Содержание

Введение

      Среди всех способов выплавки стали самым  перспективным является кислородно-конверторный передел. По статистике, 65% мирового объёма производства стали выплавляется именно кислородно-конверторным переделом. Сущность всех конверторных, в том числе кислородно-конверторного, способов производства стали заключается в продувке жидкого металла окислительными газами.

     Первым  из конверторных способов производства стали был бессемеровский процесс (1856 г.), осуществляемый в конверторе скислой футеровкой и продувкой чугуна снизу воздухом. Позже возник томасовский (1878 г.) - основной процесс с донной продувкой металла воздухом, предназначенный для передела в сталь чугуна с высоким содержанием фосфора, а в начале 50-х гг. XX в.— кислородно-конверторный процесс с продувкой металла технически чистым кислородом сверху.

     Конверторные процессы выплавки стали, в первую очередь с использованием кислорода, получили широкое распространение в сталеплавильном производстве. В зависимости от необходимости дутье можно подводить к ванне сверху, снизу, сбоку или комбинированно, что обусловливает разнообразие технологических вариантов. Наиболее разработанными и, по-видимому, перспективными с точки зрения промышленного освоения являются конверторные варианты непрерывного способа получения стали.

     Давно известные варианты конвертирования могут вновь стать ведущими, если в результате модификации будут воссозданы на качественно новом уровне. Так произошло с процессами донного дутья в результате замены используемого для продувки металла воздуха кислородом. Учитывая это, необходимо хорошо знать не только наиболее распространенные конверторные процессы, но и те из них, которые сегодня кажутся устаревшими и даже бесперспективными, что поможет глубже разобраться в физико-химических явлениях конверторных переделов и путем анализа сильных и слабых сторон каждого из них осуществить синтез новых перспективных процессов.

     Новые конструкционные и технологические  решения в конверторном переделе могут оказаться приемлемыми и для мартеновского процесса, который развивается главным образом по пути все более широкого применения кислорода, особенно для продувки ванны, и сближения с конвертированием.

     Технология  конверторного процесса непрерывно совершенствовалась. Были разработаны технологические основы интенсификации продувки, методы управления технологическим и тепловым режимами плавки. Созданы и получили заметное развитие новые способы продувки конверторной ванны кислородом (донный и комбинированный). Освоены технологии передела в конверторах чугунов различного химического состава и выплавки ряда качественных и легированных сталей.

1. Описание различных способов получения стали

1. Бессемеровский  способ получения  стали

      Английский  учёный Г. Бессемер является изобретателем конверторного способа получения стали. В 1854 году он предложил, а затем осуществил на практике получение стали без расхода топлива. Для этого воздух продувался через расплавленный чугун. Затем эту идею подхватили другие учёные, а также производственные коллективы. Бессемеровский метод менялся, совершенствовался, и благодаря этому появились многие другие способы, в частности, томасовский и русский процессы.

      Вышеописанный бессемеровский способ применяется  не столь часто, но по сравнению со старыми способами имел весомые преимущества. Например, очень высокую производительность и отсутствие потребности в топливе. Наряду с преимуществами необходимо отметить и недостатки, такие, как ограниченная гамма чугунов, которые могут перерабатываться, а также хрупкость стали, обусловленная повышенным содержанием азота. 
 

2. Томасовский способ получения  стали

      В 1878 году был разработан томасовский  способ получения стали. Нововведением явилась футеровка конвертора доломитом для удаления фосфора, и частично серы.

      Качество  получаемой стали оказалось существенно  ниже, чем при бессемеровском процессе. Вызвано это было высоким содержанием кислорода и азота, а также шлаковых включений.  
 

3. Кислородный способ получения  стали

     С течением времени воздушное дутьё  заменилось кислородным. Это был важный этап, который вывел конверторные способы на современный уровень. Также это позволило обеспечить повсеместное широкое применение кислородно-конверторного способа. На большинстве заводов для этого способа используют глуходонные конверторы. Футеруют эти конверторы обычно смолодоломитовым или магнезито-хромитовым кирпичом. 

     1.4 Кислородно –  конверторные процессы

     В производстве стали широко используют кислородно-конверторные процессы при продувке кислородом сверху и в последние годы – при продувке через днище. Их преимуществами является высокая производительность, которая обеспечивается интенсивностью процессов окисления элементов, а также меньше по сравнению с мартеновскими цехами затраты на строительство. В кислородных конверторах могут выплавлять как углеродистые, так и легированные стали.

