Выплавка стали в кислородном конвертере

Сущность процесса

Производство стали

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом. Механические свойства стали гораздо выше, чем у чугуна, что объясняется пониженным содержанием углерода, а также примесей в стали по сравнению с чугуном (табл. 3.1).

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали.

Материал	Состав, %
Углерод	Кремний	Марганец	Фосфор	Сера
Передельный чугун	4,0–4,4	0,75– 1,25	До 1,75	0,15–0,3	0,03– 0,07
Сталь низкоуглеродистая	0,14–0,22	0,12–0,3	0,4–0,65	0,005	0,055

Сущностью любого передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы.

Кислородный конвертер (рис. 3.2) представляет собой агрегат грушевидной формы высотой до 15 м, кожух которого изготовлен из листовой стали толщиной до 110 мм. Внутри конвертер футерован огнеупорным кирпичом. В процессе работы конвертер 2 может поворачиваться на цапфах 1 с помощью поворотного устройства 3 вокруг горизонтальной оси для завалки скрапа, заливки чугуна, разгрузки стали и шлака.

Шихтовыми материалами для кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, скрап и флюсы. В состав флюсов входит известняк, железная руда, боксит Al₂O₃ и плавиковый шпат СаF₃, который применяют для разжижения шлака.

В кислородном конвертере всегда ведут основной процесс выплавки стали, повышенную щелочность создают с помощью известняка для удаления фосфора и серы.

Перед плавкой в наклоненный конвертер через горловину загружают скрап и заливают чугун с температурой 1250–1350 °С. Шихта должна занимать 1/5 объема конвертера. После этого конвертер поворачивают в вертикальное положение и внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму 5, через которую подают кислород под высоким давлением. Фурма не доходит до уровня металла на 1,2–2 м. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают флюсы.

Рис. 3.2. Схема устройства кислородного конвертера и стадии выплавки стали:

I – завалка лома; II – заливка чугуна; III – загрузка флюса; IV – продувка;

V – выпуск стали; VI – слив чугуна; 1 − цапфы; 2 − конвертер; 3 − поворотное устройство; 4 − отверстие для выпуска стали; 5 − фурма

Для снижения содержания в чугуне углерода и примесей осуществляют их окисление. Процессы окисления сопровождаются выделением большого количества тепла, что необходимо для расплавления шихты и нагрева ванны жидкого металла. В этом состоит первый этап плавки.

В первую очередь под действием кислорода начинается интенсивное окисление железа в соответствии с законом действующих масс, так как в чугуне в большом количестве содержится железо и оно взаимодействует с кислородом: Fe + 1/2 О₂ = FeО + 263 кДж

Образовавшийся оксид железа, при высоких температурах процесса, более активно, чем чистый кислород, взаимодействует с примесями чугуна.

На 4–6-й минутах плавки окисляется кремний, восстанавливается железо и выделяется большое количество тепла. С окисления кремния начинается процесс шлакообразования. На 8–10-й минутах плавки начинает окисляться марганец и в виде оксида также удаляется в шлак. Фосфор начинает взаимодействовать с оксидом железа в начальный момент продувки (с 5-й минуты):

2P + 5FeO ↔ 5Fe + P₂O₅ + 225 кДж

Повышенное содержание оксида железа способствует образованию Р₂О₅. Это соединение неустойчивое, и реакция может идти в обе стороны, но присутствующий в печи оксид кальция уже при невысоких температурах связывает Р₂О₅, переводя его в шлак:

Хуже всего при кислородно-конвертерном процессе удаляется сера, присутствующая в чугуне в виде сульфида железа FeS, который начинает взаимодействовать с оксидом кальция даже при низких температурах:

FeS + СаО = FeО + СаS

Но в кислородном конвертере из-за повышенного содержания FeО сера практически не связывается кальцием, так как этот процесс сопровождается образованием FeО, который уже в избытке.

Второй этап выплавки стали – «кипение» металлической ванны начинается при достижении температуры 1450 °С. Это позволяет интенсивно протекать реакции окисления углерода, сопровождающейся поглощением теплоты:

FeО + С = СО + Fe – 154 кДж

Пузырьки окиси углерода выделяются из жидкого металла, вызывая бурное кипение ванны. Оно способствует выравниванию температуры по объему конвертера и частичному удалению в шлак неметаллических включений, прилипающих к пузырькам углерода. При достижении заданного содержания углерода подачу кислорода отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и сталь через летку выливают в ковш.

