§ 3. Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой | Металлолом

1. Устройство кислородного конвертера

Несмотря на широкое распространение кислородно – конвертерного процесса, до сих пор отсутствует строгая теория расчета профилей конвертеров. При выборе фор­мы конвертера необходимо учитывать ряд параметров, начиная от аэро – и гидродинамических явлений, проходя­щих в полости конвертера во время продувки, и кончая вопросами обслуживания и ремонта.

Большинство имеющихся конвертеров имеет груше – – видную форму с концентрической горловиной. Это обес­печивает лучшие условия для ввода в полость конвер­тера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна и завалки лома и шлакообразующих материалов.

На рис. 52 показан конвертер с отъемным днищем. При отъемном днище облегчается ремонт конвертера. В таком случае днище может быть заранее подготовлено на спе­циальном стенде. Дни­ще с корпусом конвер­тера крепят при помо­щи клиновых соедине­ний. Для уплотнения стыка днища и корпу­са наносят слой огне­упорной массы. В кон­вертерах емкостью > 100 т днище выполня­ют неотъемным для придания жесткости всему корпусу.

Кожух конвертера выполняют сварным из листов толщиной от 20 до 110 мм. К централь­ной части корпуса конвертера крепят цап­фы, соединяющиеся с устройством для наклона. В местах крепления цапф к корпусу конвертера преду­смотрены различные приспособления для предохране­ния от теплового воздействия, например используют двойные стенки или систему водяного охлаждения цапф изнутри.

Горловина конвертера больше всего подвержена вы­сокотемпературной пластической деформации вследствие теплоизлучения металла и газов в период плавки. Поэ­тому для увеличения срока службы горловины применя­ют водяное охлаждение или иногда горловину выполня­ют съемной.

Рис. 52. Кислородный 100-т конвертер с отъемным днищем

Механизм поворота конвертера состоит из системы передач (рис. 53), связывающих цапфы с приводом. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360° со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Для кон­вертеров малой и средней емкости используют односто­ронний привод. Привод осуществляется от двух или не­скольких электродвигателей. Для большегрузных конвер­теров вместимостью >200 т применяют двусторонний привод, например четыре двигателя по два на каждую цапфу.

В шлеме конвертера имеется летка для выпуска ста­ли. Выпуск стали через летку позволяет уменьшить пере-

Рис. 53. Кислородный конвертер:

/ — опорный подшипник; 2 — цапфа; 3 — защитный кожух; 4 — опорное коль­цо; 5 — корпус ведомого колеса; б —навесной электродвигатель с редуктором; 7— ведомое зубчатое колесо; 8 — демпфер навесного электродвигателя; 9— демпфер корпуса ведомого колеса; 10 — опорная станина

Мешивание металла и шлака. Летка закрывается огне­упорной глиной, замешанной на воде. Залогом успешной работы конвертера служит правильно выбранная кон­фигурация его профиля. Основными параметрами для расчета профиля конвертера являются: высота H и диа­метр D рабочего пространства; удельный объем Vy, т. е. объем, приходящийся на единицу продуваемого чугуна; глубина ванны /; диаметр горловины d и др. Соотноше­ния между этими величинами для конвертеров различ­ной вместимости приведены в табл. 1.

Удельный объем существующих конвертеров вмести­мостью до 100 т колеблется от 0,8 до 1,1 м3/т; для кон­вертеров вместимостью 270, 300 т и более — до 0,70— 0,79 м3/т. Значительное увеличение, так же как и умень­шение удельного объема, нежелательно. В первом случае это приводит к увеличению размеров конвертера и цеха, повышает расход огнеупоров. Во втором случае увеличе­ние выбросов металла затрудняет нормальное ведение плавки. Отношение высоты рабочего пространства H к его внутреннему диаметру D для существующих конвер­теров находится в пределах 2,1—1,17, снижаясь для кон-

