В 1855 году англичанин Генри Бессемер провел
интереснейший опыт: он расплавил в тигле кусок доменного чугуна и продул его
воздухом. Хрупкий чугун превратился в ковкую сталь. Все объяснялось очень
просто - кислород воздуха выжигал углерод из расплава, который удалялся в
атмосферу в виде оксида и диоксида. Впервые в истории металлургии для получения
продукта не требовался дополнительный подогрев сырья. Это и понятно, ведь
Бессемер реализовал экзотермическую реакцию горения углерода. Процесс был
удивительно быстротечен. В пудлинговой печи сталь получали лишь за несколько
часов, а здесь - за считанные минуты. Так Бессемер создал конвертер - агрегат,
превращающий расплавленный чугун в сталь без дополнительного нагрева. Д.И.
Менделеев назвал бессемеровские конвертеры печами без топлива. А поскольку по
форме агрегат Бессемера напоминал грушу, его так и называли - бессемеровская
«груша».
В бессемеровском конвертере можно переплавлять не
всякий чугун, а только такой, в составе которого имеются кремний и марганец.
Соединяясь с кислородом подаваемого воздуха, они выделяют большое количество
теплоты, которая и обеспечивает быстрое выгорание углерода. Все же теплоты не
хватает, чтобы расплавлять твердые куски металла. Поэтому в бессемеровском
конвертере нельзя перерабатывать железный лом или твердый чугун. Это резко
ограничивает возможности его применения.
Бессемеровский процесс - быстрый, дешевый и простой
способ получения стали, но есть у него и большие недостатки. Поскольку
химические реакции в конвертере идут очень быстро, то углерод выгорает, а
вредные примеси - сера и фосфор - остаются в стали и ухудшают ее свойства.
Кроме того, при продувке сталь насыщается азотом воздуха, а это ухудшает
металл. Вот почему, как только появились мартеновские печи, бессемеровский
конвертер стал редко употребляться для выплавки стали. Гораздо больше
конвертеры использовали для выплавки цветных металлов - меди и никеля.
Сегодняшний конвертер, конечно, можно в определенном
смысле называть потомком бессемеровского детища, ибо в нем, как и прежде, сталь
получают, продувая жидкий чугун. Но уже не воздухом, а технически чистым
кислородом. Это оказалось намного эффективнее.
Кислородно-конвертерный способ выплавки стали пришел
в металлургию более чем полвека назад. Созданный в Советском Союзе по
предложению инженера-металлурга Н.И. Мозгового, он полностью вытеснил
бессемеровский процесс. А первая в мире тонна кислородно-конвертерной стали
была успешно выплавлена в 1936 году на киевском заводе «Большевик».
Оказалось, что таким способом можно не только
перерабатывать жидкий чугун, но и добавлять в него значительные количества
твердого чугуна и железного лома, который раньше можно было перерабатывать
только в мартеновских печах. Вот почему кислородные конвертеры получили такое
большое распространение.
Но только в 1950-е годы конвертеры для выплавки стали
окончательно выдвинулись на первый план. Степень использования тепла в
кислородном конвертере гораздо выше, чем в сталеплавильных агрегатах подового
типа. Тепловой коэффициент полезного действия конвертера составляет 70
процентов, а у мартеновских печей не более 30. Кроме того, газы отходящие из
конвертера, используются при дожигании в котлах-утилизаторах, или как топливо
при отводе газов из конвертера без дожигания.
Существует три вида конвертеров: с донной продувкой,
верхней и комбинированной. В настоящее время наиболее распространенными в мире
являются конвертеры с верхней продувкой кислородом - агрегаты весьма
производительные и относительно простые в эксплуатации. Однако в последние годы
во всем мире конвертеры с донным и с комбинированным (сверху и снизу) дутьем
начинают теснить конвертеры с верхней продувкой.
Рассмотрим устройство кислородного конвертера с
верхней продувкой. Средняя часть корпуса конвертера цилиндрической формы, стены
ванны сферической формы, днище плоское. Верхняя шлемная часть конической формы.
