Параметрів конвертерної плавки

Мета роботи: вивчити класифікацію кисневих конвертерів, пристрій кисневого конвертера з верхнім продуванням і фурми, класифікацію шихтових матеріалів на плавку і їх призначення, основні технологічні параметри плавки.

1. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

1.1. Загальна характеристика процесу

Конвертерне виробництво – це отримання сталі у сталеплавильних агрегатах (конвертерах) шляхом продування рідкого чавуну киснем.

Киснево-конвертерний процес, як один з видів переробки рідкого чавуну у сталь без витрати палива шляхом продування чавуну в конвертері технічно чистим киснем зверху вперше в промисловому масштабі був здійснений 1952-1953 рр. в Австрії на заводах в м. Лінце і Донавіце і названо LD–процесом (Linz-Donawitz). У мартенівському процесі коефіцієнт корисного використання тепла становить 25 %, в киснево-конвертерному він рівний 75 %.

Киснево-конвертерний процес здійснюється в конвертері з основним футеруванням, технічно чистий кисень під тиском 1,8¸2,2 МН/м² (18¸22 кгс/см² або 18¸22 ат.) подається водоохолоджуваною фурмою через горловину конвертера в рідкий чавун. Чистота кисню становить 98¸99,5 % (практично відсутні газоподібні охолоджувачі: N₂, H₂O, CO₂). Кращі результати для отримання мінімального вмісту азоту в сталі отримують при чистоті кисню не менше за 99%. З метою утворення основного шлаку, зв’язуючого фосфор та сірку, в конвертер на початку продування додають вапно.

Основним джерелом тепла є фізичне тепло рідкого чавуну і тепло екзотермічних реакцій окислення домішок металошихти: Si, Mn, Р, С і Fe. Частка тепла, що вноситься кожним з перерахованих елементів, залежить від питомого теплового ефекту реакції окислення, їх відсоткового вмісту в металошихті (чавуні і металевому брухті) та умов проведення процесу.

Під впливом дуття домішки чавуну окислюються, виділяючи значну кількість тепла, внаслідок цього одночасно знижується вміст домішок в металі і підвищується температура, підтримуюча його в рідкому стані. Коли вміст вуглецю досягає необхідного значення (кількість вуглецю визначається за часом від початку продування та за кількістю витраченого кисню), продування припиняють і фурму витягують з конвертера. Продування зазвичай триває 12¸22 хв. Отриманий метал містить надлишок кисню, тому заключною стадією плавки є розкислення і легування металу. Протікання киснево-конвертерного процесу (тобто послідовність реакцій окислення) обумовлюється температурним режимом процесу і регулюється зміною кількості дуття або введенням в конвертер «охолоджувачів» (брухту, залізняку, вапняку). Середня температура металу при випуску становить приблизно 1600 °С.

За способом підведення кисню в рідку металеву ванну конвертерні процеси поділяються на процеси з продуванням:

– зверху (що вводиться через горловину);

– знизу (що вводиться знизу через днище);

– комбінованим підведенням дуття.

Кисневий конвертер являє собою футеровану зсередини посудину грушоподібної форми, яка виготовлена зі сталевого листу і має зверху отвір – горловину. Горловина служить для завантаження шлакоутворюючих матеріалів і брухту, залиття чавуну, введення в порожнину конвертера кисневої фурми, відведення газів, зливу шлаку.

Конвертер складається з трьох частин (рис. 1):

- верхньої роз'ємної шоломової частини у формі усіченого конусу з меншою основою вгорі (горловиною);

- середньої циліндричної частини;

- днища (роз'ємного або нероз'ємного), має півсферичну чашоподібну форму, виконують знімним для зручності ремонту або глуходонним.

Рис.1. Схема пристрою киснево-конвертерного агрегату [6]:

1 – корпус конвертеру, симетричний відносно вертикальної осі; 2 – вогнетривке футерування, що формує робочий простір; 3 – робочий простір; 4 – конічна горловина; 5 – опорне кільце з цапфами; 6 – опорні вузли; 7 – станина; 8 – водоохолоджувана киснева фурма.

Для відділення металу від шлаку при зливі в ківш конвертер забезпечують льоткою (сталевипускним отвором). Кожух конвертера зварюють з товстих стальних листів товщиною від 20 до 110 мм.

Футерування виконують трьохшаровим: 1) арматурний (теплозахисний) шар товщиною 110¸250 мм, що примикає до кожуху; 2) робочий (внутрішній, вогнетривкий) шар, товщина якого у залежності від місткості конвертеру становить 380¸750 мм; 3) проміжний між арматурним і робочим шаром (зазвичай роблять набивання товщиною 70¸100 мм). Загальна товщина футерування конвертерів місткістю 50¸300 тонн становить – 700¸1000 мм. Звичайно футерування витримує 450¸800 (до 1800) плавок.