     Основным  шихтовым материалом кислородно-конверторного процесса является жидкий передельный чугун, источником тепла при выплавки стали являются химические экзотермические реакции окисления элементов при продувке жидкого чугуна кислородом. 

     1.5 Кислородно-конверторный процесс с донной продувкой.

     В середине 60-х годов опытами по вдуванию струи кислорода, окруженной слоем углеводородов, была показана возможность через днище без разрушения огнеупоров. В настоящее время в мире работают несколько десятков конверторов с донной продувкой садкой до 250 т. Каждая десятая тонна конверторной стали, выплавленной в мире, приходится на этот процесс.

     Основное  отличие конверторов с донной продувкой от конверторов с верхним дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем, т. е. объем приходящийся на тонну продуваемого чугуна. В днище устанавливают от 7 до 21 фурм в зависимости от емкости конвертора. Размещение фурм в днище может быть различным. Обычно их располагают в одной половине днища так, чтобы при наклоне конвертора они были выше уровня жидкого металла. Перед установкой конвертора в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.

     В условиях донной продувки улучшаются условия перемешивания ванны, увеличивается поверхность металл-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.

     Условия удаления серы при донной продувке более благоприятны, чем при верхней. Это также связанно с меньшей окисленностью шлака и увеличением поверхности контакта газ - металл. Последнее обстоятельство способствует удалению части серы в газовую фазу в виде SO₂.

     Преимущества  процесса с донной продувкой состоят  в повышении выхода годного металла на 1 - 2 %, сокращении длительности продувки, ускорении плавления лома, меньшей высоте здания цеха и т. д. Это представляет определенный интерес, прежде всего, для возможной замены мартеновских печей без коренной реконструкции зданий мартеновских цехов. 
 
 
 
 

2. Описание  производства стали  и конвертора

2.1 Производство стали 

      Целью плавки является получение заданной массы жидкой стали с требуемым химическим составом и температурой при минимальных затратах материально-сырьевых, топливно-энергетических и трудовых ресурсов.

      Получение заданного химического состава  связано с протеканием сложных  физико-химических процессов, большинство  из которых трудно управляемы, а  некоторые неуправляемы вообще. При этом необходимо учитывать возможные пределы параметров протекания как управляемых, так и неуправляемых частных процессов.

      Поскольку выплавка стали производится в одном  агрегате, то с целью снижения ресурсоемкости плавки стремятся к максимальному совмещению подпроцессов во времени.

      Однако  полное совмещение всех частных процессов  исключено по причине их противоречивости (окислительный шлак имеет малую  серо-поглотительную способность), что  не позволяет создать оптимальные  условия рафинирования всех примесей.

      Поэтому, в связи с невозможностью проведения в одном рабочем пространстве всего комплекса технологических операций, связанных с выплавкой качественной стали, часть операций выносится в другое рабочее пространство, которым служит ковш.

      Все физико-химические процессы, связанные с получением заданного содержания примесей в готовой жидкой стали и поддающиеся управлению, делятся на две группы:

• рафинирование металла;
• раскисление - легирование металла.

      Оба процесса проводят, как правило, последовательно. Рафинирование металла, которое является более сложной задачей, обычно проводят в несколько стадий:

1. Предварительное рафинирование, которое сводится к удалению из чугуна серы, фосфора и других примесей. Проводят его до подачи чугуна в сталеплавильный агрегат, как правило, - в чугуновозных ковшах.
2. Основное рафинирование, которое проводится в сталеплавильном агрегате за счет окисления примесей кислородом дутья, газовой фазы и твердых окислителей.
3. Дополнительное рафинирование, которое проводят обычно в сталеразливочном ковше путем обработки металла ТШС, в основном для удаления серы.
4. Дегазация металла с целью удаления водорода, кислорода и азота. Её проводят методом вакуумной обработки или продувки нейтральным газом в сталеразливочном ковше.

      Первая  стадия по предварительному рафинированию чугуна сводится, главным образом, к обработке чугуна кальцинированной и каустической содой, магнием и жидким синтетическим шлаком в чугуновозных ковшах, с целью его десульфурации.