Кожух конвертера выполняют из стальных листов толщиной 30- 90 миллиметров. В
конвертерах садкой до 150 тонн днище отъемное, крепят его к корпусу болтами,
что облегчает ремонтные работы. При садке 250-350 тонн конвертер делают глухо
донным, что вызвано необходимостью создания жесткой конструкции корпуса,
гарантирующей от случаев прорыва жидкого металла.
Корпус конвертера крепят к специальному опорному
кольцу, к которому приваривают цапфы. Одна из цапф через зубчатую муфту
соединена с механизмом поворота. В конвертерах вместимостью больше двухсот
пятидесяти тонн обе цапфы являются приводными. Конвертер цапфами опирается на
подшипники, установленные на станинах. Механизм поворота позволяет вращать
конвертер вокруг горизонтальной оси.
Корпус и днище конвертера футеруют огнеупорным
кирпичом. Подача кислорода в ванну конвертера для продувки металла
осуществляется через специальную фурму, вводимую в горловину конвертера.
Первой операцией конвертерного процесса является
загрузка скрапа. Конвертер наклоняют на некоторый угол от вертикальной оси и
специальным коробом-совком вместимостью через горловину загружают в конвертер
скрап - железный и стальной лом. Обычно загружают 20-25 процентов скрапа на
плавку. Если скрап не подогревают в конвертере, то затем сразу же заливают
жидкий чугун. После этого конвертер устанавливают в вертикальное положение,
через горловину в конвертер вводят кислородную фурму.
Для наводки шлака в конвертер по специальному желобу
вводят шлакообразующие материалы: известь и в небольшом количестве железную
руду и плавиковый шпат.
После окисления примесей чугуна и нагрева металла до
заданных величин продувку прекращают, фурму из конвертера удаляют и сливают
металл и шлак в ковши. Легирующие добавки и раскислители вводят в ковш.
Продолжительность плавки в хорошо работающих
конвертерах почти не зависит от их вместимости и составляет 45 минут,
продолжительность продувки - 15-25 минут. Каждый конвертер в месяц дает
800-1000 плавок. Стойкость конвертера - 600-800 плавок.
Движение металла в конвертере весьма сложное, помимо
кислородной струи, на жидкую ванну воздействуют пузыри оксида углерода. Процесс
перемешивания усложняется еще и тем, что шлак проталкивается струёй газа в
толщу металла и перемешивается с ним. Движение ванны и вспучивание ее
выделяющимся оксидом углерода приводят значительную часть жидкого расплава в
состояние эмульсии, в которой капли металла и шлака тесно перемешаны друг с
другом. В результате этого создается большая поверхность соприкосновения
металла со шлаком, что обеспечивает высокие скорости окисления углерода.
Конвертеры с донной продувкой кислородом из-за
меньшего угара железа позволяют получить больший (на 1,5-2 процента) выход
годной стали по сравнению с конвертерами с верхней продувкой. Плавка в 180-тонном
конвертере с донной продувкой длится 32-39 минут, продувка - 12- 14 минут, то
есть производительность выше, чем у конвертеров с верхней продувкой. Однако
необходимость промежуточной замены днищ нивелирует это различие в
производительности.
Первые конвертеры с донной продувкой за рубежом были
построены в 1966-1967 годах. Необходимость создания такого конвертера
обусловлена, в основном, двумя причинами. Во-первых, необходимостью переработки
чугунов с повышенным содержанием марганца, кремния и фосфора, поскольку передел
такого чугуна в конвертерах с верхней продувкой сопровождается выбросами
металла в ходе продувки и не обеспечивает должной стабильности химического
состава готовой стали. Во-вторых, тем, что конвертер с такой продувкой является
наиболее приемлемой конструкцией, позволяющей осуществить реконструкцию
существующих бессемеровских и томасовских цехов, и вписывается в здание
существующих мартеновских цехов. Этому конвертеру свойственно наличие большого
числа реакционных зон, интенсивное окисление углерода с первых минут плавки,
низкое содержание оксидов железа в шлаке. В силу специфики работы
сталеплавильной ванны при донной продувке в конвертерах подобного типа выход
годного несколько выше, чем в других конвертерах, а запыленность отходящих
газов ниже.