Корпус конвертера кріпиться в опорному кільці з цапфами, що спираються на підшипники, встановлені в опорних вузлах на станинах. Цапфи сполучені з механізмом повороту, що забезпечує поворот конвертера на 360° в будь-якому напрямі. Частота обертання може мінятися від 0,01 до 1,0 об/хв.

По вертикальній осі конвертера зверху через горловину вводиться водоохолоджувана фурма. Над конвертером, крім фурми, знаходяться газовідводячий тракт та система завантаження сипучих матеріалів. Під конвертером по рейках переміщаються сталевоз і шлаковоз (возики для сталерозливного і шлакового ковшів). Ємності конвертерів відповідають ГОСТ 20067–74 і складають 50, 100, 130, 160, 200, 250, 300, 350, 400, 500 т.

Водоохолоджувана фурма (рис. 2) для подачі кисню у конвертер виготовляється звичайно з трьох суцільнотягнутих стальних труб, що концентрично входять одна в іншу. По центральній трубі подається кисень, дві зовнішні служать для охолоджування. Нижня частина фурми закінчується наконечником (соплом, який пригвинчується або приварюється) з червоної міді, через який кисень поступає в конвертер.

Сопло являє собою профільовану насадку, призначену для перетворення потенційної енергії газового потоку в кінетичну і придання йому заданого напряму. Сопло може бути циліндричним, що вужчає, або комбінованим: що вужчає та потім розширяється. Відоме використання більш складних сопел.

Тиск кисню перед соплом становить звичайно 0,9¸1,4 МН/м² (9¸14 ат). Інтенсивність продування звичайно становить 2,2¸3,5 м³/(т×хв.). Загальна витрата кисню залежить від особливостей технології процесу й інших чинників: в 100 та 130-т типових конвертерах вона в середньому дорівнює 300 м³/хв. При введенні добавок сипучих і під час викидів витрата кисню знижується. В практиці застосовують односоплові (з циліндричними та соплами, що вужчають, соплами Лаваля та ін. для конвертерів малої місткості <50 тонн) і багатосоплові (частіше 3¸4, іноді і більше – 5¸7 сопел з кутом нахилу 6¸15° до осі фурми) зазвичай з соплами Лаваля.

а	б
в	Рис. 2. Фурма кисневого конвертеру [2] а) односопловий наконечник фурми [9]; б), в) - чотирьохсопловий наконечник фурми [3]: 1, 2, 3 – відповідно внутрішня, проміжна та зовнішня труби; 4 – внутрішня торцева частина; 5 – сопло; 6 – профільований обтікатель; 7 – зовнішня торцева частина.

б)   ) )

а) )

Ідея багатострумкових фурм полягає у розосередженні дуття (більш «м'яке» продування), збільшенні поверхні зіткнення його з ванною; більш рівномірному газовиділенню, більш організованому русі у ванні, більш спокійному ході продування і ін., що поліпшує основні показники: вихід придатного (1¸2 %), стійкість футерування, шлакоутворення і ін. Стійкість звичайних кисневих фурм з соплом Лаваля складає в середньому 60¸80 плавок.

Отримана після продування рідка сталь випускається з конвертера у сталерозливний ківш і передається у відділення позапічної обробки і розливу.

Застосування кисневого дуття замість повітряного (Бесемерівський та Томасівський процеси) дозволило отримувати сталь з низьким вмістом азоту (0,002¸0,006 мас. %). При киснево-конвертерній переробці значно збільшується кількість тепла, отриманого ванною на одиницю елементу, що окислюється, тому що відсутня витрата тепла на нагрів азоту, що вводиться у ванну при продуванні повітрям. В зв'язку з цим з'являється можливість переробки чавунів з низьким вмістом кремнію і фосфору, а також переплавки великих кількостей брухту (до 25 %) або руди (до 5 %).

Узагальнену схему взаємодії кисневого струменю з металом наведено на рис.3.

Рис. 3. Схема взаємодії струменя газу і рідкого металу при малій (а), середній (б) і високій (в) швидкості дуття:

I і II – первинна та вторинна реакційні зони; III – область більш спокійного (основної маси) металу; IV – зона газошлакометалевої емульсії; V – зона газів, що відходять.

До первинної реакційної зони відноситься область реагування металу з газоподібним киснем у якій розвиваються дуже високі температури – до 2500 °С. Вона складається з двох дільниць: Iа, в межах якої газ з інжектованим металом рухається вниз, і Iб, в межах якої спливають бульбашки кисню, не засвоєного на дільниці Iа. Продукти окислення металу в первинній реакційній зоні спливають на поверхню у вигляді рідких оксидів і газових бульбашок.