      Вторая  стадия – основное (окислительное) рафинирование, которое при производстве стали массового потребления обычно является единственным видом рафинирования. При его использованию поддаются управлению, прежде всего, обезуглероживание, дефосфорация и десульфурация. Кроме того, основная цель в управлении плавкой стоит в обеспечении синхронного протекания процессов окислительного рафинирования и нагрева металла, т.е. оба эти процесса должны заканчиваться одновременно.

      Процесс обезуглероживания металла регулируется изменением расхода кислорода, поступающего в ванну. При этом характерно, что реакция окисления углерода может быть как явно экзотермической, если она протекает за счет газообразного кислорода, так и резко эндотермической, если она протекает за счет кислорода твердых окислителей.

      Этот  факт используется для регулирования температуры ванны при синхронизации процессов обезуглероживания и нагрева ванны.

      Процессы  дефосфорации и десульфурации осуществляются регулированием шлакового режима плавки, т.е. изменением химического состава и количества шлака.

      Химический  состав и количество шлака зависят, в основном, от количества кремния в чугуне и от расхода шлакообразующих материалов.

      Поэтому расчеты, связанные с управлением  шлаковым режимом (десульфурация и дефосфорация) сводятся к определению количества шлака и соответственного расхода флюсов.

      Раскисление - легирование металла является обязательным и заключительным этапом плавки, обеспечивающим получение заданного содержания примесей в готовой стали. Поэтому этот этап является весьма ответственным, поскольку определяет качество литого и готового металла. 
 

     2.2 Описание конвертора 

     Конвертор представляет собой сосуд грушевидной  формы. Верхнюю часть называют козырьком  или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и сливают сталь и шлак.

     Средняя часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище, которое по мере износа заменяют новым. 
К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух.

     Емкость современных конвекторов равна 60 – 100 т и более, а давление воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

     Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального положения, при  котором отверстия фурм оказываются  выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.

     При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.

     Бессемеровский  процесс протекает следующим  образом. В конвертор заливают жидкий чугун с достаточно высоким содержанием кремния (до 2,25 % и выше), марганца (0,6-0,9 %), и минимальным количеством серы и фосфора.

     По  характеру происходящей реакции  бессемеровский процесс можно разбить  на три периода. Первый период начинается после пуска дутья в конвертор и продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр. В этот период окисляются кремний, марганец и частично железа по реакциям: 

     Образующаяся  закись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшему  окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак получается кислым (40-50% SiO2).

     Второй  период начинается после почти полного  выгорания кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются благоприятные условия для окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает с поглощением тепла. Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора появляется яркое пламя.

     По  мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается и начинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает, что из чугуна почти полностью выгорели кремний, марганец и углерод и началось очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не более 2 – 3 мин, после чего конвектор переворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или алюминий) для понижения содержания кислорода в металле. В металле происходят реакции

     Готовую сталь выливают из конвектора в ковш, а затем направляют на разливку.

     Чтобы получить сталь с заранее заданным количеством углерода (например, 0,4 – 0,7% С), продувку металла прекращают в тот момент, когда из него углерод еще не выгорел, или можно допустить полное выгорание углерода, а затем добавить определенное количество чугуна или содержащих углерод определенное количество ферросплавов.

     Томасовский процесс осуществляется так. В конвертор с основной футеровкой сначала загружают свежеобожженную известь, а затем заливают чугун, содержащий 1,6-2,0% Р, до 0,6% Si и до 0,8% S. В томасовском конверторе образуется известковый шлак, необходимый для извлечения и связывания фосфора. Заполнение конвертора жидким чугуном, подъем конвертора, и пуск дутья происходят также как и в бессемеровском процессе.

     В первый период продувки в конвекторе окисляется железо, кремний, марганец и формируется известковый шлак. В этот период температура металла несколько повышается.

     Во  второй период продувки выгорает углерод, что сопровождается некоторым понижением температуры металла. Когда содержание углерода в металле достигнет менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет. Наступает третий период, вовремя которого интенсивно окисляется фосфор

     В результате окисления фосфор переходит  из металла в шлак, поскольку тетрафосфат кальция может раствориться только в нем. Томасовские шлаки содержат 16 – 24% .

     Данная реакция сопровождается выделением значительного количества тепла, за счет которого происходит более резкое повышение температуры металла.

