103Состояние и перспективы кислородно-конвертерного процесса.

Кислородно-конвертерный процесс, один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путём продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом сверху. О целесообразности использования кислорода при производстве стали в конвертерах указывал ещё в 1876 русский металлург Д. К. Чернов. Впервые применил чистый кислород для продувки жидкого чугуна снизу советский инженер Н. И. Мозговой в 1936. В 1939—41 на Московском заводе станкоконструкций проводились опыты по продувке чугуна сверху кислородом в 1,5-т ковше и выплавлялась сталь для фасонного литья. Впервые К.-к. п. был опробован в промышленном масштабе в Австрии в 1952. Первый кислородно-конвертерный цех в СССР был введён в эксплуатацию в Днепропетровске на металлургическом заводе им. Петровского в 1956.

К.-к. п. осуществляется в конвертере с основной смолодоломитовой (доломит, смешанный со смолой) футеровкой и с глухим дном; кислород под давлением более 1 Мн/м² (10 кгс/см²) подаётся водо-охлаждаемой фурмой через горловину конвертера. С целью образования основного шлака, связывающего фосфор, в конвертер в начале продувки добавляют известь. Под воздействием дутья примеси чугуна (кремний, марганец, углерод и др.) окисляются, выделяя значительное количество тепла, в результате чего одновременно снижается содержание примесей в металле и повышается температура, поддерживая 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 15—22 мин. Полученный металл содержит в растворе избыток кислорода, поэтому заключительная стадия плавки — раскисление металла. Течение К.-к. п. (т. е. последовательность реакций окисления примесей чугуна) обусловливается температурным режимом процесса и регулируется изменением количества дутья или введением в конвертер "охладителей" (скрапа, железной руды, известняка). Температура металла при выпуске около 1600 °С. На приведена схема получения стали в кислородном конвертере.

Расход кислорода на 1 т чугуна при К.-к. п. составляет " 53 м³. При одном и том же качестве стали К.-к. п. по сравнению с мартеновским (см. Мартеновское производство) даёт экономию по капиталовложениям на 20—25%, снижение себестоимости стали на 2—4% и увеличение производительности труда на 25—30%. В СССР за 1965—71 выплавка стали в кислородных конвертерах увеличена с 4 до 23,2 млн. т в год, или в 5,8 раза. Рост производства конвертерной стали сопровождается ростом ёмкости конвертеров. С технологической точки зрения, увеличение емкости конвертера не создает каких-либо дополнительных трудностей ведения плавки. Поэтому даже в крупных конвертерах выплавляют не только рядовую низкоуглеродистую сталь, но и среднеуглеродистую, высокоуглеродистую, низколегированную и легированную стали.

Производительность конвертера можно повысить за счет увеличения интенсивности продувки, однако это неизбежно приведет к дополнительному угару железа, увеличению удельного расхода кислорода и к повышению окисленности стали. Оптимальная садка и оптимальный расход кислорода обеспечивают наиболее экономичный и целесообразный с точки зрения качества металла режим работы конвертера. [1]

Увеличение производительности конвертеров и повышение стойкости их футеровки достигнуты в результате улучшения технологии выплавки стали, в частности благодаря ускоренному образованию шлака и повышению качества огнеупоров. [2]

Наиболее эффективными мерами для увеличения производительности конвертеров являются постоянство химического состава и температуры чугуна, достигаемое хранением его в миксерах, а также аккумулирование в кладке конвертера тепла при быстро следующих одна за Другой продувках. [3]

Другим методом ускорения процесса с целью повышения производительности конвертеров, а также для использования малокремнистых чугунов и стального лома является применение кислородного дутья. Это мероприятие оказывает также влияние на повышение качества металла вследствие снижения содержания в нем азота, вносимого воздушным дутьем. [4]

Вопрос повышения производительности конвертеров представляется наиболее актуальным в ракурсе увеличения объемов производства стали в действующих цехах, большинство из которых было построено два и более десятилетий назад. Для повышения эффективности конвертерной плавки на современных производствах все большее распространение получают методы контроля положения и конструкции верхней фурмы, скорости вдувания кислорода, повышения эффективности процесса шлакообразования, оптимизации параметров вдувания аргона через донные фурмы, а также оперативного прогнозирования содержания углерода по ходу продувки. При этом увеличение производительности конвертеров рассматривается в большинстве случаев как системное мероприятие, предполагающее увеличение доли используемого металлолома, расширение внедоменной обработки чугуна, радикальное повышение стойкости футеровки, интенсификации процесса плавки за счет комбинированной продувки, обеспечение надежной системы отсечки шлака при выпуске из конвертера, повышение эффективности обработки стали в ковше.

