2. Мета і задачі практичної роботи

У процесі виконання роботи студенти вивчають класифікацію кисневих конвертерів, пристрій кисневого конвертера з верхнім продуванням і фурми, класифікацію шихтових матеріалів на плавку і їх призначення, основні технологічні параметри плавки і отримують навички збору необхідної інформації з літературних джерел.

3. Теоретична частина

3.1. 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.

Тепловий баланс конвертерної плавки повинен бути замкненим, тобто витрата тепла на нагрів сталі, шлаку, газів і теплові втрати не повинні перевищувати кількості підведеного тепла.

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 шлемної частини у формі усіченого конусу з меншою основою вгорі (горловиною);

- середньої циліндричної частини;

- днища (роз'ємного або нероз'ємного), має півсферичну чашеподібну 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, виконують з магнезитової або магнезитохромітової цегли.

2. Робочий (внутрішній, вогнетривкий) шар зі смолодоломітової або смолодоломітомагнезитової (або магнезитової, магнезитохромітової, смоломагнезитової, периклазовуглецевої) цегли, 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 з магнезито- або доломітосмоляної маси.

Загальна товщина футерування конвертерів місткістю 50300 тонн становить – 7001000 мм. Перед введенням конвертера у роботу футерування обпалюють при 11001200 С. Звичайно футерування витримує 450800 (до 1800) плавок. У цей час при використанні періклазовуглецевої цегли і створенні шлакового гарнісажу, шляхом роздуву шлаку після кожної плавки, досягнута стійкість ~15000 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. Механізм повороту конвертеру складається з редукторів, зв’язуючих цапфу з приводом через зубчату муфту або шестерне колесо. У обертання приводиться кількома електродвигунами. Кількість редукторів і електродвигунів залежить від місткості конвертерів, для великовантажних механізм повороту роблять двостороннім, тобто два окремих синхронно працюючих приводи. Наприклад: 160–тоний конвертер має по 6 редукторів і 6 електродвигунів з кожної сторони. 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.

За конфігурацією кожуха внутрішнього робочого об'єму існуючі конвертери можна поділити на два типи. В Україні, країнах СНД, Франції, Німеччині випускають конвертери першого типу з геометрією робочого об'єму в формі усіченого конуса зі сферичним або плоским днищем, відповідно топографії зносу футерівці. У США, Японії, Англії, Канаді використовують конвертери другого типу з циліндричною формою робочого об'єму і сферичним днищем великого радіусу, що забезпечує найбільшу глибину ванни в її центральній частині.

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.

Фурму встановлюють вертикально по осі конвертера. Тиск води, що охолоджує фурму, становить 0,61,0 МН/м² (610 ат) і повинен вистачати, щоб різниця температур води на вході і виході фурми не перевищувала 40 С (для надійного охолоджування 1520 С). Загальна витрата води для охолоджування залежить від місткості конвертеру і розмірів фурми; питома витрата 0,51,0 кг/(тсек).

а)

)

б)

)

)

Рис. 2. Фурма кисневого конвертеру [2]

а) односопловий наконечник фурми [9];

б) 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.

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.

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. Розмір головки фурми і її вихідного отвору визначають загальною хвилинною витратою кисню і конструкцією фурми (наприклад, в 100-т конвертері діаметр вихідного отвору фурми 8085 мм). Для збільшення стійкості в головці встановлюють розподільники води, які направляють потік охолоджуючої води вздовж торця до наконечника і кріпляться до середньої стальної труби фурми. Стійкість звичайних кисневих фурм з соплом Лаваля складає в середньому 6080 плавок.

Під час продування в конвертері утворюється значна кількість газів. Для використання тепла газів, що відходять, та очищення цих газів за кожним конвертером встановлюється котел-утилізатор і прилад для очищення газів.

Управління конвертерним процесом здійснюється за допомогою електронно-обчислювальних машин, у які вводиться інформація про показники процесу (склад і кількість чавуну, лому, вапна, газів, що відходять, температура і ін.). Отримана після продування рідка сталь випускається з конвертера у сталерозливний ківш, встановлений на електрифікованому дистанційно керованому самохідному возику і передається у відділення позапічної обробки і розливу.

Застосування при конвертуванні 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 %). Видалення фосфору можливе при високому вмісті вуглецю у ванні. Висока температура сприяє інтенсивному окисленню вуглецю, тому вміст кисню, розчиненого в металі, знижується до 0,0050,01 %. Витрата кисню на 1 т чавуну становить 53 м³. Взаємодія кисню, що вдувається, з ванною визначається параметрами газових струменів і пристроїв для їх введення у метал.

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.

У поняття «дуттьовий режим плавки» вміщують:

– тиск кисню, його питома витрата у одиницю часу на одиницю маси ванни, що продувається (1,84,0 м³/(тхв.));

– розміри і профіль сопел, через які стікає газ у просторі;

– положення сопел по відношенню до рівня конвертерної ванни.

Змінюючи положення фурми та тиск дуття можна легко і в широких межах регулювати положення і глибину первинної реакційної зони, а отже, і вміст оксидів залізу у шлаку, які є головними розчинниками вапна. Оксиди заліза у сукупності з впливом високих температур зони продування та факелу (при допалюванні оксиду вуглецю, що виділяється киснем струменю), що утворюється над ванною, прискорює розчинення вапна у шлаку. Це обумовлює швидке формування активного вапняно-залізистого шлаку і відповідно ранній початок дефосфорації і десульфурації, а також досить високі швидкості цих процесів. При одній і тій же якості сталі киснево-конвертерний процес в порівнянні з мартенівським дає економію по капіталовкладеннях на 2025 %, зниження собівартості сталі на 24 % і збільшення продуктивності праці на 2530 %.