Конвертерное производство стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конвертерное производство стали

Впервые в мировой практике продувка чугуна кислородом была осуществлена инж. Н.И. Мозговым на машиностроительном заводе «Большевик» в г. Киеве в 1933 году. В период 1937 - 39 гг. в АН УССР была проведена серия опытов по продувке кислородом чугуна в ковшах с целью снижения содержания кремния, марганца и углерода. В 1944 г. продували чугун кислородом в конвертерах на Мытищинском машиностроительном заводе «Динамо», а за период 1944 - 52 годы экспериментировали продувку кислородом конвертеров вместимостью до 12,5 т различными способами: боковым, донным и подачей сверху. В 1945 г. был пущен первый кислородный конвертер на Тульском машиностроительном заводе, а в 1955-1957 гг. введены в строй конвертерные печи на Днепропетровском и Криворожском металлургических заводах.

Большой вклад в развитие кислородного способа производства стали внес коллектив ЦНИИЧМ под руководством акад. И.П. Бардина. В зарубежной практике начали применять кислород в конвертерном производстве в Австрии (фирма «Фёст») с 1949 г.

В последние годы кислородно-конвертерный способ получения стали стал ведущим, вытеснив ранее господствовавший мартеновский способ, и обеспечивает выплавку большей части мирового производства стали.

Первоначально предполагалось выплавлять в кислородных конвертерах рядовые углеродистые стали, в основном низкоуглеродистые для производства тонкого листа. Теперь этим способом выплавляют высокоуглеродистые и легированные стали, не уступающие мартеновской соответствующих марок. Он развивается такими прогрессирующими темпами, которых не знала сталеплавильная промышленность.

Увеличение производства стали будет происходить и дальше благодаря строительству новых мощных кислородно - конвертерных и электросталеплавильных цехов при полном прекращении строительства мартеновских печей.

Такое изменение структуры сталеплавильного производства диктуется значительными технико-экономическими преимуществами кислородно-конвертерного способа выплавки стали по сравнению с мартеновским: более высокая производительность на единицу выплавляемой стали, меньшие капитальные затраты, более благоприятные условия для механизации и автоматизации производственных процессов и совмещения процесса выплавки стали с ее непрерывной разливкой.

Развитие конвертерного способа производства стали идет по пути увеличения единичной вместимости конвертеров с одновременным повышением интенсификации работы и расширением сортамента выплавляемой стали.

Первым способом массового производства жидкой стали был бессемеровский конвертерный процесс (в конвертере с кислой футеровкой), предложенный и разработанный англичанином Г. Бессемером в 1856-1860 гг.; несколько позже - в 1878 г. - С. Томасом был разработан схожий процесс в конвертере с основной футеровкой (томасовский процесс). Возникновение бессемеровского процесса имело исключительно важное значение для развития техники, поскольку до его появления не существовало способов производства литой стали в больших количествах, а применявшиеся в то время пудлинговый процесс получения железа в тестообразном состоянии и тигельный процесс получения жидкой стали в тиглях емкостью менее 50 кг не могли удовлетворить потребности развивающегося машиностроения. Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье (бессемеровского и томасовского) заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом; кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь; при томасовском конверторном процессе, кроме того, в основной шлак удаляются фосфор и сера. Тепло, выделяющееся при окислении, обеспечивает нагрев стали до температуры выпуска (~ 1600°С).

Бессемеровский и томасовский конвертеры

Этот процесс состоит в том, что через расплавленный чугун продувается воздух с целью выжигания избыточного углерода и других примесей.

В результате получается сталь в расплавленном состоянии, называемая литой сталью.

При плавке этим способом применяется бессемеровский конвертор (рис. 1).

Рис. 1. Бессемеровский конвертер: 1 - воздушный цилиндр; 2 - поворотная цапфа; 3 - подшипники; 4 - огнеупорная футеровка; 5 - отверстие для прохода воздуха; 6 - воздушная коробка; 7 - воздухопровод; 8 - горловина для загрузки и выгрузки расплавленного металла; 9 - зубчатое колесо для поворота конвертора; 10 - металлическое кольцо; 11 - зубчатая рейка; 12 - рельс для разливочного ковша

сталь конвертер кислородный

Конвертор представляет грушевидный поворачивающийся сосуд, склепанный из листового железа. Внутренняя футеровка 4 делается из кремнекислых материалов (кварц с глиной - кислая футеровка). Конвертор опирается на две цапфы 2 и может поворачиваться вокруг их оси, принимая разные положения, нужные в процессе работы. Одна из цапф сделана полой, соединена трубой с воздушной коробкой 6, расположенной под дном конвертора и служащей для подвода отверстий 5 сопла, через которые воздух из воздушной коробки продувается под давлением сквозь слой металла, залитого в конвертор. Вторая цапфа служит для поворачивания конвертора и снабжена зубчатым колесом 9, сцепленным с зубчатой рейкой, которая приводится в движение поршнем воздушного или гидравлического цилиндра.

