- •А.Н. Шаповалов
- •Часть 2 металлургия стали: конвертерное производство стали
- •Содержание
- •Лекция 1 (0,5 часа). Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем
- •Лекция №2 (4 часа). Кислородно-конвертерный процесс
- •2.1 Устройство кислородного конвертера (0,5 часа)
- •2.2 Шихтовые материалы (0,25 часа)
- •2.3 Технология плавки (1 час)
- •2.4 Дутьевой режим плавки (0,25 часа)
- •2.5 Поведение составляющих чугуна при продувке (0,5 часа)
- •2.6 Шлакообразование и требования к шлаку (0,25 часа)
- •2.7 Поведение железа и Выход годного металла (0,25 часа)
- •2.8 Материальный и тепловой баланс кислородно-конвертерной плавки (0,5 часа)
- •2.9 Переработка лома в конвертерах (0,5 часа)
- •Лекция №3 (1 час). Конвертерные процессы с донной продувкой кислородом
- •3.1 Устройство конвертера с донной продувкой (0,25 часа)
- •3.2 Преимущества и недостатки кислородно-конвертерной плавки с донной продувкой (0,25 часа)
- •3.3 Технология конвертерного процесса с донной подачей кислородного дутья (0,5 часа)
- •Лекция №4 (0,5 часа). Конвертерные процессы с комбинированной продувкой
- •Библиографический список
- •Часть 2
Лекция №2 (4 часа). Кислородно-конвертерный процесс
Кислородно-конвертерный процесс - это выплавка стали из жидкого чугуна с добавкой лома в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму.
Кислородно-конвертерный процесс, обладает рядом преимуществ по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным процессами:
1) более высокая производительность одного работающего сталеплавильного агрегата (часовая производительность мартеновских и электродуговых печей не превышает 100 т/ч, а у большегрузных конвертеров достигает 400-500 т/ч);
2) более низкие капитальные затраты, т. е. затраты на сооружение цеха, что объясняется простотой устройства конвертера и возможностью установки в цехе меньшего числа плавильных агрегатов;
3) меньше расходы по переделу, в число которых входит стоимость электроэнергии, топлива, огнеупоров, сменного оборудования, зарплаты и др;
4) процесс более удобен для автоматизации управления ходом плавки
Благодаря использованию для продувки чистого кислорода, кислородно-конвертерная сталь содержит азота не более, чем мартеновская и по качеству не уступает мартеновской. Тепла, которое выделяется при окислении составляющих чугуна с избытком хватает для нагрева стали до температуры выпуска. Имеющийся всегда избыток тепла позволяет перерабатывать в конвертере значительное количество лома (до 28 % от массы шихты).
2.1 Устройство кислородного конвертера (0,5 часа)
Кислородный конвертер представляет собой поворачивающийся на цапфах сосуд грушевидной формы, футерованный изнутри и снабженный леткой для выпуска стали и отверстием сверху для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна, загрузки лома и шлакообразующих и слива шлака. Емкость существующих конвертеров составляет 10—400 т. В СССР в соответствии с ГОСТом установлен следующий типовой ряд емкостей конверторов (по массе жидкой стали): 50, 100, 130, 160, 200, 250, 300, 350 и 400 т.
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.
Форма конвертера. В конфигурации кожуха и внутреннего рабочего объема конвертера можно выделить три части: суживающуюся верхнюю часть (горловину), цилиндрическую часть и днище, которое может быть либо сферическим, либо иметь суживающуюся часть, к которой примыкает днище.
Размеры, конвертера. Они влияют на многие показатели процесса и должны, прежде всего, обеспечивать продувку без выбросов металла через горловину, поскольку выбросы уменьшают выход годной стали и требуют периодических остановок конвертера для удаления настылей металла с горловины и входной части котла-утилизатора. Размеры некоторых конвертеров приведены в табл.
Размеры некоторых кислородных конвертеров
Емкость, т
|
Высота рабочего пространства, Н, м |
Диаметр рабочего пространства, м |
Отношение H/D |
Удельный объем, м3/т |
Глубина ванны, м |
Диаметр горловины, м |
100 |
7,65 |
4,00 |
1,90 |
0,96 |
1,50 |
1,65 |
200 |
9,50 |
5,95 |
1,60 |
1,03 |
1,78 |
3,10 |
300 |
9,27 |
6,55 |
1,41 |
0,87 |
1,90 |
3,43 |
Основные параметры, определяющие возможность работы конвертера без выбросов — это удельный объем (объем рабочей полости, приходящийся на 1 т жидкой стали, м3/т) и отношение высоты рабочего объема к его диаметру, H/D.
