Конвертерные процессы выплавки стали

Размещено на http://www.allbest.ru

КОНВЕРТЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ



СОДЕРЖАНИЕ

1. Общая характеристика конвертерных процессов

2. Кислородно-конвертерный процесс

2.1 Конструкция кислородного конвертера

2.2 Продувочные устройства кислородных конвертеров

2.3 Система подачи сыпучих материалов

3. Газоотводящий тракт

4. Технология кислородно-конвертерной плавки

4.1 Дутьевой режим кислородно-конвертерной плавки

4.2 Шлакообразование

4.3 Плавление лома

Литература



1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОНВЕРТЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ

Все конвертерные процессы осуществляются за счет тепла реакций окисления примесей чугуна, протекающих в зоне продувки металла воздухом или кислородом. Тепловые эффекты этих реакций характеризуются такими цифрами: (МДж/кг):

реакция	С > CO	C >CO2	Mn>MnO	Si > SiO2	Р > Р2О5
окисление воздухом	3,7	17,5	4,7	12,9	17,9
окисление кислородом	11,2	32,9	6,3	19,3	24,5

Как видно из этих данных, количество выделяющегося тепла различно. Обусловлено это отсутствием затрат на нагрев азота при продувке кислородом. При окислении марганца, кремния и фосфора кислородом количество выделяющегося тепла возрастает на 30…60%, при окислении углерода до СО - в 3 раза, при окислении углерода в СО₂ - почти в 2 раза. Общий же приход УQ тепла определяется тепловым эффектом реакций и составом чугуна:

(1)

где ?[C], ?[Mn], ?[Si], ?[P] - количество окислившихся компонентов чугуна, %.

q_{C …} - тепловые эффекты реакций окисления, МДж/кг примеси.

При продувке чугуна воздухом окисление углерода покрывает лишь 35…50% потребности тепла на плавку, вклад марганца не превышает 10-12%, остальное тепло должно быть получено за счет окисления кремния и фосфора. конвертер кислородный плавка шлакообразование

В бессемеровском процессе недостаток тепла компенсируется кремнием. Используемый для выплавки стали чугун должен содержать 0,9…1,5% кремния.

В томасовском процессе недостаток тепла компенсируется фосфором. Чугун должен содержать 1,5…2,0% фосфора.

При использовании технически чистого кислорода картина существенно меняется. В этом случае при окислении 4,0% углерода полностью компенсируются затраты тепла на нагрев металла до 1650?С. При окислении остальных компонент выделяется уже избыточное тепло, что делает возможной переработку 25…30% металлолома от массы чугуна.

Технологическая схема всех конвертерных процессов примерно одинакова. В наклоненный конвертер загружают часть шлакообразующих материалов, металлолом (если позволяет тепловой баланс плавки), заливают чугун и начинают продувку. Шихтовка плавки, т.е. количество используемых на плавку материалов и их соотношение, должна быть такой, чтобы после окисления примесей и расплавления лома в жидком металле содержалось требуемое количество углерода, серы и фосфора, а его температура была бы достаточной для проведения операций раскисления, легирования и разливки стали.

Главное отличие между процессами - состав футеровки и дутья. Как уже отмечалось, бессемеровский процесс осуществляется в конвертере с кислой футеровкой, а в качестве дутья используют воздух, который подают через донные продувочные фурмы. Для футеровки используют динасовый кирпич, состоящий на 92…97% из кремнезема.

В этом процессе из-за кислой футеровки не удаляются сера и фосфор в шлак.

Томасовский процесс отличается от бессемеровского тем, что футеровку конвертера выполняют из основных огнеупоров (обожженный доломит на смоляной связке - смолодоломит). Это позволяет перерабатывать чугун с высоким содержанием фосфора и удалять серу из металла в шлак.

Названные процессы в настоящее время имеют ограниченное применение, а на территории Украины вообще не используются. Основное количество стали сейчас, выплавляют в кислородных конвертерах.



2. КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНЫЙ ПРОЦЕСС

2.1 Конструкция кислородного конвертера

Для выплавки стали используют конвертеры вместимостью от 60 до 400т.

В состав кислородно-конвертерного агрегата с верхней продувкой входят (рис 1): корпус с футеровкой, опорное кольцо с цапфами, станины и опорные узлы, привод поворота, кислородная фурма с механизмом (машиной) ее перемещения.

Рис. 1. - Кислородный конвертер с навесным приводом:

1-корпус; 2-съемный шлем; 3-трёхслойная футеровка; 4-опорное кольцо; 5-Цапфа; 6-опорный узел; 7-станина; 8-привод поворота.

Кроме того, конвертор оборудован системой подачи сыпучих материалов, охладителем конвертерных газов, газоочисткой и системой управления плавкой.

Корпус конвертера симметричен относительно вертикальной оси и состоит из нескольких частей: верхней конической, средней цилиндрической и нижней сферической. Все эти элементы изготовлены из стальных листов, сваренных между собой встык.

Коническая часть (горловина) выполнена из листа толщенной 40 - 60мм, сверху к ней приварена литая стальная обечайка, в которой с помощью болтовых или клиновых соединений крепиться съемный литой шлем.

Необходимость установки шлема обусловлена тяжелыми условиями службы этой части корпуса: она подвергается механическим ударам при загрузке шихты и удалении настылей, тепловым воздействиям при заливке чугуна, продувке металла кислородом и сливе продуктов плавки.

Цилиндрическую часть корпуса изготавливают из листов толщиной 75 - 100мм. Этот элемент воспринимает нагрузки, возникающие при загрузке шихты, в процессе продувки, при наклонах конвертера. С внешней стороны цилиндрической части приваривают элементы крепления корпуса в опорном кольце, с внутренней - ребра жесткости, служащие одновременно полками для кладки первых рядов футеровки.

Сферическую часть корпуса (днище) изготавливают из штампованных элементов толщиной 50 - 60 мм. По конструкции днища конвертеры бывают глуходонными, с приставными и вставными днищами.

Приставное днище удобно тем, что при ремонтах обеспечивает быстрое охлаждение и подачу огнеупоров снизу, что более рационально и удобно по сравнению с организацией ремонтов через горловину.

Основными достоинствами глуходонной конструкции являются усиление жесткости и прочности корпуса конвертера.

