Устройство кислородного конвертера

Кислородный конвертер представляет собой поворачивающий на цапфах сосуд грушевидной формы (рис. 8.2‑1) футерованный изнутри и снабженный леткой для выпуска стали и отверстием сверху для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода конвертерных газов, заливки чугуна, завалки лома, шлакообразующих материалов и слива шлака. Емкость существующих конвертеров составляет от 10 до 400 т.

Размеры конвертера влияют на показатели процесса и должны обеспечивать продувку без выбросов металла и шлака через горловину. Основные параметры, определяющие возможность работы конвертера без выбросов – это удельный объем и отношение высоты рабочего пространства к его диаметру.

Кожух конвертера выполняют сварным и делают его либо цельносварным, либо с объемным днищем, которое крепится болтами или клиновыми соединениями. Расположение горловины в конвертере симметричное, что позволяет вводить кислородную фурму строго по оси конвертера. При этом обеспечивается равное удаление кислородных струй от стенок конвертера и, тем самым, - равномерный износ футеровки.

Днище конвертера делают сферическим, такая форма облегчает циркуляцию металла и снижает износ футеровки.

Конвертер снабжен механизмом поворота, который обеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360^о со скоростью от 0,1 до 1 м/мин.

Поворот конвертера необходим для выполнения технологических операций: заливки чугуна, завалки лома, слива стали и шлака и др., для чего конвертер оснащается специальным приводом.

Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях, подвергаясь воздействию высоких температур, термических напряжений, возникающих при колебаниях температуры футеровки, ударов кусков шихты при загрузке. Она изнашивается также в результате химического взаимодействия со шлаком и размывающего действия потоков металла и шлака. Футеровку обычно делают двухслойной. Примыкающий к кожуху арматурный слой выполняют из магнезитового или магнезитохромистого кирпича, он не требует замены длительное время. Внутренний или рабочий слой изнашивается значительно быстрее, обычно его изготавливают из смолодоломитовых или смолодоломитомагнезита, подвергнутых термообработке до температуры 500–600 ^оС. Футеровка конвертера изображена на рис. 8.2‑2. От стойкости футеровки зависит производительность конвертера и себестоимость стали, особенно в части расхода огнеупоров на 1 т стали (2-5 кг). Существенное влияние на стойкость футеровки оказывают параметры технологического режима и состав шихтовых материалов.

Повышению стойкости футеровки конвертера способствует торкретирование футеровки, суть которого заключается в нанесении с помощью торкрет-машин огнеупорной массы на изношенные участки футеровки. Наиболее широкое применение нашло факельное торкретирование, когда в токе природного газа с кислородом развивается высокая температура нагнетаемого магнезитового порошка до 1800−2000 ^оС, при которой частицы магнезита размягчаются и привариваются к футеровке.

Сочетание торкретирования футеровки с намораживанием гарнисажа шлаковыми составами пораженных участков позволяют довести стойкость футеровки до 5000–10000 плавок.

Кислород подают в конвертер через вертикально расположенную водоохлаждаемую фурму, которую вводят в полость конвертера через горловину. Давление перед фурмой составляет 1,0–1,6 МПа. Высоту фурмы над ванной можно изменять по ходу плавки. Поднимают и опускают фурму с помощью специального механизма. На каждом конвертере имеется две кислородные фурмы: одна рабочая, другая – резервная.

Основным элементом фурмы является головка (обычно сменная). В головке расположено несколько веерообразно-расходящихся сопел типа сопла Лаваля в количестве от 3 до 7. Головка фурмы находится в зоне наиболее высоких температур (до 2600 ^оС), поэтому ее выполняют из меди, что обеспечивает быстрый отвод тепла к охлаждающей воде. Число и диаметр сопла рассчитывают из условий обеспечения интенсивности подачи кислорода до 7 м³/т∙мин, благодаря рассредоточению кислородного потока на несколько струй обеспечивается «мягкая продувка» и значительное уменьшение выбросов, а также сокращается продолжительность плавки. На рис. 8.2‑3 изображена одна из конструкций головки кислородной фурмы.

