Массовое производство стали в жидком (расплавленном) состоянии началось с 1855 г. после создания англичанином Генри Бессемером процесса, получившего название бессемеровский. Процесс протекал в цилиндро-коническом сосуде со скошенной горловиной под названием конвертер, имеющем кислую (из динаса и кварцевого песка, содержание Si02 >96 %) футеровку.
Вторым исторически важным конвертерным процессом был Томасовский, осуществленный англичанином Сиднеем Томасом в 1878 г. для переработки в сталь высокофосфористых чугунов
(Конвертер — от английского соnvert - и более раннего латинского соп изменять, превращать.)
(1,6—2,0 % Р) с получением фосфатшлаков (с содержанием Р205 16—25 %), применяемых в качестве удобрения. Томасовский процесс проводили в конвертере с основной футеровкой, выполненной из обожженного доломита (МgО*СаО).
Сущность бессемеровского и томасовского процессов заключается в том, что залитый в конвертер чугун продувают снизу воздухом. Кислород воздуха окисляет примеси чугуна (кремний. марганец, углерод, частично железо, в томасовском процессе и фосфор), в результате чего он превращается в сталь. Тепло, выделяющееся при окислении примесей чугуна, обеспечивает нагрев стали до температуры выпуска (1580—1600 °С).
Бессемеровская и томасовская сталь была низкого качества из-за повышенных содержаний азота, серы и фосфора.
Бессемеровский и томасовский конвертерные процессы в 1960—1970-х годах уступили место более прогрессивным кислородно-конвертерным, обеспечившим при высокой производительности высокое качество стали и возможность переработки значительной доли скрапа, а также чугунов любого химического состава.
В кислородно-конвертерных процессах воздух как источник азота в стали и балласт с тепловой точки зрения заменен на кислород чистотой 99,2—99,9 %.
В промышленном масштабе кислородно-конвертерный процесс был впервые осуществлен в 1952—1953 гг. в Австрии на заводах в г. Линце и Донавице. По первым буквам этих городов процесс получил название ЛД, используемое в зарубежной европейской практике. В США и Японии этот процесс называют BОF (Ваsiс Охуgеп Furnасе — основная кислородная печь). Замена воздуха на кислород позволила получить сталь с содержанием азота - 0,002—0,005 %.
При окислении примесей кислородом возникает избыток тепла, что требует охлаждения металла. В качестве охладителя используют стальной углеродистый лом в количестве 20—25 % от массы металлошихты (остальное — жидкий чугун).
Наиболее простым и самым распространенным вариантом конвертерных процессов является проведение плавки в одношлаковом режиме при использовании передельного чугуна с содержанием фосфора не более 0,2 %.
- УСТРОЙСТВО КИСЛОРОДНЫХ КОНВЕРТЕРОВ С ВЕРХНЕЙ ПРОДУВКОЙ
На рис. 37 приведена схема кислородного конвертера. Кислородный конвертер представляет собой симметричный цилинднический сосуд. Конвертер имеет стальной кожух, закрепленный в несущем кольце. В несущем кольце установлены две
цапфы, которые позволяют конвертеру вращаться относительно оси на угол 360 ° в любую сторону. Наклоны конвертору необходимы для завалки лома, заливки чугуна и выпуска продуктов плавки.
Рис. 1. Схема конструкции кислородного конвертера (а) и структуры ванны при продувке кислородом сверху (б):
а) 1 — корпус; 2— огнеупорная футеровка; 3— рабочее пространство; 4— горловина; 5— опорное кольцо; б — опорный подшипник; 7— станина; 8— водоохлаждаемая фурма для подвода кислорода;
б) 1 — зона продувки (прямого реагирования металла с кислородом);
2—зона циркуляции металла; 3— пузыри; 4— крупные газовые полости;
5— металл; б— шлак
Внутри конвертер имеет огнеупорную основную футеровку, состоящую обычно из двух слоев: арматурного и рабочего. Арматурный слой (слой длительной работы) примыкает к кожуху, он имеет толщину 110—250 мм. Он предназначен для снижения теплопотерь и защиты кожуха в случае прогара рабочего слоя. Внутренний или рабочий слой изнашивается во время работы и его заменяют при ремонтах футеровки, его толщина составляет в зависимости от вместимости конвертера 5 00—800 мм. стойкость имеет огнеупорная кладка из перизоуглеродистых кирпичей (кирпичи готовят из плавленного периклаза с - 10—20 % углерода). для повышения стойкости на футеровку после, выпуска металла периодически наносят шлаковый гарнисаж путем раздува шлака, предварительно загущенного содержания МgО в шлаке 10—12 %, азотом, подаваемым через 1 кислородную фурму. Стойкость такой футеровки достиг 4500—5000 плавок (120—160 суток работы конвертера).
