Конвертерное производство

Устройство и футеровка конвертера

Конвертер – металлургический агрегат для получения стали путём продувки расплавленного чугуна воздухом или кислородом. По характеру технологического процесса конвертеры делятся на кислородные, бессемеровские и томасовские. В кислородных конвертерах продувка чугуна осуществляется технически чистым (не менее 99,5 %) кислородом через верхнюю фурму, что позволяет получать сталь с низким содержанием азота. Обычно футеровка кислородного конвертера основная. В бессемеровском и томасовском конвертерах продувка чугуна происходит через донные фурмы воздухом. В бессемеровском процессе используется кислая футеровка, а в томасовском – основная. По сравнению с бессемеровским томасовский процесс позволяет эффективно удалять фосфор из фосфористых чугунов методом окисления. В 70-х годах ХХ века бессемеровский и томасовский процессы были вытеснены кислородно-конвертерным процессом.

Схема конвертера и основные периоды плавки

Схема кислородного конвертера приведена на рис. 3.6. Принцип работы конвертера следующий. Конвертер – сосуд грушевидной или цилиндрической формы, открытый сверху. Через верхнее отверстие (горловину) подаётся стальной лом, заливается жидкий чугун, вводится кислородная фурма и ведётся продувка. Одновременно с началом продувки вводится 2/3 шлакообразующих добавок (известь с бокситом или плавиковым шпатом). Остальное количество добавок вводится по ходу продувки в течение 1/3 ее длительности. Загрузка добавок происходит из бункеров по специальным транспортерам в непрерывном режиме без остановки конвертера.

Кислородная фурма является водоохлаждаемой, многосопловой и располагается на расстоянии 0,7-3,0 метра от поверхности чугуна. Применение многосопловых фурм взамен односопловых позволяет резко снизить количество выбросов, увеличить расход кислорода, сократить длительность плавки. Давление кислорода составляет около 9-14 ат, сопла имеют форму сопла Лаваля, что позволяет создавать высокие (сверхзвуковые) скорости кислородной струи и внедрять кислород по всей высоте слоя жидкой ванны с образованием активно циркулирующих макрообъемов металла. Высокая концентрация кислорода способствует быстрому окислению кремния, марганца, углерода, фосфора, а также некоторого количества железа. Образующиеся окислы взаимодействуют с известью, образуя легкоплавкий шлак.

Готовая сталь выпускается в сталеразливочный ковш через лётку – специальное отверстие в боковой стенке. Шлак выливается через горловину в шлаковую чашу.

Раскисление конвертерной стали проводят в сталеразливочном ковше во время выпуска, т.к. ввод раскислителей в самом конвертере вызывает их высокий расход. При выплавке спокойной стали её раскисляют ферромарганцем, затем ферросилицием и в конце алюминием. При выплавке кипящей стали раскисление проводят только ферромарганцем.

В конвертере очень сложно получить легированную сталь из-за высокой степени окисления легирующих элементов, вводимых в конвертер, неравномерного распределения легирующих в объеме металла и захолаживания плавки при присадке большого количества легирующих в конвертер или ковш. Небольшое количество легирующих элементов (до 2-3 %) в виде ферросплавов вводят в ковш во время выпуска стали или загружают на дно ковша перед выпуском. Таким образом, в конвертере выплавляют, в основном, низколегированную сталь. Операция высокого легирования выполняется в установках внепечной обработки, типа «ковш-печь».

В ходе плавки температура материала поднимается с 1250-1400 °С (температура жидкого чугуна) до 1600-1650 °С (температура готовой стали). Подъём температуры происходит без подвода извне химической энергии. Теплота выделяется в результате окисления примесей чугуна (углерода, кремния, марганца, фосфора) и железа. Общее количество теплоты, выделяющееся при окислении примесей, значительно превышает потребности теплоты для нагрева стали и шлака до требуемой температуры и для компенсации тепловых потерь через футеровку и горловину конвертера. Для компенсации избытка теплоты обычно вводят до 25-30 % стального лома. Редко используется для тех же целей железная руда (до 8 %). Возможно использование в виде охладителя таких материалов, как агломерата, окатышей, известняка, доломита и т.п.

Образующиеся при окислении углерода в большом количестве оксиды углерода (СО, СО 2 ) выделяются в газовую фазу и через горловину конвертера удаляются в тракт газоочистки. Оксиды Si, Mn, P, Fe участвуют в формировании шлака, а часть из них, главным образом оксиды железа (Fe2O3), удаляются с газом в виде пыли (до 280 г/м3 ). Поэтому конвертерный газ подвергают очистке. Состав очищенного конвертерного газа: СО = 85-90 %; СО2 = 8-14 %; О2 = 1,5-3,5 %; N2 = 0,5-2,5 %. Теплота сгорания газа довольно высокая – 9÷10 МДж/м3 . Выход конвертерного газа составляет 100-150 м3/т стали. Периодичность выхода газа затрудняет его использование.

