Кто является изобретателем конвертерного способа выплавки стали

Бессемеровский способ

Кислый способ, футеровка конвертера выложена из динасового огнеупорного кирпича. Применяется при переплавке в сталь чугуна марок Б1 и Б2, содержащих строго ограниченное (максимально допустимое в сталях) количество фосфора и серы. Это объясняется тем, что в конвертерах или в других печах с кислой футеровкой невозможно удалять вредные примеси S и Р.

Плавка стали в конвертере состоит в следующем:

1. Конвертер ставится в горизонтальное положение.
2. Заливается жидкий чугун.
3. Подается воздушное дутье под давлением Р = 3÷3,5 атм. (который окисляет примеси) и одновременно с этим конвертер ставится в вертикальное положение.

Во время плавки в кислом конвертере наблюдается 3 периода:

1) Окисление Fe, Mn, Si и образуется шлак

Длится процесс окисления 3-6 минут.

2) Выгорание углерода, т.е. его окисление, жидкость кипит:

СО вырвавшись из стали догорает ярким пламенем высотой 8-10 метров

3) Пламя прекращается и появляется бурый дым, что означает горение железа, а сам дым – частицы окислов железа. Необходимо побыстрее прекратить подачу воздуха и процесс плавки окончен.

Если углерода в стали осталось меньше необходимого по марки выплавляемой стали, то состав по С доводится добавлением в стали небольшого количества высокоуглеродистого чугуна и ферросплавов Fe-Mn, Fe-Si и Al.

Процесс плавки длится 20-30 минут, емкость конвертеров всего до 30г.

Этот метод экономичный, эффективный и распространенный. Сталь содержит незначительное количество кислорода (кислород вредная примесь, FeO повышает хрупкость стали, усиливает склонность к старению и повышает порог хладноломкости), поэтому кислая (бессемеровская) сталь более пластичная, следовательно более качественная, по сравнению со сталями выплавляемыми в основных печах.

В настоящее время развитие конвертерного производства идет по расширению кислородно-конвертерного способа, емкость которых до 250-300т.

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:

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.

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.

Кислородно-конвертерный способ производства стали

В настоящее время промышленная индустрия настолько окрепла, что стало возможным в больших промышленных количествах получать промышленно чистый кислород. Продувая чугун кислородом имеется возможность выплавлять в них стали по качеству близкие к мартеновским. Кроме того благодаря применению О₂ в конвертерах производительность их еще более повышается и также повышается температура ванны (t_плавл. повышается до

2500°С), что позволяет уже в большем количестве в конвертерах переплавлять скрап. Кислородно-конвертерное производство позволило в последние годы выплавлять в конвертерах до 40% от общего количества выплавляемой стали.

Рисунок 1.2 – Кислородно-конверторный способ:

1 – горловина для загрузки, 2 – цилиндрическая часть,
3 – стальное кольцо с цапфами, 4 – съемное днище

При этом способе кислород подается в ванну жидкого чугуна в конвертере сверху, через охлаждаемую водой фурму.

Конвертерные установки с донной кислородно-топливной продувкой – в 1,5 раза превосходят по производительности 2-х ванную мартеновскую печь (при сохранении баланса металлолома).

Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в металл сверху. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

Впервые кислородно-конвертерный процесс в промышленном масштабе был осуществлен в Австрии в 1952 — 1953 гг. на заводах в городах Линце и Донавице (за рубежом этот процесс получил название ЛД по первым буквам городов, в нашей стране — кислородно-конвертерного).

В настоящее время работают конвертеры емкостью от 20 до 450 т, продолжительность плавки в которых составляет 30 — 50 мин.

Процесс занимает главенствующую роль среди существующих способов массового производства стали. Такой успех кислородно-конвертерного способа заключается в возможности переработки чугуна практически любого состава, использованием металлолома от 10 до 30 %, возможность выплавки широкого сортамента сталей, включая легированные, высокой производительностью, малыми затратами на строительство, большой гибкостью и качеством продукции.

Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой.

Конвертер имеет грушевидную форму с концентрической горловиной. Это обеспечивает лучшие условия для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна и завалки лома и шлакообразующих материалов. Кожух конвертера выполняют сварным из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. В центральной части конвертера крепят цапфы, соединяющиеся с устройством для наклона. Механизм поворота конвертера состоит из системы передач, связывающих цапфы с приводом. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360 о со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Для большегрузных конвертеров емкостью от 200 т применяют двухсторонний привод, например, четыре двигателя по два на каждую цапфу

Рисунок 1. Конвертер емкостью 300 т с двухсторонним приводом механизма поворота

В шлемной части конвертера имеется летка для выпуска стали. Выпуск стали через летку исключает возможность попадания шлака в металл. Летка закрывается огнеупорной глиной, замешанной на воде.