Оскільки основним продуктом практично повного спалення металу в кисні є оксиді залізу, то при спливанні вони вступають в контакт з металом ванни і окислюють елементи, утворюючи вторинну реакційну зону II. У цій зоні кисень оксидів заліза розподіляється між компонентами ванни, що окисляються, у відповідності з термодинамічними і кінетичними умовами, характерними для даної зони.

У вторинній реакційній зоні СО спливає як у вигляді невеликих бульбашок, так і у вигляді періодично виникаючих великих газових об'ємів, сумірних з розмірами первинної реакційної зони. Досягаючи поверхні ванни вони руйнуються з утворенням сплесків металу і шлакометалевої емульсії. Зі зростанням витрати кисню через сопло збільшується розмір реакційної зони, величина спливаючих великих газових об'ємів та висота сплесків, що утворюються. Це явище – одна з причин розділення потоків кисню шляхом застосування багатосоплових фурм.

1.2. Шихтові матеріали процесу і вимоги до них

Шихтові матеріали киснево-конвертерного процесу складаються з:

1) металевої частини (чавун, брухт, розкислювачі і легуючі добавки);

2) неметалічної (сипучі тверді охолоджувачі, флюси) частини.

Чавун, звичайно застосовують переробний наступного складу (ГОСТ 807-70), % мас.: 3,9¸4,3 С; 0,5¸1,0 Si; 0,4¸1,7 Mn; 0,03¸0,06 S; 0,05¸0,15 Р. Температура чавуну звичайно 1250¸1400 °С.

Склад чавуну, зокрема вміст кремнію, має великий вплив на хід процесу, якість сталі, стійкість футерування, техніко-економічні показники роботи, особливо при охолоджуванні ванни залізняком. З підвищенням вмісту кремнію в чавуні збільшується виділення тепла у ванні і тому потрібна велика добавка охолоджувачів (наприклад, руди, вапна). В результаті збільшується кількість шлаку і вміст кремнезему в ньому, втрати заліза зі шлаком та викидами. Відповідно знижується вихід придатного і стійкість футерування. Погіршується дефосфорація і десульфурація металу, особливо при роботі без скачування первинного шлаку. Скачування шлаку збільшує тривалість продування і знижує вихід придатного. При низькому вмісті кремнію у чавуні (<0,3 %) сповільнюється розчинення вапна (тобто утворення шлаку), довшає безшлаковий період на початку плавки, що призводить до заметалювання та прогарів фурми, гіршає десульфурація у зв'язку з малою кількістю шлаку. Зниження вмісту кремнію у чавуні (у зв'язку з особливостями доменного процесу) звичайно супроводжується зростанням вмісту сірки в ньому. Кращі показники киснево-конвертерного процесу отримані при вмісті кремнію 0,3¸0,5 % при охолоджуванні процесу рудою (допускається 0,4¸0,8 %). При охолоджуванні ванни скрапом (брухтом) оптимальний і допустимий вміст кремнію вищий внаслідок пом'якшення його шкідливої дії при розбавленні металевої ванни скрапом.

Низький вміст марганцю у чавуні спричиняє сповільнення шлакоутворення, оскільки в первинних шлаках буде міститися мало закису марганцю, який прискорює розчинення вапна. Зі зростанням вмісту марганцю у чавуні дещо знижується концентрація сірки у чавуні та в готовій сталі, в ряді випадків поліпшується шлакоутворення, але при цьому збільшується чад металу і знижується вихід придатного. Вважають, що чавун повинен містити 0,45¸1,0 % Mn.

Вміст фосфору у чавуні не повинен перевищувати 0,3 % (бажано <0,15 %, при більшому необхідне проміжне скачування шлаку, що знижує продуктивність конвертера). Зі зростанням вмісту фосфору збільшується кількість шлаку в конвертері (звичайно потрібно провести його скачування в середині плавки), дещо знижується продуктивність агрегату, вихід придатного, стійкість футерування. При вмісті фосфору до 0,15 % можна працювати без зливу первинного шлаку.

Оскільки десульфурація металу при плавці протікає недостатньо повно, чавун повинен містити не більше 0,07 % сірки. Підвищення вмісту сірки в чавуні призводить до збільшення його в сталі, що небажано, тому що вона є шкідливою домішкою (допустимий вміст сірки у чавуні 0,04¸0,05 %). Необхідно не допускати попадання сірчистого (доменного) шлаку у міксер та в конвертер (вміст сірки у такому шлаку до 1,0 %).

