Кислородный конвертер

Кислородно конвертерный способ производства стали — Металлы, оборудование, инструкции

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.

Кислородный конвертер

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.

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.

Поворотный механизм

Электропривод обеспечивает возможность поворота конвертера на 360°. Средняя скорость вращения составляет 0,1-1 м/мин. Сама по себе эта функция требуется не всегда – в зависимости от организации технологических операций в ходе рабочего процесса. Например, поворот может потребоваться для ориентации горловины прямо к точке подачи лома, заливки чугуна, слива стали и т. д. Функционал поворотного механизма может быть разным. Бывают и односторонние, и двухсторонние системы. Как правило, кислородные конвертеры грузоподъемностью до 200 т предполагают поворот лишь в одну сторону. Связано это с тем, что в таких конструкциях требуется меньше крутящего момента при наклоне горловины. Чтобы исключить расход лишней энергии при эксплуатации большегрузного оборудования, его обеспечивают механизмом двухстороннего поворота, что компенсирует затраты на манипуляции с горловиной. В структуру системы кручения входит редуктор, электродвигатель и шпиндель. Это традиционная компоновка стационарного привода, закрепленного на бетонной стяжке. Более технологичные навесные механизмы фиксируются на цапфе и приводятся в действие за счет ведомого зубчатого колеса с системой подшипников, которые также через систему валов активизируются электромоторами.

Производство стали в кислородных конвертерах – Металлы, оборудование, инструкции

Важно отметить, что кислородно-конвертерный способ производства стали имеет ряд особенностей, связанных с технологическими тонкостями, в процессе всего производства. Значительные затраты на конвертерное производство оправдывают окупаемость во время эксплуатации любых изделий, особенно из стали, выплавленной таким путем

Основные нюансы процесса

Согласно технологическим особенностям, конвертерный способ подразделяется на две разновидности:

• Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем – бессемеровский и томасовский процессы.
• Кислородно-конвертерный процесс с продувкой кислородом сверху и снизу.

При воздушном дутье, залитый в конвертерах чугун, продувают снизу воздухом. Благодаря тому, что частицы воздуха окисляют любые примеси чугуна, происходит повышение температуры стали вплоть до 1,6 тыс. градусов. Именно это тепло и превращает чугун в сталь.

Ведущие принципы выплавки качественной стали

Согласно статистическим показателям каждая десятая тонна выплавленной стали в мире получается в результате кислородно-конвертерного способа при донной продувке.

Весь процесс при низких производственных затратах и адекватных условиях для хода работ, способствует выплавки высококачественной стали. Уникальные технологические мощности конвертерных агрегатов позволяют использовать различные составы сплавов, кроме самого жидкого чугуна.

Определенный интерес в промышленности к этому способу вызван и широким его применением еще с 60-х годов прошлого столетия. Основной типовой ряд емкостей конвертерных агрегатов установлен еще при Советском Союзе. Огромные сосуды представлены в грушевидной форме и имеют объемный ряд от 50 до 400 тонн.

Одним из ведущих принципов производства стали в кислородных конвертерах является их проектирование емкостью от 400 до 4,3 тыс. тонн и минимальной высотой 6–8 метров. Слишком низкие агрегаты провоцируют выбросы вспенивающегося металла через узкие горловины. Подобный факт негативно сказывается на всем процессе производства и на качестве самой стали на выходе.

Планирование процесса

Принципиально важно и перед каждой плавкой осуществлять детальное планирование всех оптимальных условий. Они включают в себя:

• расход чугуна и лома,
• уровень подачи кислорода в фурму,
• приблизительные расчеты по концентрации фосфора, серы и шлаков,
• анализ окончательной массы стали и заданных объемов отходов.

Удельная интенсивность выплавки стали кислородным способом в конвертерах позволяет производить высокие объемы сырья при минимальных нагрузках на ход процесса. Немаловажную роль здесь играет фактор проектирования и выбора сопутствующих условий, а также организации технологии производства.

Высококачественную сталь в стране получают не только на огромных заводах, но и на территории малых помещений, для эффективного производства требуется необходимая мощность агрегатов и квалифицированные специалисты.