Футеровка конвертера является основной, двух- или трехслойной. Внутренний слой толщиной 500-750 мм называется рабочим. Он выполняется из пропитанных обезвоженной каменноугольной смолой доломитовых или магнезитовых кирпичей. При обжиге новой футеровки летучие из смолы удаляются и остается цементирующий коксовый остаток, уменьшающий разъедание футеровки шлаком. Рабочий слой изнашивается в процессе работы под влиянием термических напряжений (из-за колебаний высоких температур), под воздействием ударов кусков шихты, особенно, крупных кусков металлолома, а также в результате химического взаимодействия со шлаком. Стойкость рабочего слоя составляет 400-800 плавок. Наружный слой футеровки называется арматурным и выполняют его из магнезитового или магнезитохромитового кирпича толщиной 110-250 мм. Этот слой непосредственно примыкает к кожуху и он не требует замены при ремонтах. Между рабочим и арматурным слоями обычно выполняется набивка из массы, по химсоставу соответствующей рабочему слою. Толщина набивки 50-100 мм.

Технологический режим конвертерного процесса (на примере конвертера ёмкостью 400 тонн) приведен в табл. 3.5.

Технологический режим конвертерного процесса

Как следует из табл. 3.5, длительность цикла производства стали в конвертере составляет 38 минут. Для сравнения – процесс мартеновской плавки длится 8-12 часов.

Строго говоря, конвертер не является плавильной печью. Во-первых, в конвертер не подаётся топливо, а, во-вторых, исходный материал почти весь уже расплавлен (напомним, что плавильная печь – это печь для превращения каких-либо материалов в жидкое состояние…). Таким образом, конвертер по своим признакам является установкой внепечной обработки с продувкой окислительным газом. Однако наличие в завалке стального лома, компенсирующего чрезмерный разогрев стали при окислении примесей, позволяет исключить конвертер из установок внепечной обработки материала и поместить в особую категорию плавильных печей: с теплогенерацией за счет химической энергии жидкого чугуна. К слову сказать: иногда к этой категории относят и мартеновские печи, что не совсем правильно, т.к. мартеновская печь использует также и химическую энергию органического топлива.

Это же обстоятельство затрудняет сравнение конвертеров по расходу топлива. Обычно сравнение идёт по производительности, по расходу кислорода, по расходу огнеупоров, по расходу дополнительных материалов (известь, боксит, плавиковый шпат, железная руда). Эти показатели конвертерного процесса не учитывают теплотехническую сторону процесса. Предлагается считать топливом примеси, содержащиеся в чугуне. Тогда удельный расход условного топлива составит (при 79 % жидкого чугуна, 21 % лома) примерно 30-35 кг у.т./т стали. Косвенно расход теплоты в конвертере можно оценить по тепловому к.п.д. конвертера, который составляет примерно 70 %.

Ориентировочный материальный баланс получения стали в конвертере до раскисления

Ориентировочные материальный и тепловой балансы конвертера приведены, соответственно, в табл. 3.6 и 3.7.

Ориентировочный тепловой баланс конвертерной плавки

Для снижения безвозвратно теряемой теплоты в конверторах можно предложить ряд мероприятий:

  1. сокращение потерь теплоты в окружающую среду через горловину (излучением) и через кладку (теплопроводностью);
  2. создание оригинальных устройств с целью использования физической и химической энергии конвертерного газа для, например, подогрева лома и сыпучих материалов до 1000 °С или для выработки пара, для обжига известняка;
  3. использование окатышей и металлизованных окатышей в качестве охладителей плавки взамен лома. Преимущества этого способа:
    1. сокращается длительность плавки за счёт исключения периода завалки лома;
    2. уменьшается зона максимальных температур в подфурменной зоне;
    3. уменьшается возможность повреждения футеровки кусками лома;
  4. использование физической теплоты шлака для получения пара, горячей воды;
  5. использование неочищенного конвертерного газа с температурой 900-1200 °С для восстановления окатышей и пыли, которые пойдут на разбавление лома. Отходящий при этом газ (900-1100 °С) можно использовать для предварительного нагрева окатышей при их восстановлении и далее на обжиг известняка, т.к. в газе содержится ∼ 50 % СО;
  6. отвод конвертерного газа без дожигания, отвод его после в газгольдеры с последующим использованием в качестве топлива;
  7. применение сухих способов очистки конвертерного газа для сохранения возможности использования физической теплоты газа.