Кислородно-конвертерный процесс

Устранение недостатков бессемеровского и томасовского процессов оказалось возможным при замене воздушного дутья кислородным. В 50-х годах XX в. появились методы и оборудование, позволившие получать большие количества кислорода. Это дало возможность в промышленных масштабах применять кислород для продувки металла. Впервые кислородно-конвертерный процесс с верхним дутьем был реализован в 1952 г. в Австрии и получил название LD-процесс.

Конструкция и футеровка кислородных конвертеров

Устройство кислородного конвертера. Конвертер имеет грушевидную форму с концентрической горловиной (рис.2).

Рис.2 - Кислородный конвертер в разрезе

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. К центральной части корпуса 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° со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Для большегрузных конвертеров емкостью более 200 т применяют двусторонний привод, например, четыре двигателя по два на каждую цапфу.

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

Футеровка конвертера. Футеровка конвертера обычно выполняется из нескольких слоев различных огнеупорных материалов. Для защиты боковой поверхности корпуса конвертера применяют трех- и двухслойные футеровки.

Трехслойная футеровка состоит из арматурного, промежуточного и рабочего слоев.

Арматурный слой предназначен для защиты металлического корпуса конвертера от перегрева и прогара в результате непосредственного воздействия расплава. Его изготавливают из магнезитового, периклазошпинелидного или хромомагнезитового кирпича. Арматурный слой футеровки конвертера обычно эксплуатируется несколько кампаний без замены.

Промежуточный слой изготавливается набивным из огнеупорной массы, аналогичной по составу кирпичу, из которого изготовлен рабочий слой футеровки, толщиной 50 – 100 мм.

Рабочий слой футеровки боковой поверхности корпуса конвертера на отечественных заводах длительное время изготавливали из безобжиговых огнеупоров на смоляной связке (смолодоломитовый кирпич).

Футеровку днища конвертера изготавливают в несколько слоев. На металлическую поверхность днища наносят смолодоломитовую массу толщиной 25 – 30 мм. Затем укладывают один ряд шамотного кирпича. На шамотный кирпич кладут несколько рядов магнезитового кирпича. Для кладки рабочего слоя днища обычно используют периклазошпинелидные огнеупоры.

Стойкость футеровки из безобжиговых огнеупоров составляет 400–700 плавок, при использовании термообработанных безобжиговых огнеупоров – 800–900 плавок. При стойкости футеровки 400–900 плавок расход огнеупоров составляет 2–5 кг/т стали.

Кислородная фурма для верхней продувки

Кислород поступает в конвертер по водоохлаждаемой фурме, изготовленной из трех цельнотянутых труб, концентрически входящих одна в другую. Снизу фурма заканчивается сменяемым медным наконечником - головкой. Ее крепят к стальным трубам при помощи резьбы и сварки. Кислород, как правило, подается по центральной трубе, две внешние для подвода и отвода охлаждающей воды. Давление кислорода, подаваемого в фурму, находится в пределах 0,9-1,5 МПа, давление воды для охлаждения составляет 0,6-1,0 МПа. Температура отходящей воды из фурмы не должна превышать 40 °С. Фурму устанавливают вертикально, строго по оси конвертера. Высоту расположения фурмы над уровнем металла изменяют по ходу плавки. Подъем и опускание фурмы проводится при помощи механизма, сблокированного с механизмом вращения конвертера.

Фурмы могут быть односопловыми и многосопловыми. Применение многосопловых фурм позволяет получить рассредоточенное («мягкое») дутье, при котором уменьшается количество выбросов, что дает возможность работать с большими расходами кислорода (500-900 м³/мин). Наибольшее распространение получили 3- и 4-сопловые фурмы.

Головки этих фурм имеют веерообразно расходящиеся сопла Лаваля, наклоненные под углом 6-15° к оси фурмы. Стойкость фурм составляет 70-300 плавок.

Технология плавки в кислородных конвертерах

При исправном состоянии футеровки загрузку конвертера начинают с завалки скрапа (рис. 3)

Рис. 3 - Схема получения стали в кислородном конвертере: а — загрузка металлолома; б — заливка чугуна; в — продувка; г — выпуск стали; д — слив шлака

Завалку производят через горловину конвертера завалочными машинами с лотками в несколько приемов. Затем заливают жидкий чугун, который подвозят к конвертерам в чугуновозных ковшах. Заливку чугуна из ковшей ведут мостовыми кранами через горловину конвертера в наклонном его положении. Положение конвертера при завалке скрапа и заливке чугуна одинаково. После заливки чугуна конвертер поворачивают в вертикальное положение и в его рабочее пространство вводят кислородную фурму, одновременно включая подачу кислорода. Одновременно с началом продувки производят загрузку первой порции шлакообразующих материалов (извести, боксита или плавикового шпата), также при необходимости железной руды. Остальное количество шлакообразующих вводят обычно в течение первой трети продувки. Продувка в зависимости от вместимости конвертера и интенсивности подачи кислорода продолжается от 14 до 30 мин и должна быть закончена при заданных содержании углерода и температуре (1580-1650 °С) без превышения допустимых пределов по содержанию фосфора и сере.

По окончании продувки кислородную фурму выводят из полости конвертера, который поворачивают в горизонтальное положение. Через горловину конвертера отбирают пробы металла и шлака, измеряют температуру металла термопарой погружения. В отобранной пробе металла экспресс-анализом определяют содержания углерода, марганца, фосфора и серы. В зависимости от результатов анализа состава металла, в первую очередь по содержанию углерода, а также замера температуры принимают решение о выпуске или корректировке плавки.

Корректировка плавки при избыточном содержании углерода в металле состоит в кратковременной додувке. При недостаточной температуре металла проводят додувку, иногда с экзотермической добавкой. При недостаточном содержании углерода в металле вводят добавки молотого кокса или графита при выпуске стали в ковш.

