Производство конвертерной стали

     Конвертерный способ получения стали, осуществляемый в автогенном режиме (без затрат посторонних источников тепловой энергии) путем продувки воздуха через расплавленный чугун, был предложен и впервые осуществлен англичанином Бессемером, в честь которого процесс был назван бессемеровским или бессемерованием. Поэтому способу расплавленный чугун продувался в стальной реторте, футерованной кислым (динассовым) огнеупорным кирпичом. Конвертор имеет вертикальное рабочее пространство цилиндрической формы. В нижней части его установлено съемное, легко заменяемое днище с фурмами для вдувания воздуха. А верхняя часть снабжена конусообразной горловиной. Вместимость современных бессемеровских конвертеров достигает 400 тонн.

     Вертикальный конвертер во время проведения процесса может наклоняться, что обеспечивает выполнение всех необходимых технологических операций: заливку исходного чугуна, продувка расплава воздухом, взятие проб, слив готовой продукции и т.д. Все эти операции, за исключением продувки расплава, осуществляется через горловину, которая служит также для удаления из конвертера технологических газов. При продувки расплавленного чугуна, который пронизывается струями дутья снизу вверх, кислород окисляет примеси чугуна ( Si, Mn, С). При их окислении выделяется значительное количество теплоты, достаточное не только для поддержания расплавов в жидко текучем состоянии но их разогрева до 1600 º С  перед сливом из конвертера.

     Основными недостатками бессемеровского процесса являются невысокое качество получаемой стали, обогащаемый во время продувки азотом, и невозможностью удаления этим способом наиболее вредных примесей - фосфора и серы. Для выплавки бессемеровского чугуна необходимо очень чистые по содержанию этих примесей руды запасы которых ограничены. В 1878 году С.Томас вместо кислой футеровки применил основную, а для связывания фосфора предложил использовать известь. Томасовский процесс значительно расширил возможности конвертерного способа получения стали. Однако и томасовский процесс сохранил высокую насыщенность получаемой стали азотом. Кроме того, томасовская сталь обладает повышенной хрупкостью и склонность к старению, сто ограничивает область ее применения.

     Бессемеровский и томасовский процессы просуществовали примерно до середины текущего столетия. На смену эти двум способам производство стали пришел новый прогрессивный процесс, получивший название кислородно-конвертерного (за рубежом процесс LD). В промышленном масштабе впервые был осуществлен в 1952-1953 году в Австрии. Характерными особенностями нового процесса являются использование для окисления примесей технологического кислорода и подача его преимущественно на поверхность расплава сверху с помощью вертикальных дутьевых сопел (фурм). К настоящему времени кислородно-конвертерный процесс приобрел главенствующее положение среди существующих  способов массового производства стали во всех странах мира. Исключительно большое практическое значение этого процесса объясняется пригодностью его для переработки чугунов практически любого состава и металлолома в количествах до 30 % от массы чугуна, возможностью получения широкого сортамента сталей. Включая легированных, высокой производительностью, большой гибкостью технологии и высоким качеством получения продукции.

    В настоящее время кислородно-конвертерных цехах применяют конвертеры вместимостью от 20 до 450 тонн. Конвертеры этого типа имеют грушевидную форму и оборудованной концентрической горловиной и глухим днищем. Центральное расположение горловины создает лучшее условие для ввода в полость конвертера вертикальной кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна и заливки лома и флюсов. Примерно в средней части корпуса кислородного конвертера по высоте закреплены горизонтальные цапфы, обеспечивающее опору конвертера и его вращения по оси цапф на 360 º с частотой вращения 0,01 до 2 мин¯¹ .На небольших конвертерах усилие вращения передается от привода на одну цапфу, в большие конвертеры вместимостью более 200 т оборудованы двусторонним приводом, имеющим по два двигателя, на каждую цапфу. Футеровка сталеплавильных кислородных конвертеров выполняется из смолодоломитового или магнезитохромитового кирпича.

     Кислород к расплаву подводится с помощью вертикальной водоохлаждаемой фурмы, имеющей обычно три - четыре сопла. Фурма вводится в конвертер через горловину, располагаясь нижним концом на расстоянии 1-3 м от поверхности расплава и обеспечивая тем самым при давлении дутья 0,9-1,4 МПа подвод окислителя к поверхности расплава. Длина фурмы в современном 300-т конвертере достигает 27м. Медный водоохлаждаемый наконечник дутьевой фурмы выдерживает от 70 до 300 плавок.

     Работа кислородного конвертера осуществляется в периодическом режиме. Процесс начинается с завалки стального лома в наклоненный конвертер. Далее заливают жидкий чугун, конвертер устанавливают в вертикальное положение, вводят в него фурму и включают подачу кислорода чистотой ≥ 99,5 %. Одновременно с началом продувки загружают первую порцию флюсов и железной руды. Остальную часть этих материалов подают в процессе продувки одной или несколькими порциями.

     Процессы окисления и шлакообразования в кислородном конвертере идут очень интенсивно, чему способствуют высокие температуры, которые в реакционной зоне достигают 2500 ºС и хорошая циркуляция металла и его перемешивание со шлаком. Окисление примесей чугуна осуществляется в основном через шлаковую фазу. Сначала по закону действия масс окисляется железо, присутствующее в расплаве в наибольшем количестве, по реакции

2Fe + О2  = 2FeО + 539800 кДж

     Образующийся по этой реакции FeО в результате интенсивного массообмена в расплаве переносится в шлаковую фазу и является основным окислителем примесей. Процесс окисления примесей протекает на границе раздела металл - шлак по реакциям:

Si + 2FeO =  SiO2  +  Fe;

Mn + FeO = MnO + Fe;

2Р + 5FeO = Р2О5 + 5Fe;

С + FeO = СО + Fe.

