–1300°С. Следует заметить, что для выплавки бессемеровских чугунов требуются железные руды с низким содержанием серы и фосфора.

Залитый чугун продувают воздухом, в результате чего происходит окисление углерода, марганца и кремния. При окислении образуются оксиды, формирующие кислый шлак. Продувку воздухом заканчивают после того, как углерод окислится до требуемых значений.

Далее металл через горловину сливают в ковш, попутно его окисляя. У такого способа присутствует один существенный недостаток, заключающийся в невысоком качестве конечного продукта, который получается слишком хрупким за счет неполного удаления серы и фосфора.

Принцип томасовского способа

В 1878 году англичанину С.Г. Томасу удалось устранить главный недостаток бессемеровского способа. Кислую футеровку конвертера он заменил основной. Внутренний защитный слой в ванной был выложен смолодоломитовым кирпичом. А чтобы удалить из металла большую часть примесей, он предложил использовать известь, функция которой заключалась в связывании фосфора.

Томасовский процесс позволил перерабатывать чугун с высоким содержанием фосфора. Поэтому наибольшее распространение данный способ получил в странах, где железные руды содержат много фосфора. Во всем остальном метод, изобретенный Томасом, мало чем отличается от предложенного Бессемером:

• и в том, и в другом случае используется сталеплавильный агрегат, в который чугун подается сверху через отверстие в горловине;
• через это же отверстие производится выпуск стали.
• снизу сталеплавильный агрегат снабжен съемным днищем, что позволяет заменять его по мере выработки определенного срока службы;
• дутье в полость сталеплавителя поступает через специальные сопла, расположенные в футеровке днища.

Как уже говорилось выше, слив стали производится через отверстие в горловине. Перевернуть многотонный агрегат позволяют цапфы в цилиндрической части конвертера. При томасовском процессе в сталеплавитель загружают известь, позволяющую получить основной шлак. Далее туда же заливают высокофосфористый чугун, нагретый до 1200–1250°С и подают дутье. При подаче дутья происходит окисление кремния, марганца и углерода. В основной шлак удаляются сера и фосфор. Продувка завершается тогда, когда содержание фосфора снизится до определенных показателей. Окончательным этапом, как и в бессемеровском процессе, является выпуск металла с последующим раскислением.

Принцип работы кислородного конвертера

Впервые кислородное дутье было запатентовано Г. Бессемером. Однако в течение продолжительного времени кислородно-конвертерный процесс не применялся, в связи с отсутствием массового производства кислорода. Первые опыты по продувке кислородом стали возможными в начале сороковых годов прошлого столетия.

Устройство кислородного конвертера осталось прежним:

• камера сгорания изнутри защищена основной футеровкой;
• однако вместо воздуха в нем применяется продувка кислородом;
• подача кислорода осуществляется через водоохлаждаемые сопла.

На территории России применяются сталеплавители с верхней подачей кислорода.

Особенностью конвертерного способа с кислородной продувкой является скоротечность. Весь процесс расплавления металла занимает десятки минут. Однако во время работы требуется тщательно отслеживать содержание в чугуне углерода, температуры его расплава и прочие параметры, чтобы вовремя прекратить продувку.

Процесс сталеплавильного производства упростился, когда кислородные конвертеры оснастили автоматическими системами, усовершенствовали лабораторную технику и измерительные приборы. Усовершенствование кислородно-конвертерного процесса позволило повысить производительность, снизить себестоимость металла и повысить его качество.

Современные кислородные конвертеры могут работать в трех основных режимах:

• с полным дожиганием окиси углерода;
• с частичным дожиганием ОС;
• без дожигания ОС.

Они позволяют производить сталь из чугуна различного состава.

Кислородный конвертер – описание процесса плавки

Кислородный конвертер – это стальной сосуд грушевидной формы. Его внутренняя часть защищена смолодоломитовым (основным) кирпичом. Вместимость сталеплавильного агрегата варьируется от 50 до 350 тонн. Сосуд распложен на цапфах и способен поворачиваться вокруг горизонтальной оси, что позволяет беспрепятственно заливать в него чугун, закладывать другие добавки и сливать металл со шлаком.