Футеровка конвертера

Важнейшей целью стратегии развития конструкции футеровки конвертеров определяется достижение ее высокой стойкости, обеспечивающей такую эффективность работы конвертера, которая соответствует минимальным удельных затратам на огнеупоры. Последнее десятилетие характеризуется радикальным повышением стойкости футеровки конвертера за счет применения комбинированной сбалансированной схемы с учетом особенностей износа отдельных зон, в том числе подверженных повышенной эрозии. Так, в различных зонах футеровки конвертера используются разные по качеству и толщине изделия, что, в конечном счете, приводит к сбалансированному износу футеровки в целом (табл.4). Повышению стойкости футеровки способствует сокращение времени ее прямого контакта со струей кислорода. Для этого в начале процесса продувки принудительно ускоряется шлакообразование по средством добавки доломитизированной извести для вспенивания шлака. Конечно, повышению стойкости футеровки способствует и автоматизация конвертерного процесса, уменьшающая количество повалок конвертера и предотвращающая перегрев стали в конце плавки. Для повышения стойкости футеровки американскими компаниями Practer и Grate Lakes Division была предложена технология раздува шлака в кислородном конвертере, предполагающая вдувание азота высокого давления через верхнюю кислородную или вспомогательную фурму с целью разбрызгивания шлака по футеровке. При этом, шлак покрывает футеровку, охлаждается и затвердевает, создавая прочную защитную корку, препятствующую износу огнеупоров. Технология раздува шлака включает качание конвертера для нанесения покрытия на участки футеровки, подвергаемые повышенному износу при завалке металлолома и сливе металла. Дополнительный положительный эффект от шлакового гарнисажа достигается также за счет того, что при заливке в конвертер чугуна шлак частично оплавляется, что приводит к созданию некоторого слоя жидкого шлака еще до начала продувки.Существенную роль в повышении стойкости футеровки конвертеров играют современные приемы контроля ее состояния с измерением профиля футеровки и степени ее износа. Примером такого оборудования может служить лазерная система установления профиля футеровки. Полное сканирование конвертера занимает 25…30 мин. Обнаруженные участки с малой толщиной футеровки ремонтируют с торкретированием и раздувом шлака. Мониторинг футеровки выполняется 7…10 раз в процессе ее эксплуатации. В целом уже сегодня нормальной стойкостью футеровки конвертера принято считать 2,5…3,5 тыс. плавок. Рекордные же показатели, базирующиеся на системном мониторинге и дополнительном ремонте футеровки, достигают даже 10…15 тыс. плавок и более.

Различия двух способов

Вышеупомянутое производство подразделяется на бессемеровский и томасовский процессы. Различия между ними в основных составляющих футеровках конвертеров.

Бессемеровский путь выплавки стали позволяет использовать низкое содержание фосфора и серы. При томасовском способе, наоборот, чугун переплавляется посредством высокого содержания фосфора.

Суть кислородно-конвертерного производства заключается в выплавке стали посредством футеровки и продувки кислородом из жидкой чугунной основы. В обязательном порядке для этого используется водоохлаждающая форма.

Водоохлаждающая форма

В агрегатах кислород подается снизу. Этот метод наиболее распространен в России. Хотя в зарубежных странах нередко применяется и комбинированный способ продувки. В металлургии кислородно-конвертерный метод выплавки признан практически одним из самых эффективных по нескольким параметрам:

• Воспроизведение одного сталеплавильного агрегата превышает в мощности иные способы в несколько тон.
• В большегрузных конвертерах воспроизведение достигает порядка 500 тонн за 1 час.
• Затратные средства значительно ниже, чем при ином производстве.
• Довольно экономное обустройство любого цеха, даже в независимости от мощности плавильных агрегатов.
• Простота процесса состоит в автоматизации метода выплавки стали.

Благодаря тому, что используется чистый кислород, сталь, получаемая на выходе, не имеет высокого содержания азота. Это позволяет использовать материал в широких спектрах малой промышленности

Важно и то, что сравнительная безопасность для здоровья, позволяет задействовать специалистов среднего звена

Возможность предоставить работу большему количеству населения

Кислородно-конвертерный процесс

Устройство кислородного конвертера.

