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, м^3/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.