Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материала

Содержание

2.5.3.Конверторное производство стали
Горловина конвертера
Механизм поворота
Шихтовые материалы
Технология плавки
Разновидности конвертерных процессов
Процесс с комбинированным дутьем.

Подобный материал:

1 ... 7 8 9 10 11 12 13 14 ... 48

2.5.3.КОНВЕРТОРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

В настоящее время конверторное производство является основным производителем стали: из 798,5 млн. т. всей выплавляемой в мире стали 541 млн. т приходится на долю конверторного металла (около 70 %).

В России работают 8 цехов с 22 конвертерами емкостью 9Ѕ(300–350 т) и 13Ѕ160 т общей мощностью 35 млн. т. Технический уровень конвертерных цехов достаточно высок, а лучшие из них по своей оснащенности и технологическим возможностям входят в число ведущих цехов мира.

Предшественниками современного конверторного процесса, называемого кислородно-конверторным, были бессемеровский и томасовский способы конвертирования. Сейчас эти способы практически не используются.

Генри Бессемер — прирожденный изобретатель, — получил за свою жизнь более 120 патентов. Способ получения стали, запатентованный 17 октября 1855 г., открыл новую эпоху в черной металлургии. Бессемер расплавил в керамическом тигле 5 кг доменного чугуна, затем продул через полученный расплав воздух через вставленную в ванну керамическую трубку. После такой обработки нековкий чугун превратился в ковкое железо. Эту первую бессемеровскую сталь прокатали в морском арсенале. В коллекции “Iron and Steel Institute” хранится проба этой стали, к которой посетители относятся как к реликвии.

Кислородно-конверторный процесс был впервые реализован в промышленном варианте в 1952 г. и в течение последующих десятилетий интенсивно развивался и быстро вытеснил мартеновский процесс практически во всех промышленно развитых странах.

Приоритетное развитие этого процесса объясняется прежде всего его существенными технико-экономическими преимуществами в сравнении с другими сталеплавильными процессами:

высокая производительность кислородных конвертеров (до 450 т/ч) и мощность современных конверторных цехов до 6–8 млн. т стали в год;

высокая технологическая гибкость процесса, т.е. возможность переработки различных шихтовых материалов и прежде всего чугунов различного химического состава;

возможность производства сталей широкого сортамента — от углеродистых обыкновенного качества до качественных, низко- и среднелегированных;

простота конструкции агрегатов, низкий расход огнеупорных материалов, относительно невысокая трудоемкость ремонтов при высокой стойкости огнеупорной футеровки;

возможность внедрения систем отвода конверторных газов без дожигания (снижение капитальных затрат, увеличение интенсивности продувки ванны кислородом и использование отводимого СО в качестве вторичного энергоносителя);

эффективное управление процессом (удобен для автоматизации) и обеспечение выпуска металла с минимальным количеством корректировок температуры и химического состава при работе на стабильной металлошихте.

Недостатками процесса являются:

вдувание большого количества газообразного кислорода от 2,5 до 4,5 м³/(т·мин) в достаточно ограниченный объем металла, что приводит к целому ряду нежелательных последствий — переокислению и перегреву металла в реакционной зоне и, как следствие, к интенсивному испарению железа и необходимости сооружения дорогостоящих систем газоочистки;

ограничения количества перерабатываемого лома в конверторном процессе вследствие его аутотермичности и напряженности теплового баланса процесса;

достаточно высокая ресурсо- и особенно энергоемкость процесса;

определенные трудности при выплавке углеродистых сталей (рельсовая, металлокорд, инструментальные и др.) из-за недостатка тепла и трудности остановки продувки при высоком содержании углерода;

трудность удаления серы по ходу процесса.

В основу конверторного производства положена обработка жидкого чугуна газообразным окислителем, при этом извне дополнительный подвод тепла не производится, и процесс осуществляется за счет химического тепла экзотермических реакций окисления примесей и физического тепла чугуна.

Конвертер (рис. 31) представляет собой стальной сосуд грушевидной формы. Внутренняя часть футерована огнеупорным материалом. Конвертер цапфами опирается на стойки и имеет возможность поворачиваться при заливке жидкого чугуна, выпуске стали и шлака.

