МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Державний вищий навчальний заклад

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Фізико-металургійний факультет

КАФЕДРА металургії сталі

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

вибіркової дисципліни циклу підготовки за вибором ВНЗ

„ Конверторне виробництво сталі ”

для студентів спеціальності “Металургія чорних металів”

Напрям підготовки 0504 „ Металургія ”

Кваліфікаційний рівень 6.050401 «Бакалавр»

Донецьк - 2010 р.

Лекція 1

Історія розвитку, передумови виникнення та

особливості конвертерного виробництва сталі

1. Вступ

Із розвитком у ХІХ ст. машинобудування, транспорту, військової техніки виникла велика потреба в якісній сталі. Але існуючи способи її виробництва – кричний, пудлінговий і тигельний – не задовольняли потребу.

Нова ера настала після створення в середені ХІХ ст. конвертерних процесів – високопродуктивних способів одержання рідкої сталі шляхом продувки чавуну окислювальними газами.

1.2 Бесемерівський процес

Був першим із таких процесів. Винахідник Генрі Бесемер (Англія). Він в 1856 р. розробив спосіб одержання рідкої сталі шляхом продувки чавуну стисненим повітрям через дно грушоподібної посудини, футерованої динасовою цеглою. Цю посудину Г. Бесемер назвав конвертером, що означає перетворювач /чавуну на сталь/ (рисунок 1). Минуло майже 145 років, проте конструкція конвертера та ідея обробки чавуну окислювальними газами принципово не змінилися.

Бесемерівський процес був найпростішим конвертерним процесом, що забезпечував виведення з чавуну лише трьох домішок – [C], [Si], [Mn]. Він швидко поширився в ряді країн, зокрема в Україні, але на початку ХХ ст. його частка почала знижуватись до повного зникнення. Неможливість переробки чавуну з підвищеним вмістом [P] та [S] при кислій футеровці (динас) спричинила потребу пошуку іншого способу переробки.

1.3 Томасівський процес

В 1878 р. винахідник Сідней Джільхрист Томас (Англія) запропонував основну футеровку конвертера, виконану з випаленого доломіту. Так виник основний конвертерний процес, що забезпечив виведення з чавуну п'яти домішок – [C], [Si], [Mn], [P] та [S].

У бесемерівському процесі головним "паливом" був [Si] = 0.9-1.25 % чавуну, у томасівському – [P] = 1.6-2.2 %. Тому шлак останнього став використовуватись як мінеральне добриво (фосфор) в сільському господарстві.

Проте, як у бесемерівському, так і у томасівському процесах надходження тепла у ванну було обмеженим, що не давало змогу переплавляти брухт. Продувка повітрям призводила до підвищення вмісту [N] в сталі і, отже погіршення її якості. Усунути ці недоліки допомогла заміна повітря киснем.

1.4 LD – процес (киснево-конвертерний процес)

Ще Г. Бесемер в одному з патентів запропонував продувати чавун чистим киснем зверху через фурму, заглиблену в метал. Ідею використання кисню при виробництві сталі розвивали Д.К. Чернов (1876 р.) і Д.І. Менделєєв (1899 р.).

Перші напівпромислові досліди проведено в 1939 р. інж. М.І. Мозговим (СРСР). Проте лише на початку 50-х років з розробкою методу отримання дешевого кисню у великих масштабах було випробувано різні варіанти подачі кисню зверху (М.І. Мозговий /СРСР/, Дуррер /ФРН/); знизу (В.В. Кондаков /СРСР/, Лемеп /Франція/), збоку (Дуррер, Хелбрюге /ФРН/). Через низьку стійкість дуттьових пристроїв і футеровки конвертерів, незадовільне шлакоутворення їх було визнано нероботоздатними.

Інж. Тринклеру, Хайтману та Ринету (Австрія), які розташували водоохолоджувальну кисневу фурму над ванною, вдалося раз'язати всі проблеми і в 1952 р. в м. Лінці, а в 1953 р. в м. Донавіці (Австрія) почали працювати перші в світі киснево-конвертерні цехи. Процес дістав кілька назв: LD (Linz Dusenferfahren), BOP (Basic Oxyden Process), ККП (киснево–конвертерний процес).