Развитие конструкции конвертеров привело к созданию днища, вставленного в люк донной части конвертера (см. рис. 1)

Небольшие размеры люка позволяют сохранить жесткость корпуса, а большая толщина футеровки и тщательное уплотнение шва обеспечивают безаварийную работу. Сверху стык перекрывают дополнительным слоем кирпича.

Надо сказать, что одно время применения глуходонной конструкции считалось обязательным для агрегатов вместимостью более 150т из-за опасения ухода металла по линии разъема корпус - днище.

Для проведения ряда технологических операций конвертер наклоняют относительно оси, проходящей через цапфы. Цапфы диаметром 700 - 2300 мм запрессовывают в цапфовые плиты, нагревая предварительно плиту или охлаждая цапфу в жидком азоте. Учитывая снижение несущей способности цапф при нагреве, их делают водоохлаждаемыми.

Опорные кольца водой не охлаждают, иногда используют принудительное воздушное охлаждение.

Конвертер большой вместимости имеет большие габаритные размеры (высота корпуса до 12 м, диаметр до 8 м), обладает массой, достигающей 2000 - 2500 т, испытывает значительные статические и динамические нагрузки. Эти усилия передаются цапфами опорным узлам, установленным на сварных станинах, закрепленных в фундаменте.

Опоры конвертера, помимо восприятия вертикальных и горизонтальных сил, должны компенсировать перекосы и перемещения цапф, вызванные погрешностями изготовления и монтажа и тепловыми деформациями. Одна опора фиксированная, вторая - плавающая, т.е. подвижная в осевом направлении.

Опора состоит из литого основания, корпуса подшипника, крышки подшипника, двух конических роликоподшипников, двух опорных колонн со сферическими пятами и фиксатора.

Подшипниковые узлы снабжены лабиринтными и сальниковыми уплотнениями, так как в них нагнетается смазка.

Фиксированная и плавающая опоры отличаются конструкцией фиксаторов.

Цапфа заканчивается хвостовиком, который имеет меньший диаметр и выступает за пределы опорного узла. Через хвостовик передается вращательный момент от привода механизма поворота конвертера.

Применяют приводы трех типов: стационарные, полунавесные и навесные. В зависимости от того, одна или обе цапфы приводные, приводы подразделяют на одно - и двухсторонние.

Современные отечественные конвертеры оборудованы двухсторонними навесными приводами. В этом случае электродвигатель и быстроходные редукторы смонтированы не на отдельной станине, а на опоре конвертера, т.е. навешена на нее.

Навесные приводы многодвигательные и позволяют уменьшить размеры тихоходной передачи вследствие уменьшения модуля зацепления, увеличить число электродвигателей и тем самым повысить надежность механизма поворота.

Двигатели обеспечивают наклон конвертеров малой вместимости со скоростью 0,1 -1,0 об/мин, большой вместимости - 0,04 - 01 об/мин.

Технические характеристики конвертеров и приводов различных типов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметр	Тип привода
	Стационарный	Навесной
	Односторонний	Двухсторонний	Односторонний	Двухсторонний
Вместимость конвертера, т	130	250	160	300-350	350-400
Объем рабочего пространства, м3	108	250	135	267,8	320
Удельный объем, м3/т	0,83	0,82	0,84	0,89	0,8 - 0,9
Диаметр рабочего пространства, мм	4820	6600	5450	6600	7000
Высота рабочего пространства, мм	7660	8825	7275	9570	11050
Масса без футеровки, т	585	1292	926	1204	1225
Мощность электродвигателя, кВт	2х135	2х135	6х60	6х2х60	6х2х60

Профиль рабочего пространства кислородного конвертера.

Развитие кислородно-конвертерного процесса потребовало решения технологических задач и разработки конструкции, в первую очередь определения оптимальных параметров и формы его рабочего пространства.

Размеры рабочего пространства выбирают в зависимости от вместимости конвертера с учетом интенсивности продувки и процессов физико-химического взаимодействия в газовой, шлаковой и металлической фазах. При этом должны быть учтены такие требования, как минимальные потери металла, теплоты, высокая стойкость футеровки и др.

Все эти сложные и противоречивые требования в различных странах и различными авторскими коллективами решаются примерно одинаково, чем и объясняется тот факт, что известные в настоящее время конструкции конвертеров принципиальных отличий не имеют.

Ванну конвертера проектируют сферической или близкой к ней формы, что обусловлено стремлением иметь минимальную поверхность на единицу садки и исключить образования застойных зон при продувке металла.

Глубина ванны с ростом садки изменяется незначительно и для конвертеров вместимостью 250…400т составляет 1500-1600 мм. Глубина ванны должна быть такой, чтобы исключался контакт высокотемпературной реакционной зоны с футеровкой, а интенсивность перемешивания металла была достаточно высокой для создания благоприятных условий расплавления лома и выравнивания состава металла.

В связи с тем, что глубина ванны относительно постоянная величина, с ростом садки конвертера от 130 до 400 т увеличивается его диаметр от 4800 до 7000 мм.

Высота рабочего пространства конвертера определяется в первую очередь, тем, что в процессе продувки металл вспенивается и необходим объем для размещения образующейся газо-шлако-металлической эмульсии. С увеличением высоты конвертера потеря металла с выбросами снижается. Однако капитальные затраты на сооружение цеха возрастают. Поэтому этот параметр стараются по возможности ограничить, хотя рост садки конвертера от 130 до 400 т сопровождается увеличением высоты рабочего пространства от 7600 до 11050 мм. При этом отношение высоты к диаметру рабочего пространства конвертера изменяется в пределах 1,6 - 1,8.

Верхнюю часть пространства зауживают с целью снижения потерь металла с выбросами и тепловых потерь излучением. Однако диаметр горловины должен быть достаточно большим, чтобы можно было беспрепятственно осуществить завалку лома одним совком и слив чугуна. При этом диаметр горловины равен 0,4 -0,6 диаметра цилиндрической части конвертера.

Обобщающим параметром является удельный объем рабочего пространства конвертера, т.е. объем, приходящийся на одну тонну садки: при переделе обычных чугунов он равен 0,8 - 1,0, при переделе фосфорных чугунов - 0,9 - 1,1 м³/т.