Рис. 31. Конвертер

Размеры и форма конвертера влияют на показатели процесса и должны обеспечивать продувку без выбросов металла через горловину.

Для своих опытов Бессемер использовал цилиндрический конвертер высотой чуть более 1 м, выполненный из листового железа, футерованного изнутри. Поскольку об оптимальных размерах устройства и возможностях процесса ничего не было известно, однажды произошло следующее. Не прошло и десяти минут после начала продувки, как из отверстия в крышке внезапно выбился фонтан искр, который с каждым мигом становился все больше и сильнее, пока не превратился в большой столб пламени. Вслед за этим раздались глухие хлопки, и высоко в воздух начали выбрасываться расплавленный металл и шлак. Конвертер стал напоминать вулкан во время извержения. Так как подойти к вулкану и отключить подачу дутья было невозможно, Бессемер оказался в положении беспомощного наблюдателя: в любое мгновенье мог начаться пожар или произойти взрыв. Но, к счастью, не произошло ни того, ни другого, и спустя несколько минут извержение прекратилось. Выпущенный из потухшего вулкана металл оказался ковким железом.

Диаметр горловины равен 0,4–0,6 диаметра рабочего пространства, который составляет 4–7 м.

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, иногда горловину выполняют съемной.

Наружу часть конвертера — кожух выполняют сварным из листов стали толщиной до 110 мм.

Днище может быть неотъемным и отъемным (в этом случае облегчается и ускоряется ремонт футеровки, но уменьшается прочность и надежность конструкции нижней части кожуха).

Механизм поворота обеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360 ° со скоростью 0,1–1 м/мин.

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 смолодоломитового кирпича. Рабочий слой выполняют из безобжигового смолодоломитового или доломитомагнезитового кирпича. Толщина рабочего слоя составляет 380–750 мм для конвертеров разной вместимости. Общая толщина футеровки конвертеров в зависимости от вместимости 700–1000 мм.

Условия эксплуатации огнеупоров в конвертерах значительно сложнее, чем при других способах производства стали. Это обусловлено следующим: 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.

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

Бессемеровский конвертер имел кислую футеровку, поэтому не был пригоден для использования в процессе плавки чугуна с высоким содержанием фосфора (содержание фосфора должно быть <0,25 %). Все попытки удалить фосфор не давали положительных результатов. Эта проблема была решена Сидни Джилькристом Томасом. Его изобретение стало величайшей сенсацией и завоевало все промышленно развитые страны мира. В 1878–1879 гг. им был разработан вариант конверторного процесса, при котором футеровка выполнена из материала с основными свойствами (томасовский процесс). Генри Бессемер лично вручил Томасу золотую медаль своего имени.

Эффективным способом повышения стойкости футеровки является торкретирование наиболее изношенных участков кладки. Способ заключается в нанесении на поверхность футеровки массы из мелкозернистой магнезитохромитовой смеси в струе сжатого воздуха. Длительность торкретирования не превышает 5–7 мин, и его проводят после каждой или нескольких плавок. Стойкость футеровки современных конвертеров 500–800 плавок (максимальная стойкость футеровки составляет 1400 плавок). Это соответствует расходу огнеупоров от 2 до 6 кг/т, что является самым низким расходом огнеупоров из всех способов производства стали.

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 сменная.

Высоту фурмы над ванной можно изменять по ходу плавки. Поднимают и опускают фурму с помощью механизма, сблокированного с механизмом вращения конвертера. Его нельзя повернуть, пока из него не удалена фурма. Фурмы устанавливают вертикально, строго по оси конвертера. Конструкция фурмы оказывает большое влияние на работу конвертера и определяет его производительность, стойкость футеровки, выход годного и т. д.

Применение многосопловых фурм позволяет получить рассредоточенное, “мягкое” дутье, при котором увеличивается площадь реакционной зоны, уменьшается количество выбросов, что дает возможность работать с расходами кислорода до 3000 м³/мин.

Наибольшее распространение получили трех- и четырехсопловые фурмы. Головки этих фурм имеют веерообразно расходящиеся сопла, наклоненные под углом 6–15 ° к оси фурмы. Стойкость фурм 70–100 плавок.

ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Главным шихтовым материалом процесса является жидкий чугун. На отечественных заводах 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 % P. Состав чугуна в значительной степени влияет на ход процесса, качество стали, стойкость футеровки и технико-экономические показатели работы.