Оскільки ККП вигідно відрізняється від всіх інших, він швидко поширився в світі. Якщо в 1952 р. працював 1 кисневий конвертер /КК/, то в 1962 р. – 94; в 1985р. – 682; в 1990 р. – 649 (що зумовлене виведенням з експлуатації агрегатів невеликої місткості).

З'явилося багато різновидів процесу. При переробці фосфористих чавунів для прискорення шлакоутворення у струмені кисню вдувають в ванну тонкоподрібнене вапно. Винайдено способи переробки природно-легованих чавунів з V, Cr, Mn.

1.5 Процеси із донною кисневою продувкою

Проте можливість продувки металу знизу киснем залишалася привабливою. Перемішування ванни, теплообмін у ній, засвоєння потрібних матеріалів і дуття при цьому набагато кращі. Нижче також конвертерне відділення цеху, бо не потрібна киснева фурма. Тому дослідження тривали і в 1967-69 рр. спочатку в ФРН, а потім у Франції, США та інших країнах виникли способи продувки фосфористого і звичайного переробного чавуну в конвертері знизу струменями кисню, оточеними для ізоляції його від контакту з рідким металом у днища кільцевими струменями вуглеводів. Так виникли OBM (Oxyden Bottomn Machutte) – процес /ФРН/, LWS (Loise – Creusot, Wendel – Sidelor, Sprunck) – процес /Франція/, Q-BOP (guiet, guick, guelity) – процес /США/. У конвертерах із донною продувкою виплавлено в 1980 р. 40 млн. т сталі.

1.6 Комбіновані конвертерні процеси

Недоліки кисневої продувки зверху і через дно дали поштовх для виникнення більш досконалих комбінованих конвертерних процесів донноверхнього дуття. Комбінована продувка дала змогу об'єднати переваги продувки зверху і знизу. Досягнуто більш інтенсивне і рівномірне перемішування, розосередження дуття, більше наближення системи шлак – метал до рівноваги, спокійне протікання продувки, високий вихід придатної сталі, менше пиловиділення, швидке розчинення кускового вапна, легке регулювання окисленості шлаку тощо. Отже, комбінована продувка витісняє як суто донну кисневу, та і верхню.

Лекція 2

Загальні технологічні аспекти виробництва сталі у кисневому конвертері

2.1 Плавка у кисневому конвертері

Конвертер для продувки киснем зверху має грушоподібний профіль з симетричною горловиною. Футеровка кисневого конвертера виконується з основних оксидів (MgO, CaO), що дає змогу наводити у ході процесу основні шлаки для десульфурації і дефосфорації металу. Кисень надходить зверху через водоохолоджувану фурму під тиском 1-2 Мпа. Питома витрата кисню дорівнює 50 м³/т, тривалість безпосередньо продувки – 10-25 хв.

Плавка в кисневому конвертері при [P] в чавуні до 0.3 % здійснюється у такий спосіб. В похилому положенні в конвертер завантажують сталевий брухт і заливають чавун. Потім переводять конвертер у вертикальне положення, опускають кисневу фурму і продувають ванну киснем. Перед продувкою по тракту сипких матеріалів, розташованому над конвертером, через горловину вводять 40-60 % потрібної для плавки кількості вапна. Решту шлакоутворювачів завантажують 2-4 порціями по ходу продувки.

Послідовність виведення домішок чавуну: [Si] і [Mn], [P], [C], [S]. Фосфор можна вивести при високому вмісті [C], збільшуючи на початку продувки відстань кисневої фурмі від рівня спокійної ванни. При цьому окисленість шлаку дещо підвищується і швидше розчиняється вапно.

Як тільки вміст [C] досягає заданого, піднімають кисневу фурму, припиняють подачу кисню, переводять конвертер у горизонтальне положення, відбирають проби металу та шлаку й вимірюють температуру металу термопарою занурення.

Після досягнення заданого хімічного складу і температури метал зливають через льотку (сталевипускний отвір) у ківш, а потім через горловину в чашу. Розкислюють і легують метал найчастіше у ковші.