Конвертер имеет сферическое или сфероконическое днище -- цилидрическую часть и коническую суживающуюся горловину. В месте перехода цилиндрической части к конической горловины расположено отверстие (лётка) для выпуска стали. При выпуске производят отсечку шлака от стали. Это необходимо для успешного проведения последующих операций ковшовой как конвертерный шлак содержит оксид железа (источник кислорода), оксид фосфора и сульфид кальция (возможен о6ратный переход фосфора и серы в металл — явление рефосфорации и сульфурации). Одним из способов отсечки шлака от металла является введение в отверстие (лётку) при появлении шлака огнеупорного конуса или шара, имеющих плотность более плотности шлака, но менее плотности металла. Шлак сливают в шлаковую чашу через горловину, наклонив конвертер в противоположную сторону.
Кислородная фурма
Кислород вдувают в металл с помощью кислородной фурмы. Фурму вводят в конвертер сверху по центру. Фурма состоит - из трех концентрических (соосных) труб: по центру подают кислород, по двум другим подводят и отводят воду для охлаждения фурмы. Применяют стальные цельнотянутые (бесшовные трубы. длина фурмы 300-т конвертера достигает -- фурмы над металлической ванной изменяют по ходу Плавки: от 4- 5 м от уровня ванны в спокойном состоянии в начале продувки, 1,8—2,4 м в середине продувки и 1,2—2,0 м в конце продувки (даные для 370-т конвертера ОАО <Магнитогорский металлургичеСКИЙ комбинат»). Механизм подъема и опускания фурмы сблокирован с механизмом вращения конвертера: конвертер нельзя наклонять, пока из него не извлечена фурма.
Самая ответственная часть фурмы — ее нижняя часть — головка (рис. 38). Она расположена вблизи реакционного кратера внедрения кислорода в металл. Головку изготавливают из красной Меди, имеющей высокую теплопроводность, методом сварки из штампованных деталей или литья. В головке имеются 4—6 отверстий (сопел) для прохода кислорода. Сопла имеют специальный профиль2, позволяющий газу (кислороду) истекать со сверхзвуковой скоростью.
для обеспечения нормальных гидродинамических характеристик струи кислорода необходимо иметь давление в фурме пе.. ред соплами 1 МПа (106 Па), а в магистрали с учетом потерь давления в фурме 1,5—2,0 МГ1а и более.
Расход кислорода на 1 т стали составляет 50—55 м3. Кислород подают с удельной интенсивностью 4—5 м3/(т.мин). Продолжительность продувки 10—15 мин. Средний за плавку коэффициент усвоения кислорода металлом составляет 90—95 %.
ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ
На рис. 2.1 схематически показаны отдельные операции плавки стали в кислородном конвертере. Технологический цикл состоит из следующих операций, продолжительность которых приведена ниже, мин:
Загрузка скрапа 3—4
Заливка чугуна 3—4
Продувка металла кислородом 10—25
Взятие пробы, ожидание анализа 3—4
Слив (выпуск) металла 5—10
Слив шлака 1—2
Осмотр и подготовка конвертера к очередной
плавке, в том числе нанесение гарнисажа на футеровку 0—5
Общая длительность плавки 25—50
Продолжительность отдельных операций, как правило, не зависит от вместимости конвертера. Продолжительность продувки определяется удельной интенсивностью подачи кислорода.
Загрузку скрапа осуществляют в наклонном положении конвертера при помощи 1—2 совков (рис. 2.1, а). Равномерное распределение скрапа на днище достигают наклоном конвертера В противоположную от загрузки сторону.
Заливку чугуна в требуемом количестве, известного ХИМИ ческого состава и температуры осуществляют в один прием при помощи чугуновозных ковшей грушевидной формы (рис. 2.1., 6). Перед заливкой из ковша скачивают шлак, чтобы уменьшить поступление серы в процесс.
Продувка является основной технологической операцией конвертерного процесса. Для этого конвертер устанавливают в вертикальное положение, опускают фурму на необходимую высоту
подают кислород (рис. 2.1., в). По ходу, обычно в первой половине продувки, в конвертер из расположенных сверху бункеров по 5ам-течкам подают порциями сыпучие материалы — известь, плавиковый (полевой) шпат1 и другие материалы для образования шлака.
Момент окончания продувки при ручном управлении определяют по количеству израсходованного кислорода, а при автоматических системах управления — по результатам прямого или косвенного измерения Содержания углерода и температуры металла в сочетании с количеством израсходованного кислорода с обработкой этих данных на ЭВМ.
Плавиковый (полевой) шпат — минерал, содержащий фторид кальция В металлургии стали используют как флюс, ускоряющий растворение известив шлаке и Повышающий его жидкотекучесть.
