2. Цель и задачи практической работы

В процессе выполнения работы студенты изучают классификацию кислородных конвертеров, устройство кислородного конвертера с верхней продувкой и фурмы, классификацию шихтовых материалов на плавку и их назначение, основные технологические параметры плавки и получают навыки сбора необходимой информации из литературных источников.

Выполняют расчеты основных показателей, характеризующих кислородно-конвертерный процесс и анализируют полученные результаты и оформляют отчет с выводами.

3. Теоретическая часть

3.1. Общая характеристика процесса

Конвертерное производство – получение стали в сталеплавильных агрегатах – конвертерах путем продувки жидкого чугуна кислородом.

Кислородно-конвертерный процесс, как один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом сверху впервые в промышленном масштабе был осуществлен 1952–1953 г. в Австрии на заводах в г. Линце и Доновице и назван LD – процессом (Linz-Donawitz). В мартеновском процессе коэффициент полезного использования тепла составляет 25%, в кислородно-конверторном он равен 75 %.

Кислородно-конвертерный процесс осуществляется в конвертере с основной футеровкой путем подачи технически чистого кислорода под давлением 1,82,2 МН/м² (1822 кгс/см² или 1822 ат.) через водоохлаждаемую фурму опускаемую через горловину конвертера в жидкий чугун. Чистота кислорода составляет 9899,5 % (практически отсутствуют газообразные охладители: N₂, H₂O, CO₂). Лучшие результаты для получения минимального содержания азота в стали получают при чистоте кислорода не менее 99 %. С целью образования основного шлака, связывающего фосфор, в конвертер в начале продувки добавляют известь.

Основным источником тепла является физическое тепло жидкого чугуна и тепло экзотермических реакций окисления примесей металлошихты: Si, Mn, P, C и Fe. Доля тепла, вносимого каждым из перечисленных элементов, зависит от удельного теплового эффекта реакции окисления, их процентного содержания в металлошихте (чугуне и металлоломе) и условий проведения процесса.

Под воздействием дутья примеси чугуна окисляются, выделяя значительное количество тепла, в результате этого одновременно снижается содержание примесей в металле и повышается температура, поддерживающая его в жидком состоянии. Когда содержание углерода достигает требуемого значения (количество углерода определяется по времени от начала продувки и по количеству израсходованного кислорода), продувку прекращают и фурму извлекают из конвертера. Продувка обычно длится 1222 мин. Полученный металл содержит избыток кислорода, поэтому заключительная стадия плавки – раскисление и легирование металла. Течение кислородно-конвертерного процесса (т.е. последовательность реакций окисления) обуславливается температурным режимом процесса и регулируется изменением количества дутья или введением в конвертер «охладителей» (скрапа, железной руды, извести). Средняя температура металла при выпуске около 1600 С.

Тепловой баланс конвертерной плавки должен быть замкнутым, т.е. расход тепла на нагрев стали, шлака, газов и тепловые потери не должны превышать прихода тепла.

По способу подвода кислорода в жидкую металлическую ванну конвертерные процессы подразделяются на процессы с продувкой:

– сверху (вводимой сверху через горловину);

– снизу (вводимой снизу через днище);

– комбинированным подводом дутья.

Кислородный конвертер представляет собой футерованный изнутри сосуд грушевидной формы, изготовленный из стального листа и имеющий сверху отверстие – горловину. Горловина служит для загрузки шлакообразующих материалов и скрапа, заливки чугуна, ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, слива шлака.

Конвертер состоит из трех частей (см. рисунок 1):

• верхней разъемной шлемной частью в форме усеченного конуса с меньшим основанием вверху (горловиной);

• средняя цилиндрическая часть;

• днище (разъемное или нераразъемное), имеет полусферическую чашеобразную форму, выполняют съемным для удобства ремонта или глуходнным.

Для отделения металла от шлака при сливе в ковш конвертер снабжают леткой (сталевыпускным отверстием). Кожух конвертера сваривают из толстых стальных листов толщиной от 20 до 110 мм. Футеровку делают трехслойной:

1. Арматурный (теплозащитный) слой толщиной 110250 мм, примыкающий к кожуху, выполняют из магнезитового или магнезитохромитового кирпича.

2. Рабочий (внутренний, огнеупорный) слой из смолодоломитового или смолодоломитомагнезитового (или магнезитового, магнезитохромитового, смоломагнезитового, периклазоуглеродистого) кирпича толщина которого в зависимости от емкости конвертера составляет 380750 мм.

3. Промежуточный. Между арматурным и рабочим слоем о

   1 – корпус конвертера, симметричный относительно вертикальной оси; 2 – огнеупорная футеровка, формирующая рабочее пространство; 3 – рабочее пространство; 4 – коническая горловина; 5 – опорное кольцо с цапфами; 6 – опорные узлы; 7 – станина; 8 – водоохлаждаемая кислородная фурма.