Удельный объем должен находиться в оптимальных пределах. Если он недостаточен, то при продувке возникают выбросы вспенивающихся металла и шлака. При этом, чем выше интенсивность подачи кислорода и чем меньше число сопел в фурме, тем больше должен быть объем конвертера для предотвращения выбросов. Вместе с тем, если удельный объем чрезмерно велик, то неоправданно возрастают габариты конвертера и высота конвертерного цеха, теплоотдающая поверхность кожуха и теплопотери, расход огнеупоров на кладку футеровки.
В последние годы для проектируемых конвертеров емкостью 100—400 т с учетом сложившегося режима продувки (150— 250 м3/мин кислорода на одно сопло фурмы) величину удельного объема принимают в пределах от 0,8—0,85 до 1,0 м3/т, причем эта величина должна понижаться при росте емкости конвертера.
Выбирая величину H/D учитывают, что при ее снижении стенки конвертера отдаляются от высокотемпературной подфурменной зоны, что способствует повышению их стойкости; возрастает также площадь контакта металл-шлак, что облегчает удаление в шлак фосфора и серы. Вместе с тем при чрезмерном снижении H/D, т. е. уменьшение высоты конвертера, начинаются выбросы, поскольку вспенивающийся металл достигает низко расположенной горловины. При росте H/D вероятность появления выбросов снижается, но и увеличение H/D сверх оптимальной величины не рекомендуется, поскольку это требует увеличения высоты здания цеха.
Для проектируемых в последние годы конвертеров емкостью 100—400 т величину H/D принимают в пределах 1,8—1,35, причем в этих пределах она обычно снижается пропорционально увеличению емкости конвертера. Это связано с тем, что для предотвращения выбросов, расстояние от уровня ванны в спокойном состоянии до верха горловины для конвертеров емкостью 100—400 т должно составлять примерно 6—8 м.
Глубина ванны жидкого металла в спокойном состоянии изменяется от 1,0 до 1,8—1,9 м, возрастая при увеличении емкости конвертера. Даже для конвертеров малой емкости (50 т) она не должна быть менее 1 м во избежание разрушения футеровки днища кислородными струями. Увеличение глубины ванны сверх 1,9 м также не рекомендуется, так как при этом из-за недостаточного проникновения вглубь ванны кислородных струй и ухудшения перемешивания ванны затрудняется плавление стального лома.
Диаметр горловины Dг существующих конвертеров емкостью от 50 до 400 т находится в пределах (0,4—0,6)D и изменяется от 1,0 до 4,1 м, обычно увеличиваясь при увеличении емкости конвертера. При выборе величины Dг учитывают, что горловина больших размеров позволяет производить завалку стального лома в один прием, что сокращает длительность плавки. Вместе с тем, при увеличении Dг возрастают теплопотери и несколько повышается содержание азота в выплавляемой стали, поскольку через большую горловину в полость конвертера подсасывается больше воздуха, азот которого растворяется в металле. Поэтому горловина не должна быть больше, чем это необходимо для загрузки шихты.
Угол наклона стенок горловины к вертикали в существующих конвертерах составляет 20—35°. На основании отечественной практики признано нецелесообразным делать угол более 25°, так как при большем уклоне ухудшается стойкость футеровки горловины.
Кожух и днище. Кожух конвертера выполняют сварным из листовой стали толщиной от 20 до 110 мм и делают его либо цельносварным, либо с отъемным днищем, которое крепится болтами или клиновыми соединениями. Расположение горловины в конвертерах симметричное, что позволяет вводить кислородную форму строго по оси конвертера. При этом обеспечивается равное удаление кислородных струй от стенок конвертера и, тем самым, — равномерный износ футеровки.