Отбор пробы металла и шлака на химический анализ, а также измерение температуры металла производят в конце продувки помощью специальных зондов, вводимых сверху через горловину, или, повалив конвертер в горизонтальное положение, с ПОМОщЬЮ разных пробоотборников и термопар. Основная цель этой операции — определение содержания углерода и температуры металла.
Слив (выпуск) металла осуществляют в сталеразливочный ковш через отверстие (лётку) конвертера (рис. 2.1, г). Выпуск металла совмещают с его раскислением и легированием (присадкой ферросплавов и алюминия в ковш). Ковш с металлом поступает на стеид ковшовой металлургии для окончательного доведения до требуемых значений состава и температуры стали и далее на установку непрерывной разливки стали.
Слив шлака осуществляют в шлаковый ковш (шлаковую чашу, аналогичную шлаковой чаше для транспортировки доменного шлака), через горловину конвертера, повернув его в противоположную от выпуска металла сторону (рис. 2.1, д).
Осмотр и подготовка конвертера к очередной плавке сводятся к осмотру и ремонту футеровки, в том числе нанесению шлакового гарнисажа.
Поведение составляющих чугуна при продувке. С самого начала продувки, при внедрении струи кислорода в металл и образования реакционного кратера, на его поверхности начинают протекать реакции окисления:
{02} + 2[Fе] = 2(FеО); (FеО) = [Fе] + [О];
0,5{02} = [О]
Кислород, растворенный в металле и шлаке, окисляет углерод, кремний, марганец и фосфор по реакциям:
[С] + [О] = {СО}; [Мп] + (FеО) = (МпО) + Fе;
[Si] + 2(FеО) = (Si02) + 2[Fе]; 2[Р} + 5(FеО) = (Р205) + 5[Fе].
На рис. 40 показано изменение состава металла и шлака ПО ходу продувки в кислородном конвертере. Весь кремний и большая часть марганца вьгорают в первые минуты продувки. Более быстрое их окисление по сравнению с углеродом объясняется 11% более высоким сродством к кислороду при температурах менее 1500 °С. Реакция окисления марганца обратима, и во второй половине продувки возможно частичное восстановление марганца.
Окисление углерода в кислородном конвертере протекает преимущественно до CO.
Продукт окисления углерода — газообразный оксид СО, образуя пузыри, всплывает, перемешивает металл и шлак, вспенивает их, создает шлако-металлическую эмульсию.Во второй половине продувки, при бурном окислении углешлако-металлическая эмульсия может заполнить весь объем конвертера (рис. 37, 6). Задача оператора, управляющего плавкой, не допустить взрывоопасного течения реакции окисления углерода и выброса эмульсии из конвертера. Это достигается уменьшениемт расхода кислорода или подъемом фурмы.
В кислородном конвертере благодаря высоким (до 2300 °С) температурам в реакционном кратере и высокому начальному содержанию оксида железа (FeO) в шлаке (> 20 %) происходит раннее шлакообразование с растворением подаваемой порциями сверху извести. Поэтому окислившийся до Р205 фосфор связывается в трифосфат кальция, обеспечивая быструю дефосфорацию уже в первой половине продувки:
2[Р] + 5(FeO) + З(СаО) = (ЗСаОР205) + 5[Fe] + 767 300 Дж/моль.
Коэффициент распределения фосфора между шлаками и металлом
LР = (Р205)/[Р]
в условиях кислородно-конвертерного процесса равен 50-100. Степень дефосфорации как отношение начального [Р]н содержания фосфора в металле к конечному [Р]к: Lp = [Р]Н/[Р]К = 5- 10.
В кислородно-конвертерном процессе происходит частичное удаление серы из металла. Часть серы (5-10 %) окисляется кислородом дутья и удаляется в виде S02. Остальная сера распределяется между шлаком и металлом по реакции десульфурации [S] + [Fe] + (СаО) = (CaS) + (FeO). Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом невелик Ls = (S) / [S] = 2--6
Окончание продувки.
В настоящее время получили распространение два способа окончания продувки: с остановкой продувки на заданном содержании углерода или с продувкой до низких содержаний углерода с последующим науглероживанием в ковше путем присадки расчетного количества молотого кокса.
Первый вариант является наиболее рациональным по производительности и выходу годного. Однако такой вариант технологически более сложен и возможен только при компьютерном управлении плавкой. Второй вариант технологически значительно проще, в нем можно независимо от марки выплавляемой стали использовать постоянное количество чугуна и скрапа на плавку Однако при такой технологии несколько меньше выход жидкой стали вследствие дополнительных потерь металла со шлаком в виде оксидов железа. При этом также удлиняется плавка и снижается производительность конвертера.
При выпуске в ковш вводят необходимое количество раскислителей и легирующих элементов. Окончательный состав ста- и ее температуру получают методами ковшовой металлургии.