Чтобы получить конечный продукт, в конвертер заливается не только чугун, но и закладывают добавки. К ним относятся:

• лом металла;
• шлакообразующие материалы (железная руда, известь, полевой шпат, бокситы).

Конвертерный способ с кислородной продувкой предусматривает заливку в конвертер чугуна, нагретого до 1250–1400°С. Установив конвертер в вертикальное положение, в него подают кислород. Как только началась продувка, в расплавленный чугун вводят остальные компоненты, входящие в состав шлака. Перемешивание чугуна со шлаком осуществляется под действием продувки.

Так как концентрация чугуна гораздо выше, чем примесей, в процессе продувки происходит образование оксида железа, который растворяясь, обогащает металл кислородом. Именно растворенный кислород способствует уменьшению в металле концентрации кремния, углерода и марганца. А когда примеси окисляются, выделяется полезное тепло.

Особенностью основного шлака является большое содержание оксида кальция и оксида железа, которые в начале продувки способствуют удалению фосфора. Если же содержание фосфора превышает требуемый показатель, шлак сливают и наводят новый. Продувку кислородом заканчивают, когда содержание углерода в конечном продукте соответствует определенному параметру. После этого конвертер переворачивают и производят слив стали в ковш, куда добавляют раскислители и другие добавки.

Видео по теме: Основы кислородно конвертерного производства

Конвертерный способ производства стали

Бурное развитие промышленности и транспорта привело к росту потребления конструкционного железа (мосты, рельсы, фермы, балки) и способствовало внедрению процесса бессемерования чугуна, осуществленного Г. Бессемером в 1856 г.

Процесс ведется в конвертере и основан на продувке воздуха через слой жидкого чугуна, окисляющего содержащиеся в чугуне примеси. Выгорание примесей сопровождается выделением тепла, за счет которого без подогрева извне металл и шлак сохраняются, в течение всего процесса в жидком виде.

Конвертер состоит из трех частей — днища, корпуса и шлема, соединенных между собой болтами. Днище и корпус обычно цилиндрические или слегка суживающиеся книзу. Шлем имеет форму усеченного конуса с меньшим основанием вверху. Верхнее отверстие шлема, называемое горловиной, служит для заливки чугуна, выхода газов в процессе продувки, слива шлака и выпуска стали. Кожух из толстых стальных листов футеруется огнеупорным материалом (динасовым кирпичом), а днище — массой, состоящей из кварца и огнеупорной глины. Емкость конвертера до 40 т чугуна. Размеры его, выбираемые для переработки определенного количества чугуна, определяются из такого расчета, чтобы толщина слоя заливаемого чугуна не превышала 400—500 мм, а величина объема над ванной была в 10—11 раз больше объема жидкой ванны. При таком соотношении размеров обеспечивается хорошая продувка металла воздухом и отсутствуют выплески металла.

Общий вид конвертера приведен на рис. 75.

Днище конвертера делается отъемным и после сушки и обжига огнеупорной набивки устанавливается на место. Она выдерживает 20—25 плавок и после этого заменяется. Длительность службы футеровки стен достигает 3000 плавок.

Под днищем крепится воздушная распределительная коробка, в которую поступает сжатый воздух, подаваемый через фурмы в конвертер.

Кожух конвертера охвачен массивным опорным кольцом, имеющим по бокам две опорные цапфы, с помощью которых конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси.

Выпускаемый из доменных печей чугун сливается в приемник, называемый миксером. В миксере усредняется состав чугуна и поддерживается постоянный его запас, необходимый для бесперебойной работы конвертеров и мартеновских печей. Миксер вмещает до 2000 т чугуна и представляет собой стальной бочкообразный горизонтально расположенный сосуд, стенки и днище которого футерованы огнеупорным кирпичом (рис. 76).

Миксер боковой цилиндрической поверхностью опирается на ролики и может поворачиваться для выливки из него чугуна. Свежие порции чугуна, поступающего из доменного цеха, заливаются через специальное отверстие сбоку миксера.

