3 Конвертерное производство стали

3.1 История конвертерного производства стали

Конвертерный способ получения стали был предложен в 1855г. английским механиком Генри Бессемером. Метод заключался в переделе чугуна в сталь путем продувки жидкого чугуна воздухом, подаваемым через днище конвертера. Разработанный Бессемером агрегат для продувки чугуна, (от англ. con­verter — преобразователь), представлял собой вращающийся вокруг горизонталь­ной оси сосуд, состоящий из металлического кожуха, футерованного изнутри кислым (динасовым) огнеупорным кирпичом. В футерованное днище вставляются шамотные фурмы с отверстиями для подачи воздуха, кото­рые называются соплами.

Наличие кислой футеровки предопределяло работу бессемеровского конвертера с кислыми шлаками, поэтому Бессемеровский процесс применялся только для пере­дела низкофосфористых руд.

В 1878 г. англичанином Сиднеем Томасом была решена задача удаления фос­фора из чугуна продувкой в конвертере с основной футеровкой, в качестве кото­рой был использован обожженный доломит, и при наличии высокоосновного шла­к. Для получения высокоосновного шлака в конвертер загружали известь. Спо­соб переработки высокофосфористых чугунов путем продувки воздухом в кон­вертерах с основной футеровкой получил название томасовского, а конвертер с основной футеровкой — томасовского конвертера.

Достоинства и недостатки бессемеровского и томасовского процессов

Достоинства бессемеровского и томасовского процессов — высокая произво­дительность, простота устройства конвертера, отсутствие необходимости применять топливо, малый расход огнеупоров и связанные с этим более низкие, чем при марте­новском и электросталеплавильном процессах капитальные затраты и расходы по переделу.

Однако обоим процессам присущ большой недостаток — повышенное содержа­ние азота в стали (0,010—0,025 %), вызываемое тем, что азот воздушного дутья растворяется в металле. По этой причине бессемеровская и томасовская сталь обла­дают повышенной хрупкостью и склонностью к старению. Для получения стали с пониженным содержанием азота в 1950—65 применялись способы продувки снизу парокислородной смесью и смесью кислорода и углекислого газа, а также метод продувки дутьем, обогащен­ным кислородом.

В 50-х годах XX века в ряде стран Европы были разработаны и внедрены многочисленные варианты конвертерного процесса с при­менением кислорода. Эти процессы получили общее название кисло­родных конвертерных процессов.

В период с 1955 по 1975 гг. бессемеровский и томасовский про­цессы и их разновидности были вытеснены кислородно-конвертер­ными процессами с верхней и нижней подачей дутья.

3.2 Устройство кислородного конвертера с верхней продувкой

Кислородно-конвертерный процесс — это выплавка стали из жидкого чугуна с добавкой лома в конвертере с основной футе­ровкой и продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму.

Кислородно-конвертерный процесс, обладает рядом преимуществ по сравнению с мартеновским и электростале­плавильным процессами:

1) более высокая производительность одного работающего ста­леплавильного агрегата (часовая производительность мартеновских и электродуговых печей не превышает 100 т/ч, а у большегрузных конвертеров достигает 400—500 т/ч);

2) более низкие капитальные затраты, т. е. затраты на сооруже­ние цеха, что объясняется простотой устройства конвертера и воз­можностью установки в цехе меньшего числа плавильных агрегатов;

3) меньше расходы по переделу, в число которых входит стои­мость электроэнергии, топлива, огнеупоров, сменного оборудова­ния, зарплаты и др;

4) процесс более удобен для автоматизации управления ходом плавки

Благодаря использованию для продувки чистого кислорода, кислородно-конвертерная сталь содержит азота не более, чем марте­новская и по качеству не уступает мартеновской. Тепла, которое выделяется при окислении составляющих чугуна с избытком хва­тает для нагрева стали до температуры выпуска и позволяет использовать до 24-28% лома в шихте.

Устройство кислородного конвертера

Кислородный конвертер представляет собой поворачивающийся на цапфах сосуд грушевидной формы, футерованный изнутри и снабженный леткой для выпуска стали и отверстием сверху для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна, загрузки лома и шлакообразующих и слива шлака (см. рисунок 4). Емкость существующих конвертеров составляет 10—450 т.

1 — опорный подшипник; 2 — цапфа; 3 — защитный кожух; 4 — опорное кольцо;

5 —корпус ведомого колеса; 6 — навесной электродвигатель с редуктором;

7 — ведомое зубчатое колесо; 8 — демпфер навесного электродвигателя;

9 — демпфер корпуса ведо­мого колеса; 10 — опорная станина

Рисунок 4 – Устройство кислородного конвертера

Форма конвертера. В конфигурации кожуха и внутреннего рабочего объема конвертера можно выделить три части: суживающуюся верхнюю часть (горловину), цилиндрическую часть и днище, которое может быть либо сферическим, либо иметь суживающуюся часть, к которой примыкает днище.