Кислородно-конвертерный процесс — это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоох-лаждаемую фурму.  

Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах.

Кислородно-конвертерный процесс заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. Кислородный конвертер — это сосуд грушевидной формы из стального листа, выложенный изнутри основным огнеупорным кирпичом. Конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси для завалки скрапа ( лома), заливки чугуна и слива стали и шлака.  

Кислородно-конвертерный процесс позволяет получать стали с минимальными содержаниями газов — азота, кислорода, водорода.  

Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом.  

Изменение содержания СОг в отходящих газах по ходу кислородно-конвертерной плавки.

Высокопроизводительный кислородно-конвертерный процесс является одним из наиболее важных металлургических объектов автоматизации. Усовершенствование его управления необходимо для получения стали с заданными температурой и составом при максимальной экономичности плавки. Однако задача полной автоматизации на основе совершенной модели процесса является крайне сложной и требует знания закономерностей воздействия множества факторов: физико-химических, газо-гидродинамических и других, до настоящего времени недостаточно исследованных. Поэтому автоматическое управление вводится этапами и ограничивается пока главным образом применением статического метода.  

Кислородно-конвертерный процесс произ-ва стали отличается тем, что примеси чугуна окисляются технически чистым кислородом, к-рый подается через водо-охлажденные фурмы в глуходонный конвертер сверху под большим давлением. Основная футеровка конвертера позволяет образовывать шлак, способствующий удалению фосфора и серы из металла. Интенсивный нагрев металла в конвертере при кислородном процессе позволяет использовать для плавки не только руду, но и лом в количестве до 300 кг на 1 m стали.  

При кислородно-конвертерном процессе передел чугуна с содержанием фосфора до 0 3 % не представляет технологических трудностей. При более высоком содержании фосфора в чугуне применяют специальные технологические приемы для удаления фосфора из металла. Для наиболее полной дефосфорации металла при кислородно-конвертерном процессе необходимо создать условия для образования активного известково-железисто-го шлака. Скорость дефосфорации металла зависит от химического состава шлака, его жидкотекучести, теплового режима и ряда других факторов.  

Во-первых, кислородно-конвертерный процесс, предназначенный в основном для непосредственного превращения жидкого чугуна в сталь, не содержит такие трудноуправляемые чисто теплотехнические периоды, как завалка с прогревом и, в известной степени, расплавление твердой шихты. С самого начала конвертерной плавки ведется продувка фактически жидкой ванны, что сопровождается бурным обезуглероживанием и процессами окисления других элементов чугуна. При этом операторы воздействуют на ход плавки такими мощными средствами, как изменение расхода кислорода и положения кислородной фурмы.  

Используя преимущества кислородно-конвертерного процесса ( бурное кипение, исключительно быстрое регулирование температуры), можно его применять для получения легированных сталей без значительного пони -, жения производительности. Основной трудностью при этом является введение легкоокисляющихся элементов во время продувки. К таким элементам относятся хром, кремний, марганец.  

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, ( см. табл. 2.1), стальной лом ( не более 30 %), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит ( А1203), плавиковый шпат ( CaF2), которые применяют для разжижения шлака.  

Важнейшей особенностью кислородно-конвертерного процесса является быстрое окисление фосфора с начала подачи кислорода и особенно во второй четверти продувки.  

Производство стали кислородно-конвертерным процессом характеризуется меньшими удельными капитальными затратами по переделу, высокой производительностью агрегатов и более высокой производительностью труда по сравнению с мартеновским производством.  

Бессемеровский конвертер

Бессемеровский процесс (кислая футеровка конвертора) разработан англи-чанином Г. Бессемером в 1856-1869гг. и позволяет перерабатывать чугун с низ-ким содержанием фосфора и серы и достаточным количеством кремния. Плавка в бессемеровском конвертере проводится следующим образом. В конвертер заливают бессемеровский чугун (0,7-1,25%Si; <0,06%P; <0,06%S) при температуре 1250 – 1300 °C и продувают его воздухом. За время продувки окисляются углерод, кремний и марганец чугуна и из образующихся оксидов формируется кислый шлак. После того, как углерод окислился до заданного со-держания, продувку заканчивают. Металл сливают через горловину в ковш, одновременно раскисляя его. Поскольку шлак кислый при плавке не удаляются сера и фосфор.

