(Проблема выплавки, стали с использованием ч)ч^на любого CQJl. •става и большого количества. скрапа была впервые решена в 1864 Л. Мартеном (Франция), который построил регенеративную отражу, тельную печь для плавки литой стали. JX Мартен для реализации нд-’ — вого процесса использовал идею братьев Вильяма и Фридриха Сименс (Германия), которые предложили использовать тепло уходН— , 1цих из печи газов для подогрева воздуха и газообразного топлива» в специальных камерах — регенераторах.
Благодаря указанным преимуществам, а также четкости и отно — : сительной простоте контроля и управления ходом плавки мартеновский процесс получил широкое распространение в мире и до 1955 г. являлся основным сталеплавильным процессом. — .
В 60-х годах в связи с бурным развитием кислородно-конвертерного процесса относительная доля мартеновской стали начала снижаться. Развитие мартеновского производства шло по пути уведЯ; ,
ЧениЯ- Садки и производительности печей и улучшения их техника^____ »
Экономических показателей. Совершенствованию мартеновского про,-. ¦ изводства посвящено много трудов русских и советских ученых^___ В. Е. Грумм-Гржимайло, А. А. Байкова, М. А. Павлова, М. М. Карй • наухова, К. Г. Трубина и др.
СССР считается родоначальником строительства мощных и сверхмощных мартеновских печей. В настоящее время более половины всей мартеновской стали у нас выплавляется в печах емкостью 400—600 т; работают также крупнейшие в мире печи емкостью 900 т.
Для достижения высокой производительности необходимы рациональная планировка цеха и правильная организация грузопотоков в его отделениях для своевременного обеспечения конвертеров материалами и уборки из цеха продуктов плавки.
Основные грузопотоки в цехе должны иметь самостоятельные пути и не пересекаться другими потоками. К основным грузопотокам относятся подача жидкого чугуна, холодных шихтовых материалов, изложниц, огнеупоров, уборка слитков, шлака и других отходов. Желательно иметь сквозные (не тупиковые) пути для главных грузопотоков и отдельные погрузочно-разгрузочные устройства. Мостовые краны следует использовать только для подъема и поперечного перемещения грузов. Для продольного перемещения грузов необходимо использовать железнодорожный, автомобильный и монорельсовый транспорт. На рис. 64 представлен типовой конвертерный цех с тремя 100-т конвертерами. К основным отделениям цеха относятся: конвертерное, разливочное, миксерное, отделение шихтовых магнитных материалов, отделение шихтовых сыпучих материалов, отделение подготовки изложниц, двор подготовки составов, стрипперное отделение.
Конвертерное отделение размещается в закрытом здании, состоящем из трех пролетов: загрузочного, печного, разливочного. Все пролеты соединены между собой поперечными железнодорожными путями для транспортировки стали и шлака под конвертерами.
Миксерное отделение размещается в отдельном здании (рис. 65), примыкающем к конвертерному цеху. Миксер представляет собой емкость цилиндрической формы с кожухом, футерованным изнутри огнеупорным материалом, и предназначен для обеспечения бесперебойного снабжения сталеплавильных цехов жидким чугуном. Миксер имеет отверстие сверху для заливки чугуна, по-
Рис. 65. Стационарный миксер:
1 — кожух; 2— футеровка; 3 — люк для заливки чугуна; 4 — сливиой носок; б— роликовые обоймы; 6 — Дугообразная опора; 7— механизм поворота
Ступающего из доменного цеха, и носок для слива чугуна. Миксер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси для слива чугуна в ковш с последующей подачей его в сталеплавильный цех (конвертерный или мартеновский). Для подогрева чугуна миксер отапливают мазутом или газом. Типовые миксеры в СССР имеют вместимость 600, 1300 и 2500 т.
145
В настоящее время жидкий чугун к сталеплавильным агрегатам подают также с использованием передвижных миксеров. В этом случае в сталеплавильном цехе отсутствует миксерное отделение. Чугун из доменной печи сливают в ковш миксерного типа (рис. 66), транспортируют его в сталеплавильный цех, где он ожидает момента заливки в печь. Из передвижного миксера чугун сливают в заливочный ковш, а из него в печь. Передвижной миксер имеет сигарообразную форму. Главными элементами миксера являются: корпус, два опорных узла, привод поворота корпуса, две ходовые тележки и кабина. Стальной кожух футерован изнутри шамотным кирпичом. Емкость передвижных миксеров составляет 100—600 т; стойкость футеровки 400—500 наливов чугуна. Длина отечественного ковша миксерного типа емкостью 420 т равна 32 м, ширина 3,7 м.