Зная объем и соотношения основных параметров рабочего пространства, можно приступать к конструированию конвертера заданной вместимости.

Общепризнанной научно обоснованной методики расчета профиля рабочего пространства конвертера нет. Поэтому можно использовать различные эмпирические зависимости, полученные обобщением параметров действующих агрегатов.

Кафедра металлургии стали Металлургической академии разработала методику расчета, в которой сочетаются теоретические и эмпирические зависимости. В ее основу положено условие, что глубина ванны Н_O в спокойном состоянии должна превышать глубину проникновения реакционной зоны. Учитывая зависимость протяженности реакционной зоны от интенсивности продувки и скорости истечения кислорода из многосопловой фурмы, полученной в лабораторных условиях, глубина ванны должна быть такой:

H_O = 0,016w^0,5 p^0,1 (GI/k)^0,3 , (1)

где w и р - скорость м/с, и плотность, кг/м³, кислорода в критическом сечении сопла;

G - вместимость конвертера, т;

l - интенсивность продувки, м³/ (т?мин);

К - количество сопел в фурме.

Далее вычисляют высоту рабочего пространства и диаметр цилиндрической части рабочего пространства:

Н = 0,29 I^0,7 H_o ^1,5 K^-0,6; (2)

D = (0,6 - 0,32 ?10 ^-3 G) (G/H) ^0,5. (3)

Остальные параметры определяют на основании геометрических построений и найденных статистической обработкой зависимостей.

Футеровку кислородных конвертеров выполняют из основных огнеупоров. Наиболее часто используют безобжиговые огнеупоры на смоляной связке. Обожженный доломит состава, %: 33 - 37MqO; 53 - 60 СаО; 2 - 5 SiO₂; 2 - 5 Al₂O₂ + Fe₂O₃ фракции до 2 мм смешивают с каменно-угольной смолой (до 10%) и прессуют при 60 - 70?С под давлением не менее 10 МПа.

Коксующий обжиг осуществляют в конвертере вначале горелкой, а потом сжиганием кокса в струе кислорода без горения смоляной связки.

Главные составляющие огнеупора СаО и MqO с температурой плавления 2300 и 2800?С. С увеличением содержания MqO до 60 - 65% стойкость огнеупоров на смоляной связке растет.

Кроме смолодоломита используют известково-периклазовый кирпич на пековой связке, смоломагнезит, смолодоломитомагнезит.

В настоящее время широко используется периклазографитовые огнеупоры. Их применение позволяет повысить стойкость футеровки с 300…400 до нескольких тысяч плавок.

Огнеупорные материалы для футеровки конвертеров используют в виде кирпичей, блоков и масс для набивки. Размеры кирпичей могут соответствовать государственным стандартам или внутризаводским техническим условиям в соответствии с особенностями футеровки конвертерного агрегата в конкретных условиях производства.

Футеровку конвертера начинают с укладки непосредственно на корпус слоя асбеста толщиной 20 - 30 мм. Он служит изоляцией и позволяет расширяться футеровке без дополнительных напряжений в корпусе.

Следом идет арматурный слой из обожженного магнезитного или магнезитохромистого кирпича, уложенного на «плашку». Его назначение - предохранять корпус конвертера от прогара в случае разрушения рабочего огнеупорного слоя в конце кампании футеровки.

Арматурный слой служит несколько кампаний, не подвергаясь замене при холодных ремонтах.

Далее идет слой смоломагнезитовой набивки, которым выравнивают профиль в неудобных для кладки местах; эта масса одновременно герметизирует швы и полости и предотвращает затекание в них металла. Наличие этого слоя необязательно.

Рабочий слой состоит из одного - двух, иногда трех слоев кирпича. Толщина каждого слоя кратна наибольшему размеру, т.е. длине кирпича - 230 - 380 мм. Форма кирпича или набор кирпичей различной формы позволяет в процессе кладки набирать кольца необходимого диаметра.

Кладка ведется насухо кольцами снизу вверх. Применяется и кладка спиралью. При этом в местах перехода к горизонтальным слоям делают клиновидные прокладки из огнеупорной массы, имеющей меньшую стойкость, чем кирпичи или блоки. При использовании огнеупоров на смоляной связке температурные швы (деревянные или толевые прокладки) не оставляют.

Футеровка изнашивается неравномерно. В целях достижения равностойкости различных участков кладки используется позонная дифференцированная кладка с варьированием толщины и вида огнеупоров в зависимости от причин и скорости износа футеровки.

В верхней части горловины износ футеровки происходит от механических воздействий при загрузке лома и обрыве настылей, а также от резких колебаний температуры и воздействия плавильной пыли. Поэтому верхние ряды футеровки горловины выполняют пропитанными смолой обожженными огнеупорами.

Цилиндрическая часть рабочего пространства разрушается в основном под воздействием шлака. Поэтому ее футеруют огнеупорами на смоляной связке с увеличением толщины кладки в местах наибольшего износа (в районе цапф и ниже).

Арматурный слой днища конвертера выполняют из магнезитового кирпича «на ребро» и «на торец», рабочий слой может быть выложен безобжиговым кирпичом на смоляной связке или пропитанным смолой магнезитохромитовым кирпичом тоже «на торец».

В случае вставного или приставного днища на плоскость разъема накладывают слой смоломагнезитовой массы, и днище прижимают к корпусу с помощью домкратной тележки. Излишки массы выдавливают через стык, который закрывают дополнительным слоем кирпича.

Сталевыпускное отверстие футеруют магнезитовым кирпичом и специальными блоками из плавленого магнезита. Пространство между блоками и арматурным слоем заполняют массой из магнезитового порошка, замешанного на растворе сернокислого магния.

Само сталевыпускное отверстие располагают горизонтально или под некоторым углом к горизонту.

В первом случае облегчается кладка в районе отверстия, во втором снижается интенсивность движения металла в воронке при выпуске плавки.

2.2 Продувочные устройства кислородных конвертеров

Используемые в кислородно-конвертерных процессах продувочные устройства по выполняемым функциям подразделяют на окислительные и специальные, а по способу подвода дутья к металлу - на верхние, донные и боковые.

