Кислородный конверер

Введение: Первые в мире сталеплавильные цеха, оснащенные конвертерами с кислородным дутьем через погружаемую сверху фурму, были введены в эксплуатацию в австрийских городах Линце (1952 год) и Донавице (1953 й). Собственно, функционирование этих цехов и подтвердило окончательно тот факт, что использование кислорода для переработки чугуна обеспечивает высокую эффективность и производительность сталеплавильного процесса и исключает применение дорогостоящих энергоносителей для нагрева металла. В Украине в 1956 году на верхнее кислородное дутье был переведен бессемеровский цех на Днепропетровском металлургическом комбинате им. Петровского, а в 1957 г был пущен в эксплуатацию кислородно-конвертерный цех на «Криворожстали».

Одна из отличительных особенностей конвертерного процесса заключается в его высокой интенсивности: периодичность плавки обычно составляет менее 40…45 мин. при массе продукции 100…350 т. Наряду с высокой удельной производительностью широкому и быстрому распространению кислородно-конвертерного процесса способствовала его высокая степень совместимости со способом непрерывной разливки стали. Первый кислородно-конвертерный цех с разливкой всей выплавляемой стали на МНЛЗ был сдан в эксплуатацию на Новолипецком металлургическом комбинате в 1966 году. Видимо, эти конкурентные преимущества и обеспечили весьма быстрое распространение кислородно-конвертерного процесса во всем мире, позволив ему занять доминирующее положение в мировой системе стали.

Общие сведения о кислородно-конвертерном процессе Классической схемой кислородно-конвертерного процесса принято считать определенную совокупность технологических операций по переработке жидкого чугуна и некоторого количества добавленного металлолома благодаря вдуванию в расплав технически-чистого кислорода, что обеспечивает удаление углерода и повышение температуры расплава. При этом, для проведения конвертерной плавки не требуется дополнительного (внешнего) источника тепла.

Конвертер представляет собой открытый сверху сосуд грушеобразной формы, внутренняя поверхность которого имеет огнеупорную футеровку. Для выполнения технологических операций конвертер способен вращаться относительно некоторой горизонтальной оси, проходящей через него. Основные технологические операции в процессе выплавки стали в кислородном конвертере такие: загрузка металлолома; заливка чугуна; продувка кислородом через погружаемую сверху водоохлаждаемую фурму; отбор проб для химического анализа металла; слив стали и шлака; подготовка конвертера к следующей плавке

Как правило, при кислородноконвертерной плавке, длящейся 35…45 мин., содержание углерода уменьшают от уровня, примерно, в 4 % почти до 0,1 % и ниже, повышая при этом температуру расплава до 1635…1650 °С. В практике металлургического производства успешно применяются три схемы вдувания кислорода в жидкую ванну – сверху через погружаемую фурму, через расположенные в днище продувочные блоки и комбинированную, у каждой из них свои преимуществаи недостатки. Наибольшее распространение в металлургии получила схема, при которой кислород с расходом 2…3,5 м3 в минуту подается через погружаемую сверху водоохлаждаемую фурму. В наконечнике такой фурмы предусмотрены три или пять специальных отверстий, через которые кислород вдувается в расплав со сверхзвуковой скоростью, создавая тем самым благоприятные условия для интенсивного перемешивания металла с вводимыми флюсами и максимально ускоряя протекание химических реакций окисления и рафинирования вследствие эмульгирования металла со шлаком. В результате окисления образуются оксиды CO, CO2, SiO2, MnO и оксиды железа. Газообразные оксиды всплывают в жидкой ванне, способствуя ее вспениванию, а затем поднимаются к горловине конвертера. Остальные оксиды перемешиваются с флюсом, состоящим, в основном, из обожженной извести, способствуя образованию жидкого шлака, который обеспечивает рафинирование расплава (удаление серы и фосфора).