Размеры, конвертера. Они влияют на многие показатели процесса и должны, прежде всего, обеспечивать продувку без выбросов ме­талла через горловину, поскольку выбросы уменьшают выход годной стали и требуют периодических остановок конвертера для уда­ления настылей металла с горловины и входной части котла-утили­затора. Размеры некоторых конвертеров приведены в таблице.

Размеры некоторых кислородных конвертеров

Емкость, т	Высота рабочего простран­ства, Н, м	Диаметр рабочего простран­ства, м	Отно­шение H/D	Удельный объем, м3/т	Глубина ванны, м	Диаметр горловины, м
100	7,65	4,00	1,90	0,96	1,50	1,65
200	9,50	5,95	1,60	1,03	1,78	3,10
300	9,27	6,55	1,41	0,87	1,90	3,43

Основные параметры, определяющие возможность работы кон­вертера без выбросов — это удельный объем (объем рабочей полости, приходящийся на 1 т жидкой стали, м³/т) и отношение высоты рабочего объема к его диаметру, H/D.

Удельный объем должен нахо­диться в оптимальных пределах. Если он недостаточен, то при продувке возникают выбросы вспенивающихся металла и шлака. Вместе с тем, если удельный объем чрезмерно велик, то неоправданно возрас­тают габариты конвертера и высота конвертерного цеха, теплоотдающая поверхность кожуха и теплопотери, расход огнеупоров на кладку футеровки.

В последние годы для проектируемых конвертеров емкостью 100—400 т с учетом сложившегося режима продувки (150— 250 м³/мин кислорода на одно сопло фурмы) величину удельного объема принимают в пределах от 0,8—0,85 до 1,0 м³/т, причем эта величина должна понижаться при росте емкости конвертера.

Выбирая величину H/D учитывают, что при ее снижении стенки конвертера отдаляются от высокотемпературной подфурменной зоны, что способствует повышению их стойкости; возрастает также пло­щадь контакта металл-шлак, что облегчает удаление в шлак фосфора и серы. Вместе с тем при чрезмерном снижении H/D, т. е. уменьше­ние высоты конвертера, начинаются выбросы, поскольку вспенива­ющийся металл достигает низко расположенной горловины. При росте H/D вероятность появления выбросов снижается, но и увели­чение H/D сверх оптимальной величины не рекомендуется, поскольку это требует увеличения высоты здания цеха.

Для проектируемых в последние годы конвертеров емкостью 100—400 т величину H/D принимают в пределах 1,8—1,35, причем в этих пределах она обычно снижается пропорционально увеличе­нию емкости конвертера. Это связано с тем, что для предотвращения выбросов, расстояние от уровня ванны в спокойном состоянии до верха горловины для конвертеров емкостью 100—400 т должно составлять примерно 6—8 м.

Глубина ванны жидкого металла в спокойном состоянии изме­няется от 1,0 до 1,8—1,9 м, возрастая при увеличении емкости кон­вертера. Даже для конвертеров малой емкости (50 т) она не должна быть менее 1 м во избежание разрушения футеровки днища кисло­родными струями. Увеличение глубины ванны сверх 1,9 м также не рекомендуется, так как при этом из-за недостаточного проникнове­ния вглубь ванны кислородных струй и ухудшения перемешивания ванны затрудняется плавление стального лома.

Диаметр горловины Dг существующих конвертеров емкостью от 50 до 400 т находится в пределах (0,4—0,6)D и изменяется от 1,0 до 4,1 м, обычно увеличиваясь при увеличении емкости конвертера. При выборе величины Dг учитывают, что горловина больших раз­меров позволяет производить завалку стального лома в один прием, что сокращает длительность плавки. Вместе с тем, при увеличении Dг возрастают теплопотери и несколько повышается содержание азота в выплавляемой стали, поскольку через большую горловину в по­лость конвертера подсасывается больше воздуха, азот которого растворяется в металле. Поэтому горловина не должна быть больше, чем это необходимо для загрузки шихты.

Угол наклона стенок горловины к вертикали в существующих конвертерах составляет 20—35°. На основании отечественной практики признано нецелесообразным делать угол более 25°, так как при большем уклоне ухудшается стойкость футеровки горло­вины.