2 1
Рис. 66. Ковш миксерного типа:
1 — стальной кожух; 2 — футеровка из шамотного кирпича; 3 — горловина; 4 — цапфы; 5 — механизм поворота; 6 — рельсовый путь; 7 — подшипниковые опоры; 8 — ходовая тележка
10—398
Преимущества использования ковшей миксерного типа состоят в снижении капитальных затрат, повышений температуры заливаемого в конвертеры чугуна на 50 К недостаткам следует отнести невозможность усреднения состава и температуры чугуна. J
Механические и технологические свойства кислородно-конвертерной стали не уступают, а в ряде случаев даже превосходят свойства мартеновской стали. Свойства стали в основном определяются содержанием примесей кислорода, азота, серы, фосфора, водорода и неметаллических включений. Выше уже отмечалось, что удаление фосфора и серы успешно осуществляется при кислородно-конвертерном процессе. Содержание кислорода в конвертерной стали примерно такое же, как и в мартеновской. При использовании кислорода чистотой 99,5 % кислородно-конвертерная сталь содержит до 0,005 % азота. В настоящее время освоено производство углеродистой, низколегированной и легированной сталей некоторых марок. Освоена выплавка и ответственных средне- и высоколегированных сталей (нержавеющей, динам — ной, трансформаторной). Из кислородно-конвертерной стали изготовляют катанку, проволоку, сортовой прокат, лист, трубы, рельсы и широкий сортамент других изделий.
Производство стали кислородно-конвертерным процессом характеризуется меньшими удельными капитальными затратами по переделу, высокой производительностью агрегатов и более высокой производительностью труда по сравнению с мартеновским производством. Капитальные затраты на строительство кислородно-конвертерного цеха на 17—20% меньше, чем на строительстве мартеновского цеха, производительность труда выше на 27% и себестоимость стали ниже на 2%, чем в мартеновском цехе. Основные технико-экономические показатели работы современных кислородно-конвертерных цехов при продувке мартеновского чугуна следующие:
Вместимость конвертеров, т…………………………………………… 100—350
Продолжительность, мин:
TOC \o «1-3» \h \z Продувки……………………………………………………………………………. 15—24
Цикла плавки……………………………………………………………….. 30—50
Годовая производительность цеха, млн. т. слитков:
Три 100-т конвертера……………………………………………………. 2,5—3,0
Три 250-т конвертера…………………………………………… ‘ 4,7—5,0
Выход годного, %……………………………………………………………………… 89—92
Расход, %:
Извести…………………………………………………………………………. 6—10
Лома…………………………………………………………………………….. 18—27
Расход кислорода, м3/т стали…………………………………………… 50—56
Расход огнеупоров на футеровку конвертеров, кг/т стали 2—4
Стойкость футеровки, число плавок…………………………………….. 400—800
Расходы по переделу, руб/т………………………………………………………….. 5—8
При продувке фосфористого чугуна
Вместимость конвертеров, т. . ………………………………………. 20—180
Продолжительность, мин:
Продувки. ………………………………………………………………………….. 18—28
Цикла плавки. …………………………………………………………….. 50—65
Выход годного, 1% Расход,,%:
Извести
Лома…………………………………………….
87—89
10—16 20—35 60—63 120—450
Расход кислорода, м3/т стали. . Стойкость футеровки, число плавок
Основная сложность контроля хода плавки при кислородно-конвертерном процессе связана с высокой скоростью его протекания. Общепринятые в металлургии методы контроля при помощи химического анализа проб металла по ходу плавки неприемлемы для данного метода. По тем же причинам нельзя считать удовлетворительным способ контроля температуры металла термопарами погружения. В связи с этим многочисленные усилия исследователей и практиков направлены на изыскание методов непрерывного контроля температуры и состава металла по ходу продувки. Из перспективных существующих методов контроля температуры металла можно назвать следующие:
1. Непрерывный замер температуры ванны термопарами, горячий спай которых защищается чехлами из высокоогнеупорных материалов (используются чехлы, стойкость которых составляет десятки часов). Широкого применения способ пока еще не нашел.
2. Способ периодического замера температуры ванны при помощи «бомб», забрасываемых в конвертер по ходу продувки на гибком отгорающем троссе.
3. Применение оптических пирометров со специальной защитой от брызг металла. Пирометр вводят в конвертер при помощи специальной водоохлаждаемой трубы.