Конвертер приводят в горизонтальное положение и заливают в него жидкий чугун. При этом нет опасности заливания и замораживания фурм, так как они находятся выше расплава. Затем, подав дутье и исключив тем самым возможность попадания расплава в фурмы, конвертер поворачивают и приводят в рабочее (вертикальное) положение.

В зависимости от содержания примесей продувка длится 10—20 мин., после чего готовый металл выливают через горловину конвертера в ковши. Конвертер емкостью 25—30 т способен переработать около 1200 т чугуна за 24 часа.

Бессемеровский процесс можно применять для чугуна, содержащего достаточно большие количества углерода (около 4%), кремния (от 1 до 1,5%) и небольшие количества серы (0,06%) и фосфора (0,07%).

Возможность протекания реакций окисления и их последовательность в значительной степени зависят от сродства металлов к кислороду: чем оно больше, тем прочнее образующийся окисел и тем легче при данных условиях окисляется элемент.

Из элементов, входящих в состав чугуна, наибольшее сродство к кислороду имеет кремний, причем с ростом температуры и изменением концентрации металлов последовательность их окисления может изменяться. Так до 1300° углерод окисляется после кремния и марганца, а при температуре выше 1470° углерод окисляется в первую очередь. На процесс окисления примесей существенно влияет также растворимость окислов в железе: если образующийся окисел растворяется в железе, то окисление примеси ускоряется.

При процессе бессемерования вдуваемый воздух в первую очередь окисляет железо, которого во много раз больше, чем примесей. Образующаяся закись железа приходит в контакт и взаимодействие с примесями, отдавая им свой кислород. Окисление за счет кислорода, связанного с закисью железа, превалирует над окислением примесей непосредственно кислородом дутья.

При продувке чугуна различают три периода.

Первый период соответствует окислению железа до закиси, передающей кислород кремнию и марганцу, которые окисляются и переходят в шлак. Этот период длится 3—4 мин. и сопровождается повышением температуры от 1300 до 1600°, При этом протекают следующие реакции:

2Fe + O2 = 2FeO + 123 920 кал;

Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe + 88 280 кал;

Mn + FeO = MnO + Fe + 30 200 кал.

Второй период соответствует окислению углерода, причем образующаяся окись углерода интенсивно сгорает, образуя в горловине факел белого пламени:

В то время как окисление кремния и марганца сопровождается выделением тепла, окисление углерода закисью железа протекает с поглощением тепла. Вот почему бессемеровские чугуны должны содержать достаточно кремния и марганца, т. е. быть «горячими» в химическом отношении.

Третий период характеризуется окислением остатков кремния, марганца и даже части железа. Удаляемые при этом из конвертера при высокой температуре пары металлов окисляются до высших окислов, окрашивающих газы в бурый цвет.

Так как в процессе продувки трудно оставить в ванне необходимое количество углерода, то в ванну добавляют чугун, а в последнее время прекращают продувку при достижении необходимого содержания углерода в металле, что исключает необходимость проведения третьего периода бессемерования.

Образующийся при бессемеровании шлак содержит около 55% SiO2, 25% FeO и 20% MnO, его выход по отношению к чугуну составляет 5—7%.

При продувке холодного чугуна или чугуна, содержащего мало кремния и марганца (что затрудняет проведение процесса бессемерования), в конвертер вводят кремнистые или марганцовистые сплавы.

При продувке перегретого или химически горячего (содержащего много кремния и марганца) чугуна происходит преждевременное выгорание углерода при больших остаточных количествах кремния и марганца. В этом случае в конвертер загружают холодные куски металла, поглощающие избыточную часть тепла для своего расплавления.

Существенным недостатком бессемеровского процесса следует считать невозможность удаления фосфора и серы вместе с углеродом, кремнием и марганцем, а это значительно обесценивает процесс, так как не позволяет перерабатывать большое количество чугуна, полученного из фосфорсодержащих руд.

Кислые шлаки, получаемые в бессемеровском конвертере, не могут связать образующуюся пятиокись фосфора, она восстанавливается железом и содержащимися в нем примесями до фосфора, который вновь растворяется в железе. Пятиокись фосфора прочно связывается окисью кальция в тетрафосфат кальция, но вводить в конвертер окись кальция нельзя, так как она в первую очередь будет связываться с кремнеземом из футеровки, быстро разрушая последнюю и увеличивая выход шлака.