Повышению производительности способствует также и автоматизация процесса кислородно-конвертерной плавки. Оперативный контроль по ходу кислородно-конвертерной плавки представляется весьма важным элементом, который обеспечивает контроль химического состава металла и его температуры, массы плавки, металлолома, железной руды (или окалины), а также обожженной извести и доломита. Такая стратегия, в конечном счете, минимизирует количество додувок и добавок охладителя.

Системы автоматического контроля и управления процессом конвертерной плавкииспользуют либо статистические, либо динамические модели. При применении статистических моделей используются компьютерные аналоги, базирующиеся на накопленном в данных производственных условиях статистическом материале. Однако такие модели требуют достаточно точной информации о химическом составе, массе и температуре заливаемого чугуна и заваливаемого скрапа, а также о химическом составе и размерах кусков извести, доломита и других флюсов. На практике это не всегда представляется возможным и точность статистических моделей, как правило, не удовлетворяет производственников. Поэтому прямым развитием статистических моделей является введение в них вспомогательных параметров, контролируемых по ходу плавки.

Например, для корректировки статистической модели может быть использована информация о химическом составе отходящих газов или температура металла и активность кислорода, определяемая по ходу плавки. На нескольких заводах в Северной Америке, например, используются световые сенсоры, позволяющие оценивать уровень содержания углерода в низкоуглеродистых сталях. Эта система оценивает интенсивность свечения в горловине конвертера в течение периода продувки. Безусловно, динамические модели автоматического контроля являются достаточно эффективными, и следует ожидать их дальнейшего совершенствования и развития особенно в части создания новых приемов измерения (контроля) используемых в модели корректирующих параметров.

Роль и задачи доводки металла в ковше в системе конвертерного производства стали в последние годы существенно возрастают и расширяются. Прежде всего, это связано с повышением требований к качеству стали и ее химическому составу, а также со стремлением обеспечить максимально высокую степень совмещения дискретного процесса выплавки стали (в нескольких конвертерах) с квазинепрерывным процессом ее разливки (на нескольких МНЛЗ). На практике все большее распространение получает доводка чугуна в ковше перед заливкой в конвертер с целью его десульфурации, дефосфорации и десиликонизации.

Развитие тенденции производства стали с низким и особо низким (не более 0,005%) содержанием серы обусловливает потребность конвертерного производства в жидком чугуне с низким (не более 0,006%) и сверхнизким (не более 0,001 — 0,002%) содержанием серы. Эта задача может быть реализована только при использовании процессов внедоменной десульфурации, которые должны быть адаптированы к массовому производству (10 — 20 тысяч тонн чугуна в сутки), большим объемам чугуновозных ковшей и малым циклам между обрабатываемыми ковшами. Поэтому многие современные конвертерные цехи имеют в своем составе участки по внедоменной десульфурации чугуна, которые различаются местом десульфурации, типом применяемых десульфураторов, способами удаления образующегося шлака и его последующей утилизацией. Как показывает практика, десульфурация осуществима как в транспортных ковшах типа «торпедо», так и в обычных заливочных ковшах. Наибольшее распространение в качестве десульфураторов получили магнийсодержащие материалы, и карбид кальция в смеси с известью. Применяются и комбинированные методы десульфурации, например вдувание смесей и введение проволоки с десульфурирующим наполнителем. Естественно, десульфурация чугуна будет наиболее эффективной в том случае, если будет удален шлак, получаемый после окончания процесса.

Внедоменная десиликонизация и дефосфорация чугуна обеспечивают получение сталей с низким содержанием фосфора (менее 0,01%), а также создают условия для реализации малошлаковой технологии ведения конвертерной плавки: низкие содержания кремния и фосфора в чугуне позволяют сократить расход извести и уменьшить количество шлака до 2 — 4% от массы металла. Малошлаковая технология обеспечивает повышение выхода годного на 1 — 2% за счет снижения потерь железа со шлаком в виде корольков и оксидов. Однако недостатком малошлаковой технологии являются ухудшение теплового баланса и, как следствие, снижение доли металлолома в шихте конвертерной плавки.