Ход процесса. Процесс производства стали в кислородном конвертере состоит из следующих основных периодов: загрузки металлолома, заливки чугуна, продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и шлака.

Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Лом загружают в наклоненный конвертер через горловину при помощи завалочных машин лоткового типа. Затем с помощью заливочных кранов заливают жидкий чугун, конвертер устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и включают подачу кислорода с чистотой не менее 99,5 % О₂. Одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40 — 60 % от общего количества). Остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего 5 — 7 минут после начала продувки.

На процесс рафинирования значительное влияние оказывают положение фурмы (расстояние от конца фурмы до поверхности ванны) и давление подаваемого кислорода. Обычно высота фурмы поддерживается в пределах 1,0 — 3,0 м, давление кислорода 0,9 — 1,4 МПа. Правильно организованный режим продувки обеспечивает хорошую циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком. Последнее, в свою очередь, способствует повышению скорости окисления содержащихся в чугуне C,Si,Mn,P.

Важным в технологии кислородно-конвертерного процесса является шлакообразование. Шлакообразование в значительной мере определяет ход удаления фосфора, серы и других примесей, влияет на качество выплавляемой стали, выход годного и качество футеровки. Основная цель этой стадии плавки заключается в быстром формировании шлака с необходимыми свойствами (основностью, жидкоподвижностью и т. д.). Сложность выполнения этой задачи связана с высокой скоростью процесса (длительность продувки 14 — 24 минуты). Формирование шлака необходимой основности и заданными свойствами зависит от скорости растворения извести в шлаке. На скорость растворения извести в шлаке влияют такие факторы, как состав шлака, его окисленность, условия смачивания шлаком поверхности извести, перемешивание ванны, температурный режим, состав чугуна и т. д. Раннему формированию основного шлака способствует наличие первичной реакционной зоны (поверхность соприкосновения струи кислорода с металлом) с температурой до 2500 о . В этой зоне известь подвергается одновременному воздействию высокой температуры и шлака с повышенным содержанием оксидов железа. Количество вводимой на плавку извести определяется расчетом и зависит от состава чугуна и содержанияSiO₂руде, боксите, извести и др. Общий расход извести составляет 5 — 8 % от массы плавки, расход боксита 0,5 — 2,0 %, плавикового штампа 0,15 — 1,0 %. Основность конечного шлака должна быть не менее 2,5.

Окисление всех примесей чугуна начинается с самого начала продувки. При этом наиболее интенсивно в начале продувки окисляется кремний и марганец. Это объясняется высоким сродством этих элементов к кислороду при сравнительно низких температурах (1450 — 1500 о С и менее).

Окисление углерода в кислородно-конвертерном процессе имеет важное значение, т. к. влияет на температурный режим плавки, процесс шлакообразования и рафинирования металла от фосфора, серы, газов и неметаллических включений.

Характерной особенностью кислородно-конвертерного производства является неравномерность окисления углерода как по объему ванны, так и в течение продувки.

С первых минут продувки одновременно с окислением углерода начинается процесс дефосфорации — удаление фосфора. Наиболее интенсивное удаление фосфора идет в первой половине продувки при сравнительно низкой температуры металла, высоком содержании в шлаке (FeO); основность шлака и его количество быстро увеличивается. Кислородно-конвертерный процесс позволяет получить 2,5) достигается лишь во второй половине продувки. Степень десульфурации при кислородно-конвертерном процессе находится в пределах 30 — 50 % и содержание серы в готовой стали составляет 0,02 — 0,04 %.

По достижении заданного содержания углерода дутые отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и металл через летку (для уменьшения перемешивания металла и шлака) выливают в ковш.

Полученный металл содержит повышенное содержание кислорода, поэтому заключительной операцией плавки является раскисление металла, которое проводят в сталеразливном ковше. Для этой цели одновременно со сливом стали по специальному поворотному желобу в ковш попадают раскислители и легирующие добавки.

Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш, установленный на шлаковозе под конвертером.

Течение кислородно-конвертерного процесса обусловливается температурным режимом и регулируется изменением количества дутья и введением в конвертер охладителей — металлолома, железной руды, известняка. Температура металла при выпуске из конвертера около 1600 о С.

Во время продувки чугуна в конвертере образуется значительное количество отходящих газов. Для использования тепла отходящих газов и отчистки их от пыли за каждым конвертером оборудованы котел-утилизатор и установка для очистки газов.

Управление конвертерным процессом осуществляется с помощью современных мощных компьютеров, в которые вводится информации об исходных материалах (состав и количество чугуна, лома, извести), а также о показателях процесса (количество и состав кислорода, отходящих газов, температура и т. п.).

Кислородно-конвертерный процесс с донной продувкой.

