36

и положения сопла над уровнем ванны, но и в значительной степени от формы и размеров сопла.

Выплески и выносы металла и шлака наблюдаются также в тех случаях, когда давление струи кислорода на жидкую ванну превышает заданное. Для уменьшения частоты выносов в этом случае дутьевой режим необходимо ограничивать рациональным верхним пределом. Выплески металла из ковша наблюдаются при сливе переокисленной стали, что связано с бурным вспениванием металла. Для его осаждения обычно применяют ферромарганец и ферроалюминий.

Постоянные нарушения параметров проявляются в виде постепенного износа огнеупорной футеровки конвертора. Конверторы футеруют смолодоломитовыми огнеупорами. Кладку ведут кольцами с применением для арматурного слоя хромомагнезитового кирпича марок ХМ-3 и ХМ -5, а для рабочего слоя — смолодоломитовых изделий марок СД-7, СД 8 (длиной 550 мм), СД -10 (длиной 460 мм). Опыт эксплуатации конверторов показывает, что происходит значительное окисление углерода в смолосвязанных огнеупорах при их службе в горловине. Интенсивному окислению связки в кладке горловины способствуют большие межплавочные простои, составляющие 12% календарного времени.

Применение чугуна с высоким содержанием кремния отрицательно сказывается на стойкости футеровки. Поскольку кремний окисляется в первые минуты продувки до SiO2, а скорость растворения извести в начале плавки ниже скорости окисления кремния, то на поверхности обезуглероживания слой становится легко проницаемым для жидкоподвижных шлаковых расплавов. Так как в конверторах выплавляют в основном низкоуглеродистые стали, что приводит к увеличению длительности продувки, повышению температуры в конце плавки и степени окисленности шлака, то содержание оксидов железа в шлаке составляет 14—16°/о. Повышенное содержание кремния в чугуне и оксида железа (II) в шлаке требует использования высококачественных шлакообразующих материалов. С этой целью применяют известь, обожженную во вращающейся печи, обладающую более высокими физико-химическими свойствами. Известь легче усваивается шлаком в процессе плавки, что позволяет сократить ее расход.

Для повышения стойкости футеровки путем снижения растворения компонентов огнеупора в процессе плавки добавляют обожженный доломит в количестве 0,4— 0,8% от массы садки.

Экстремальные отклонения процесса

Взрывы в конверторном производстве

Взрывы в конверторных цехах происходят либо вследствие контакта расплавленного металла и шлака с водой или влажными материалами, либо вследствие бурного протекания химических реакций при продувке, раскислении и разливке стали Источниками возможного контакта воды с расплавленным металлом и шлаком

могут быть водоохлаждаемые кислородная фурма, кессон или камин. Наиболее

37

часто наблюдаются поступления воды в конвертор из охлаждаемой водой кислородной фурмы в результате прогара внешней оболочки, выполненной из меди. Стенки фурмы легко прожигаются при соприкосновении с жидким металлом или шлаком, а также при попадании брызг расплавленного металла на поверхность фурмы. Значительные поступления воды из прогоревшей фурмы в конвертор на поверхность шлака или металла приводят к взрыву, а небольшие струйки воды, испаряясь, – к образованию затвердевшей корки на поверхности, что в дальнейшем также может привести к контакту масс воды с расплавленным металлом.

Поэтому при образовании даже небольшой течи фурму немедленно заменяют новой. Кессон (а в старых конструкция конвертора камин) представляет водоохлаждаемую систему. В процессе эксплуатации в кессоне и водоохлаждаемых плитах камина появляется течь воды. Если в случае прогара фурмы вода попадает в конвертор на поверхность шлака и металла и может свободно испаряться, то при образовании течи кессона или камина механизм поступления воды в конвертор несколько иной. При продувке металла на стенках кессона и камина образуются пористые настыли из шлака и пыли. При возникновении течи воды из кессона или камина настыли пропитываются водой, трескаются и самопроизвольно обрушаются. Пористые глыбы, пропитанные водой, падая в конвертор, проникают на некоторую глубину и практически мгновенно соприкасаются с расплавленным металлом, что

неизбежно приводит ко взрыву большой силы.

В новых конструкциях конверторов вместо водоохлаждаемых применяют безопасные камины типа «котел» или установки испарительного охлаждения, которые устраняют попадание воды в конвертор. При этом энергия взрывов настолько велика, что возможны разрушения огнеупорной футеровки и металлического кожуха.