Контроль содержания углерода в металле в кисло — родно-конвертерном процессе является наиболее ответственным моментом. Существует несколько методов контроля: по интенсивности излучения факела, которая зависит в основном от скорости окисления углерода (выделение СО); по температуре отходящих из конвертера газов; по анализу содержаний СО и CO2 в отходящих газах (в камине); по интенсивности шума в конвертере и др. Момент окончания плавки в конвертере можно определить по расходу кислорода с начала операции. Расход кислорода фиксируется интегратором, который после пропускания заданного количества на плавку дает сигнал на повалку конвертера. При этом отключается дутье и автоматически поднимается фурма.
В последние годы созданы системы автоматического N управления конвертерной плавкой с применением электронных вычислительных машин (ЭВМ). С этой целью разработаны математические модели процесса, основанные на тепловом и материальном балансах плавки. На основе математического описания процесса создается программа (алгоритм) для ЭВМ. В ЭВМ вводят исходные данные о составе чугуна, флюсов и охладителей, количестве сыпучих, температуре чугуна, чистоте кислорода, основности конечного шлака, составе и температуре готовой стали и т. д. Машина на основании полученной информации и уравнений математической модели процесса прогнозирует ход плавки, рассчитывает количество и время присадок, расход кислорода на плавку и момент окончания продувки, рассчитывает и вводит в ковш необходимое количество раскислителей.
В практике применяют статические и динамические системы управления. Недостатком статических систем является невозможность учета различного рода отклонений в ходе плавки, например неточности в исходных параметрах, отклонения в угаре железа, механические потери металла, степень усвоения ванной кислорода и т. д. Этих недостатков лишены динамические системы, основанные на управлении процессом с обратной связью, когда, кроме начальных параметров, используется непрерывная информация о ходе плавки. Система воздействует на ход процесса, учитывая отклонения, возникающие по ходу плавки, и обеспечивает проведение процесса по оптимальному режиму. При этом обеспечивается максимальная производительность, выход годного и качество стали.
В процессе конвертерной плавки, особенно в большегрузных конвертерах, образуется большое количество газов. Газы, покидающие конвертер, захватывают и уносят мелкодисперсные частицы оксидов железа, образующиеся в результате испарения железа и не успевшие осесть в шлаке.
В 100-т конвертере количество образующихся газов достигает 1000 м3/мин; в конвертерах вместимостью 300 т — до 3000 м3/мин. Средняя загрязненность этих газов составляет 10—120 г/м3. В соответствии с санитарными нормами допускается содержание не более 0,1 г/м3 пыли в выбрасываемых в атмосферу газах. Отсюда необходимость строительства установок для очистки газов. Стоимость очистных сооружений достигает 30 % стоимости конвертерного цеха. В настоящее время применяют две схемы очистки отходящих газов: с дожиганием и без дожигания.
В первой схеме СО дожигают в камине при помощи кислорода воздуха, подсасываемого между горловиной конвертера и камином. Охлаждение газов осуществляют с использованием и без использования тепла. Без использования тепла газы охлаждают путем их сжигания в большом количестве холодного воздуха и впрыскивания воды. При охлаждении газов с использованием тепла дожигание производят путем подачи воздуха в небольшом количестве и впрыскивания воды. Для использования тепла применяют котлы-утилизаторы.
На рис. 63 показана типовая схема отвода газов с дожиганием и использованием тепла в котле-утилизаторе. Схема представляет собой типовой проект для конвертеров садкой 100—130 т, работающих в СССР. Отходящие газы поступают в камин, где происходит сжигание СО за счет кислорода воздуха, подсасываемого через зазор между горловиной конвертера и камином. В камине, представляющем собой радиационную часть котла- утилизатора, происходит отдача физического тепла горячих газов и химического тепла, выделяемого при сгорании СО. Из подъемного газохода газы попадают в опускной газоход и охлаждаются до 250—300 °С. Дальше газы попадают в газоочистку, где охлаждаются до 80— 90 0C водой. Далее газы попадают в трубы-распылители. Вентури, в которых пыль укрупняется и смачивается водой. Затем газы проходят через водоотделяющую решетку и поступают в электрофильтр для окончательной очистки, откуда дымососом выбрасываются в атмосферу.
Рис. 63. Отвод и очистка конвертерных разов:
/ — конвертер; 2 — фурма; 3 — камин; 4 — опускной газоход; 5 — Электрофильтр; 6—водоотделяющая решетка; 7 — трубы Вентури; 8 — Водяное охлаждение
В схеме без дожигания организуют отвод газов в камин без доступа воздуха. Из-за отсутствия подсоса воздуха объем очищаемых газов уменьшается в 3—4 раза, что позволяет значительно упростить и удешевить систему газоочистки (примерно на 40 %). На отечественных конвертерах вместимостью 150—300 т, как правило, используется схема отвода и очистки газов без дожигания, включающая две ступени мокрой газоочистки (труб Вентури). Охлажденные и очищенные газы направляют в газгольдеры для последующего использования в качестве топлива и сырья для химической промышленности.