Расплавленный чугун из доменных печей сливают в миксер (большой ковш), откуда он подается через разливочные ковши и заливается в конвертор, в который впускается воздух под давлением около 2 атм, и конвертор медленно поворачивают в вертикальное положение. Под действием кислорода воздуха окисляется содержащийся в чугуне кремний, а затем марганец, которые переходят в шлак. После этого выгорает углерод, образуя окись углерода, которая, выходя из горловины конвертора и попадая в наружный воздух, горит белым длинным пламенем, образуя факел длиною до 10 м. Наконец пламя спадает и это служит признаком сгорания почти всего углерода, заключающегося в чугуне. Одновременно появляется бурый дым, который дает возможность судить об усиленном сгорании (окислении) железа и об окончании процесса. В результате выгорания примесей, главным образом кремния, температура металла в конверторе сильно повышается (каждый процент содержания кремния при сгорании повышает температуру конвертора на 300°, марганца - на 60°, углерода - на 40°).

Полученный в результате бессемеровского процесса металл почти не содержит углерода, что делает его крайне мягким. Для того чтобы получить металл надлежащего качества, необходимо повысить содержание углерода. С этой целью конвертор приводят опять в горизонтальное положение и загружают в него богатый углеродом зеркальный чугун или ферромарганец. В последнем случае марганец играет роль раскислителя, т.е. кислород воздуха, находящийся в металле, соединяется с марганцем и превращает его в шлак.

О ходе бессемеровского процесса судят по виду спектра пламени, который наблюдают при помощи спектроскопа.

По окончании плавки металл из конвертора выливают в ковш и разливают по чугунным формам - изложницам. Полученные слитки (болванки) подвергают ковке или прокатке для получения профильного материала: листов, полос и т.д.

Вместимость конвертора -15-30 т чугуна; при 40 - 50 плавках в сутки производительность составляет 600 - 1500 т. Длительность получения из чугуна стали в бессемеровском конверторе составляет 15-20 мин. Для загрузки чугуна и выгрузки стали конвертор может наклоняться, вращаясь на цапфах, как это схематически указано на рисунке 2.

Рис. 2. Схема работы конвертора: а - при загрузке; б - в работе; в-при выгрузке

Для бессемеровского процесса годится чугун только определенного состава. Он должен быть сильнокремнистым (кремния 1,5-2 и даже 3%), с минимальным содержанием фосфора (не более 0,05%), так как последний целиком переходит в сталь, придавая металлу хрупкость - хладноломкость.

Воздух, проходя через расплавленный металл, частично окисляет железо, тем самым ухудшая качество приготовляемой стали

Угар металла при плавке в конверторе составляет 10 - 15%.

Конструкции томасовских конвертеров принципиально не отличаются от конструкций бессемеровских. В настоящее время широко применяются конвертеры с увеличенной емкостью и относительно малой глубиной ванны - грушевидные и овального сечения. При относительно мелкой ванне уменьшается продолжительность продувки и понижается содержание азота в готовой стали. Грушевидный 50-г томасовский конвертер изображен схематически на рис. 3. Конвертер футерован кирпичом из «намертво» обожженного доломита с добавкой каменноугольной смолы. Вставные днища изготовлены набивкой из тех же материалов. Фурмы на ряде заводов применяют магнезитовые; стойкость таких фурм значительно выше стойкости шамотных (в отдельных случаях до 200 плавок). Футеровка конвертера выдерживает до 400-450 плавок.

Рис. 3. Томасовский конвертер грушевидной формы (объем 50 т)

Практика томасирования слагается из операций загрузки конвертера, продувки чугуна и разлива стали. В опрокинутый горизонтально конвертер загружают около 10-15% (к весу чугуна) свежеобожженной извести и нагретый до 1200-1250° чугун из миксера. Далее конвертер поворачивают в вертикальное положение и одновременно подают в него дутье.

В процессе продувки различают три периода: первый - в течении которого выгорают марганец, кремний и в некоторой степени углерод, второй - в течение которого происходит наиболее интенсивное удаление углерода и начинается удаление фосфора и третий - в течение которого происходит интенсивное выгорание фосфора и частичное окисление железа.