Третий этап выплавки стали – раскисление в кислородном конвертере не проводится, оно осуществляется в ковше осаждающим методом.

Раскисление заключается в восстановлении оксида железа FeО, растворенного в жидком металле. Кислород, выполнивший свою функцию при удалении примесей из металла, сам является вредной примесью, и его содержание необходимо снизить.

В ковш добавляют ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Они обладают бóльшим сродством к кислороду, чем сталь. Железо восстанавливается, а образующиеся оксиды MnO, SiO2, Al2O3, обладающие меньшей плотностью, уходят в шлак:

FeО + Mn = Fe + MnO + Q

2FeО + Si = 2Fe + SiO2 + Q

3FeО + 2Al = 3Fe + Al2O3 + Q

В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода – кипящие и спокойные. Этим способом трудно получать стали, содержащие высокое количество легкоокисляющихся легирующих элементов, поэтому кислородно-конвертерным способом можно выплавить только низколегированную сталь. Легирующие элементы вводятся в ковш в расплавленном состоянии или в виде твердых ферросплавов.

Кислородно-конвертерный процесс отличается высокой производительностью: выплавка стали в конвертерах вместимостью 50–300 т идет 25–50 мин.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Конструкция кислородного конвертера с верхней продувкой

Кислородный конвертер имеет грушевидную форму с концентрический горловиной, что обеспечивает лучшие условия для ввода в полость конвертера кислородной формы, ответа газов, заливки чугуна и завалки лома из шлакообразующих материалов. Кожух конвертера выполняют сварным из стальных листов от 20 до 100 мм, в центральной части конвертера крепят цапфысоеденяющиеся с устройством для наклона. Механизм поворота конвертера состоит из системы передач связывающихцапфы с приводом. Конвейер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360 0 С со скоростью до 2х оборотов в минуту. Для большегрузных конвертеров, емкостью свыше 200 тон, применяют двусторонний привод: 4 двигателя по 2 на каждую цапфу. В шлемной части конвертера находится ледка для выпуска стали (ниже горловины). Выпуск стали через ледку исключает возможность попадания шлака в металл. Ледка закрывается огнеупорной глиной замешенной на воде.

Технологическая схема производства стали в кислородном конвертере, с верху продувной

Процесс производства стали в кислородном конвертере состоит из следующих основных периодов: загрузка металлолома, заливка чугуна, продувка кислородом, загрузка шлакообразующих, слив стали и шлака.

Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Лом загружают в наклоненный конвертер через горловину при помощи завалочный машин лоткового типа, затем с помощью заливочного крана заливают жидкий чугун и конвейер устанавливают в вертикальное положение, после этого вводят фурму, через горловину, и осуществляют подачу кислорода с чистотой не менее 99.5%. Одновременно с начала продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40-60% от общего количества) остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькими порциями.

Правильно организованный режим продувки (это положение формы от поверхности ванны) и давление кислорода обеспечивает хорошую циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком. Обычно высота фурмы от поверхности ванны поддерживается в приделах 1-3 метра, а давление кислорода = 0.9-1.4 МПа.

Окисление всех примесей чугуна начинается с самого начала продувки, при этом наиболее интенсивно в начале продувки окисляется кремний и марганец, это объясняется высоким сродством этих элементов к кислороду при относительно низких температурах 1400-1450 0 С и менее. Окисление углерода в кислородно-конвертерном процессе имеет важное значение, так как оно влияет на температурный режим плавки, процесс шлакообразования и рафинирование металла от фосфора, серы, газов и неметаллических включений. С первых минут продувки одновременно с окислением углерода начинается процесс дефосфорации.

По достижению заданного содержания углерода дутье отключают, фурмы поднимают, конвертер наклоняют и металл через ледку выливают в ковш. Полученный металл содержит повышенной содержание кислорода, по этому заключительная операция плавки является раскисление металла, которое проводят в сталеразливочном ковше. Для этой цели одновременно со сливом стали по специальному поворотному желебу в ковше подают распилили ели и легирующие добавки. Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш установленный на шлаковое под конвертером.