При продувке металла в конвертерах возможны выбросы металла. Поэтому конвертер ограждают специальными щитами со всех сторон. Пуску дутья, подъему, опусканию фурмы и наклону конвертеров предшествуют звуковые и световые сигналы, предупреждающие обслуживающий персонал конвертерного и разливочного отделений о начале этих операций.
Наличие значительных запасов высокофосфористых руд в ряде стран Европы заставило металлургов изыскивать способы использования кислородно-конвертерного процесса для передела высокофосфористых чугунов.
Основная сложность переработки высокофосфористых чугунов (1,8—2,0% Р) заключается в получении низких содержаний фосфора к моменту достижения заданной концентрации углерода. Необходимость дальнейшей продувки металла для окисления фосфора увеличивает
Продолжительность процесса, уменьшает производительность и повышает угар железа, т. е. снижает выход годного. Поэтому нужно организовать процесс таким образом, чтобы скорость окисления фосфора была значительно больше той, которая имеет место при переделе малофосфористых (0,1—0,3 % Р) чугунов. Необходимо обеспечить условия для быстрого увеличения основности шлака при поддержании соответствующего высокого содержания FeO в нем.
В последние 10—15 лет были разработаны различные варианты кислородно-конвертерного процесса, в которых в струю кислорода для продувки подается порошкообразная известь. Наибольшее распространение получили ОЛП и ЛД-АЦ процессы.
Процесс ОЛП был разработан во Франции. Сущность метода заключается в том, что через фурму вместе с кислородом подается порошкообразная известь (рис. 62). Размер частиц извести составляет 0,1—2 мм. Благодаря тонкому помолу известь быстро прогревается и растворяется в шлаке, формируя активный известково-железис — тый шлак, что обеспечивает развитие реакции дефосфорации с самого начала продувки со скоростью, превышающей скорость обезуглероживания. Процесс делится на два периода. К концу первого периода, длительность которого составляет ~75 % от общей длительности продувки, в металле содержится 0,8—1,2 % С и 0,1—0,3 % P — После прекращения продувки сливают большую часть шлака (до 90%). Шлак с высоким содержанием P2O5 (20—22 %) используют для получения удобрений. После удаления шлака проводят второй период плавки: добавляют скрап (или периодически железную руду) и ведут продувку кислородом с измельченной известью до заданного содержания углерода. Расход извести составляет 8—12 % от массы чугуна, скрапа 25 %, кислорода 55— 57 м3 иа 1 т чугуна. Конвертеры по конструкции и футеровке не отличаются от обычных кислородных конвертеров.
Описанным методом можно выплавить низко-, средне — и высокоуглеродистые стали (до 0,7 % С) с низким содержанием фосфора.
Тщательный анализ преимуществ и недостатков методов верхней и нижней продувки привел к созданию процесса, в котором металл продувается сверху кислородом
Ar
А
. Рис. 61. Схема кислородно-конвертерного процесса с комбинированным дутьем:
1 — шлак: 2 — металл; 3 — пропан; 4 — кислород+флюсы
И снизу—кислородом, аргоном или азотом. Неиспользование конвертеров с комбинированной продувкой (по сравнению с продувкой только сверху) позволяет повысить выход металла; повысить долю лома, снизить расход ферросплавов; уменьшить расход кислорода; повысить качество стали за счет снижения содержания газов при продувке инертным газом в конце операции.
Возможные схемы работы по различным вариантам кислородно-конвертерного процесса с комбинированным дутьем представлены на рис. 61. В настоящее время в мире уже работает несколько установок с комбинированной продувкой. В СССР по такой схеме работают конвертеры на Днепродзержинском металлургическом заводе, вместимость которых 250 т.
Одновременно с совершенствованием кислородно-конвертерного процесса с верхней продувкой продолжались исследования с целью организации продувки металла снизу. Организация перемешивания ванны, теплообмен в ванне, условия усвоения добавочных материалов при донной продувке значительно лучше. При продувке снизу не требуется большая высота конвертерного пролета цеха (отсутствует фурма для подачи кислорода сверху). Конвертеры с донным кислородным дутьем можно использовать для замены томасовского и мартеновского процессов без коренной реконструкции здания цеха.
В середине 60-х годов опытами канадских инженеров Г. Саварда и Р. Ли по вдуванию струи кислорода, окруженной слоем углеводородов, была показана возможность продувки через днище без разрушения огнеупоров.