Горловина в большей степени, чем другие элементы кожуха подвержена воздействию высоких температур и короблению и может быть повреждена при удалении застывших выплесков металла и в процессе слива шлака. Поэтому верх горловины защищают сварным или литым шлемом (рис): нижняя литая часть шлема 3 жестко скреплена с кожухом 1 горловины, а верхняя литая часть 5 съемная и крепится к нижней части клиньями или болтами так, что нет выступающих частей, благодаря чему существенно облегчается удаление настылей металла. В случае повреждения верхнюю часть легко заменить.
Днище конвертеров обычно делают сферическим. Эта форма облегчает циркуляцию металла при верхней подаче дутья и способствует снижению износа футеровки. Широко применяются как неотъемные, так и отъемные днища. Отъемные днища могут быть приставными и вставными.
Преимуществом конвертеров с отъемным днищем является облегчение и ускорение проведения ремонтов футеровки. После съема днища ускоряется охлаждение и облегчается разрушение изношенной футеровки и подача в полость конвертера огнеупоров для новой кладки по сравнению с подачей через узкую горловину конвертера. Основным недостатком отъемных днищ обычно считают меньшую прочность и надежность конструкции нижней части кожуха конвертера.
Преимуществом конвертера с неотъемным днищем является уменьшение массы и упрощение конструкции из-за отсутствия устройств для крепления днища, повышение жесткости кожуха в целом и надежности конструкции его донной части, что особенно важно для большегрузных конвертеров.
Цапфы и опорное кольцо. Конвертер цапфами опирается на роликовые опорные подшипники, закрепленные в опорных станинах. Подшипники обеспечивают возможность вращения конвертера вокруг оси цапф; при этом один подшипник фиксированный, а другой «плавающий», что дает возможность перемещения вдоль оси цапф на 15—30 мм.
В первых кислородных конвертерах цапфы крепились непосредственно к кожуху конвертера. При этом, как показала практика, вследствие нагрева кожуха и его деформации происходил перекос осей цапф, что вызывало заклинивание опорных подшипников и повышенный износ шестерен механизма вращения.
Современные кислородные конвертеры снабжают отдельным опорным кольцом, к которому крепятся цапфы, и в котором с зазором закреплен кожух. Благодаря зазору возникающие при термическом расширении кожуха деформации не передаются опорному кольцу и перекос цапф не возникает. Системы крепления конвертера в опорном кольце с помощью подвесок, упоров и других устройств могут быть различными, но должны обеспечить свободное расширение кожуха.
Опорное кольцо (рис.) представляет собой конструкцию, состоящую из двух полуколец 1 и закрепленных между ними двух цапфовых плит 2; полукольца и плиты скреплены шпильками 4. Полукольца выполняют сварными полыми прямоугольного (коробчатого) сечения. Для защиты опорного кольца от перегрева и от попадания капель металла и шлака над ним приваривают к корпусу конвертера защитный кожух 3 (см. рис. конвертера в сборе).
Механизм поворота. Он обеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360° со скоростью от 0,1 до 1 м/мин. Поворот конвертера необходим для выполнения технологических операций: заливки чугуна, завалки лома, слива стали и шлака и др.
Механизм поворота может быть односторонним и двусторонним. У конвертеров небольшой емкости 130—150 т механизм поворота, в котором одна из цапф соединена с приводом - односторонний. Наклон большегрузных конвертеров требует приложения значительного крутящего момента, вызывающего большие напряжения в металлоконструкциях опорного кольца и привода. Поэтому для более равномерного их распределения механизм поворота большегрузных конвертеров делают двухсторонним.
Механизмы поворота бывают стационарными и навесными. В состав стационарного механизма обычно входят установленные на жестком фундаменте электродвигатель с редуктором, вращающий момент от которых передается цапфе с помощью шпинделя или зубчатой муфты. Недостатком механизма является то, что при жестком креплении редукторов на фундаменте перекосы цапф и ударные динамические нагрузки в момент включения вызывают усиленный износ привода.
В последние годы применяют более совершенные навесные (закрепленные на цапфе) многодвигательные механизмы поворота.
Навесной многодвигательный привод обладает следующими преимуществами: перекос цапф не влияет на его работоспособность; при выходе из строя одного двигателя привод остается работоспособным; в 2—3 раза уменьшается масса привода; существенно уменьшается площадь, необходимая для его установки —так, например, максимальный размер вдоль оси колонн цеха у 300-т конвертера с двухсторонним стационарным приводом составляет около 28 м, а при двухстороннем навесном приводе—около 20 м.