Успешная промышленная эксплуатация конвертеров с донным дутьем началась в конце 60-х годов в Германии (ОВМ-процесс) и Канаде (Q-BOP-процесс). Собственно, реализация этого процесса связывается с успешным решением технической задачи предотвращения быстрого износа днища и продувочных фурм. Каждая из таких фурм состоит из двух концентрически установленных труб. Кислород подается через центральную трубу, а охлаждающий ее углеводород (природный газ) – в пространство между трубами. Характерно, что при донной продувке весь кислород вдувается через фурмы, расположенные в днище конвертера, что обеспечивает его всплытие через жидкую ванну металла и шлака, создавая максимально интенсивное перемешивание и эмульгирование шлака и металла. Порошкообразные флюсы вводятся в жидкую ванну через специальные фурмы, расположенные в днище конвертера. Примерно, в это же время в практике металлургического производства начали применять конвертеры с донным кислородно-аргонным дутьем (AOD-процесс). В конструкционном плане безусловным преимуществом конвертеров с донной продувкой оказалось радикальное уменьшение высоты цеха и возможность переработки крупногабаритного металлолома. При этом, судя по промышленным данным, при донной продувке снижается содержание железа в шлаке, улучшается удельный расход извести и кислорода на тонну стали, повышается стойкость футеровки конвертера и т.д.

В дальнейшем, с середины 70-х годов, многие ведущие металлургические компании приступили к разработке своих модификаций кислородно-конвертерного процесса, сводя все, по сути, к организации комбинированной (верхней и донной) продувки с учетом специфики каждого конкретного сталеплавильного производства. На практике различают следующие схемы комбинированной продувки с вдуванием: к

-кислорода сверху и инертного (Ar) или нейтрального (N2) газа через пористые элементы, установленные в днище;

-кислорода сверху и смеси "кислород – природный газ" через донные фурмы;

-кислорода сверху и инертного (Ar) или нейтрального (N2) газа через неохлаждаемые фурмы, установленные в днище.

Конве́ртер (англ. converter, от лат. convertere — превращать) — аппарат (вид печи) для получения стали из передельного расплавленного чугуна и шихты продувкой воздухом или технически чистым кислородом. В настоящее время чаще применяется кислород. Кислород подается в рабочее пространство конвертера через фурмы (под давлением около 1,5 МПа). Такой метод получения стали называют конвертерным или кислородно-конвертерным.

Конвертер представляет собой ёмкость, состоящую из трех частей: верхней — шлема, средней — цилиндра и нижней — днища. Днище может быть приставным, вставным или цельным с цилиндрической частью. В этом случае конвертер называют глуходонным.

Метод характеризуется высокой производительностью: конвертерный цех в составе трёх 400-тонных конвертеров может обеспечить годовой объём производства на уровне 10 миллионов тонн стали.

Основные страны-производители стали в кислородных конвертерах: Китай, Япония, США, Россия, Южная Корея, Бразилия, Индия, Украина.

Конвертер (или конвертирование как процесс) применяется и в цветной металлургии, в частности, для удаления избыточных железа и серы из сульфидных расплавов (штейнов), с получением файнштейна или белого матта — маложелезистых сплавов сульфидов цветных металлов. При дальнейшей продувке белого матта в конвертере может быть получена черновая медь.

История. Первые конвертеры появились в 19-м веке, и резко увеличили количество получаемой стали. До этого сталь не выплавляли, а только выплавляли чугун.

Первая крупная установка с конвертером объемом 15 тонн была пущена на металлургическом заводе в городе Линц (Австрия) в 1949 году.

Первые промышленные сталеплавильные цеха, оснащенные конвертерами с кислородным дутьём через погружаемую сверху фурму, были введены в эксплуатацию в 1952—1953 годах в Австрии (Линц и Донавиц).

В СССР впервые технология конвертера была введена в 1956 году на Днепропетровском металлургическом заводе имени Петровского, а в 1957 году был введен в эксплуатацию полноценный кислородно-конвертерный цех на заводе «Криворожсталь».