Верхние водоохлаждаемые фурмы представляют собой наиболее широко использованную группу окислительных продувочных устройств, т.е. устройств, с помощью которых подают кислород в сталеплавильную ванну для осуществления окислительных реакций (рис. 2)

Такая фурма обычно состоит из трех концентрически расположенных труб, имеющих в верхней части патрубок для соединения с кислородной и водной магистралями. По способу подачи охлаждающей воды различают фурмы с центральным и периферийным охлаждением наконечника.

Рис. 2. - Наконечник двухрядной продувочной фурмы.

При периферийном подводе воды кислород подают по центральной трубе. Вода при этом поступает по кольцевому зазору между центральной и промежуточной трубами, а отводится по зазору между промежуточной и наружной трубами.

При центральном подводе вода к наконечнику поступает по центральной трубе, отводится по зазору между промежуточной и наружной трубами, а кислород подают по зазору между центральной и промежуточной трубами.

Для компенсации различного температурного расширения отдельных частей фурмы используют сальниковые, сифонные, мембранные и другие компенсаторы.

С теплотехнической и технологической точек зрения наиболее ответственным элементом является наконечник фурмы, так как он расположен в непосредственной близости к ванне.

По способу изготовления наконечники бывают сварные, литые и цельноточеные.

Преимуществом цельноточеных и литых наконечников перед сварными является отсутствие швов на наиболее теплонапряженной лобовой части.

В настоящее время 50% работающих в мире фурм оснащены литыми наконечниками, что обусловлено их большей по сравнению со сварными, стойкостью при меньших материалоемкости и сложности изготовления по сравнению с цельноточеными.

Стойкость литых наконечников достигает 1000 и более плавок, стойкость цельноточенных - 600 - 1000 плавок, сварных - 100 - 150 плавок.

Конструирование фурм - это, прежде всего, определение количества сопел и угла их наклона к вертикальной оси.

От количества сопел зависит вынос металла из конвертера, выбросы по ходу продувки, основность и окисленность шлака. При однорядном расположении сопел по окружности наконечника фурмы их число не превышает семи, при двухрядном достигает - 8 - 12.

Сопла имеют профиль сопла Лаваля, которое обеспечивает истечение газа со звуковой и сверхзвуковой скоростью. Для продувки с переменным расхода кислорода по ходу плавки критический диаметр сопла определяют из условия максимального расхода кислорода, а за критическую и докритическую части рассчитывают таким образом, чтобы сопло работало в расчетном режиме при номинальном расходе кислорода.

Другой важный конструктивный параметр кислородной фурмы (угол наклона к вертикали) выбирают, стремясь достигнуть достаточной степени разобщенности струй. Степень рассредоточения дутья при однорядном расположении сопел выражается посредством угла б, зависящего от числа сопел К и угла их наклона к вертикали в:

Sin(б/2) = Sinв Sin (180/к) (5)

С увеличением степени рассредоточения дутья сокращается продолжительность наводки шлака, повышается его основность, снижается износ футеровки.

Увеличение интенсивности продувки требует большего рассредоточения дутья, поэтому были созданы двухрядные фурмы (рис.2), что способствовало оптимизации технологии плавки. Однако стойкость этих фурм не превышает обычно 40 плавок.

Перемещение верхней продувочной фурмы осуществляется с помощью специальной машины для подачи кислорода в конвертер (рис. 3).

Назначение машины - ввести в конвертер фурму и осуществить при этом ее перемещение в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Все современные машины, установленные на конвертерах 350 - 400 т, снабжены двумя фурмами (одна рабочая, другая резервная) и двумя механизмами перемещения (рис. 3).



Рис. 3. - Машина для подачи кислорода:

1-кислородная фурма; 2-направляющая; 3-каретка; 4-механизм перемещения платформы; 5-механизм перемещения фурмы; 6-резервная фурма; 7-платформа.

Такая конструкция позволяет произвести быструю смену вышедшей из строя фурмы с минимальными потерями производительности агрегата. Машина представляет собой платформу, перемещающуюся по ходовым балкам вдоль пролета цеха, на платформе смонтированы две каретки для фурм, которые двигаются в вертикальном направлении. На платформе же находится лебедка механизма подъема и опускания каретки с фурмой. Работа механизма осуществляется следующим образом. Платформа, перемещаясь вдоль пролета, останавливается над конвертером так, чтобы первая или вторая фурма располагалась над отверстием в камине. Подают кислород и фурму вводят в конвертер.

В случае, если одна фурма вышла из строя, ее поднимают, платформу перемещают так, что над конвертером устанавливается вторая фурма, и плавка продолжается. Масса фурмы составляет несколько тонн, и при продувке вследствие небольшой жесткости возбуждаются значительные колебания фурмы. Для снижения амплитуды колебаний и жесткого центрирования фурмы над отверстием в кессоне устанавливают специальное фиксирующее устройство с механическим или гидравлическим приводом.

С целью увеличения поверхности взаимодействия кислородного факела с металлом и повышения эффективности использования кислорода в настоящее время разработаны машины, использование которых позволяет перемещать фурму во время продувки по различным траекториям, совершать колебательные движения и вращаться вокруг собственной оси.

В ряде случаев на машинах монтируют третью фурму - для торкретирования футеровки.

К специальным дутьевым или продувочным устройствам относят те, которые применяют для решения не только основной задачи - окисления примесей, но и для вдувания порошкообразных материалов, дожигания оксида углерода и т. д.

Для дожигания оксида углерода в верхней части фурмы устанавливают дополнительные сопла, расположенные на определенном расстоянии от наконечника фурмы. Кислород, вдуваемый через эти сопла, расходуется на дожигание монооксида углерода.

Сопла второго яруса, как правило, цилиндрические, расположены под углом 30 - 45? к вертикале, через них подают от 10 до 30% общего расхода кислорода, за счет этого количество лома в шихте увеличивается на 2 -7%. Однако несколько повышается износ футеровки в цилиндрической и верхней конической частях конвертера.

В конвертерах с донной и комбинированной продувкой для дожигания монооксида углерода применяют дополнительные стационарные боковые фурмы, установленные в верхней конусной части. Огнеупоры от разгара защищает углеводородная оболочка, образующаяся при подаче жидкого или газообразного топлива по кольцевой щели вокруг кислородного сопла. Через боковые фурмы подают до 30 - 40% общего расхода кислорода, что позволяет увеличить расход лома на 60 - 80 кг/т.