Кожух и днище. Кожух конвертера выполняют сварным из листовой стали толщиной от 20 до 110 мм и делают его либо цельно­сварным, либо с отъемным днищем, которое крепится болтами или клиновыми соединениями. Горловина в большей степени, чем другие элементы кожуха подвержена воздействию высоких температур и короблению и мо­жет быть повреждена при удалении за­стывших выплесков металла и в процессе слива шлака. Поэтому верх горловины защищают сварным или литым шлемом, который в случае повреждения легко заменить.

Днище конвертеров обычно делают сферическим. Эта форма облегчает циркуляцию металла при верхней подаче дутья и спо­собствует снижению износа футеровки. Широко применяются как неотъемные, так и отъемные днища. Отъемные днища могут быть приставными и вставными.

Цапфы и опорное кольцо. Конвертер цапфами опирается на роли­ковые опорные подшипники, закрепленные в опорных станинах. Подшипники обеспечивают возможность вращения конвертера во­круг оси цапф; при этом один подшипник фиксированный, а другой «плавающий», что дает возможность перемещения вдоль оси цапф на 15—30 мм.

Механизм поворота. Он обеспечивает вращение конвертера во­круг оси цапф на 360° со скоростью до 1 об/мин. Поворот кон­вертера необходим для выполне­ния технологических операций: заливки чугуна, завалки лома, слива стали и шлака и др.

Механизм поворота может быть односторонним (для малык конвертеров – до 100т) и двусторонним (для большегрузных конвертеров), позволяющим более равномерно распределить нагрузки при наклоне конвертера.

Механизмы поворота бывают стационарными и навесными. В последние годы применяют более совершенные навесные (за­крепленные на цапфе) многодвигательные механизмы поворота.

Навесной многодвигательный привод обладает следующими пре­имуществами: перекос цапф не влияет на его работоспособность; при выходе из строя одного двигателя привод остается работоспо­собным; в 2—3 раза уменьшается масса привода; существенно умень­шается площадь, необходимая для его установки.

Футеровка. Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях, подвергаясь воздействию высоких температур; термических напря­жений, возникающих при колебаниях температуры футеровки; ударов кусков шихты при загрузке и знакопеременных нагрузок, возникающих при вращении конвертера. Она изнашивается также в результате химического взаимодействия со шлаком и размыва­ющего действия потоков металла и шлака.

Футеровку обычно делают двухслойной. Примыкающий к ко­жуху арматурный слой толщиной 110—250 мм умень­шает теплопотери и защищает кожух в случае прогара рабочего слоя. Арматурный слой выполняют из магнезитового или магнезито-хромитового кирпича. Внутренний или рабочий слой изнашивается во время ра­боты и его заменяют при ремонтах футеровки; его толщина в зави­симости от емкости конвертера составляет 500—750 мм.

Для кладки рабочего слоя используют огнеупоры на основе доломита (CaO-MgO) и магнезита на связке из каменноугольной смолы.

Стойкость футеровки в зависимости от качества огнеупоров и условий работы конвертера составляет 400—900 плавок (2—5 кг на 1 т стали).

С целью повышения стойкости футеровки конвертеров применяется горячее торкретирование футеровки. Суть торкретирования сводится к нанесению с помощью торкрет-машин огнеупорной массы на изношенные участки футе­ровки.

Длительность торкретирования обычно не пре­вышает 5 мин, его проводят после каждой или после нескольких плавок. Рекордная стойкость футеровки при торкретировании достигнута на одном из японских заводов — 10 110 плавок при расходе огне­упорного кирпича и торкрет-массы 0,19 и 1,38 кг/т стали соот­ветственно.

Кислородная фурма. Кислород подают в конвертер через вер­тикально расположенную водоохлаждаемую фурму, которую вводят в полость конвертера через горловину строго по его оси. Давление кислорода перед фурмой составляет 1,0—1,6 МПа. Высоту фурмы над ванной можно изменять по ходу плавки; обычно она увеличи­вается при росте емкости конвертера и находится в пределах 0,8— 3,3 м от уровня ванны в спокойном состоянии.

Фурма выполнена из трех концентрично расположенных сталь­ных труб и снабжена снизу медной головкой с соплами. Полости, образованные трубами, служат для подачи кислорода, подвода и отвода охлаждающей воды.

Медная головка фурмы имеет от 3 до 7 сопел типа сопла Лаваля, возрастая при увеличении расхода кислорода и емкости конвертера. Многосопловые фурмы благодаря рассредоточению кислородного потока на несколько струй обеспечивают «мягкую» продувку и минимальное количество выбросов. Кроме того, они дают возможность увеличить интенсивность подачи кислорода и сократить, благодаря этому, длительность плавки. Стойкость головок фурм составляет 50—250 плавок.