Производство стали в конвертерах

Сталеплавильные агрегаты для производства стали различаются между собой по источнику энергии, необходимой для нагрева металла до требуемой температуры. В конвертерах нагрев происходит за счет тепла, выделяющегося при окислении железа, углерода и других примесей, в мартеновских печах—за счет тепла горения жидкого (мазут) или газообразного (природный газ) топлива, в электродуговых печах — за счет подводимой электроэнергии Сущность производства стали в конвертерах заключается в том, что при вдувании газообразного кислорода в металл происходит окисление железа, углерода, кремния и марганца. В результате протекания этих реакций выделяется тепло, обеспечивающее не только нагрев металла, но и возможность перерабатывать до 30 % металлолома. Продукты реакции окисления железа, марганца и кремния образуют первичный шлак, который может интенсивно растворять футеровку. Для предотвращения разрушения футеровки в конвертер добавляют известь. Шлак с высоким содержанием СаО слабо взаимодействует с футеровкой. Кроме того, такой шлак обеспечивает рафинирование стали от фосфора и частично от серы.

Рис. 1. Общий вид конвертера с верхней продувкой:

1 — опорный подшипник; 2— цапфа; 3 — кожух; 4 — опорное кольцо, 5-футеровка, 6— опорная станина

Устройство кислородного конвертера. В настоящее время при производстве стали применяется два типа конвертеров: с продувкой кислородом сверху и с комбинированной продувкой. На рис.1 приведена схема конвертера с верхней продувкой. Собственно конвертер представляет собой металлический сварной кожух, футерованный внутри. В качестве огнеупорного материала используется обычно смолодоломитовый кирпич. Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях. На нее воздействуют высокие температуры и ее колебания, она испытывает механические удары кусков твердых загружаемых материалов. Особо тяжелые условия работы футеровки—в зоне шлакового пояса. Стойкость футеровки достигает 1000 и более плавок.

Рис. 2. Схема технологии производства стали в конвертере:

А – завалка скрапа; б – заливка чугуна; в – загрузка шлакообразующих материалов; г – продувка металла кислородом; д – выпуск стали через летку; е – слив шлака через горловину.

Технология плавки стали в конвертерах. Кислородно-конвертерный способ производства стали осуществляется в вертикальных конвертерах, куда заливается жидкий чугун и добавляется стальной лом, легирующие добавки. Продувка расплава осуществляется техническим кислородом через водоохла-ждаемые фурмы, на конце которых имеется специальная распределительная головка. Окислению подвергается также и часть железа. Обожженная известь добавляется для ошлакования примесей.

Недостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является большое пылеобразование, обусловленное обильным окислением и испарением железа; угар металла составляет 6 - 9 %, что значительно больше, чем при других способах получения стали. Это требует обязательного сооружения при конвертерах сложных и дорогих пылеочистительных установок.

Недостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является большие мылеоиразованпе, обусловленное обильным окислением и испарением железа; vrap металла составляет 6 - 9 %, что значительно больше, чем при других способах получения стали. Это требует обязательного сооружения при конвертерах сложных и дорогих пылеочпстнтельных установок.

Можно выделить три основных периода в конвертерном производстве стали: загрузку шихтовых материалов, продувку кислородом и выпуск плавки. Загрузку конвертера обычно начинают с завалки металлолома из специальных лотков с помощью завалочной машины. Для этого конвертер наклоняют в положение рис. 2а. Затем в конвертер заливается чугун, рис.26. После этого конвертер возвращают н вертикальное положение и начинают добавку шлакообразующих материалов (главным образом, извести) рис.2в. Одновременно в конвертер опускают кислородную фурму и начинают продувку техническим кислородом, рис. 2 г. По ходу продувки продолжают добавку шлакообразующих.

Высокая интенсивность продувки кислородом обеспечивает циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком. Длительность продувки составляет 12…16 мин. Окончание продувки определяется по количеству введенного кислорода с учетом количества и состава шихтовых материалов.