     Перед раскислением металла из конвертора необходимо удалить шлак, т.к. содержащиеся в раскислителях углерод, кремний, марганец будут восстанавливать фосфор из шлака, и переводить его в металл. Томасовскую сталь применяют для изготовления кровельного железа, проволоки и сортового проката.

       Для интенсификации бессемеровского и томасовского процессов в последние годы начали применять обогащенное кислородом дутье.

     При бессемеровском процессе обогащения дутья  кислородом позволяет сократить  продолжительность продувки и увеличить  производительность конвертора и долю стального скрапа, подаваемого в  металлическую ванну в процессе плавки.

     Главным достоинством кислородного дутья является снижение содержания азота в стали с 0,012-0,025 %(при воздушном дутье) до 0,008- 
0,004 %(при кислородном дутье). Введение в состав дутья смеси кислорода с водяным паром или углекислым газом позволяет повысить качество бессемеровской стали, до качества стали, выплавляемой в мартеновских и электрических печах.

     Большой интерес представляет использование  чистого кислорода для выплавки чугуна в глуходонных конверторах  сверху с помощью водоохлаждаемых фурм.

     Производство  стали кислородно-конверторным способом с каждым годом увеличивается. 
 

      2.3 Конверторный пролет 

      В конверторной пролете размещены конвертора, бункера для приема, хранения и завалки в конвертора сыпучих материалов и устройства для удаления конверторных газов.

      Для хранения текущего запаса сыпучих шихтовых материалов каждый конвертор имеет 4-8 расходных бункеров. Их ёмкости должны обеспечивать необходимый запас соответствующих материалов на 15-40 часов работы конвертора.

      Комплекс  подачи и завалки сыпучих материалов в конвертора состоит из трех узлов:

      а) узел подачи сыпучих материалов в  расходные бункера;

      б) узел подачи сыпучих материалов из расходных бункеров в промежуточный бункер;

      в) узел подачи сыпучих из промежуточного бункера в конвертор.

      В цехах с крупнотоннажными конверторами бункера запаса сыпучих устанавливаются в отдельном пролете шириной 12 м.

      В одной из торцов конверторного пролета устанавливаются промежуточные бункера для ферросплавов. Длина участка ферросплавов 60-108 м. Загрузка ферросплавов в бункера осуществляется с помощью тележки или мостового крана. Передача ферросплавов к конверторам в большинстве цехов осуществляется автопогрузчиками.

      С другой стороны конверторного пролета делается участок для хранения оборудования и огнеупоров длиной 36-72 м.

      Обслуживание  конверторов и агрегатов, связанных с их работой, производится с рабочих площадок, расположенных на различных отметках от уровня пола цеха.

     Главная рабочая площадка, на которой производятся основные работы по обслуживанию конверторов, является продолжением площадки загрузочного пролета. 

      3 Расчёт параметров кислородного конвертора 

      Для проектируемого конвертора основными  данными для расчёта геометрических размеров являются садка конвертора и его удельный объём , который выбирается в пределах 0,8-1 . Остальные размеры конвертора выбираются на основании накопленного опыта эксплуатации действующих агрегатов, либо рассчитываются по известным эмпирическим или функциональным зависимостям.

      В расчёте принимаем, что профиль  конвертора состоит из центральной  цилиндрической части, верхней и  нижней конической частей и донной части в виде шарового сегмента.  

      3.1 Расчёт размеров кислородного конвертора   

      Основные  исходные данные для расчёта: 

      Кроме того, конструктивно принимаются:

1. Угол наклона образующей горловины конвертора к горизонтали
2. Угол укоса нижней конической части
3. Конвертор рассчитывается на удельную интенсивность продувки
4. Глубина жидкого металла в спокойном состоянии

      При этом предполагается, что весь металл в спокойном состоянии помещается в нижней части конвертора, состоящей из шарового сегмента и усечённого конуса.

      Для того, чтобы исключить контакт  футеровки днища с высокотемпературной реакционной зоной и тем самым предотвратить его быстрое разрушение, необходимо, чтобы толщина слоя металла была больше, чем глубина проникновения кислородной струи в металл.

      Глубину проникновения струи в металл определяем по формуле: 

                                                            (1)   

где:  - глубина лунки, образованной при внедрении струи кислорода в металл, м;

         - расстояние от среза головки фурмы до металлической ванны, м;

         - плотность жидкого металла (7000 );

         - общий расход кислорода, ;