Таблица 1. Характеристика кислородных конвертеров

Вместимость конвертера, т	Я, м	D1 м	H/D ^	J^M’/т	/¦ M	D, м
30	5,85	2,78	2,10	1,00	0,85	1,40
40	5,50	3,00	1,83	0,81	1,00	1,50
100	7,65	4,00	1,90	0,80	1,50	1,65
135	8,50	5,55	1,53	1,10	1,34	2,60
180	9,35	5,52	1,69	0,93	1,71	2,85
200	9,50	5,95	1,60	1,03	1,78	3,10
250	8,46	6,08	1,39 –	0,76	1,50	2,60
300	9,00	6,70	1,34	0,67	1,72	3,66

Вертеров большей вместимостью. Оптимальной эту вели­чину следует считать для конвертеров вместимостью >300 т в пределах 1,35—1,3 и 1,9—2,0—для малых кон­вертеров (до 80 т). Соотношения между вместимостью, внутренним диаметром D и глубиной ванны I конвертера приведены ниже:

Вместимость 100 150 200 300

D, м 4—4,4 4,8—5,5 5,5—5,94 6,7

UM 1,4-1,5 1,54—1,61 1,85-1,9 1,99—2,05

Диаметр горловины конвертера принимают, исходя из определенного расхода лома на плавку. Горловина боль­ших размеров позволяет производить завалку стального лома в один прием, что сокращает длительность плавки. При этом повышается также стойкость футеровки горло­вины (ослабляется воздействие потока отходящих горя­чих газов). Но слишком большой диаметр горловины может стать причиной заметного подсоса в конвертер ат­мосферного воздуха и привести к повышению концентра­ции азота в стали. Диаметр горловины в действующих конвертерах составляет 0,4—0,6 D и находится в преде­лах 1,0—3,8 м. Угол наклона стенок горловины к верти­кали составляет 20—45°.

Футеровка конвертера

На рис. 54 представлена конструкция трехслойной фу­теровки конвертера. Футеровка состоит из арматурного слоя, прилегающего к кожуху, промежуточного и рабоче­го слоя, обращенного внутрь конвертера. Арматурный слой выполняется из обожженного магнезитового или магнезитохромитового кирпича и имеет толщину 110— 250 мм. Он длительное время не требует замены. Проме­жуточный слой, защищающий основной арматурный слой^ выполняется из набивной смолодоломитовой массы, ча­ще из смолодоломитового кирпича, бывшего в употреб­лении. Рабочий слой выполняют из безобжигового смо-

Рис. 54. Футеровка конвертера

Лодоломитового или доломитомагнезитового кирпича. Толщина рабочего слоя составляет 380—750 мм для кон­вертеров различной вместимости. Общая толщина футе­ровки конвертеров в зависимости от вместимости 700—> 1000 мм.

Условия эксплуатации огнеупоров в кислородных конвертерах значительно сложнее, чем при других спосо­бах производства стали. Это обусловлено следующими причинами: 1) интенсивным перемешиванием стали при продувке кислородом; 2) ударным воздействием загру­жаемых материалов; 3) действием знакопеременных на­грузок, возникающих при вращении конвертера; 4) рез­кими колебаниями температуры в период от одной плав­ки до выпуска стали следующей плавки; 5) действием высоких температур; 6) образованием большого количе­ства пыли.

Таким образом огнеупоры для кладки кислородного конвертера должны обладать высокой химической стой­костью, сопротивляемостью размывающему воздействию потоков металла и шлака и противоударной устойчи­востью загрузке шихты.

Этим, а также экономическим требованиям соответст­вует смолодоломитовый кирпич. Его изготовляют из обожженного доломита с добавкой каменноугольной смолы 4—9 %. Состав обожженного доломита: 50—60 % CaO; 32—39% MgO; ^5—7 % SiO2; ^8—12% всех примесей, включая SiO2. Доломитовый кирпич изготов­ляют прессованием под давлением 30—40 МПа. Су­щественным недостатком смолодоломита является его склонность к гидратации, т. е. способность поглощать влагу из атмосферы. Вследствие склонности к гидрата­ции смолодоломитовый кирпич не выдерживает длитель­ного хранения (кирпич теряет прочность и рассыпается). Поэтому при хранении и транспортировке кирпич должен иметь целлофановую упаковку.