В середине 60-х годов опытами по вдуванию струи кислорода, окруженной слоем углеводородов, была показана возможность через днище без разрушения огнеупоров. В настоящее время в мире работают несколько десятков конвертеров с донной продувкой садкой до 250 т. Каждая десятая тонна конвертерной стали, выплавленной в мире, приходится на этот процесс.

Основное отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем, т. е. объем приходящийся на тонну продуваемого чугуна. В днище устанавливают от 7 до 21 фурм в зависимости от емкости конвертера. Размещение фурм в днище может быть различным. Обычно их располагают в одной половине днища так, чтобы при наклоне конвертера они были выше уровня жидкого металла. Перед установкой конвертера в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.

В условиях донной продувки улучшаются условия перемешивания ванны, увеличивается поверхность металл-зарождения и выделения пузырьков СО. Таким образом, скорость обезуглероживания при донной продувке выше по сравнению с верхней. Получение металла с содержанием углерода менее 0,05 % не представляет затруднений.

Условия удаления серы при донной продувке более благоприятны, чем при верхней. Это также связанно с меньшей окисленностью шлака и увеличением поверхности контакта газ — металл. Последнее обстоятельство способствует удалению части серы в газовую фазу в виде SO₂.

Преимущества процесса с донной продувкой состоят в повышении выхода годного металла на 1 — 2 %, сокращении длительности продувки, ускорении плавления лома, меньшей высоте здания цеха и т. д. Это представляет определенный интерес, прежде всего, для возможной замены мартеновских печей без коренной реконструкции зданий мартеновских цехов.

Конвертерный процесс с комбинированной продувкой.

Тщательный анализ преимуществ и недостатков способов выплавки стали в конвертерах с верхней и нижней продувкой привел к созданию процесса, в котором металл продувается сверху кислородом и снизу — кислородом в защитной рубашке или аргоном (азотом). Использование конвертера с комбинированной продувкой по сравнению с продувкой только сверху позволяет повысить выход металла, увеличить долю лома, снизить расход ферросплавов, уменьшить расход кислорода, повысить качество стали за счет снижения содержания газов при продувке инертным газом в конце операции.

В настоящее время конвертерное производство является основным производителем стали: из 798,5 млн. т. всей выплавляемой в мире стали 541 млн. т. приходится на долю конвертерного металла (около70 %).

В России работают 8 цехов с 22 конвертерами емкостью 9х(300-350 т) и 13х160 т общей мощностью 35 млн. т. Технический уровень конвертерных цехов достаточно высок, а лучшие из них по своей оснащенности и технологическим возможностям входят в число ведущих цехов мира.

Предшественниками современного конвертерного процесса, называемого кислородно-конвертерным были бессемеровский и томасовский способы конвертирования. В настоящее время эти способы практически не используются.

Генри Бессемер, прирожденный изобретатель, получил за свою жизнь более 120 патентов. Один из них – способ получения стали, запатентованный 17 октября 1855 года, открыл новую эпоху в черной металлургии. Бессемер расплавил в керамическом тигле пять килограммов доменного чугуна, затем продул через полученный расплав воздух через вставленную в ванну керамическую трубку. После такой обработки нековкий чугун превратился в ковкое железо. Эту первую бессемеровскую сталь прокатали в морском арсенале. В коллекции Iron and Steel Institute хранится проба этой стали, к которой посетители относятся как к реликвии.

Кислородно-конвертерный процесс был впервые реализован в промышленном варианте в 1952 г. и в течение последующих десятилетий получил интенсивное развитие и быстро вытеснил мартеновский процесс практически во всех промышленно развитых странах.

Приоритетное развитие процесса объясняется прежде всего его существенными технико-экономическими преимуществами в сравнении с другими сталеплавильными процессами:

— высокой производительностью кислородных конвертеров (до 450 т/ч) и мощностью современных конвертерных цехов до 6…8 млн. т стали в год;

— высокой технологической гибкостью процесса, т.е. возможностью переработки различных шихтовых материалов и прежде всего чугунов различного химического состава;

— возможностью производства сталей широкого сортамента – от углеродистых обыкновенного качества до качественных, низко- и среднелегированных;

— простотой конструкции агрегатов, низким расходом огнеупорных материалов, относительно невысокой трудоемкостью ремонтов при высокой стойкости огнеупорной футеровки;

— возможностью внедрения систем отвода конвертерных газов без дожигания (снижение капитальных затрат, увеличение интенсивности продувки ванны кислородом и использование отводимого СО в качестве вторичного энергоносителя);

— эффективное управления процессом (удобен для автоматизации) и обеспечение выпуска металла с минимальным количеством корректировок температуры и химического состава при работе на стабильной металлошихте.