Выпуск стали из конвертера в сталеразливочный ковш производят через сталевыпускное отверстие (летку) конвертера. Его открывают после окончания продувки, получения анализов и проведения корректировки. Вместе с металлом в сталеразливочный ковш сливают часть шлака (толщина слоя 200-300 мм) для предотвращения быстрого охлаждения металла в ковше. Оставшуюся основную часть шлака сливают в шлаковую чашу. Положения конвертера при выпуске металла и сливе шлака показаны на рис. 3, г и д.

Изменение состава металла, шлака и температуры по ходу процесса

В кислородном конвертере элементы, входящие в состав чугуна, могут окисляться как газообразным кислородом О₂, так и кислородом, переходящим в состав шлака в виде оксидов железа (FеО) и в состав металла в виде растворенного кислорода [O]. В месте контакта струи дутья с чугуном, в первую очередь, окисляется железо 2[Fе] + О₂ = 2(FеО). Образующийся FеО входит состав шлака (FеО) и растворяется в металле (FеО) = [Fе] + [О].

Реакции окисления кремния, марганца, углерода и фосфора происходят как по одностадийной (газообразным кислородом О₂), так и по двухстадийной [(FеО) в шлаке и [О] в металле] схемами:

Для углерода более развита реакция окисления газообразным кислородом, а также кислородом, растворенным в металле

2[C] +O₂ = 2CO; [C] + [O] = CO.

Для успешного протекания окисления фосфора необходимо одновременное участие оксидов железа и кальция шлака. Это связано с химической непрочностью Р₂О₅ и восстановлением из него фосфора в металл при отсутствии в шлаке достаточного количества СаО

2[Р] + 5(FеО) + 3(СаО) = (3СаO^.Р₂О₅) + 5 [Fе].

Все указанные реакции идут с выделением тепла, поэтому с повышением температуры по ходу процесса могут изменять направление на обратное. Это наблюдается для марганца и фосфора.

Изменение состава металла и шлака, а также температуры металла по ходу кислородно-конвертерного процесса характеризуется данными, приведенными на рис. 4.

Окисление кремния заканчивается в основном за 3-6 мин процесса в зависимости от его содержания в перерабатываемом чугуне. Одновременно окисляется марганец, однако этот процесс в условиях кислородного конвертера протекает с меньшей полнотой. Переход марганца в шлак обычно заканчивается его остаточными содержаниями в металле 0,10-0,15% и более в зависимости от начального содержания марганца чугуне. Эти содержания по ходу продувки могут дополнительно повышаться вследствие восстановления марганца из шлака по реакциям

(МnО) + [Fе] = [Мn] + (FеО); (МпО) + (С) = [Мп] + CO.

Рис. 4 - Изменение состава металла и шлака по ходу продувки в кислородном конвертере

Эти реакции являются желательными, так как приводят к увеличению содержания марганца в получаемом металле и экономии ферромарганца при доведении состава до требуемого.

Важнейшей особенностью кислородно-конвертерного процесса является быстрое окисление фосфора почти с самого начала процесса. Поскольку температура металла при этом еще не высока (<1400°С), несмотря на невысокое содержание СаО в шлаке (30-35%), восстановление фосфора не начинается. В последующий период при более высокой температуре (1500 °С) окисление фосфора замедляется и может переходить в восстановление и вновь окисление ускоряется при повышении содержаний СаО в шлаке до 47-50 %.

Окисление углерода в кислородном конвертере начинается практически сразу после начала подачи дутья. В этот период (1-3 мин) развивается поверхностное обезуглероживание в зоне контакта дутья с жидким металлом. Интенсивное выделение пузырей СО из расплава, образующихся далее по реакции углерода с растворенным кислородом, приводит к образованию газо-шлако-металлической эмульсии, подъему уровня ванны металла и шлака. В середине процесса обезуглероживание металла происходит с максимальной скоростью до 0,4-0,5 % С/мин, а затем начинает замедляться. Это связано с обеднением поверхностных слоев металла углеродом и замедлением его поступления к месту взаимодействия с кислородом, растворяющимся в жидком железе.

Условия удаления серы из металла в кислородном конвертере является менее благоприятными, чем условия удаления фосфора. Степень удаления серы, т. е. отношение количества удаленной серы к начальной, может достигать в среднем 40 %. Главным процессом в удалении серы из металла является ее удаление по реакции (СаО) +[FеS] = (СаS) + (FеО). Основной причиной менее полного удаления серы является повышенное содержание FеО в шлаке, являющегося продуктом данной реакции. Около 10 % всей удаляемой серы может переходить в газовую фазу в виде SO₂.

Изменение состава шлака по ходу процесса характеризуется нарастанием содержаний в нем СаО, особенно интенсивным к концу первой половины процесса при одновременном снижении содержаний SiO₂ и МnО. Основность шлака (СаО)/(SiO₂) возрастает к концу процесса до 3,5-5,0. Содержание оксидов железа в шлаке возрастает в начале и конце процесса. В средней его части оно понижается в результате интенсивного обезуглероживания. Вследствие недостатка кислорода дутья дополнительные количества кислорода на эту реакцию заимствуются из шлаковой фазы [С] + (FеО) = CO + [Fе].

Изменение температуры металла по ходу процесса в конвертере характеризуется повышением в периоды продувки, когда нет сильного охлаждающего действия добавок. Начальное повышение температуры связано, в основном, с окислением кремния и марганца чугуна, а последующее – с окислением углерода, приводящим при кислородном дутье к выделению тепла. Окисление фосфора ввиду его небольшого содержания не дает значительного прихода тепла.