В конвертерах с донной продувкой, имеющих большое
число фурм, все технологические процессы протекают интенсивнее, чем в
конвертерах с верхней продувкой. Однако общая производительность конвертеров с
донной продувкой не превышает значительно таковую для конвертеров с верхней
продувкой по причине ограниченной стойкости днищ.
Чтобы предохранить кладку днища конвертера от
действия высоких температур, фурму делают в виде двух коаксиальных трубок - по
центральной подается кислород, а по периферийной - какое-либо углеводородное
топливо, чаще всего природный газ. Таких фурм обычно 16-22. Большое число более
мелких фурм обеспечивает лучшее перемешивание ванны и более спокойный ход
плавки.
Струя топлива отделяет реакционную зону от днища,
снижает температуру около днища в месте выхода кислородных струй за счет отбора
тепла на нагрев топлива, крекинг и диссоциации составляющих топлива и продуктов
их окисления. Охлаждающий эффект, кроме того, обеспечивается пылевидной
известью, которая подается в струю кислорода. Таким образом, продувка
расплавленного металла несколькими струями кислорода снизу создает ряд
благоприятных особенностей в работе конвертера. Обеспечивается большее число
реакционных зон и большая межфазная поверхность контакта кислородных струй с
металлом. Это позволяет увеличить интенсивность продувки, повысить скорость
окисления углерода. Улучшается перемешивание ванны, повышается степень
использования кислорода. В результате появляется возможность расплавления
больших по массе кусков скрапа. Лучшая гидродинамика ванны обеспечивает более
ровный и спокойный ход всей плавки, практически исключает выбросы. В силу этого
в конвертерах с донной продувкой можно перерабатывать чугуны с повышенным
содержанием марганца и фосфора.
Стремление повысить производительность агрегатов
одновременно с необходимостью повысить однородность состава и температуры
металла при возможности изготовления сталей широкого диапазона привело к
использованию комбинированной продувки при относительно небольшом (по сравнению
только с донной продувкой) количестве газов, вдуваемых через фурмы,
установленные в днище конвертера. В последнее время появилось два основных
варианта такого процесса, когда снизу подают кислород или инертные газы с целью
обеспечить интенсивное перемешивание ванны и ускорить процесс удаления
примесей. При этом, как и при донной продувке, снизу вместе с газами может
подаваться пылевидная известь. По такому важному показателю, как возможный
расход скрапа, конвертеры с верхней, донной и комбинированной продувкой оказываются
приблизительно на одном уровне, при несколько более высоком выходе годного при
донной продувке.
В настоящее время в мире применяется и
разрабатывается много различных методов комбинированной продувки расплавленной
ванны, рационально сочетающих верхнюю и донную продувку, причем в последней
используется как кислород, так и инертные газы (аргон, азот).
В кислородно-конвертерном процессе с верхней
продувкой достаточно интенсивное перемешивание достигается только в середине
плавки при интенсивном окислении углерода. В начале и в конце плавки
перемешивание недостаточно, что затрудняет глубокое рафинирование металла от
серы и фосфора. Комбинированная подача кислорода через верхнюю и донные фурмы
еще более, чем при одной донной продувке, ускоряет процесс окисления углерода и
повышает производительность конвертера.
По сравнению с чисто донной продувкой в случае
комбинированного процесса в сопоставимых условиях температура металла выше.
Кроме того, при комбинированной продувке уменьшение расхода кислорода через
верхнюю фурму снижает пылеобразование и разбрызгивание.
И еще одно преимущество кислородных конвертеров:
здесь все процессы механизированы и автоматизированы; все чаще управление
конвертерами поручается компьютерам.
Источник
информации:
Компакт-диск
ИД «Равновесие» Учёные и научные открытия, 2004. Том 4.