Скрап (лом) застосовується як охолоджувач процесу. Кількість скрапу, що додається, збільшують при підвищенні вмісту кремнію і марганцю у чавуні, температури футерування конвертеру перед плавкою, а також при зменшенні вмісту вуглецю у сталі заданої марки (оскільки в цьому випадку збільшується чад залізу) і досягає звичайно 20¸30 % від ваги рідкого чавуну. Брухт повинен бути чистим від сторонніх домішок та малогабаритним, оскільки великі шматки можуть при завантаженні механічно пошкодити футерування конвертера. Зі збільшенням розмірів шматків брухту збільшується тривалість їх розчинення у металі (великі шматки можуть не встигнути розчинитися за час плавки). Застосування легковагового брухту або стружки небажане у зв'язку із збільшенням тривалості завалки. Найбільш зручний брухт – відходи прокатних цехів.

Сипучі тверді охолоджувачі (окислювачі) – залізняк, агломерат, окатиші або брикети з руди, або концентрату, прокатна окалина (фракційний склад 10¸80 мм). Вимоги до сипучих матеріалів: вміст заліза повинен бути високим, а вміст кремнезему (менше за 8 %), вологи, сірки і дрібних фракцій – низьким. Більш низький вміст кремнезему мають окалина (менше за 2,5 % SiO₂), а також агломерат, окатиші, брикети, виготовлені з рудних концентратів. Тому їх застосування переважніше. Кількість сипучих охолоджувачів у шихті у разі плавки без використання брухту залежить від складу чавуна та його температури, звичайно становить 4¸7 %.

Переваги сипучих охолоджувачів у порівнянні з брухтом:

а) можливість їх подачі у конвертер порціями по ходу продування, що скорочує тривалість циклу плавки (приблизно на 5¸10 %);

б) зменшення питомої витрати газоподібного кисню (на 12¸15 %) в зв'язку з тим, що всі перераховані охолоджувачі містять кисень, що легко засвоюється ванною у вигляді оксидів залізу;

в) поліпшення шлакоутворення у зв'язку з тим, що руда вносить у ванну оксиди заліза (розчинник вапна) і не охолоджує так сильно ванну на початку плавки, як брухт, що вводиться зазвичай однією порцією;

г) пригар (відновлення заліза з руди).

Переваги брухту в порівнянні зі сипучими матеріалами:

а) більш постійний охолоджуючий ефект і повне (100 %) засвоєння, що забезпечує досягнення оптимальної температури для заданої марки сталі і сприяє підвищенню її якості, зменшення втрат металу при розливі;

б) більш спокійне протікання процесу (без викидів), що сприяє підвищенню виходу придатного;

в) мала кількість домішок у брухті, що зменшує загальний чад елементів, витрату шлакоутворюючих, кількості шлаку, втрати заліза зі шлаком.

Вибір методу охолоджування плавки визначаються місцевими технологічними та економічними умовами (наявністю брухту, коштів для його оброблення, ціною брухту та ін.). У більшості випадків застосування брухту більш доцільне, ніж застосування руди звичайної якості. Хороші результати дає комбінований метод охолоджування: в основному брухтом та комбінованими добавками руди (агломерату) для регулювання температури металу по ходу продування.

У якості флюсів (шлакоутворюючих) використовують вапно, вапняк, боксит, плавиковий шпат, соду.

Вапно (СаО) значною мірою визначає хід шлакоутворення, десульфурації, дефосфорації та основні показники киснево-конвертерної плавки (вихід сталі, витрату матеріалів). Повинне бути свіжообпаленим, рівномірного складу та містити не менше 90 % СаО, не більше за 3 % SiO₂ і 0,10 % S, розмір шматків 20¸50 мм. Застосування більш дрібних шматків недопустиме, тому що вони будуть винесені з конвертеру димовими газами, що відходять. Вміст вологи у вапні повинен бути мінімальним.

Боксит та плавиковий шпат (CaF₂) подають для прискорення шлакоутворення і забезпечення потрібної в'язкості (розрідження) шлаку. Боксит має містити 37¸50 % Al₂O₃, 10¸20 % SiO₂ та 12¸25 % Fe₂O₃. Вміст вологи 10¸20 %, тому його сушать. Велика кількість вологи призводить до підвищення у сталі вмісту водню та викидів при завантаженні у конвертер бокситу. Головний шлакоутворюючий вплив надає глинозем, що міститься у бокситі. Негативною особливістю бокситу є високий вміст у ньому кремнезему, іноді перевищуючий 20 %, що збільшує кількість шлаку та знижує стійкість футерування конвертера. Вміст кремнезему у бокситі не повинен перевищувати 0,5¸1,0 % від маси металевої шихти. Замість бокситу частіше використовують плавиковий шпат (85¸95 %), що містить не більше за 5 % SiO₂. Його добавка значно прискорює розчинення вапна та формування рухливого основного шлаку.

Практическая работа № 5