Большую опасность представляет попадание влажных материалов под слой расплавленного металла при заливке стали в ковш. Находясь под металлом, влажные материалы охлаждают прилегающие слои металла, образуя твердую корку, под которой идет процесс испарения и разложения влаги с образованием гремучей смеси. Под воздействием тепла корка расплавляется Взрыв в этом случае происходит не сразу, а в конце заполнения ковша сталью или в начале разливки стали по изложницам (в зависимости от толщины затвердевшей корки металла).

Серьезную опасность представляет также наличие воды на рабочей площадке у конверторов, в шлаковых чашах и на площадке под конверторами, так как выпуск шлака в мокрую чашу или попадание металла при выносах, выплесках или выбросах из конвертора на влажную поверхность может привести к взрывам. Небольшие взрывы-хлопки с разбрасыванием расплавленного металла могут произойти и при взятии пробы.

Совершенно иную физико-химическую основу имеют выплески и выносы металла и шлака, связанные с бурным протеканием некоторых реакций; при определенных условиях они похожи на взрывы. В связи с таким характером

38

протекания реакций и их последствиями эти явления могут быть квалифицированы как взрывы.

Механизм возникновения и развития таких экстремальных отклонений сводится к следующему. С повышением концентрации оксида железа в шлаке нарушается равновесное состояние системы оксид железа — шлак и кислород переходит в металл, вследствие чего создаются благоприятные условия для постепенного насыщения металла кислородом Если металлу, пересыщенному кислородом, сообщить небольшое сотрясение, во всем его объеме начнутся реакции окисления оставшихся примесей В результате реакции окисления кремния и марганца образуются твердые продукты, а при окислении углерода образуется газовая фаза (оксид углерода), которая, вспенивая металл и шлак, вырывается в свободный объем конвертора, увлекая жидкие металл и шлак.

Подобные явления или взрывы при выплавке стали могут произойти не только в конверторе, но и во время выпуска металла в ковш для разливки в изложницы, а также в ковше после выпуска металла. Причиной этих взрывоопасных процессов являются раскислители — ферромарганец, ферросилиций и др., так как прибавка их в ковш всегда нарушает равновесие между компонентами ванны.

При обезуглероживании металла в ковше и вводе в него кремния и марганца понижается температура плавления металла, т е. он перегревается без повышения температуры. Перегрев металла обусловливает развитие эндотермических реакций: FeO + С=Fe + СО – 156,076 кДж, имеющих взрывной характер. Чрезвычайно опасна в этом отношении примесь ферросилиция, так как она вызывает восстановление оксидов металла и шлака. Восстановительные процессы — восстановление железа и окисление углерода — протекают с выделением больших количеств тепла и могут сдвинуть неустойчивое равновесие оксида железа (II) и углерода. Поэтому подача раскислителей в пустой ковш недопустима до выпуска в него металла. В наполненный ковш раскислители следует подавать не сразу, а постепенно, небольшими порциями. При подаче раскислителей в ковш обслуживающий персонал удаляют на безопасное расстояние.

Выбросы металла и шлака при продувке кислородом сверху

Интенсивное развитие кислородно-конверторного производства обусловило необходимость глубокого изучения процессов, происходящих при продувке расплавленного чугуна кислородом сверху, исследование взаимодействия газовой и жидкой фаз в условиях высоких температуры и скорости физико-химических превращений. Экстремальные отклонения создают опасность травмирования персонала и приводят к потерям металла, достигающим 3% его массы. Выбросы расплавленного металла и шлака из горловины конвертора при продувке представляют большую опасность для обслуживающего персонала как непосредственно, так и косвенно. При значительных интенсивных выбросах металл и шлак попадают в камин, что приводит к длительным остановкам его на очистку и ремонт элементов охладительной системы.

39

Выбросы имеют сложную природу и являются результатом взаимодействия двух групп сил: с одной стороны, сил, вызывающих вертикальные перемещения жидкости вверх, с другой—сил, противодействующих этим перемещениям. К числу активных сил, вызывающих вертикальное движение жидкости в конверторах с верхним дутьем, в первую очередь относятся выталкивающие и инерционнодинамические силы, действующие на пузыри оксида углерода и обусловливающие вспучивание ванны и выталкивание ее верхних слоев.

Расчеты показывают, что энергия, затрачиваемая при выбросе металла из конвертора, слишком мала, чтобы вызвать фонтанирующий характер выброса металла из конвертора и его разбрасывание на большое расстояние. Несмотря на это, характер и интенсивность выхода металла и шлака из конвертора бывают различными. Существуют три разновидности выхода металла и шлака из горловины конвертора: выплески, выносы и выбросы. Выплески металла и шлака из конвертора являются следствием действия выталкивающих к инерционнодинамических сил на пузыри оксида углерода и имеют характер толчкообразных переливов жидких фаз через горловину. Интенсивное окисление углерода и высокая температура металла, особенно в реакционной зоне, и связанное с этим изменение состава дутья, при котором увеличивается количество газов, способствуют вспучиванию металла и шлака и выплескам.

Технология конверторного процесса позволяет предупредить выбросы по ходу плавки. При появлении признаков выброса снижают интенсивность подачи кислорода или осаждают металл и шлак поднятием фурмы. Такие операции, не влияя на продолжительность плавки, резко уменьшают число выбросов, однако это требует от дистрибуторщика постоянного внимания и определенных навыков в работе.

Эффективным методом исключения выбросов является понижение температуры металла, особенно металла в реакционной зоне. Для охлаждения металла применяют присадки железной руды или металлического лома. Эффективное снижение выбросов при введении охладителей достигается лишь в случае, если их подают в конвертор мелкими порциями, следующими одна за другой через короткие промежутки времени. Мелкие порции присадок быстрее усваиваются металлом; временное прекращение продувки металла кислородом локализует высокие температурные напряжения в реакционной зоне. При таком способе охлаждения металла уменьшается число перегретых плавок и снижаются потери от выбросов.

Охлаждение металла в реакционной зоне может осуществляться также применением парокислородного дутья — продувкой металла кислородом с распылением воды. Можно регулировать температуру в реакционной зоне непосредственно кислородом, охлажденным до температуры минус 100° С и ниже.

Прорыв металла через кладку

Прорывы металла из конвертора приводят к тяжелым последствиям, вызывая длительные простои оборудования, и наносят тяжелые травмы работающим. Одним

40

из важных факторов, обусловливающих прорывы металла, являются неправильная эксплуатация футеровки и уход за ней. Износ футеровки происходит из-за разъедания ее шлаком (оксидом кремния, имеющим резко выраженные кислотные свойства).

На стойкость футеровки большое влияние оказывают условия эксплуатации конверторов — интенсивность подачи кислорода в единицу времени, длительность плавки и температурный ее режим. При охлаждении футеровки конвертора до 500° С и последующем быстром повышении температуры до рабочей возникают явления скалывания и растрескивания огнеупорной кладки. В результате действия внутренних температурных напряжений и термических ударов расплавленный металл через трещины проникает к кожуху конвертора.

В конверторах с отъемными днищами наблюдается разрушение уплотняющей массы на стыке футеровки корпуса с днищем, что вызывает прорыв жидкого металла. Это явление отмечается при проведении первых плавок после полной замены футеровки. При попадании воды под жидкий металл или шлак происходит взрыв, что объясняется мгновенным испарением воды и нагревом до температуры жидкого металла или шлака.

Экстремальные отклонения, вызванные нарушениями параметров безопасности оборудования

При попадании брызг расплавленного металла и шлака возникает обрыв рукавов подвода воды или кислорода к фурме, что приводит к прекращению охлаждения фурмы и прогоранию ее наконечника. Находящаяся в фурме вода вытекает в конвертор и может явиться причиной взрыва. Поэтому при появлении течи воды из шланга продувку немедленно прекращают и перекрывают задвижку на трубопроводе подвода воды Попадание брызг шлака или металла на кислородоподводящий шланг приводит к

его воспламенению. Для локализации очага горения немедленно перекрывают отсечной и регулирующий клапаны тракта подачи кислорода и выводят фурму из конвертора. В противном случае возможно загорание металлической части фурмы. Во время продувки возможен прогар сопла кислородной фурмы из-за соприкосновения с расплавленным металлом ванны при слишком низком опускании фурмы или в результате резкого поднятия уровня металла. При прогаре сопла подаваемая на охлаждение фурмы вода поступает в конвертор. Характерным признаком такого явления во время продувки является появление белого яркого пламени, а также характерного гула внутри конвертора. При первых признаках прогара сопла продувку прекращают и фурмы выводят из конвертора.

Кислородную фурму строго центрируют по оси конвертора; отклонения от такого положения могут привести к соприкосновению фурмы с горловиной конвертора и отрыву фурмы. О нарушениях процесса плавки свидетельствуют показания контрольно-измерительных приборов – расходомера кислорода, логомера для определения давления кислорода до и после регулирующего клапана, указателя положения фурмы в конверторе относительно уровня спокойной ванны,