Здобувши аналіз металу з надлишком вуглецю, сірки або фосфору виконують додувку металу киснем. Додувку на [C] виконують при низькому положенні кисневої фурми, на [S] або [P] - при підвищенному.

Якщо метал недостатньо нагрітий, то “спалюють” Fe при високому положенні кисневої фурми. При невеликому перегріванні (до 20 ^оС) метал витримують, погойдуючи конвертер, або присаджують вапняк (вапно).

При наявності зонда, що заглиблюється в конвертер для контролю складу і температури металу, плавки виконують без додувок.

При високому вмісті [P] в чавуні в середені плавки зливають проміжний шлак і наводять другій, іноді використовують кінцевий шлак, частку якого залишають у конвертері після зливання металу.

2.2 Переваги ККП

Киснево-конвертерний процес є основним способом виробництва сталі у світі завдяки ряду переваг:

вміст [N], [H], [P], [H.B] у конвертерній сталі менший, ніж у сталі, виплавленої у мартенівських і електричних печах; при використанні “ківшової металургії” це стосується також [S];

використання 75-70 % чавуну, що є “первородною” шихтою без домішок кольорових металів (які вносить брухт), також сприяє підвищенню якості сталі;

конструкція конвертера простіша, а продуктивність – вища, ніж мартенівських і електричних печей, тому питомі (на 1 т сталі) капітальні витрати на будівництво киснево-конвертерних цехів у 1.5 рази менші, ніж для мартенівського, і у 2.5-3 рази – ніж електросталеплавильного;

можна переробляти чавуни будь-якого складу, в тому числі “хімічнохолодні” (із низьким вмістом [Si], [Mn]), що розширює сировину базу для виплавки чавуну;

надлишок тепла у ванні дає змогу переробляти брухт кількістю 25-30 % від садки конвертера без витрат палива або електроенергії;

низькі витрати вогнетривів – 2-3 кг/т сталі проти 20 кг/т у мартенівських печах і електропечах;

надійно вирішується питання екології, бо різко зменшуються викиди в атмосферу і забруднення стічних вод, а також шкідливодіючий на людей шум електропечей;

забезпечене автоматичне керування процесом.

Крім того, агрегати конвертерного типу починають застосовувати для виробництва легованої і високолегованої сталі шляхом продувки напівпродукту з дугової електропечі або кисневого конвертера сумішами різного складу.

2.3 Розвиток ККП в Україні и в світі

В СРСР перші ККЦ введено в експлуатацію в Україні на Дніпровському метзаводі ім. Петровського (1956 р.), і меткомбінаті "Криворіжсталь" (1957 р.). Відтоді в Україні побудовано ще п'ять ККЦ, що обладнані 19 КК місткістю 160-400 т. Частка конвертерного виробництва сталі в Україні 52 % (в світі 70 %).

2.4 Поліпшення технології і обладнання ККП

Зростання виробництва конвертерної сталі супроводжується поліпшенням технології і обладнання.

Застосування багатосоплових кисневих фурм замість односоплових дало змогу підвищити інтенсивність продувки до 3-4 м³/(т*хв.). Продуктивність 400-т КК становить понад 600 т/годин.., що в 4 рази перевищує продуктивність 900-т мартенівської печі і в 6 раз – найпотужнішої електропечі.

Система відведення конвертерних газів без допалювання дало можливість використати СО, що міститься у відхідних газах, як паливо. Допалювання частки СО до СО₂ у просторі конвертера розширила можливості процесу щодо переробки брухту.

Автоматизація керування плавкою з використанням фурм-зондів забезпечила мінівитрати для досягнення заданих кінцевих параметрів металу.

Позапічна обробка чавуну і сталі уможливило виробництво металу з низьким вмістом шкідливих домішок і газів.

Поліпшення якості вогнетривів, факельне торкретування футеровки підвищили її стійкість до 1000-3000 плавок.

Поєднання конвертерів з установками безперервної розливки сталі знизило витрати металу на прокат на 14-15 %, підвищило продуктивність праці на 5-15 %, зменшило витрати палива.

Лекція 3