Течение кислородно-конвертерного обуславливается температурным режимом и регулируется изменением количества дутья и введением в конвертер охладителей — железной руды, металлолома и известняка. Температура металла на выпуске из конвертера составляет не многим выше 1600 0 С. Во время продувки в конвертере образуется значительное количество отходящих газов. Для использования тепла этих газов и их очистки от пыли за каждым конвертером оборудованы соотвественно: котел утелизатор и установка для очистки газов.

Кислородном-конвертерный процесс с донной продувной

В средине 60х годов прошлого века экспериментами по вдуванию струи кислорода окруженной слоем углеводородов доказали возможность осуществления продувки через днище без разрушения огнеупорв. В настоящее время во всем мире работают несколько десятков конвертеров с донной продувкойссадкой до 250 тон. Основное отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем: это объем приходящийся на тонну продуваемого чугуна. В днище устанавливают от 7 до 21 фарм в зависимость от емкости фурм. Размещение фурм в днище может быть отличным, обычно их располагают в одной половине днища, так чтобы при наклоне конвертера они были выше уровня жидкого металла. Перед установкой в конвертеры в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.

Преимущество донной продувки. В условиях донной продувки улучшается условие перемешивания ванн, увеличивается поверхность для зараждения металла и выделения пузырьков СО, таким образом скорость обезуглероживания в донной продувки выше по сравнению с верхней. В данном случае не представляет затруднение получение металла с содержание углерода менее 0.05%. Условия удаления серы приборной продувки более благоприятна чем при верхней. Это связано с меньшей окисленностью шлака и увеличением поверхности контакта газ-металл. Преимуществом донной продувки является также повышение выхода годного металла на 1-2%, сокращение длительности продувки, ускорение плавления лома. Использование конвертеров с донной продувкой позволяет значительно экономить капитальные затраты на реконструкцию, так при замене мартеновских печей на конвертера данного типа, значительные реконструкции зданий мартеновского цеха не требуется.

Конвертерный процесс с комбинированной продувкой

Тщательный анализирую недостатков и преимуществ способов выплавки стали в конвертерах с верхней и нижней продувкой привел к созданию конвертерного процесса с комбинированной продувкой кислородом. Смысл процесса заключается в том, что металл продувается сверху кислородом и с низу кислородом в защитной рубашке или нейтральным газов (агроном, азотом).

Преимущество этой технологии: повышение выхода годного, увеличение доли лома, снижение расхода ферросплавов на раскисление, уменьшение расхода кислорода на дутье, повышение качества стали за счёт снижения содержания газов и неметаллических включений при продувки инертным газом (аргон, азот) в конце операции.

Для производства стали применяют три хорошо отработанных технологических процесса: мартеновский, кислородно-конвертерный, электроплавильный. Согласно статистике наибольшее количество стали в мире выплавляют, используя кислородный конвертер. На него приходится более 70% всей выплавляемой стали.

Основы этого метода были разработаны в начале тридцатых годов двадцатого века. Применять его приступили на австрийских заводах, расположенных в двух городах Линце и Донавице только в пятидесятые годы двадцатого века. В зарубежной технической литературе по металлургии этот способ получения стали именуется буквами ЛД. Это название возникло из первых букв австрийских городов. У наших металлургов он именуется как кислородно-конвертерный.

Разновидности кислородно-конвертерного способа

В кислородных конвертерах технология выплавки происходит по одному из двух хорошо известных способов. Они носят имя своих создателей: томасовский и бессемеровский. Однако современные технологии шагнули далеко вперёд. Так содержание азота в томасовской и бессемеровской стали выше в три раза, чем в конвертерной или мартеновской.

Разница между ними заключается в реализации технологических решений и применяемого огнеупорного материала. В томасовском процессе достаточно сложно производить контроль над протеканием периодов плавки. Бессемеровский процесс позволяет производить продувку воздухом через дно самого конвертера.

По способу организации продувки кислородно-конвертерный процесс бывает: с верхней, нижней или донной, комбинированной продувкой.