Недостатками процесса являются:

— вдувание большого количества газообразного кислорода от 2,5 до 4,5 м 3 /(т . мин) в достаточно ограниченный объем металла, что приводит к целому ряду нежелательных последствий – переокислению и перегреву металла в реакционной зоне и, как следствие, к интенсивному испарению железа и необходимости сооружения дорогостоящих систем газоочистки;

— ограничения по количеству перерабатываемого лома в конвертерном процессе вследствие его аутотермичности и напряженности теплового баланса процесса;

— достаточно высокая ресурсо- и особенно энергоемкость процесса;

— определенные трудности при выплавке углеродистых сталей (рельсовая, металлокорд, инструментальные и др.) из-за недостатка тепла и трудности остановки продувки при высоком содержании углерода;

— трудность удаления серы по ходу процесса.

В основу конвертерного производства положена обработка жидкого чугуна газообразным окислителем, при этом извне дополнительный подвод тепла не производится, и процесс осуществляется за счет химического тепла экзотермических реакций окисления примесей и физического тепла чугуна.

Конвертер (рис. 32) представляет собой стальной сосуд грушевидной формы. Внутренняя часть футерована огнеупорным материалом. Конвертер цапфами опирается на стойки и имеет возможность поворачиваться при заливке жидкого чугуна, выпуске стали и шлака.

Размеры и форма конвертера влияют на показатели процесса и должны обеспечивать продувку без выбросов металла через горловину.

Для своих опытов Бессемер использовал цилиндрический конвертер высотой чуть более 1м, выполненный из листового железа футерованного изнутри. Поскольку об оптимальных размерах устройства и возможностях процесса ничего не было известно, в один из дней произошло следующее. Не прошло и десяти минут после начала продувки, как из отверстия в крышке внезапно выбился фонтан искр, который с каждым мигом становился все сильнее и сильнее, пока не превратился в большой столб пламени. Вслед за этим раздались глухие хлопки и высоко в воздух начал выбрасываться расплавленный металл и шлак. Конвертер стал напоминать вулкан во время извержения. Так как подойти к вулкану и отключить подачу дутья было невозможно, Бессемер оказался в положении беспомощного наблюдателя: в любое мгновенье мог начаться пожар или произойти взрыв. Но, к счастью, не произошло ни того, ни другого, и спустя несколько минут извержение прекратилось. Выпущенный из потухшего вулкана металл оказался ковким железом.

Диаметр горловины равен 0,4 — 0,6 диаметра рабочего пространства, который составляет 4 – 7 м.

Горловина конвертера больше всего подвержена высокотемпературной пластической деформации вследствие теплоизлучения металла и газов в период плавки. Поэтому для увеличения срока службы горловины применяют водяное охлаждение, иногда горловину выполняют съемной.

Наружная часть – кожух конвертера выполняют сварным из листов стали толщиной до 110 мм.

Днищеможет быть неотъемным и отъемным (в этом случае облегчается и ускоряется ремонт футеровки, но уменьшается прочность и надежность конструкции нижней части кожуха).

Механизм поворотаобеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360 о со скоростью 0,1 — 1 м/мин.

Футеровкасостоит из арматурного слоя, прилегающего к кожуху, промежуточного и рабочего слоя, обращенного внутрь конвертера. Арматурный слой выполняется из обожженного магнезитового или магнезитохромитового кирпича и имеет толщину 110 — 250 мм. Он длительное время не требует замены. Промежуточный слой, защищающий основной арматурный слой, выполняется из смолодоломитового кирпича. Рабочий слой выполняют из безобжигового смолодоломитового или доломитомагнетизитового кирпича. Толщина рабочего слоя составляет 380 — 750 мм для конвертеров разной вместимости. Общая толщина футеровки конвертеров в зависимости от вместимости 700 — 1000 мм.

Условия эксплуатации огнеупоров в конвертерах значительно сложнее, чем при других способах производства стали. Это обусловлено следующими причинами: 1) интенсивным перемешиванием стали при продувке кислородом; 2) ударным воздействием загружаемых материалов; 3) действием знакопеременных нагрузок, возникающих при вращении конвертера; 4) резкими колебаниями температуры в период от одной плавки до выпуска стали следующей плавки; 5) действием высоких температур; 6) образованием большого количества пыли.

Огнеупоры для кладки конвертера должны обладать высокой химической стойкостью, сопротивляемостью размывающему воздействию потоков металла и шлака и противоударной устойчивостью загрузке шихты.

Бессемеровский конвертер имел кислую футеровку, поэтому не был пригоден для использования в процессе плавки чугуна с высоким содержанием фосфора (содержание фосфора должно быть 3 /мин.

Наибольшее распространение получили трех- и четырехсопловые фурмы. Головки этих фурм имеют веерообразно расходящиеся сопла, наклоненные под углом 6 – 15 о к оси фурмы. Стойкость фурм – 70 — 100 плавок.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском: