6.2.2. Томасовский процесс

Невозможность переработки чугуна с повышенным содержанием фосфо ра вызвала необходимость поиска другого способа передела. В 1878 г Джильхрист Томас осуществил новый процесс для переработки в сталь высокофосфористых чугунов с получением фосфат-шлаков, применяемых в качестве удобрения.

Невозможность переработки чугуна с повышенным содержанием фосфора.

Особенности:

• основная футеровка из доломита;

• нижнее воздушное дутье;

• содержание в чугуне Р1.5-1.6%, но не более 2-2.2%;

• низкое качество стали, вследствие высокого содержания Р,N, а также О из-за низкого углерода (0.05%).

Недостатки:

• жесткие требования к составу чугуна;

• невозможность использования в шихте лома;

• повышенное содержание азота.

На рис 6.4. показано изменение температруры и химического состава металла при продувке чугуна в Томасовском конвертере.

6

0 20 40 60 80 100 , мин.

t,^оС

1600

1400

1200

4

3

2

1

0,12

0,08

0,06

0,02

Рис.6.4. Изменение температуры и состава металла при продувке чугуна в Томасовском конвертере

.2.3. Кислородно-конвертерный процесс

Металлурги мира, с одной стороны, постепенно отказывались от бессемеровского и томасовского процессов вследствие их серьезных недостатков, но с другой, искали способы устранения указанных недостатков и использования основного преимущества конвертерных процессов - их высокую производительность.

Это оказалось возможным при замене воздушного дутья кислородным. В 50-х годах 20 века появились методы и оборудование, позволившие получать большие количества кислорода, что дало возможность применять кислород в промышленных масштабах при продувке металла.

Первые опыты по продувке жидкого чугуна технически чистым кислородом были проведены в СССР инженером Н.И.Мозговым в 1933 г.

На первом этапе кислородное дутье пытались подать снизу, но при этом происходил очень быстрый износ футеровки днища вследствие развития высокой температуры (2000^оС). Разработка специальной конструкции водо-охлаждаемой металлической фурмы, вводимой в конвертер вертикально, позволила добиться промышленного освоения кислородного дутья в конвертерах.

В конвертерах стало возможным:

• перерабатывать как обычные чугуны, предназначенные для мартеновского процесса и содержащие 0.3%Р, так и высокофосфористые, при доле лома в шихте до 25%;

• получать сталь, по качеству не уступающую мартеновской.

Первые конвертера имели вместимость 30-50 т и годовую производительность 150-250 тыс.т. Современные наиболее крупные конвертера вместимостью 350-400т имеют годовую производительность 3-4 млн.т. и более.

6.3. Способ передела чугунов путем продувки

КИСЛОРОДОМ СВЕРХУ

6.3.1.Устройство конвертеров

В России используют конвертеры вместимостью до350- 400 т с подачей кислорода сверху. Кислородный конвертер (рис.6.5) имеет цилиндрическую среднюю часть, коническую горловину и сферической формы днище (глухое или отъемное).Внутри конвертер имеет огнеупорную основную футеровку, состоящую обычно из двух слоев: арматурного и рабочего. Арматурный слой (слой длительной работы) примыкает к кожуху, он имеет толщину 110—250 мм. Он предназначен для снижения теплопотерь и защиты кожуха в случае прогара рабочего слоя. Внутренний или рабочий слой изнашивается во время работы и его заменяют при ремонтах футеровки, его толщина составляет в зависимости от вместимости конвертера 500—800 мм. Наилучшую стойкость имеет огнеупорная кладка из периклазоуглеродистых кирпичей (кирпичи готовят из плавленого периклаза с добавкой - 10—20 % углерода). Для повышения стойкости на футеровку после выпуска металла периодически наносят шлаковый гарнисаж путем раздува шлака, предварительно загущенного доломитом содержания МgО в шлаке 10—12 %, азотом, подаваемым через кислородную фурму. Стойкость такой футеровки достиг 4500—5000 плавок (120—160 суток работы конвертера).

В месте перехода цилиндрической части конвертора к конической горловине расположено отверстие (лётка) для выпуска стали. При выпуске металла производят отсечку шлака от стали. Это необходимо для успешного проведения последующих операций ковшовой металлургии, так как конвертерный шлак содержит оксид железа (источник кислорода), оксид фосфора и сульфид кальция (возможен о6ратный переход фосфора и серы в металл — явление рефосфорации и ресульфурации). Одним из способов отсечки шлака от металла является введение в отверстие (лётку) при появлении шлака огнеупорного конуса или шара, имеющих плотность более плотности шлака, но менее плотности металла. Шлак сливают, в шлаковую чашу через горловину, наклонив конвертер в противоположную сторону.

Удельный объем конвертера принимают равным 1 м³/т, отношение высоты к диаметру 1.2-1.5, глубину ванны 1.6-1.9 м, удельную площадь поверхности 0.12-0.18 м²/т. Цельносварной или клепаный корпус конвертера помещают в опорное кольцо и крепят в нем, а узлы крепления защищают от воздействия расплава защитным кожухом. Привод конвертера состоит из нескольких электродвигателей и механизма поворота.

Рис.6.5. Кислородный конвертер

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.

Устройство для подачи кислорода сверху состоит из 2-х фурм (одна резервная), механизмов для подъема и перемещения рабочей фурмы, размещенных на специальных площадках над конвертером. Интенсивность подачи кислорода под давлением до 1.5 МПа составляет 5-8 м³/мин.т. Для конвертеров большой вместимости применяются многосопловые фурмы (5-7 сопел конусностью 8-10^о, расположенных под углом 15-20^о к оси фурмы). Использование таких фурм длиной до 25 м способствует возможно большему заглублению струи кислорода в ванну металла и воздействию струи на поверхность ванны для ускорения процесса шлакообразования в различные периоды плавки.

6.3.2. Гидродинамика конвертерной плавки и условия тепло-массообмена

В конвертерном процессе газообразный кислород, подаваемый в ванну, является основным реагентом для окислительного рафинирования металла, которое используется для нагрева ванны. От характера взаимодействия кислородной струи с ванной зависят ход и результаты плавки:

• скорость рафинирования и нагрева металла, определяемая интенсивностью подачи кислорода;

• удельный расход кислорода и других материалов, зависящий от полноты их использования;

• выход годной стали, связанный со степенью развития дымообразования, выносов и выбросов;

• качество конечного металла, прежде всего окисленность;

• стойкость футеровки.

При подаче кислорода в жидкую ванну прежде всего необходимо обеспечить максимальную интенсивность подвода и высокую степень его усвоения, т.е. большее развитие поверхности контакта.

В

Рис.6.6. Схема взаимодействия кислородной струи с ванной и циркуляции ванны: 1-пузыри СО; 2-шлак; 3-брызги шлака и металла;  - зона продувки,  - зона циркуляции,  - основной объем металла, V - газо-шлако-металлическая эмульсия

недрение кислородной струи в металл сопровождается образованием реакционной зоны (рис.6.6), имеющей воронкообразную форму, наклон стенок, глубина которой определяется кинетической энергией струи и вязкостью металла.

Обычный для производства режим продувки приводит к образованию реакционной зоны, глубоко проникающей в объем металла и имеющий сложную структуру, состоящую из 2-х областей:  -первичная;  - вторичная.

Первичная реакционная зона (зона продувки)- поток газов (О₂, СО₂, СО), в который вовлечено большое количество мелких капель металла.

В этом случае газ-окислитель способен перевести в оксиды всю металлическую массу. Вследствие протекания экзотермических окислительных реакций с максимально возможным тепло-

вым эффектом, первичная зона имеет максимальную температуру  2500^оС. В результате окисления Fe, Si, Mn и P образуются железистые высокоокислительные шлаковые частицы, которые циркуляционными потоками вовлекаются во вторичную зону.

Вторичная реакционная зона (зона циркуляции)- часть металлической фазы, разрыхленной большим количеством мелких пузырей, содержащих в основном продукт окисления углерода СО, по реакции:

С + (Fe О) = СО +  Fe. (6.1)

Температура заметно ниже, чем первичной зоны ( 2000-2200^оС). Под действием внешних (циркуляционных потоков первичной зоны) и внутренних (окисление углерода) сил металл во вторичной зоне интенсивно перемешивается, что обеспечивает высокую степень удаления примесей металла, в том числе и углерода.

Высокоокисленный металл вовлекается в основной объем металла (зона ), имеющий более низкую температуру и высокое содержание примесей. В этих условиях растворимость кислорода в металле уменьшается до сотых долей процента и становится возможным выделение из металла избытка кислорода в виде взвеси оксидов железа, на которых происходит окисление примесей, т.е. процесс окисления продолжается. Кроме того, часть примесей металла окисляется на границе металл-шлак и в шлаковой фазе, куда циркуляционные потоки выносят оксиды железа и капли металла.

Под действием мелких газовых пузырей достаточно жидкоподвижный шлак находится во вспененном состоянии, образуя над металлом газо-шлако-металлическую эмульсию (зона V). При нормально вспененном шлаке струи кислорода, выходящие из сопел фурмы, оказываются полностью затопленными. Это обеспечивает:

1. практически полное усвоение кислорода металлом и шлаком;

2. существенное очищение выделяющихся из ванны газов от пылевидных частиц, уменьшает пылевыделение и выносы.