Количество стального лома составляет до 30 % массы шихты. Применяемый лом должен быть малогабаритным (крупные куски могут повредить футеровку при загрузке), содержать минимальное количество вредных примесей и ржавчины. Легковесный лом увеличивает длительность завалки. Лучшим ломом считаются отходы прокатных цехов. Частично лом можно заменять металлизованными окатышами или губчатым железом.

Основной источник шлакообразования (флюс) — известь. Ее качество в значительной степени определяет основные показатели плавки. Известь должна быть свежеобожженной и иметь равномерный состав с размером кусков 20–60 мм. Количество влаги в извести должно быть минимальным, содержание серы не более 0,1–0,2 %, кремнезема не более 2,5–3 %. Плавиковый шпат используют как разжижитель шлака. Кроме указанных материалов применяют агломерат, окатыши, марганцевую руду, а также легирующие и раскислители.

Легирование — введение в состав сплавов легирующих элементов (Cr, Ni, Mo, W, Ti и др.) для придания сплавам определенных физико-химических или механических свойств. По количеству введенных элементов различают низколегированные (суммарное содержание легирующих до 2,5 %), среднелегированные (2,5–10 %) и высоколегированные (более 10 %) стали.

Японские специалисты-металловеды разработали и получили нержавеющую сталь, которая умеет сама себя “лечить”. Если поверхность детали из такой стали подверглась износу, достаточно нагреть ее в вакууме — и она вновь готова к работе. В чем же секрет? В эту сталь введены бор и азот. Когда металл нагревается, их атомы как бы выталкиваются кристаллической решеткой стали к поверхности, образуя на ней защитный панцирь — очень прочную пленку нитрида бора. Износится эта пленка — деталь можно снова нагреть в вакууме, и она опять обретет нужную броню.

Раскисление — химический процесс восстановления оксидов, находящихся в расплавленном металле или сплаве (удаление кислорода). В качестве раскислителей используют элементы, более активно соединяющиеся с кислородом, чем раскисляемые металлы, и образующие легкоудаляемые из сплавов оксиды.

ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ

Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Его загружают в наклоненный конвертер через горловину, при помощи кранов или завалочных машин лотками в несколько приемов (рис. 32,а). Далее заливают жидкий чугун (рис. 32,б), конвертер устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и включают подачу кислорода с чистотой не менее 99,5 % (рис. 33,в). Одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих (рис. 33,г). Остальную часть этих материалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего через 5–7 мин после начала продувки.

Рис. 33. Технологические операции конвертерной плавки

Образующиеся при окислении углерода пузырьки СО вспенивают металл и шлак и существенно усиливают циркуляцию шлака и металла, чем ускоряют процессы окисления, дефосфорации, десульфурации, нагрева металла и др. Вместе с пузырьками окиси углерода из металла удаляются растворенные в нем вредные газы — водород и азот.

Выделяющееся при реакциях окисления тепло обеспечивает нагрев металла до требуемой перед выпуском температуры и расплавление стального лома. Плавление лома обычно заканчивается в течение первых 2/3 длительности продувки.

Газообразные продукты окисления углерода (СО и немного СО₂) покидают конвертер через горловину, образуя высокотемпературный поток отходящих газов, в котором содержится много (до 250 г/м³) мелкодисперсных частиц Fe₂O₃.

Продувка в зависимости от интенсивности подачи кислорода продолжается от 12 до 20 мин и должна быть закончена на заданном для выплавляемой марки стали содержании углерода. К этому моменту металл должен быть нагрет до необходимой температуры (1580–1650 °С), а содержание серы и фосфора в нем не должно превышать допустимых для данной марки стали значений.

Момент окончания продувки определяют по количеству поданного кислорода и данным ЭВМ. По окончании продувки фурму поднимают, отбирают пробы металла и шлака. При необходимости проводят либо додувку, либо добавляют кокс или графит для корректировки содержания углерода. Конвертер наклоняют, выпуская сталь в ковш через летку (рис. 32,д), и одновременно вводят в ковш раскислители и легирующие добавки. В ковш также сливают немного шлака (шлаковый слой толщиной 200–300 мм предохраняет металл от охлаждения). Оставшийся шлак сливают в шлаковую чашу через горловину, сильно наклоняя конвертер (рис. 32,е).