Футеровка. Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях, подвергаясь воздействию высоких температур; термических напряжений, возникающих при колебаниях температуры футеровки; ударов кусков шихты при загрузке и знакопеременных нагрузок, возникающих при вращении конвертера. Она изнашивается также в результате химического взаимодействия со шлаком и размывающего действия потоков металла и шлака.
Футеровку обычно делают двухслойной. Примыкающий к кожуху арматурный слой толщиной 110—250 мм уменьшает теплопотери и защищает кожух в случае прогара рабочего слоя. Арматурный слой выполняют из магнезитового или магнезито-хромитового кирпича, он не требует замены очень длительное время (годы). Внутренний или рабочий слой изнашивается во время работы и его заменяют при ремонтах футеровки; его толщина в зависимости от емкости конвертера составляет 500—750 мм.
Для кладки рабочего слоя используют безобжиговые огнеупоры на связке из каменноугольной смолы или пека — смолодоломит (35—37 % MgO, 45—65 % СаО), смолодоломитомагнезит (50— 80 % MgO, 12—45 % СаО), смоломагнезит; эти же огнеупоры, подвергнутые термообработке (выдержка при 600—800 °С в нейтральной или восстановительной атмосфере), а также обожженные магнезит и доломитомагнезит, пропитанные смолой или пеком. Чаще всего применяют необожженные кирпичи из смолодоломита или смолодоломитомагнезита.
Из необожженных кирпичей выкладывают рабочий слой футеровки, после чего ее обжигают, нагревая по специальному режиму до температуры 1100°С путем сжигания в полости конвертера кокса при подаче кислорода через фурму. При обжиге происходит коксование смолы — летучие удаляются и остается прочный коксовый остаток.
Недостаток безобжиговых огнеупоров, и в первую очередь смолодоломита — сильная слонность к гидратации: содержащаяся в доломите окись кальция реагирует с поглощаемой из атмосферы влагой, в результате чего кирпич теряет прочность и рассыпается в порошок. Поэтому смолодоломитовый кирпич нельзя хранить более 2—6 суток после изготовления.
Стойкость футеровки определяется стойкостью участков наибольшего износа. Это —футеровка цилиндрической части конвертера в районе шлакового пояса и в месте падения кусков лома при загрузке, футеровка горловины, а также летка. Существенное влияние оказывает качество огнеупоров; стойкость футеровки из безобжиговых огнеупоров составляет 400—700 плавок; при использовании термообработанных безобжиговых огнеупоров или обожженных с пропиткой смолой стойкость достигает 800— 900 плавок. При такой стойкости (400—900 плавок) расход огнеупоров составляет 2—5 кг на 1 т стали.
Существенное влияние на стойкость футеровки оказывают параметры технологического режима и состав шихтовых материалов. Стойкость футеровки снижается при повышении температуры процесса, так как это вызывает размягчение огнеупоров и ускорение их взаимодействия со шлаком; при увеличении жидкотекучести и количества шлака в результате усиления взаимодействия со шлаком и при снижении основности шлака, т. е. увеличении в нем содержания кислотных окислов, взаимодействующих с основными окислами футеровки. Заметно понижается стойкость футеровки при увеличении содержания в шлаке окислов железа, образующих с окислами футеровки легкоплавкие соединения.
Отрицательно сказывается на стойкости футеровки повышение содержания кремния в перерабатываемом чугуне, так как в результате его окисления в шлаках начального периода продувки увеличивается содержание SiO2 и, наряду с этим, возрастает общее количество шлака. По этой же причине необходимо, чтобы сыпучие материалы (руда, известь и др.) содержали минимальное количество кремнезема.
Следует избегать увеличения длительности интервалов между продувками, поскольку проникающий в полость конвертера воздух вызывает окисление коксовой пленки, а при охлаждении вследствие термических напряжений возможно скалывание огнеупоров.
Установлено, что растворение футеровки шлаком замедляется, если увеличить в нем содержание MgO до 6—8 %. В связи с этим рекомендуется применение шлакообразующих, содержащих окись магния (доломит, доломитизированная известь).