   Рисунок 1 – Схема устройства кислородно-конвертерного агрегата [6]

   бычно делают набивку толщиной 70100 мм из магнезито- или доломитосмоляной массы.

Общая толщина футеровки конвертеров емкостью 50300 тонн составляет 7001000 мм. Перед вводом конвертера в работу футеровку обжигают при 11001200С. Обычно футеровка выдерживает 450800 плавок. В настоящее время при использовании периклазоуглеродистых кирпичей и создании шлакового гарнисажа, путем раздува шлака после каждой плавки, достигнута стойкость ~15000 плавок.

Корпус конвертера крепится в опорном кольце с цапфами, опирающихся на подшипники, установленных в опорных узлах на станинах. Цапфы соединены с механизмом поворота, обеспечивающим поворот конвертера на 360 в любом направлении. Механизм поворота конвертера состоит из редукторов, связывающих цапфу с приводом через зубчатую муфту или шестеренное колесо. Во вращение приводится несколькими электродвигателями. Количество редукторов и электродвигателей зависит от емкости конвертеров, для большегрузных механизм поворота делают двухсторонним, т.е. два отдельных синхронно работающих привода. Например: 160 тонный конвертер имеет по 6 редукторов и 6 электродвигателей с каждой стороны. Частота вращения может меняться от 0,01 до 1,0 об/мин. По вертикальной оси конвертера сверху через горловину вводится водоохлаждаемая фурма. Над конвертером, кроме фурмы, находятся газоотводящий тракт и система загрузки сыпучих материалов. Под конвертером по рельсам перемещаются сталевоз и шлаковоз (тележки для сталеразливочного и шлакового ковшей). Емкости конвертеров соответствуют ГОСТ 20067–74: 50, 100, 130, 160, 200, 250, 300, 350, 400, 500 т.

По конфигурации кожуха внутреннего рабочего объема существующие конвертера можно разделить на два типа В Украине, странах СНГ, Франции, Германии выпускают конвертера первого типа с геометрией рабочего объема в форме усеченного конуса со сферическим или плоским днищем, соответствующей топографии износа футеровки. В США, Японии, Англии, Канаде используют конвертера второго типа с цилиндрической формой рабочего объема и сферическим днищем большого радиуса, что обеспечивает наибольшую глубину ванны в ее центральной части.

Водоохлаждаемая фурма (см. рисунок 2) для подачи кислорода в конвертер изготавливается обычно из трех цельнотянутых стальных труб, концентрически входящих одна в другую. По центральной трубе подается кислород, две внешние служат для охлаждения. Нижняя часть фурмы заканчивается наконечником (соплом, который привинчивается или приваривается) из красной меди, через который кислород поступает в конвертер.

Сопло представляет собой профилированную насадку, предназначенную для преобразования потенциальной энергии газового потока в кинетическую и придания ему заданного направления. Сопло может быть цилиндрическим, сужающимся или комбинированным: сужающимся и затем расширяющимся. Известно использование более сложных сопел.

Фурму устанавливают вертикально по оси конвертера. Давление воды, охлаждающей фурму, обычно 0,61,0 МН/м² (610 ат) и должно быть достаточным, чтобы разность температур воды на входе и выходе фурмы не превышало 40 С (для надежного охлаждения 1520 С). Общий расход воды для охлаждения зависит от емкости конвертера и размеров фурмы; удельный расход 0,51,0 кг/(тсек).

Давление кислорода перед соплом составляет обычно 0,91,4 МН/м² (914 ат). Интенсивность продувки обычно составляет 2,23,5 м³/(тмин). Общий расход кислорода зависит от особенностей технологии процесса и др. факторов: в 100 и 130-т типовых конвертерах он в среднем равен около 300 м³/мин. При вводе присадок сыпучих и во время выбросов расход кислорода снижается. В практике применяют односопловые (с цилиндрическими и сужающимися соплами, соплами Лаваля и др. для конвертеров малой емкости, <50 тонн) и многосопловые (чаще 34, иногда и более – 57 сопел с углом наклона 615 к оси фурмы) обычно с соплами Лаваля.

Идея многоструйных фурм заключается в рассредоточении дутья (более «мягкая» продувка), увеличении поверхности соприкосновения его с ванной; более равномерному газовыделению, более организованному движению в ванне, более спокойному ходу продувки и др., что улучшает основные показатели: выход годного (на 12 %), стойкость кладки, шлакообразование и др. Размер головки фурмы и ее выходного отверстия определяют общим минутным расходом кислорода и конструкцией фурмы (например, в 100-т конвертере диаметр выходного отверстия фурмы 8085 мм). Для увеличения стойкости в головке устанавливают распределители воды, которые направляют поток охлаждающей воды вдоль торца наконечника и крепятся к средней стальной трубе фурмы. Стойкость обычных кислородных фурм с соплом Лаваля составляет в среднем 6080 плавок.