Температура расплава в первые минуты продувки практически не изменяется, так как все тепло, выделяющееся в результате окислительных реакций, расходуется на плавление металлолома. После окончания его плавления наблюдается непрерывное повышение температуры расплава. После окончания продувки кислородную фурму поднимают и в металл сверху (параллельно кислородной фурме) вводят зонд для автоматического отбора пробы на экспресс-анализ и измерения температуры. Если состав металла и его температура соответствуют требованиям, приступают к выпуску плавки, если нет—производят корректировку состава. В том случае, если анализ показал повышенное (по сравнению с маркой стали) содержание углерода или недостаточную температуру, то производят додувку плавки. Если же содержание углерода ниже требуемого, в ковш вместе с выпускаемым металлом добавляют графит или молотый кокс в необходимых количествах.

Выпуск плавки производят в специальный сталеразливочный ковш через летку, рис. 2. д. В ходе выпуска стремятся полностью исключить попадания в ковш вместе с металлом конвертерного шлака. А для предотвращения быстрого охлаждения металла в ковше туда добавляют специальную теплоизолирующую смесь или синтетический шлак. Кроме того, при необходимости в ковш по ходу выпуска стали добавляют раскислители ц легирующие. Конвертерный шлак сливают в шлаковую чашу, рис. 2 е.

Конвертеры с комбинированным дутьем. Применение комбинированной продувки за счет более интенсивного перемешивания металла и шлака способствует улучшению рафинирования стали и увеличению выхода годного за счет устранения выбросов и снижения окисления железа в шлак.

Технико-экономические показатели работы конвертеров включают производительность, себестоимость и качество. Кислородно-конвертерный процесс является самым производительным из всех процессов производства стали. Современный конвертерный цех с двумя конвертерами (один – в работе, другой – в ремонте) обеспечивает производство до 5 млн. т стали в год.

Себестоимость стали включает стоимость шихтовых материалов, раскислителей и легирующих добавок, кислорода, огнеупоров, амортизационные расходы, зарплату и т.п. Основной статьей себестоимости является стоимость металлической части шихты. Поэтому борьба за уменьшение потерь металла при переделе (за счет выбросов и выносов) является существенным резервом снижения себестоимости стали. В настоящее время себестоимость конвертерной стали достаточна высока.

Качество стали в первую очередь определяется содержанием вредных примесей, таких как фосфор и сера, поступающих вместе с чугуном; водород и азот, попадающих в металл с ломом и из атмосферы. Благоприятные условия рафинирования стали в конвертере и отсутствие в процессе производства контакта с водородом и азотом позволяют производить сталь самого высокого качества.

Форма кислородного конвертера

Форма профиля рабочего объема, образованная футеровкой, у отечественных конвертеров обычно имеет вид, показанный на рис.1. Суживающаяся кверху горловина примыкает к цилиндрической части, ниже которой расположена суживающаяся часть, заканчивающаяся сферическим днищем. Сужение нижней части и сферическая форма днища предотвращают образование застойных зон при циркуляции металла в конвертерах с верхней продувкой. У малых (менее 130т) конвертеров днище для упрощения кладки иногда делают плоским; плоское днище имеют конвертеры донной продувки.

Рисунок 1. Общий вид кислородного конвертера с односторонним стационарным механизмом поворота.

Рисунок 2. Кислородный конвертер с двухсторонним навесным многодвигательным механизмом поворота:

1 - опорный подшипник; 2 — цапфа; 3 — защитный кожух; 4 — ведомое зубчатое колесо; 5 — вал-шестерня; 6 — навесной электродвигатель с редуктором; 7 — корпус ведомого колеса; 8, 9 — демпфер; 10 — опорная станина; 11 — опорное кольцо

По конфигурации корпуса (кожуха) конвертеры различаются. Корпус может быть такой же формы, как рабочий объем, т.е. с сужением внизу; быть без сужения внизу, когда к цилиндрической части примыкает сферическое днище; с незначительным сужением (угол наклона к вертикали ~ 6°) нижней половины, переходящей в сферу.

Рисунок 3. Форма профиля рабочего пространства кислородного конвертера