Первый способ обеспечивает наилучшие условия следующих технологических процессов: подачи в конвертер кислорода для продувки, более эффективный вывод лишних газовых скоплений, удобную заливку жидкого чугуна, дополнительную загрузку металлического лома и других дополнительных материалов.

Конвертеры с нижней продувкой всегда сделаны с меньшим объемом, по сравнению с конвертерами, обладающими верхней продувкой. Для реализации продувки через дно в нижней части конвертера монтируют от семи до двадцати специальных устройств, называемых фурмами. Их количество зависит от объёма конвертера. Монтируют эти устройства в той части дна, которая поднимается над уровнем расплавленного металла в момент наклона конвертера. После освобождения от содержимого осуществляется этап продувки. Существенно повышается скорость движения молекул углерода к поверхности. Это снижает общее содержание химического элемента в расплаве. Таким образом, появляется возможность получать сталь, в которой процент содержания оставшегося углерода очень маленький.

Кроме углерода, удаётся получить лучшее удаление серы. Осуществляя продувку со стороны дна, удаётся повысить на 2% количество получаемого металла.

Последний способ позволяет объединить некоторые достоинства обоих методов и в то же время устранить некоторые имеющиеся недостатки. Продувка мощным потоком кислорода производиться сверху вниз. Снизу вверх производят продувку инертным газом, например аргоном. Иногда для снижения общей стоимости вместо инертных газов применяют азот. Применение комбинированной продувки позволяет добиться следующих положительных показателей:

• увеличить объём выплавляемого металла;
• процент добавляемого металлического лома может быть повышен;
• добиться существенного снижения требуемых ферросплавов;
• уменьшить требуемое количество кислорода для продувки;
• снизить содержания различных газовых примесей, что позволяет повысить качество стали.

Технология кислородно-конвертерного способа

Устройство кислородного конвертера достаточно простое. По внешней форме конвертер выглядит как большой сосуд. Сверху он заканчивается сужающейся горловиной. Такая форма верхней части позволяет обеспечивать благоприятные условия для организации верхней продувочной системы. Вся загрузка компонентов в конвертер осуществляется сверху. Принцип работы кислородного конвертера заключается в следующем: в него заливают расплавленный чугун (он служит топливом для кислородного конвертера), засыпают металлический лом, загружают дополнительные материалы. В центральной части металлического корпуса конвертера располагается механизм поворота. С его помощью происходит наклон конвертера для слива готовой стали. В конвертерах, у которых объём превышает 200 тонн, применяют мощный двухсторонний привод. Для этого используют четыре мощных электрических двигателя, по два с каждой стороны.

При выборе размера верхней горловины учитывают, что целесообразно производить загрузку исходного материала, например стального лома не по частям, а сразу весь объём. Это позволяет сократить общее время, которое требуется на весь технологический процесс. Однако при увеличении размера горловины конвектора начинают увеличиваться общие тепловые потери. Происходит повышение содержания азота. Это происходит за счёт того, что через широкую горловину происходит самопроизвольное подсасывание дополнительного кислорода из окружающего воздуха. Вместе с кислородом попадает и азот. Этот дополнительный азот растворяется в металле и приводит к снижению качества.

Во многих странах наиболее распространёнными являются конвертеры с объёмом от 20 тонн до 450 тонн. Продолжительность конвертерного процесса выплавки стали не превышает 50 минут.

Сохранение надёжности протекания химических реакций при конвертерном процессе выплавки стали происходит благодаря поддержанию температуры более 1400°C. Для обеспечения этих условий металлический корпус конвертера внутри выкладывается огнеупорным материалом (обычно это специальный шамотный или тугоплавкий кирпич). На первом этапе производят загрузку кислородного конвертера. После этого, приступают к подаче кислорода. Требуемое количество подаваемого воздуха для обеспечения одной плавки составляет 350 кубических метров.

Кислород с большой скоростью вступает в химическую реакцию с расплавленным чугуном. Это позволяет удалить избыточный углерод. Присутствующие в металле серу и фосфор одновременно превращают в шлак. Такая технологическая цепочка позволяет остановить плавку в тот момент, когда уровень содержания углерода достигнет заданных технических условий. Это позволяет получать довольно большую номенклатуру углеродистых сталей и добиваться низкого содержания серы, фосфора и других примесей.