Футеровка кислородного конвертера

Обязательная технологическая процедура, в ходе которой внутренние стены конвертера обеспечиваются защитным слоем. При этом надо учитывать, что в отличие от большинства металлургических печей данная конструкция подвергается гораздо более высоким термическим нагрузкам, что обуславливает и особенности выполнения футеровка. Это процедура, предполагающая укладку двух защитных слоев – функционального и армирующего. Непосредственно к поверхности корпуса примыкает пласт защитной арматуры толщиной 100-250 мм. Его задача заключается в снижении теплопотерь и недопущении прогара верхнего слоя. В качестве материала применяется магнезитовый или магнезитохромитовый кирпич, который может служить годами без обновления.

Верхний рабочий слой имеет толщину порядка 500-700 мм и заменяется довольно часто по мере износа. На этом этапе кислородный конвертер обрабатывается безобжиговыми песко- или смоловязанными огнеупорными составами. Основу материала для этого слоя футеровки составляет доломит с добавками магнезита. Стандартный расчет по нагрузке делается исходя из температурного воздействия порядка 100-500 °С.

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.

Суть конвертерного производства

В конвертерном производстве применяются специальные сталеплавильные агрегаты, называемые конвертерами. Производство стали осуществляется путем продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Данный металл содержит различные примеси, в том числе кремний, углерод и марганец. Примеси окисляются под действием кислорода и удаляются из расплава. Основным преимуществом конвертерного способа является то, что для работы сталеплавильного устройства не требуется топливо. Сталь расплавляется под действием тепла, которое выделяют окисляющиеся примеси.

Это интересно: Чугунное литье — технология печного литья, производство

Работа печи BBOC

Рис. 2. Рабочие положения BBOC

На рисунке 2 показано положение BBOC на различных этапах рабочего цикла.

BBOC удерживается в вертикальном положении на этапе зарядки. Добавление твердого или жидкого заряда осуществляется с помощью мостового крана. Затем печь наклоняется вперед, так что фурма находится над загрузкой, и шихта плавится с помощью горелки на жидком топливе или природном газе, которая вставляется в верхнюю часть печи. После того, как шихта расплавлена, печь снова наклоняют в положение обдува, и в ванну вдувается кислород. Шлак, образовавшийся в результате окисления свинца и цинка, периодически удаляют, снова наклоняя печь вперед и сливая его.

Расход кислорода при продувке трехтонной печи составляет 20–30 Нм.3/час. Цинк сначала окисляется с образованием оксид цинка окалина на поверхности заряда, но по мере последующего образования оксида свинца образуется жидкий шлак из оксидов цинка и свинца. Большая часть меди удаляется одновременно со свинцом. Окончательное удаление меди до уровня 0,04% проводится в конце процесса путем дополнительных добавок свинца для сбора меди.

Если копье необходимо заменить в любой момент во время работы, это можно сделать, наклоняя печь вперед, пока копье не окажется над поверхностью ванны. где его можно снимать и заменять без слива содержимого печи через отверстие в футеровке печи.

Процесс купелирования заканчивается, когда чистота серебра составляет около 99,7%. В этот момент серебро выливается из печи и переносится в другую печь, где добавляется флюс для улучшения и удаления кислорода из серебра для получения рыночных слитков чистотой 99,9%.

Описание BBOC

Печь BBOC представляет собой стальной цилиндрический сосуд с внутренней защитной футеровкой из огнеупорный кирпич. Он установлен на наклонной раме, что позволяет удерживать его под разными углами на разных этапах рабочего цикла (см. Рисунок 2). Над топкой закреплен колпак, обеспечивающий уплотнение, предотвращающее выход свинца и других паров во время работы печи (см. Рисунок 1).