Фосфор удаляют до содержания 0,05-0,08%. При томасировании образуется шлака до 25% от веса стали, содержащего 14-20% фосфорного ангидрида - хорошего минерального удобрения. Шлаки затем размалывают и просеивают.

Так как фосфор догорает после окисления всего углерода, получающаяся сталь слишком мягка, поэтому ее науглероживают, вводя в конвертер необходимое количество бесфосфористого чугуна.

Из томасовской стали катают рельсы, крупносортные и мелкосортные изделия и листы. В Германии, Франции и Бельгии, перерабатывающих фосфористые руды, 80% стали получают томасовским процессом.

В конвертерах нецелесообразно выплавлять высококачественную сталь (с высоким содержанием легирующих компонентов), так как большинство их интенсивно выгорает при продувке металла. Величина угара примесей и самого железа достигает 8-10%.

Томасовский процесс связан с большим расходом сжатого воздуха.

Применение технически чистого кислорода в конвертерном производстве имеет ряд преимуществ по сравнению с применением воздушного дутья и дутья, обогащенного кислородом. Получаемый на технически чистом кислороде конвертерный металл приближается по качеству к мартеновской стали.

Проблема получения качественного конвертерного металла сводится в конечном счете к уменьшению газонасыщенности стали, удалению азота и кислорода. Эта проблема полностью разрешается путем применения кислородного дутья; количество азота в стали понижается с увеличением степени обогащения дутья кислородом.

Уменьшение содержания серы и фосфора в стали достигается при переработке мартеновского чугуна в конвертере с основной футеровкой.

Переработка химически холодного мартеновского передельного чугуна в конвертере возможна лишь при резком снижении потерь тепла с отходящими газами (азотом). Применение кислорода решает эту задачу. При работе на воздушном дутье потери тепла с газами составляют 27%, при работе на кислороде - 7%.

Возможность переработки передельного мартеновского чугуна расширяет сырьевую базу черной металлургии при одновременной экономии кокса, расход которого при выплавке мартеновского чугуна ниже, чем при выплавке бессемеровского.

Продувку чугуна кислородом ведут через водоохлаждаемую фурму, опущенную через горловину сверху (рис. 4.)

Рис. 4. Общий вид установки конвертора с фурмой: 1 - жидкий чугун; 2 - кислородная фурма; 3 - летка; 4 - сопло

Устройство конвертеров с донной продувкой кислородом

Конвертеры c донной кислородной продувкой имеют отъемное днище, а в остальном схожи с конвертерами верхней продувки. Отличие в том, что удельный объем (V = 0,6 - 0,9 м³/т) и величина отношения высоты рабочего объема к диаметру (H/D = 1,2-5-1,3) меньше, чем у конвертеров верхнего дутья. Объясняется это тем, что при подаче кислорода снизу через большое число фурм уменьшается вспенивание ванны и вероятность выбросов, а также тем, что увеличение диаметра конвертера позволяет разместить в днище больше донных фурм. В днище устанавливают 8-20 фурм. Фурма (рис. 1) выполнена из двух концентрически расположенных труб; по средней трубе из нержавеющей стали или меди с внутренним диаметром 24-50 мм подают кислород, внешняя труба из нержавеющей стали образует кольцевой зазор толщиной 0,5-2 мм вокруг наружной.

Рисунок.5. Фурма конвертера для донной продувки кислородом: 1 - корпус днища; 2 - наружная трубка; 3 - внутренняя трубка; 4 - футеровка

Через зазор подается защитная среда - газообразные углеводороды, препятствующие контакту кислорода с жидким чугуном вблизи фурм и днища.

Трубки, подводящие газы к донным фурмам, проходят через высверленные в цапфах конвертера каналы (см. рисунок на этой странице); в период продувки через фурмы вдувают кислород и углеводороды, в конце продувки - аргон для удаления из металла водорода и в межпродувочные периоды - азот, чтобы предотвратить засорение фурм и их перегрев. Рабочий слой футеровки выкладывают из тех же огнеупоров, что и у конвертеров верхней продувки, стойкость футеровки составляет 400-900 плавок. Для футеровки днища необходимы более стойкие огнеупоры, лучшие результаты получены при кладке днища из магнезитоуглеродистых кирпичей. Стойкость днища на отдельных заводах доведена до стойкости футеровки стен; зачастую она ниже и за время кампании конвертера приходится один-два раза заменять днище. Замена длится 12-20 ч.

Размещено на Allbest.ru