8.2.2. Технология плавки

Плавку начинают с загрузки в конвертер лома, которую ведут через горловину завалочными машинами или кранами путем опрокидывания совков с ломом в наклоненный конвертер (рис. 8.2‑4, а). Затем из заливочного ковша с помощью заливочного крана заливают чугун через горловину в наклоненный конвертер (рис. 8.2‑4, б). После чего конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение и вводят в полость конвертера кислородную фурму, включая подачу кислорода (рис. 8.2‑4, в). Затем загружают (рис. 8.2‑4, г) первую порцию шлакообразующих (известь, плавиковый шпат, железная руда, окатыши, агломерат и др.), оставшееся количество шлакообразующих вводят порциями по ходу плавки.

При продувке кислородную фурму устанавливают в строго определенном положении на расстоянии от 0,8 до 4,0 м от головки фурмы до уровня спокойной ванны. Обычно для ускорения шлакообразования продувку начинают при повышенном положении фурмы, а через 2-4 мин ее опускают до обычного оптимального положения.

За счет вводимого кислорода окисляются примеси чугуна и некоторое количество железа. Из образующихся окислов и загружаемой в конвертер извести и других сыпучих материалов формируется шлак. Основность его по мере растворения извести увеличивается и к концу продувки может достигать 2,5–4,0. В течение всей продувки в шлак из металла удаляются фосфор и частично сера.

Образующиеся при окислении углерода пузырьки СО вспенивают металл и шлак и существенно усиливают циркуляцию шлака и металла, что ускоряет процессы окисления и нагрева металла. Вместе с пузырьками в окиси углерода из металла удаляются растворенные в нем вредные газы (азот и водород).

Выделяющееся при реакциях окисления тепло обеспечивает нагрев металла до требуемой перед выпуском температуры и расплавления стального лома.

Газообразные продукты окисления углерода (80–90 % СО и остальное СО₂) покидают конвертер через горловину, образуя высокотемпературный поток отходящих газов, в котором может содержаться до 250 г/м³ мелкозернистых частиц Fe₂O₃ и извести.

Характерной особенностью плавки в кислородном конвертере является образование под кислородной фурмой высокотемпературной зоны с температурой 2100–2600 ^оС. Это результат того, что в месте контакта кислородной струи с жидким металлом окисляется много составляющих чугуна и большое количество выделяющегося при этом тепла вызывает перегрев небольшого объема реакционной золы.

Плавку заканчивают при достижении необходимой температуры металла и требуемого содержания фосфора и серы в нем, которое оценивают по результатам экспресс-анализа, отбираемых проб. В случае отклонения от заданных значений проводят операции по исправлению плавки (додувка металла, ввод охладителей или науглероживание металла).

После окончания плавки конвертер наклоняют, выпуская сталь в ковш через летку (рис. 8.2‑4, д), одновременно вводят в ковш раскислители. При сливе металла часть конвертерного шлака попадает в разливочный ковш, что приводит к развитию процесса рефосфорации (переход фосфора из шлака в металл) и загрязнению стали оксидными включениями. В связи с этим рекомендуется ограничивать количество попадающего в ковш шлака путем своевременного подъема конвертера при начале выхода шлака из металла, проводить загущение шлака путем присадки извести, а также осуществлять отсечку шлака в процессе его выпуска с последующей засыпкой поверхности металла в ковше теплоизолирующими смесями. Есть разные варианты устройств для отсечки шлака. Схема отсечки шлака при помощи шара-стопора показана на рис. 8.2‑5.

Стальной шар–стопор, защищенный огнеупорными материалами, имеет плотность больше чем у шлака и с последующими порциями металла он попадает к летке, перекрывая отверстие и обеспечивая отсечку шлака.

Оставшийся шлак из конвертера через горловину сливают в шлаковую чашу, установленную на шлаковозе (рис. 8.2‑4, е).

Общая длительность плавки в кислородном конвертере в зависимости от емкости и технологических особенностей составляет от 30 до 50 мин.