Основная масса серы, содержащейся в чугуне в виде сернистого железа, также не может быть извлечена в кислые конвертерные шлаки.

В настоящее время не более 3—5% стали производится бессемеровским процессом.

Для переработки богатых фосфором руд, большие количества которых имелись во многих странах, был предложен конвертер с основной футеровкой из обожженного при 1300° доломита (CaCO3*MgCO3), который после обжига превращается в смесь окислов кальция и магния (рис. 77).

Томасовский конвертер подобен по конструкции бессемеровскому (конвертер на 40—50 т жидкого чугуна имеет высоту 9 м и диаметр 5 м).

Практика томасирования слагается из операций загрузки конвертера, продувки чугуна и разлива стали. В опрокинутый горизонтально конвертер загружают около 10—15% (к весу чугуна) свежеобожженной извести и нагретый до 1200—1250° чугун из миксера. Далее конвертер поворачивают в вертикальное положение и одновременно подают в него дутье.

В процессе продувки различают три периода: первый — в течение которого выгорают марганец, кремний и в некоторой степени углерод, второй — в течение которого происходит наиболее интенсивное удаление углерода и начинается удаление фосфора и третий — в течение которого происходит интенсивное выгорание фосфора и частичное окисление железа. Окисление фосфора происходит за счет закиси железа по реакции:

сопровождающейся большим выделением тепла. Образующаяся пятиокись фосфора переходит в известковистый шлак, где связывается в соединение 4СаО*P2O5. Диаграмма выгорания примесей в томасовском процессе приведена на рис. 78. Суммарная реакция окисления фосфора и ошлакования известью:

Фосфор удаляют до содержания 0,05—0,08%. При томасировании образуется шлака до 25% от веса стали, содержащего 14—20% фосфорного ангидрида — хорошего минерального удобрения. Шлаки затем размалывают и просеивают.

Так как фосфор догорает после окисления всего углерода, получающаяся сталь слишком мягка, поэтому ее науглероживают, вводя в конвертер необходимое количество бесфосфористого чугуна.

Из томасовской стали катают рельсы, крупносортные и мелкосортные изделия и листы. В Германии, Франции и Бельгии, перерабатывающих фосфористые руды, 80% стали получают томасовским процессом.

В конвертерах нецелесообразно выплавлять высококачественную сталь (с высоким содержанием легирующих компонентов), так как большинство их интенсивно выгорает при продувке металла, Величина угара примесей и самого железа достигает 8—10%.

Томассвский процесс связан с большим расходом сжатого воздуха.

Применение технически чистого кислорода в конвертерном производстве имеет ряд преимуществ по сравнению с применением воздушного дутья и дутья, обогащенного кислородом. Получаемый на технически чистом кислороде конвертерный металл приближается по качеству к мартеновской стали.

Проблема получения качественного конвертерного металла сводится в конечном счете к уменьшению газонасыщенности стали, удалению азота и кислорода. Эта проблема полностью разрешается путем применения кислородного дутья; количество азота в стали понижается с увеличением степени обогащения дутья кислородом.

Уменьшение содержания серы и фосфора в стали достигается при переработке мартеновского чугуна в конвертере с основной футеровкой.

Переработка химически холодного мартеновского передельного чугуна в конвертере возможна лишь при резком снижении потерь тепла с отходящими газами (азотом). Применение кислорода решает эту задачу. При работе на воздушном дутье потери тепла с газами составляют 27%, при работе на кислороде — 7%.

Возможность переработки передельного мартеновского чугуна расширяет сырьевую базу черной металлургии при одновременной экономии кокса, расход которого при выплавке мартеновского чугуна ниже, чем при выплавке бессемеровского.

Продувку чугуна кислородом ведут через водоохлаждаемую фурму, опущенную через горловину сверху.

Первые опыты по этому способу были произведены в России в 1933 г., после освоения этого способа конвертерный процесс должен получить весьма широкое развитие.

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.