В

а) односопловой наконечник фурмы [9];

б) четырехсопловой наконечник фурмы [3]:

1, 2, 3 – соответственно внутренняя, промежуточная и наружная труба;

4 – внутренняя торцевая часть;

5 – сопло;

6 – профилированный обтекатель;

7 – наружная торцевая часть.

Рисунок 2 – Фурма кислородного конвертера [2]

а)

б)

о время продувки в конвертере образуется значительное количество газов. Для использования тепла отходящих газов и очистки этих газов за каждым конвертером устанавливается котел-утилизатор и установка для очистки газов. Управление конвертерным процессом осуществляется с помощью электронно-вычислительных машин, в которые водится информация о показателях процесса (состав и количество чугуна, лома, извести, отходящих газов, температура и др.). Полученная после продувки жидкая сталь выпускается из конвертера в сталеразливочный ковш, установленный на электрифицированной дистанционно управляемой самоходной тележке и передается в отделения внепечной обработки и разливочное.

Применение при конвертировании кислородного дутья вместо воздушного (Бессемеровский и Томасовский процессы) позволило получать сталь с низким содержанием азота (0,0020,006 %). При кислородно-конвертерном переделе значительно увеличивается количество тепла, полученного ванной на единицу окисляющегося элемента, т.к. отсутствует расход тепла на нагрев азота, вводимого в ванну при продувке воздухом. В связи с этим появляется возможность переработки чугунов с низким содержанием кремния и фосфора, а также переплава больших количеств скрапа (до 25 %) или руды (до 5 %). Удаление фосфора возможно при высоком содержании углерода в ванне. Высокая температура способствует интенсивному окислению углерода, поэтому содержание кислорода, растворенного в металле, снижается до 0,0050,01 %. Расход кислорода на 1 т чугуна составляет 53 м³. Взаимодействие вдуваемого кислорода с ванной определяется параметрами газовых струй и устройств для их ввода в металл.

Обобщенная схема взаимодействия кислородной струи с металлом показана на рисунке 3.

I и II – первичная и вторичная реакционные зоны; III – область более спокойного (основной массы) металла; IV – зона газошлакометаллической эмульсии; V – зона отходящих газов.

Рисунок 3. – Схема взаимодействия струи газа и жидкости при малой (а), средней (б) и высокой (в) скорости дутья [8]

К первичной реакционной зоне относится область реагирования металла с газообразным кислородом в которой развиваются очень высокие температуры – до 2500 С. Она состоит из двух участков: Iа, в пределах которого газ с инжектированным металлом движется вниз, и Iб, в пределах которого всплывают пузыри кислорода, не усвоенного на участке Iа. Продукты окисления металла в первичной реакционной зоне всплывают на поверхность в виде жидких оксидов и газовых пузырей. Так как основным продуктом практически полного сжигания металла в кислороде являются оксиды железа, то при всплывании они вступают в контакт с металлом ванны и окисляют элементы, образуя вторичную реакционную зону II. В этой зоне кислород оксидов железа распределяется между окисляемыми компонентами ванны в соответствии с термодинамическими и кинетическими условиями, характерными для данной зоны. Во вторичной реакционной зоне СО всплывает как в виде небольших пузырей, так и в виде периодически возникающих крупных газовых объемов, соизмеримых с размерами первичной реакционной зоны. Достигая поверхности ванны они разрушаются с образованием всплесков металла и шлакометаллической эмульсии. С возрастанием расхода кислорода через сопло увеличивается размер реакционной зоны, величина всплывающих крупных газовых объемов и высота образующихся всплесков. Это явление – одна из причин разделения потоков кислорода путем применения многосопловых фурм.

В понятие «дутьевой режим плавки» включают:

– давление кислорода, его удельный расход в единицу времени на единицу массы продуваемой ванны (1,84,0 м³/(тмин));

– размеры и профиль сопел, через которые истекает газ в пространстве;

– положение сопел по отношению к уровню конвертерной ванны.

Изменяя положение фурмы и давление дутья можно легко и в широких пределах регулировать положение и глубину первичной реакционной зоны, а следовательно, и содержание окислов железа в шлаке, которые являются главными растворителями извести. Окислы железа в совокупности с воздействием высоких температур зоны продувки и образующегося над ванной факела (при дожигании выделяющейся окиси углерода кислородом струи) ускоряет растворение извести в шлаке. Это обуславливает быстрое формирование активного известково-железистого шлака и соответственно раннее начало дефосфорации и десульфурации, а также достаточно высокие скорости этих процессов. При одном и том же качестве стали кислородно-конвертерный процесс по сравнению с мартеновским дает экономию по капиталовложениям на 2025 %, снижение себестоимости стали на 24 % и увеличение производительности труда на 2530 %.