Хорошей сопротивляемостью воздействию шлака, низкой скалываемостью и меньшей склонностью к гидра­тации обладает смолодоломитомагнезитовый кирпич (45—55 % MgO). Замена им смолодоломитового кирпича позволяет увеличить стойкость футеровки. Футеровку конвертера выполняют из необожженных кирпичей. Об­жиг футеровки осуществляется при 1100—1200°С при по­мощи мазутных форсунок. При обжиге происходит кок­сование смолы с образованием прочного коксового остатка. Он придает прочность футеровке и уменьшает степень взаимодействия шлака с ней. Днище конвертера выкладывают также из трех слоев. К кожуху укладыва­ют шамотный или обожженный магнезитовый кирпич, затем магнезитовый и слой из смолодоломитового или доломитомагнезитового кирпича.

Эффективным способом повышения стойкости футе­ровки является торкретирование наиболее изношенных участков кладки. Способ заключается в нанесении на по­верхность футеровки массы из мелкозернистой магнези – тохромитовой смеси в струе сжатого воздуха. Стойкость футеровки современных кислородных конвертеров со­ставляет 500—800 плавок (максимальная стойкость фу­теровки, достигнутая в СССР, составляет 1400 плавок), что соответствует удельному расходу огнеупоров от 2 до 6 кг/т. Это самый низкий расход огнеупоров из всех спо­собов массового производства стали.

Конструкция фурмы

Кислород поступает в конвертер по водоохлаждаемой фурме, изготовленной из трех цельнотянутых труб, кон­центрически входящих одна в другую. Снизу фурма за­канчивается медным наконечни­ком — головкой. Головка фурмы является сменной. Ее крепят к стальным трубам при помощи резьбы и сварки. Кислород, как правило, подается по централь­ной трубе, две внешние служат для подвода и отвода воды. Име­ются конструкции фурм с цент­ральной подачей охладителя. Дав­ление кислорода, подаваемого в фурму, находится в пределах 0,9—1,5 МПа, давление воды для охлаждения 0,6—1,0 МПа. Тем­пература отходящей воды из фур­мы не должна превышать 40 °С.

Фурму устанавливают верти­кально, строго по оси конвертера. Высоту расположения фурмы над уровнем метал­ла изменяют по ходу плавки. Подъем и опускание фурмы производятся при помощи механизма, сблокированного с механизмом вращения конвертера. Конвертер нельзя по­вернуть, пока из него не удалена фурма. Конструкция фурмы оказывает большое влияние на работу конвертера и определяет его производительность, стойкость футеров­ки, выход годного и т. д.

Наиболее простыми по конструкции являются одно – сопловые фурмы. Односопловые фурмы успешно исполь­зуют в конвертерах малой и средней емкости при расхо­дах кислорода, не превышающих 200—300 м3/мин.

Рнс. 55. Головка трехсопло – вой фурмы:

1 — распределитель воды;

2 — сопло Лаваля

С увеличением размеров конвертеров и количества кислорода, подаваемого через одно сопло, резко увеличи­лось количество выбросов. Это привело к уменьшению выхода годного и снижению стойкости футеровки. При­менение многосопловых фурм позволило получить рас­средоточенное («мягкое») дутье, при котором увеличива­ется площадь реакционной зоны, уменьшается количест­во выбросов, что дает возможность работать с большими расходами кислорода (500—900 м3/мин).

Наибольшее распространение получили трех – и четы – рехсопловые фурмы (рис. 55). Головки этих фурм имеют веерообразно расходящиеся сопла, наклоненные под уг­лом 6—15° к оси фурмы. Стойкость фурм составляет 70—300 плавок.