РАЗНОВИДНОСТИ КОНВЕРТЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ

Процесс с донной продувкой кислородом. Наряду с продувкой металла сверху получили распространение конвертеры, в которых продувка осуществляется кислородом снизу. При донной продувке ванна лучше перемешивается, улучшается усвоение добавочных материалов.

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. Корпус конвертера с донным дутьем ниже и шире, чем корпус конвертера с верхней продувкой. В днище устанавливают от 7 до 22 фурм в зависимости от емкости конвертера. 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 начинают подачу дутья.

Принципиальной особенностью способа подачи кислорода через дно конвертера является подвод кислорода, струя которого окружена защитным слоем углеводородного (природного газа) или жидкого топлива (мазута). Этот защитный слой предохраняет огнеупоры днища от преждевременного прогорания. Стойкость футеровки конвертеров 400–600 плавок; стойкость днищ 300–400 плавок при защите газом и 500–600 плавок с использованием мазута. Для примера приведен режим плавки в 200 т конвертере донного дутья: загрузка лома 2–3 мин, заливка чугуна 2–3 мин, продувка 12–14 мин, отбор проб, измерение температуры до 9 мин, продувка азотом до 1 мин, скачивание шлака 2–3 мин, выпуск 5–6 мин. Всего 31–40 мин. Расход порошкообразной извести 5 т/мин, расход кислорода 3,3 м³/т^.мин, выход годного на 1,5 % больше, чем в конвертере с верхним дутьем.

Процесс с комбинированным дутьем. В конвертерах комбинированного дутья металл продувается одновременно сверху кислородом и снизу кислородом, аргоном или азотом. В таких конвертерах рационально сочетаются преимущества верхней и нижней продувок: обеспечивается интенсивное перемешивание ванны, с большей полнотой протекают процессы обезуглероживания, десульфурации и дефосфорации. В России этот вариант процесса применяется на ОАО “Северсталь”, ОАО “Запсиб”, ОАО “НЛМК” и др.

Для управления конвертерной плавкой разработаны математические модели процесса, основанные на материальном и тепловом балансах плавки. На основании математического описания процесса создается программа для компьютера, в которую вводят исходные данные о составе чугуна, флюсов, охладителей, количестве сыпучих, температуре чугуна, чистоте кислорода, основности конечного шлака, составе и температуре готовой стали и т. п. Компьютер на основе полученной информации и уравнений математической модели процесса прогнозирует ход плавки, рассчитывает количество и время присадок, расход кислорода на плавку и момент окончания продувки, необходимое количество раскислителей, вводимых в ковш.

В конвертерах выплавляют широкий сортамент углеродистых, низколегированных и легированных (нержавеющих, динамных, трансформаторных) сталей. Из них изготовлены катанку, проволоку, сортовой прокат, лист, трубы, рельсы и широкий сортамент других изделий.

Производство конверторной стали характеризуется высокой производительностью.

Основные технико-экономические показатели работы конверторных цехов следующие:

Вместимость конвертеров, т……………………………………..100–350

продолжительность, мин:

продувки………………………………………………………….15–24

цикла плавки……………………………………………………..30–50

годовая производительность цеха, млн. т слитков:

три конвертера100 т …………………………………………...2,5–3,0

три конвертера250 т …………………………………………...4,7–5,0

выход годного, %………………………………………………..…..89–92

расход, на 100 кг стали:

извести, кг………………………………………………………….6–10

лома, кг…………………………………………………………....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.

Вместимость конвертеров, т……………………………………..….20–180

продолжительность, мин:

продувки…………………………………………………………....18–28

цикла плавки…………………………………………………….…50–65

выход годного, %……………………………………………………..87–89

расход кг/100 кг стали:

извести……………………………………………………………..10–16

лома………………………………………………………………...20–35

расход кислорода, м³/т стали………………………………………...60–63

стойкость футеровки, число плавок………………………...…….120–450.

Недостатками конверторного процесса являются сложность и высокая стоимость очистки отходящих газов, а также необходимость использования в шихте жидкого чугуна.

Blog

Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Содержание

2.5.3.КОНВЕРТОРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