В 1968 г. этот метод был внедрен на томасовских конвертерах в ФРГ. Процесс получил название процесса ОБМ. В настоящее время применяют также ряд разновидностей этого процесса, разработанных в других странах: процесс Ку-БОП (США), ЛВС (Франция), KEK (ГДР) и др. В процессах ЛВС и KEK в качестве защиты и охладителя струи кислорода применяется жидкое топливо. Ку-БОП процесс впервые был применен для переработки низкофосфористых чугунов и получил промышленное развитие. Была разработана система ввода в струю кислорода молотой извести в регулируемых количествах.
В настоящее время в мире работают несколько десятков конвертеров с донной продувкой садкой до 250 т. Каждая десятая тонна конвертерной стали, выплавленной в мире, приходится на этот процесс.
Конструкция конвертера
Основное отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем (0,5—0,9 м3/т) и оснащены отъемным днищем.
В днище устанавливают от 7 до 22 фурм в зависимости от емкости конвертера. Размещение фурм в днище может быть различным. Обычно их располагают в одной половине днища так, чтобы при наклоне конвертера они были выше уровня жидкого металла. Перед установкой конвертера в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.
Фурма состоит из двух труб (рис. 58): внутренней для подачи кислорода и наружной, образующей кольцевой зазор вокруг внутренней, для введения углеводородсо — держащего газа (ОБМ и Ky — БОП процессы) или жидкого топлива (процессы ЛВС и КЕК).
Размер сопел зависит от многих факторов и определяется на основе моделирования. Для обеспечения защитной роли кольцевого газа или жидкого топлива щель между внутренней и внешней трубами должна составлять 0,5— 2,5 мм.
Защитное действие углево- дородсодержащего газа или топлива заключается в том, что под влиянием высоких температур углеводороды разлагаются по реакции CxHy-^xCjr ArIjjIH2, которая идет с поглощением тепла. Этого достаточно для компенсации избыточного тепла, выделяющегося при взаимодействии чистого кислорода с жидким металлом. Таким образом предотвращается быстрое разрушение фурм и частей днища, прилегающих к фурмам.
Интенсивность подачи кислорода находится в пределах 4^—7 м3/(т-мин). Расход природного газа составляет 6—7 % от расхода кислорода, расход пропана ~3,5 %.
Футеровка рабочего слоя конвертера — смолодоломи — товая. Днища обычно делают смолодоломитовыми, набивными. Стойкость футеровки конвертеров находится’ в пределах 400—600 плавок; стойкость днищ 300—400 плавок при защите газом и 500—600 плавок с использованием жидкого топлива.
Технология плавки
Рис. 58. Схема устройства фурмы для донной продувки кислородом в конвертере:
2
1 — природный газ (или другая защитная среда); 2 — кислород
В условиях донной продувки изменяются условия перемешивания ванны, на порядок увеличивается поверхность металл — газ. Это оказывает благоприятное влияние на условия зарождения и выделения пузырьков СО. Таким образом, скорость обезуглероживания при донной продувке выше по сравнению с верхней. Получение металла с содержанием углерода менее 0,05 % не представляет затруднений.
Благоприятные условия протекания реакции обезуглероживания обеспечивают по ходу плавки при донной
Рис. 59. Зависимость окислеиности шлака (содержания FeO) при верхней (?) и донной (2) продувке от продолжительности продувки тдр верхней (/) и донной (2) продувке
Pне. 60. Изменение состава металла при донной продувке
Продувке меньшую окисленность металла и шлака (рис.
59) . Поэтому содержание марганца по ходу плавки несколько выше, чем при верхней продувке, и практически не меняется, оставаясь на уровне 0,25—0,5 %• Лишь в конце продувки, когда содержание углерода становится очень низким и повышается окисленность шлака, содержание марганца падает до значений ниже 0,2 % (рис.
60) .
По причине низкой окислеиности шлака (менее 5 % FeO) на протяжении почти всей продувки условия для удаления фосфора не благоприятны. Лишь в конце продувки при содержании углерода порядка 0,05 % окисление шлака усиливается (содержание FeO в шлаке достигает 15—18%) и фосфор начинает интенсивно переходить в шлак. В связи с этим для получения стали с низким содержанием фосфора необходимо окислять углерод до низких значений; при выплавке средне — и высокоуглеродистых сталей требуется науглероживание металла после продувки. Применением тонкоизмельченной извести в струе кислорода можно добиться удаления фосфора с начала продувки одновременно с окислением углерода и кремния. Введение порошкообразной извести способствует формированию уже на первых минутах продувки активного основного шлака, что позволяет получить 0,02—0,03 % P при переделе низкофосфористых чугунов ( 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