Контроль происходящих процессов и качество металла, осуществляют методом периодического отбора проб. Они позволяют определить степень оставшегося в расплаве газообразного углерода. Когда процент содержания углерода достигнет заданного, процесс продувки кислородом останавливают. По завершению технологической цепочки, сталь выливают в специальный ковш. Оставшийся шлак удаляют через специальный слив в конвертере.

Особое внимание уделяется контролю количества и скорости подачи кислорода. Процент содержания кислорода регулируют введением в конвертер охладителей. Функции охладителей могут выполнять: металлолом, железная руда, известняк.

Схема кислородного конвертера

Всё равно в готовой стали всегда сохраняется определённый процент кислорода. Он вступает в реакцию окисления с железом. Таким образом образуется окись железа. Чтобы снизить содержание этой окиси (провести операцию восстановления железа), в ковш добавляют так называемые раскислители. Если процесс так называемого раскисления произошел технологически правильно, в результате остывания отсутствует процесс выделения газов. Такую сталь металлурги называют спокойной. Для получения такой стали, в качестве раскислителей, в расплав добавляют сначала добавки на основе ферромарганца. На конечном этапе добавляют ферросилиций. В конце плавки — обыкновенный алюминий.

Вся технологическая цепочка производства стали подразделяется на следующие этапы:

• окисление присутствующих добавок;
• последовательные химические реакции (сначала окисление кремния; затем марганца, на завершающем этапе углерода);
• дефосфорация;
• десульфурация;
• шлаковое образование;
• процесс общего раскисления.

Если весь кислород не был удалён, продолжается образование окиси железа. Кроме этого, при остывании продолжается химическая реакция взаимодействия углерода и железа. Она приводит к выделению окись углерода. Его интенсивное образование и последующее выделение из расплава хорошо видно визуально. Процесс напоминает закипания воды в чайнике. Подобная сталь на языке профессионалов называется «кипящей». Для устранения этого эффекта в расплав добавляют ферромарганец.

Присутствие в жидком металле растворенных газов, которые не успевают выйти, приводит к образованию пустот. Они серьёзно снижают качество всего полученного металла. Чтобы не допустить таких образований, на этапе плавки, производят специальную дегазацию. Чтобы добиться наилучшего эффекта, эту операцию проводят в специальных вакуумных камерах. Таким образом удаётся существенно повысить плотность и улучшить физико-механические свойства полученной партии металла.

Достоинства и недостатки кислородно-конвертерного способа

К основным достоинствам способа относятся:

• по сравнению с другими процессами выплавки у него более высокая производительность;
• конструктивная схема самого кислородного конвертера достаточно проста (обыкновенный металлический резервуар, то есть корпус, внутри которого находится огнеупорный материал);
• низкая стоимость расходов на огнеупоры;
• невысокая себестоимость получаемой стали;
• низкие капитальные затраты на строительство, даже с учётом добавления стоимости на строительство кислородных станций.

Опыт эксплуатации конвертеров показал, что экономическая эффективность превышает мартеновский способ на 14%, а электроплавильный на 25%.

К наиболее явно выраженным недостаткам относятся:

• необходимость загрузки в конвертер только жидкого чугуна. Добавление и последующая переработка металлического вторсырья возможна только в небольшом количестве (не более 10%);
• на этапе технологической продувки вместе с углеродом выгорает достаточно большое количество полезного железа. Технологические потери могут достигать 15%;
• возникают сложности в организации системы контроля и регулирования конвертерного процесса выплавки стали. Это связано с высокой скорость протекания химических процессов;
• недостаточный контроль не позволяет получать сталь точно заданных технических характеристик.

Область применения конвертерных видов стали

Имеющиеся недостатки несколько ограничивают область применения подобной стали. Из неё производят такие деталей, к которым не предъявляют повышенные технические требования. В кислородных конвертерах получают продукцию трёх видов: углеродистую, легированную и низколегированную сталь. Эти марки используются для изготовления проволоки (катанки), труб небольшого диаметра, отдельных видов рельс.

Специальные изделия активно применяются в строительстве. Практически вся так называемая автоматная сталь изготавливается по конвертерной технологии. Из неё производят большое количество метизной продукции: болты, гайки, шурупы, саморезы, скобы и так далее.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.