     На участках, где скорости движения газа-окислителя незначительны и массообмен ослаблен, возможно прямое окисление углерода и примесей кислородом дутья, например, по реакции2С + О2 = 2СО. Выделение СО при окислении углерода во всех случаях способствует лучшему смешению металлической и шлаковой фаз.

     Окисление всех примесей чугуна протекает по экзотермическим реакциям с самого начала продувки. Наиболее интенсивно в начале продувки окисляются кремний и марганец, что объясняется их высоким сродством к кислороду при сравнительно низких температурах. Удалению фосфора способствует высокая концентрация в расплаве FeO. Кроме того, быстрое окисление фосфора, а также кремния объясняется связыванием их оксидов известью по реакциям:

SiO2  + 2СаО = 2СаО • SiO 2,

Р2О5 + 4СаО = 4СаО • Р2О5.

     По мере протекания процесса конвертирования чугуна основность шлака непрерывно увеличивается и во второй половине продувки достигает величины >•2,5 когда создаются благоприятные условия для удаления из металлического расплава серы. Удаление серы, содержащейся в чугуне и стали, протекает по суммарной реакции

Fe + S + СаО = FeO + CaS.

В качестве флюсующих добавок в кислородно- конвертерном  процессе используют известь, расход которой составляет 5- 6 % от массы плавки, боксит (0.5-2 %) и плавиковый шпат (0,15-2 %). Состав конечного шлака в основном зависит от состава чугуна  и содержания углерода  в готовой стали. Содержание отдельных компонентов в шлаке кислородно- конвертерного процесса колеблется в следующих пределах, % FeO 6-12; SiO2 14-22; CaO 43-50; MnO 4-8; MgO  4-8; P2O5 2,5-4,0.     

О ходе удаления примесей чугуна в процессе конвертирования судят по результатам  экспресс- анализов отбираемых периодически через горловину проб расплавов. В готовой стали кислородно - конвертерного процесса содержания фосфора не превышает 0,02 %, а остаточное содержание серы составляет 0,02- 0,04 %.Однако такая сталь характеризуется повышенным содержанием остаточного марганца ( 0,25-0,6 % ). Это связано с тем , что часть марганца во второй половине продувки вследствие высоких температур, увеличения основности шлака  и снижения степени его окисления, может вновь восстанавливаться до металла.

Весь технологический цикл в кислородном конвертере занимает 50 -60 мин, в том числе продувка кислородом 18-30 мин. По достижении заданного содержания углерода в стали дутье отключают, фурму подымают, конвертер наклоняют и металл через специальную летку выливают в ковш. После слива стали из конвертера через горловину сливают шлак. Полученный в кислородном конвертере металл содержит повышенное количество кислорода, что обусловливает необходимость его обязательного раскисления. Раскисление проводят добавкой более активных металлов с повышенным сродством кислороду в разливочный ковш  или желоб, транспортирующий металл в него из конвертера. Важнейшим преимуществом кислородно - конвертерного процесса, выражающиеся в бурном кипение расплава  при продувке,  высокой температуре расплавов и возможности быстрого ее регулирования, позволяют использовать его для получения легированных сталей. Основной трудностью при этом является введением легкоокисляющихся элементов во время продувки (Cr, Mn, Si). Введение элементов, обладающих меньшим сродством  к кислороду ( Ni, Cu, Mo)? Можно проводить в любое время  плавки. Добавку легко окисляющихся легирующих элементов проводят часто вместе с раскислителем в сталеразливочный ковш после их предварительного расплавления в специальной печи в форме ферросплавов (твердых).

     Во время продувки чугуна в конвертере образуется большое количество раскаленных отходящих газов с достаточно высокой степенью запыленности. Большое пылеобразование обусловлено интенсивным окислением железа и его испарением: угар железа составляет 6-7 %. Для использования физической теплоты газов и очистки их от пыли за конвертерами устанавливают котлы-утилизаторы и пылеулавливающие установки.

     Указанные выше недостатки кислородно-конвертерного процесса послужили основанием для дальнейшего совершенствования технологии и ее аппаратурного оформления. В результате сопоставления достоинств и недостатков способов выплавки стали в конвертерах с нижним (донным) и верхним дутьем был разработан комбинированный процесс, в котором металл обрабатывается, сверху только чистым кислородом, а снизу либо кислородом в кольцевой защитной оболочке из углеводородов, либо нейтральным газом - азотом или аргоном. Защитная оболочка струй кислорода защищает днище и донные фурмы от быстрого разрушения в результате высокотемпературного воздействия и интенсивного барботажа расплава. Периодические продувки азотом или аргоном снижают окисленность шлака и металла, замедляют окисление марганца, повышают степень удаления фосфора и серы в газовую фазу, что позволяет сократить расход извести. Снижению расхода извести способствует также возможность ее вдувания непосредственно в расплав вместе с кислородом через донные фурмы.

            

© 2007 ООО Металл
Создание, веб дизайн, поддержка сайтов megagroup.ru