Отличительной особенностью фурм, используемых для вдувания порошкообразных материалов в металл, например, известь в процессе

ЛД - АС, является наличие в их составе четвертой трубы, по которой с помощью газа-носителя подают порошкообразный материал к соплам.

К специальным дутьевым устройствам следует отнести верхние кислородно-топливные фурмы-горелки, служащие для подогрева лома и последующей продувки металла.

2.3 Система подачи сыпучих материалов

Система подачи сыпучих материалов строится с учетом значительной высоты главного здания кислородно-конвертерного цеха, текучести материалов, необходимости равномерного распределения их по всей площади ванны и локализации и улавливания образующейся пыли. В соответствии с этими условиями и требованиями систему размещают над кислородными конвертерами на высоте 30 - 50 м над уровнем пола цеха.

Подача сыпучих материалов производится системой ленточных транспортеров, расположенных в изолированной от остального цеха галерее. Для хранения текущего запаса материалов в районе каждого из конвертеров сооружают одну или две группы расходных бункеров, количество которых в группе определяется количеством наименований используемых материалов: для каждого материала имеется свой бункер. В конвертерных цехах старой постройки на каждый конвертер обычно устанавливали одну группу из четырех бункеров: для руды, извести, боксита и плавикового шпата. Вместимость бункера определяется из условия создания запаса материалов на 20 - 40 час. работы агрегата. В новых цехах сооружают по две группы бункеров, которые устанавливают с обеих сторон конвертера. Так как тракт подачи сыпучих материалов используется и для подачи ферросплавов, количество бункеров в группе может достигать 10 -12 и более штук в зависимости от сортамента выплавляемой стали и количества наименований используемых ферросплавов. Непосредственно над конвертером сооружают промежуточные бункеры, в которые до начала плавки подают взвешенные материалы.

Все операции по загрузке и взвешиванию материалов механизированы и автоматизированы.

Система состоит из трех основных узлов:

- узла подачи материалов в расходные бункеры;

- узла подачи сыпучих из расходных в промежуточные бункеры;

- узла подачи сыпучих из промежуточных бункеров в конвертер.

Эти узлы, или подсистемы, работают независимо.

Подача материала в расходные бункера осуществляется с шихтового двора ленточным транспортером с шириной ленты 800 - 1000 мм и производительностью 200 - 300 м³/ч. Над бункерами расположен реверсивный перемещающийся транспортер, на который материалы сбрасываются с основного конвейера. Реверсивный транспортер перемещается над бункерами таким образом, что его разгрузочный конец может располагаться над тем или иным бункером и заполнять его соответствующим материалом. Бункеры оборудованы указателями уровня, сигнал от которых служит командой на загрузку другого бункера или другого материала. Система исключает возможность одновременной подачи на транспортер разных материалов.

Выдача материалов из расходных бункеров в промежуточные производится с помощью питателей, через которые материалы поступают в весы - дозаторы, а из них - в промежуточный бункер.

Из промежуточного бункера в конвертер материалы поступают по телескопической течке, которая в нужное время выдвигается в камин через специальное окно.

Управление системой осуществляется автоматически или с пульта управления конвертером.



3. ГАЗООТВОДЯЩИЙ ТРАКТ

Количество конвертерных газов зависит в основном от расхода кислорода на окисление углерода, м³/(мин?т):

V_Г =18,67 V_CMr (6)

где Vc - скорость обезуглероживания, % С/мин;

Mr - доля чугуна в шихте;

18,67 - коэффициент пересчета углерода на оксид углерода.

Выход конвертерных газов по ходу продувки, таким образом, изменяется. По практическим данным количество выделяющихся из горловины конвертера газов составляет 70 - 90 м³ на тонну стали. Их состав колеблется в таких пределах (об.%): 85 - 90 СО; 8 - 14 СО_2; 1,5 - 3 О₂; 0,5 - 2,5 N₂.

В зоне продувки развивается высокая температура, при которой испаряются оксиды железа и других компонентов. Одновременно с этими парами конвертерный газ выносит мелкие частицы извести, руды и других добавок - всего до 300 г пыли на 1 м³ газа. Температура газа на выходе из конвертера составляет 1600 - 1700?С. Его улавливают, охлаждают и очищают от пыли. Пары при этом конденсируются, в результате чего образуются мельчайшие частицы пыли - возгоны, составляющие основную ее массу.

Пыль состоит на 70 - 80% из оксидов железа, кроме того в ней присутствуют оксиды кремния, марганца, кальция и других элементов

В соответствии с санитарными нормами СН 245 - 71 выбрасываемый в атмосферу газ не должен содержать более 0,1 г пыли в одном кубическом метре. Поэтому его улавливают, охлаждают и очищают.

Газоотводящий тракт конвертера состоит из котла-утилизатора, газопроводов, газоочистки, дымососа и дымовой трубы (или свечи).

Для улавливания и отвода газов над горловиной конвертера располагают колпак-кессон, который соединен с газоходом (рис. 4).

Рис. - Газоотводящий тракт с полным дожиганием конвертерных газов:

1 - конвертер; 2 - кессон; 3 - подъемный газоход; 4 - опускной газоход; 5 - скруббер; 6 - батарея труб Вентури; 7 - инерционный водоотделитель; 8 - центробежный скруббер; 9 - дымосос; 10 - дымовая труба; 11 - гидрозатвор.

В газоходе располагают котел-утилизатор. Обычно он состоит из двух частей: подъемного газохода с радиационными поверхностями нагрева и спускного газохода с конвективными поверхностями нагрева и экономайзером. Подъемный газоход называют еще камином.

Особенностью конвертерных котлов-утилизаторов является большое сечение газоходов. Котлы-утилизаторы теплоты конвертерных газов называют охладителями конвертерных газов (ОКГ), сопровождая эту аббревиатуру цифрой, указывающей вместимость конвертера: для которого они предназначены. Например, ОКГ- 400 предназначен для конвертера вместимостью 400 т.

В подъемной части ОКГ газы охлаждаются до 900 - 1000?С, в опускной - до 250 - 300, а затем до 80 - 100?С за счет орошения их водой.

Как в радиационную, так и в конвективную часть ОКГ воду подают принудительно. Расход воды на ОКГ и газоочистку составляет 8 -16 л/м³ газа.

Ось камина смещена относительно оси конвертера, что обусловлено необходимостью размещения кислородной фурмы. В кессоне предусмотрено отверстие для ее прохождения. Кроме того, имеется одно или два отверстия для телескопических течек, с помощью которых в процессе плавки в конвертер загружают сыпучие материалы.

Периодичность работы конвертера обусловливает значительные перепады температуры в камине, что вызывает деформацию труб. Во избежание этого явления в перерывах между плавками в камин подают природный или коксовый газ в количестве 15 -20% тепловой мощности котла. Это обеспечивает поддержание в камине температуры на уровне 400 - 600?С.

По высоте камина на расстоянии 4 - 5 м располагают сопла для очистки труб перегретой водой. В опускном газоходе расположены устройства дробеструйной очистки поверхностей труб.

Как видно из состава конвертерных газов, они горячие. Их можно использовать без дожигания или дожигать и выбрасывать в атмосферу.

В соответствии с этим газоотводящие тракты классифицируют следующим образом: с полным дожиганием оксида углерода, с частичным дожиганием и без дожигания.

Режим работы газового тракта определяется давлением, поддерживаемым в зазоре между горловиной конвертера и кессоном.

Если разрежение высокое, воздуха в тракт подсасывается достаточно для сжигания всего оксида углерода, и система работает с полным дожиганием.

При небольшом разрежении воздуха подсасывается меньше, и система работает с частичным дожиганием.

Наконец, когда давление в зазоре больше атмосферного, подсоса воздуха нет, и система работает без дожигания.

4. ТЕХНОЛОГИЯ КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ

Шихта конвертерной плавки состоит из жидкого передельного чугуна, металлического лома, железной руды, шлакообразующих и флюсов. Железная руда используется и как охладитель, и как окислитель. В качестве шлакообразующего материала используют преимущественно свежеобожженную известь, в качестве флюсов - боксит и плавиковый шпат.

Передельный чугун должен содержать 0,5..0,7% кремния и не более

0.030…0,035% серы. Последнее требование обусловлено скоротечностью процесса и невозможностью за короткое время продувки сформировать активный шлак и удалить значительное количество серы. Хотя в принципе процесс позволяет перерабатывать чугун любого химического состава.

В конвертер загружают часть извести, весь металлический лом и заливают чугун. Конвертер переводят в вертикальное положение, опускают кислородную фурму и начинают продувку, подавая кислород под давлением 1,5…2,0 МПа. Струя кислорода чистотой не менее 99,5%, проникая в металл, образует первичную реакционную зону, в которой развивается высокая температура (до 2500?С) за счет теплоты окисления примесей чугуна.

В первичной реакционной зоне образуется значительное количество оксидов железа, которые распространяются в объеме ванны, вступают во взаимодействие с компонентами чугуна, а частично переходят в шлак.

В начале продувки происходит энергичное окисление кремния, марганца и фосфора чугуна. Окисление углерода в этот период замедленное, скорость этого процесса не превышает 0,10…0,15% в мин.

По мере разогрева ванны скорость окисления углерода возрастает, достигая максимальных значений (0,40…0,50%/мин) в середине продувки. К концу плавки скорость окисления углерода вновь замедляется.

Характерным для кислородно-конвертерного процесса является отсутствие четкого деления плавки на периоды, как это наблюдается в бессемеровском и томасовском процессах. Это обусловлено отсутствием последовательности выгорания примесей из-за высокого окислительного потенциала дутья. Соответствующие диаграммы приведены на рис. 5 , 6. За первые несколько мин продувки средняя температура ванны повышается с 1250…1350?С до 1500?С за счет окисления железа, кремния и марганца.

Рис. 5. - Изменение скорости окисления углерода в процессе продувки:

I - начальный период; II - период интенсивного окисления углерода; III - заключительный период.



Рис. 6. - Обычное изменение состава металла, шлака и температуры ванны при продувке чугуна кислородом сверху (низкоуглеродистая сталь, охлаждение рудой). Стрелки - присадки извести и охладителя.

В дальнейшем подъем температуры происходит за счет выделяющегося при окислении углерода тепла. Примерно 52…56% всего химического тепла приходится на углерод. Т.е. углерод является главным теплом процесса.

Снижение температуры металла в конвертере наблюдается только во время присадки сыпучих материалов в процессе продувки.

По ходу продувки для ускорения растворения извести в конвертер вводимый боксит или плавиковый шпат.

После израсходования расчетного количества кислорода и снижения до нужных пределов содержания углнрода продувку прекращают, фурму поднимают выше горловины и наклоняют конвертер в горизонтальное положение. Отбирают пробу металла, измеряют его температуру, выпускают металл в ковш и разливают его. Если содержание углерода высокое, производят додувку. Если плавка передута, то в ковше производят науглероживание металла коксом или антрацитом.

Существуют системы управления конвертерной плавкой, которые позволяют выплавлять до 98% плавок без додувок и повалок.

Слив металла в ковш производят не через горловину, а через летку в шлемной части конвертера.

Особенностью и недостатком продувки металла кислородом сверху является интенсивное окисление железа и выделение значительного количества бурого дыма и пыли (до 300 г/м³), что обуславливает необходимость строительства установок для очистки конвертерных газов.

4.1 Дутьевой режим кислородно-конвертерной плавки

Под этим термином понимают совокупность следующих факторов: конструкция фурмы, ее положение относительно металлической ванны, интенсивность продувки.

Кислородная фурма обычно выполняется из трех цельнотянутых труб, концентрически входящих одна в другую. По центральной трубе подается кислород, две другие служат для подвода и отвода охлаждающей воды. Фурма заканчивается головкой (наконечником), выполненной из меди или сплавов на ее основе. Вначале фурмы были односопловые, сейчас повсеместно применяют многосопловые фурмы. Идея заключается в том, чтобы рассредоточить подачу дутья и добиться более равномерного выделения газов (СО, СО₂) из ванны конвертера.

Применяются фурмы с соплами Лаваля, обеспечивающие сверхзвуковые скорости истечения газа и максимальную кинетическую энергию струи. Обычно скорость истечения из такого сопла кислорода составляет 450 - 550 м/сек.

Положение фурмы относительно жидкой ванны по ходу продувки, как правило, меняется. В начале продувки фурма поднята над ванной. При этом, в зависимости от высоты подъема фурмы и давления кислорода, реакционная зона может представлять собой лунку (кратер) или полость, заполненную газообразным кислородом и каплями металла (рис.7).

Рис. 7. - Схема взаимодействия газовой струи с жидкостью:

а - открытая лунка со стабильной поверхностью; б - открытая лунка с выносом брызг жидкости; в - глубокая проникновение струи в жидкость; г - продувка во вспененной ванне .

В первом случае движение жидкости вызывается только действием отраженной струи.

По мере опускания фурмы на стенках кратера образуются волны, затем нарушается сплошность жидкости, струя внедряется в металл и дробится сама, так, что реакционная зона состоит из пузырей газа, капель металла, а в начальном участке она представляет собой участок непосредственного контакта газообразной струи и металла. Значительная часть кислорода в этом случае теряется с отраженной струей.

И, наконец, продувка заглубленной струей. В этом случае нет отраженной газовой струи, а реакционная зона представляет собой полость внутри металлической ванны с окружающими ее газовыми пузырями.

Характерными для конвертерного процесса являются положения фурмы в и г . При этом надо учитывать, что одновременно с изменением положения фурмы относительно уровня спокойной ванны происходит вспенивание ванны и повышение фактического уровня металла в конвертере.

Располагая первичную реакционную зону в верхней части ванны, мы обеспечиваем интенсивное поступление оксидов железа в шлак. Изменяя положение фурмы и давление дутья можно легко в широких пределах регулировать положение первичной реакционной зоны и содержание оксидов железа в шлаке.

На практике в начале продувки фурму располагают на расстоянии 2,5…4,0 м от уровня спокойной ванны, затем ее упускают на 2…3 м.

Давление обычно походу продувки поддерживают постоянным: в кислородопроводе 1,5…2 МПа, а непосредственно перед фурмой не ниже 1,2 МПа. Это обеспечивает проведение продувки с интенсивностью 2,5…4 м³/т мин. Значение интенсивности зависит от конструкции фурмы и размеров конвертера. Агрегаты вместимостью 350…400 т оснащены многосопловыми фурмами, что позволяет вести продувку с интенсивностью 5…7 м³/т мин. Длительность продувки практически не зависит от вместимости конвертера и составляет в среднем 12 мин.

4.2 Шлакообразовние

Шлакообразование - важная составляющая технологии конвертерной плавки, определяющая ход десульфурации и дефосфорации, стойкость футеровки.

В обычных условиях скорость шлакообразования отстает от скорости других процессов, что приводит к неполному усвоению извести (70 - 90%) и затягиванию процессов удаления примесей.

Источниками шлака являются механические загрязнения лома, продукты реакций окисления компонентов чугуна и лома, футеровка конвертера, присаживаемые известь и флюсы.

Динамика изменения количества шлака по ходу продувки показана (рис. 8)

Рис. 8. - Изменение количества жидкости шлаковой фазы (1) и усвоенной шлаком извести (2) по ходу продувки мартеновского чугуна на низкоуглеродистую сталь. Стрелки - присадки извести и охладителей.

Как видно из рисунка, в начале и в конце плавки накопление шлака идет наиболее интенсивно. В начале плавки это обусловлено окислением примесей, в конце - окислением железа и ускорением растворения извести.

В течение же основного времени продувки увеличение количества шлака практически полностью обусловлено переходом извести в шлак. Общее количество шлака в конце продувки составляет 10 - 15% от массы металла.

Растворение извести начинается после некоторого пассивного периода, когда на поверхности куска СаО образуется, а затем оплавляется корочка твердого шлака.

Длительность пассивного периода 1 мин. для кусков 40 -50 мм.

Исследование кусков извести после выдержки их в жидком шлаке показало, что вслед за нетронутой сердцевиной располагается зона, пропитанная FeO или MnO, с нарастанием их концентрации к поверхности, постепенно переходящая в зону со значительным содержанием твердых растворов FeO - MnO - CaO. В этой системе находятся наиболее легкоплавкие соединения.

При высоком содержании SiO₂ на поверхности куска извести образуется корочка из ортосиликата кальция 2CaОSiO₂ c t? плавления 2130?С, что существенно тормозит растворению извести (температура плавления СаО 2600?С).

Обобщенное уравнение связи скорости растворения извести в шлаке известнового состава, полученное статистической обработкой экспериментальных данных, имеет вид:

VCaO = K (CaO + 1,35 MqO + 2,75 FeO + 1,9 MnO - 1,09 SiO₂ - 39,1)

V - кг/м² ?С, остальное - содержание компонентов шлака, %.

Анализ этого уравнения показывает, что наряду с FeO и MnO на скорость растворения влияет СаО и MqO. Однако влияние этих компонентов имеет экстремальный характер, что обусловлено их влиянием на вязкость шлака. При содержании в шлаке 30% CaO вследствие повышения его вязкости скорость растворения извести уменьшается. Так же влияет и MqO при содержании его до 5…6%.

Следует также иметь в виду, что FeO, Fe₂O₃, MnO существенно улучшают смачивание шлаком извести и условия проникновения шлака в поры.

Быстрому и полному растворению извести в шлаке способствуют такие меры:

1. Оптимизация состава перерабатываемого чугуна.

При высокой концентрации [Si] замедляется растворение извести, понижается активность (FeO) и (СаО), что в сумме уменьшает кинетические и термодинамические условия удаления из металла вредных примесей.

С другой стороны, при чрезмерно низком содержании [Si] уменьшается количество (SiO₂) в шлаке и шлака в целом, что также затрудняет удаление вредных примесей из металла.

Поэтому оптимальным явлением [Si] = 0,5 - 0,7%. Благоприятное влияние на процессе шлакообразования оказывает [Mn]. Однако из-за его дефицитности в настоящее время перерабатываются чугуны с содержанием

[Mn] = 0,3 - 0,5 % и даже ниже 0,3%. При этом увеличивается вынос металла и заметалливание фурм, что требует дополнительных мер по ускорению шлакообразования (использование плавикого шпата, боксита, изменение положения фурмы по ходу продувки).

2. Поддержание по ходу продувки оптимальных соотношений скорости окисления углерода и окисленности шлака. VC определяет интенсивность перемешивания и массообменных процессов, (FeO) - вязкость шлака.

3. Использование извести с примесью до 6% MqO, полученной путем обжига боломитизированного известняка.

Использование специальных флюсов, разжижающих шлак (плавиковый шпат, боксит и др.).

5. Применение мягкообожженной извести. Эта известь имеет большую пористость и мелкокристаллическую структуру, что определяет ее высокую реакционную способность.

6. Использование предварительно подготовленных шлакообразующих материалов: брикетов СаО с марганцевой рудой, CaO + (FeO, Fe₂O₃), окомкованных материалов нужного состава, высокоосновного агломерата, оставление части шлака предыдущей плавки.



4.3 Плавление лома

Как уже отмечалось в кислородно-конвертерном процессе из-за снижения тепловых потерь с отходящими газами вследствие перераспределения тепловой роли компонентов чугуна и лома имеет место значительный избыток тепла, что позволяет перерабатывать 20 -25% металлолома.

Динамика плавления лома определяет температурный режим плавки, процессы рафинирования и шлакообразования в ККП.

Теоретически и экспериментально доказано, что скорость плавления лома по ходу продувки не остается постоянной, а количество расплавившегося лома нарастает нелинейно во времени.

В общем случае процесс плавления лома можно разделить на три периода.

1. Период нагрева лома, когда на его поверхности образуется твердая корочка затвердевшего расплава.

2. Период диффузионного плавления лома (растворение) в расплаве.

3. Собственно плавление прогретых кусков лома - период интенсивного плавления.

Продолжительность первого периода зависит от температуры заливаемого чугуна и размера куска металлолома.

С учетом перемешивания металла длительность существования корочки будет ниже. Во втором периоде температура металла в конвертере существенно ниже температуры плавлении лома.

В это время идет процесс растворения лома в жидком металле, что возможно лишь в случае науглероживания поверхностных слоев металлолома, что сопровождается понижением температуры плавления и переходом этих слоев в жидкое состояние.

Скорость диффузионного плавления зависит от температуры расплава, содержания углерода в расплаве и скорости перемешивания расплава. С увеличением всех этих параметров линейная скорость плавления растет.

После того как температура ванны поднимается выше 1400 - 1500?С начинается период интенсивного плавления лома, длительность которого зависит только от теплообменных процессов. Скорость интенсивного плавления существенно выше диффузионного.

Для него характерны такие зависимости:

с увеличением t? заливаемого чугуна ^V пл

с увеличением [C] заливаемого чугуна ^Vпл

с увеличением доли лома и размеров его кусков vVпл.

В зависимости от вида лома относительная длительность его плавления характеризуется такими цифрами:

	длительность плавления
легковесный лом (0,04Ч0,04 м)	до 30% длительности продувки
пакеты и куски лома до 0,08Ч0,08м	до 60% --------" --------
тяжеловесный лом 0,3Ч0,3 м	до 90% --------" --------

При интенсивности продувки 2,5 - 3,0 м³/т мин максимальный размер кусков лома не должен превышать 0,35м. Естественно, при увеличении интенсивности продувки возрастает скорость плавления лома, что позволяет увеличить размер его кусков до 0,4 и даже 0,5м. Однако и в этом случае относительная длительность плавления не должна превышать 0,8 - 0,9 длительности продувки.



ЛИТЕРАТУРА

1. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т 1. 6-е изд., перераб и дрп. М.: Машиностроение, 1982. 736с.

2. Арбузов М. О. Справочник молодого слесаря-ремонтника. М.: Высш. шк., 1985. 224 с.

3. Вннннков И. 3. Паяльные работы. М.; Высш. шк., 1979. 144 с.

4. Еднерал П. П. Пособие сельского кузнеца. Киев: Техшка, 1965. 316 с.

5. Журавлев В. Н., Николаева О. И. Машиностроительные стали. Справочник. М.: Машиностроение, 1981. 391 с.

6. Китаев А. М., Китаев Я. А. Справочная книга сварщика. М.: Машиностроение, 1985. 256 с.

7. Коньков А. С. Кузнечное производство. М.: Машиностроение, 1966. 384 с.

8. Краткий справочник металлиста / Под общ. ред. П. Н. Орлова, Е. А. Скороходова. М.: Машиностроение, 1987. 960 с.

9. Кузьминцев В. Н. Ковка на молотах и прессах. М.: Высш. шк., 1985. 224 с.

10. Курчаткин В. В. Учебная книга кузнеца газосварщика. М.! Высш. шк., 1980. 300 с.

11. Летнев Б. Я. Кузнечные работы при ремонте сельскохозяйственной техники. М.: Колос, 1967. 192 с.

12. Навроцкий А. Г. Кузнечное ремесло. М.: Машиностроение, 1988. 192 с.

13. Нодельман М. Е., Урамовский Ю. М. Справочник по слесарному и кузнечному делу. Минск: Урожай, 1975. 384 с.

14. Общетехнический справочник / Под ред. Е. А. Скороходова. М.: Машиностроение, 1982. 256 с.

15. Петров Л. Н. и др. Ковка на молотах и гидравлических прессах. М.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. 128 с.

16. Раскинд В. Л. Справочник молодого кузнеца-штамповщика. М.: Высш. шк., 1985. 256 с.

17. Соколов И. И., Гисин П. И. Справочник молодого сварщика (в вопросах и ответах). М.: Моск. рабочий, 1983. 238 с.

18. Стеклов О. И. Основы сварочного производства. М.: Высш. шк., 1986. 224 с.

19. Справочник по пайке: Справочник / Под ред. И. Е. Петрунина. М.: Машиностроение, 1984. 400 с.

20. Техника безопасности и производственная санитария в кузнечно-прессовых цехах / С. Л. Злотников, В. Л. Михайлова, П. И. Казакевич, В. В. Буренин. М.: Машиностроение, 1984. 256 с.

21. Шапиро А. А. Учебник сельского кузнеца. М.: Высш. шк., 1971. 64 с.

22. Шехтер С. Я., Резницкий А. М. Наплавка металлов. М.: Машиностроение, 1982. 71 с.

23. Юсипов 3. И. Ручная ковка. М.: Высш. шк., 1984. 263 с.

Размещено на Allbest.ru