2. Сырые материалы

Шихтовые материалы кислородно-конвертерного процесса состо­ят из чугуна и скрапа (стального лома), флюсов (известняка, из­вести, боксита, плавикового шпата), охладителей (железной руды, окалины и т. д.), легирующих и раскислителей. Кроме указанных материалов, иногда применяют агломерат, окатыши, рудо-известко­вые брикеты, марганцевую руду. Доля чугуна в металлической части шихты колеблется от 70 до 100 %. На отечественных заводах обыч­но применяют чугун следующего состава: 3,9 — 4,3 % С; 0,5 — 1,0% Si; 0,7 — 1,7 % Mn; 0,03 — 0,06 %S; 0,015 — 0,15% Р. Состав чугуна в значительной степени влияет на ход процесса, качество стали, стойкость футеровки и технико-экономические показатели ра­боты.

Значительное повышение кремния в чугуне вызывает увеличение расхода охладителей и флюсующих. При этом повышается количе­ство шлака и содержание SiCb в нем, увеличиваются потери железа со шлаком и выбросами. Соответственно снижается выход годного и стойкость футеровки. При продувке чугуна с высоким содержа­нием кремния ухудшаются условия для удаления серы и фосфора. Вместе с тем нельзя допускать слишком низкую концентрацию кремния в чугуне, так как замедляется растворение извести, удлиня­ется бесшлаковый период в начале плавки. Это приводит к металли­зации и прогарам фурмы и ухудшает процесс удаления серы в связи с малым количеством шлака. Оптимальным содержанием кремния в чугуне следует считать 0,3—0,5 % (по некоторым данным, 0,4— 0,8 %) при использовании в качестве охладителя железной руды. При охлаждении скрапом содержание кремния в чугуне может быть увеличено, так как общее содержание кремния в металле снижается вследствие разбавления чугуна ломом.

Количество марганца в чугуне выбирают в зависимости от со­держания серы в шихтовых материалах и сортамента выплавляемой стали. С увеличением количества марганца в чугуне несколько сни­жается содержание серы в готовой стали, улучшаются условия шла­кообразования. Однако при этом увеличивается угар металла и сни­жается выход годного. Чугун для кислородных конвертеров должен содержать марганец в пределах 0,7—1,1 %. Количество серы в чугу­не желательно иметь в пределах 0,04—0,05 %, но не более 0,07%. Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %. Уве­личение фосфора усложняет технологию передела.

Применяемый в кислородном конвертере скрап должен быть ма­логабаритным, содержать минимальное количество вредных приме­сей и ржавчины. Крупные куски лома нежелательны, так как могут повредить футеровку при загрузке. Легковесный скрап увеличивает длительность завалки. Лучшим ломом считаются отходы прокатных

Цехов. В настоящее время проводятся успешные опыты по замене скрапа металлизованньгми окатышами (СССР), губчатым железом в виде брикетов (ФРГ) и другими материалами.

Известь применяют для формирования жидкоподвижного шла­ка. Качество ее в значительной степени определяет ход шлакообра­зования, степень дефосфорации и десульфурации и основные пока­затели кислородно-конвертерной плавки. Известь должна быть све- жеобожженной и иметь равномерный состав с размером кусков IO— 60 мм. Количество влаги в извести должно быть минимальным, со­держание серы не более 0,1—0,2 %, кремнезема не более 2,5—3 °/о – Соблюдение перечисленных требований способствует ускорению про­цесса шлакообразования, уменьшению выноса извести при продувке и позволяет получать сталь с низким содержанием серы и фосфора. Боксит и плавиковый шпат используют в качестве разжижителей шлака. Боксит содержит 37—50 % Al2O3, 10—20 % SiO2 и 12— 25 % Fe2O3. Его применяют крайне редко, в основном при дефици­те или отсутствии плавикового шпата. Высокое содержание SiO2 вызывает снижение основности шлака и стойкости футеровки. Бо­лее эффективным разжижителем является плавиковый шпат. Он содержит