Ключевой особенностью BBOC является закрытая фурма, которая проходит через огнеупорные кирпичи на дне печи. Эта фурма позволяет кислороду вводить непосредственно в расплавленный металл, содержащийся в печи, вдали от огнеупорной футеровки. Это позволяет удалить область с высокой скоростью реакции вблизи футеровки, что снижает ее износ.

Благодаря впрыскиванию кислорода непосредственно в ванну, а не продувке сверху (как в случае отражательной купелированной печи или роторных конвертеров с верхним дутьем), эффективность переноса кислорода не снижается из-за наличия слоя шлака. В результате эффективность использования кислорода приближается к 100%.

Отсутствие помех переносу кислорода слоем шлака имеет несколько ключевых преимуществ. Во-первых, повышенная уверенность в оценке эффективности использования кислорода означает, что легче вычислить конечную точку процесса, что значительно упрощает управление процессом. Во-вторых, допускается наличие более толстого слоя шлака (поскольку кислород не должен проходить через него), а это означает, что потери серебра в шлак уменьшаются (поскольку это серебро на границе раздела между металлом и шлак, который захватывается при удалении шлака и чем толще слой шлака, тем меньше содержание серебра в удаляемом шлаке). BRM сообщила о снижении содержания серебра в шлаке BBOC по сравнению с шлаком отражательной печи на 50%.

BRM обнаружила, что скорость реакции BBOC была в 10–20 раз выше, чем у его отражательной купелированной печи.

Износ огнеупора в BBOC в основном ограничивается линией шлака, в верхней части металла, где происходит воздействие гнев (оксид свинца) является наибольшим. С этим борются за счет использования магнезит-хромовых кирпичей с прямым соединением из плавленого зерна, которые выстилают внутреннюю поверхность кожуха печи.

Томасовский способ

Томасовский способ – продувка через жидкий металл воздуха, но футеровка основная и благодаря этому становится возможным удаление фосфора. Футеровка доломитовая (МgO, СаО). Применяется для переплавки в стали чугунов марок Т-1 и Т-2, содержащих повышенный % фосфора до 2,2% и серы.

В томасовском конвертере процессы окисления протекают в такой же последовательности, как и в бессемеровском, за исключением того, что в третьем периоде идет бурное окисление фосфора, за счет чего резко повышается температура стали и сталь становится более качественной и пластичной.

Для удаления Р и S в конвертер загружается 12-14% от веса заливаемого чугуна – известняк СаСО₃:

– 2Р + 5FeO + 4СаО → Р₂О₅(СаО)₄ + 5Fe

шлак

Р₂О₅(СаО)₄ – очень прочное соединение и ценное удобрение для сельского хозяйства.

– FeS + СаО → СаS + FeО, где СаS – непрочное соединение, поэтому вводят Mn:

СаS + MnO → MnS + СаО, где MnS – не переходит в ванну, если остается, то это более тугоплавкое соединение нежели FeS + Fe (t_плавл. ≈ 988°С).

В настоящее время томасовский способ в нашей стране почти не применяется, так как высокофосфористых и высокосернистых руд у нас мало.

Рассмотренные конвертерные способы выплавки стали имеют следующие преимущества:

1. Высокая производительность (время плавки 20-30 мин.).
2. Простота конструкций печей (конвертеров) и следовательно малые капитальные затраты.
3. Малые эксплуатационные затраты.
4. Не требуется при плавке специально вводить тепло, так как оно получается в конвертерах за счет реакций окисления примесей.

Недостатки:

1. Значительный угар железа (до 13%).
2. Невозможность переплавлять в больших количествах скрап (металлический лом).
3. Более низкое качество стали (главный недостаток конвертирования) – например, за счет продувки воздухом в стали увеличивается содержание азота (до 0,025-0,048%), которое заметно снижает качество стали.
4. Из-за непродолжительности процесса невозможно в конвертерах выплавлять стали сложного химического состава, а из-за невысоких температур (наибольшая t_плавл. = 1600°С) невозможно добавлять тугоплавкие легирующие компоненты (W, Mo, Nb и т.д.).

Таким образом до настоящего времени конвертерное производство стали было ограничено из-за вышеизложенных недостатков. В конвертерах выплавлялись лишь простые углеродистые стали обыкновенного качества.