С целью повышения стойкости футеровки конвертеров применяется горячее торкретирование футеровки. Суть торкретирования сводится к нанесению с помощью торкрет-машин огнеупорной массы на изношенные участки футеровки. Применяют факельное, полусухое и иногда мокрое (пульповое) торкретирование.
Применяют торкретирование как всей поверхности футеровки, так и локальное — т. е. торкретирование отдельных наиболее изношенных участков. Длительность торкретирования обычно не превышает 5 мин, его проводят после каждой или после нескольких плавок. Рекордная стойкость футеровки при торкретировании достигнута на одном из японских заводов — 10 110 плавок при расходе огнеупорного кирпича и торкрет-массы 0,19 и 1,38 кг/т стали соответственно.
Кислородная фурма. Кислород подают в конвертер через вертикально расположенную водоохлаждаемую фурму, которую вводят в полость конвертера через горловину строго по его оси. Давление кислорода перед фурмой составляет 1,0—1,6 МПа. Высоту фурмы над ванной можно изменять по ходу плавки; обычно она увеличивается при росте емкости конвертера и находится в пределах 0,8— 3,3 м от уровня ванны в спокойном состоянии. Поднимают и опускают фурму с помощью механизма, сблокированного с механизмом вращения конвертера. Скорость подъема и опускания фурмы изменяется в пределах 0,1—1 м/с.
Рис. Многосопловые кислородные фурмы с центральной подачей кислорода (а) и воды (б);
1—3 — стальные трубы; 4 — сальниковое уплотнение; 5 — патрубки для подачи кислорода и воды; 6 —компенсатор; 7 — сменная часть наружной трубы; 8 — медная головка фурмы; 9 — сопло; 10 — выемка.
Фурма выполнена из трех концентрично расположенных стальных труб и снабжена снизу медной головкой с соплами (рис.). Полости, образованные трубами, служат для подачи кислорода, подвода и отвода охлаждающей воды. Наиболее часто применяют фурмы с центральной подачей кислорода (а). По средней трубе при этом подводят охлаждающую воду, а по наружной — отводят. Применяются также фурмы с центральной подачей охладителя (б). В таких фурмах подаваемую через центральную трубу воду отводят по наружной трубе, а кислород подают по средней трубе. Трубы в верхней части снабжены патрубками для подвода воды и кислорода. Для уменьшения термических напряжений, вызываемых различным удлинением наружной и внутренних труб, в последние устанавливают компенсатор 6, либо предусматривают подвижное сальниковое уплотнение при соединении двух труб.
Медная головка фурмы является сменной. В головке расположено несколько веерообразно расходящихся сопел типа сопла Лаваля. В применяемых в настоящее время фурмах число сопел изменяется от трех до семи, возрастая при увеличении расхода кислорода и емкости конвертера. Применяемые в настоящее время многосопловые фурмы благодаря рассредоточению кислородного потока на несколько струй обеспечивают «мягкую» продувку и минимальное количество выбросов. Кроме того, они дают возможность увеличить интенсивность подачи кислорода и сократить, благодаря этому, длительность плавки, а также повысить выход годного металла на 1—2 % за счет уменьшения выбросов.
Угол наклона оси сопел к продольной оси фурмы в большинстве случаев близок к 15° и имеет тенденцию к повышению при увеличении числа сопел, что позволяет повысить степень рассредоточения дутья.
Головка фурмы находится в зоне наиболее высоких температур (до 2600 °С), поэтому ее выполняют из меди, которая благодаря высокой теплопроводности обеспечивает быстрый отвод и передачу охлаждающей воде поглощаемого тепла. Воду для охлаждения фурмы подают насосом под давлением 0,8—1,2 МПа; температура воды на выходе из фурмы для предотвращения выпадения солей не должна превышать 40 °С. Стойкость головок фурм составляет 50—250 плавок.
Число и диаметр сопел рассчитывают гак, чтобы продувка шла без выбросов при требуемом расходе кислорода, интенсивность подачи которого в современных конвертерах изменяется от 2,5 до 5—7 м3/т-мин). Диаметр критического сечения сопел Лаваля обычно находится в пределах от 28 до 60 мм, предельный расход кислорода через одно сопло не должен превышать 250 м3/мин.