РАЗНОВИДНОСТИ КОНВЕРТЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ

1. Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем

Первым способом массового производства жидкой стали был бессемеровский процесс (в конвертере с кислой футеров­кой), предложенный и разработанный англичанином Г.Бессе­мером в 1856—1860 гг.; несколько позже - в 1878 г. — С.Томасом был разработан схожий процесс в конвертере с основной футеровкой (томасовский процесс).

Возникновение бессемеровского процесса имело исклю­чительно важное значение для развития техники, поскольку до его появления не существовало способов производства литой стали в больших количествах, а применявшиеся в то время пудлинговый процесс получения железа в тестообраз­ном состоянии и тигельный процесс получения жидкой стали в тиглях емкостью менее 50 кг не могли удовлетворить пот­ребности развивающегося машиностроения.

Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье (бессемеровского и томасовского) заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом; кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь; при томасовс-ком процессе, кроме того, в основной шлак удаляются фос­фор и сера. Тепло, выделяющееся при окислении, обеспечи­вает нагрев стали до температуры выпуска (~ 1600 °С).

Устройство конвертера

Бессемеровский и томасовский конвертеры представляют собой сосуд грушевидной формы (рис. 80), выполненный из стального листа с футеровкой изнутри. Футеровка бессеме­ровского конвертера кислая (динасовый кирпич), томасов­ского — основная (смолодоломит).

Сверху в суживающейся части конвертера — горловине -имеется отверстие, служащее для заливки чугуна и выпуска стали. Снизу к кожуху крепится отъемное днище с воздушной коробкой. Дутье, подаваемое в воздушную коробку, посту­пает в полость конвертера через фурмы (сквозные отверс­тия), имеющиеся в футеровке днища. Дутьем служит воздух,

Рис. 80. Устройство бессемеровского конвертера:

1 — цапфы; 2 — опорное кольцо; 3 — отверстие горловины; 4 — зубчатое коле­со; 5 — опорная станина; 6 — днище; 7 — воздушная коробка; 8 — патрубок для подачи дутья; 9 — корпус; йО — футеровка; 11 — сопла

подаваемый под давлением 0,30—0,35 МПа. Цилиндрическая часть конвертера охвачена опорным кольцом; к нему крепят­ся цапфы, на которых конвертер поворачивается вокруг го­ризонтальной оси.

Стойкость днища бессемеровского конвертера составляет 15—25 плавок, томасовского 50—100 плавок, после чего их заменяют. Стойкость остальной футеровки выше: у томасовс­кого конвертера 250—400 плавок, у бессемеровского 1300— 2000 плавок.

Плавка в бессемеровском, конвертере

В конвертер заливают бессемеровский чугун (0,7—1,25 % Si; 0,5-0,8 %Мп; 3,8-4,4% С; <0,06%Р; <0,06%S) при температуре 1250—1300 °С и продувают его воздухом в тече­ние 10—15 мин. За время продувки окисляются углерод, кремний и марганец чугуна и из образующихся окислов фор­мируется кислый шлак. После того, как углерод окислился до заданного содержания, продувку заканчивают, металл че­рез горловину конвертера сливают в ковш, одновременно раскисляя его путем добавки в ковш раскислителей.

Общая длительность плавки составляет 20—30 мин; по­скольку шлак кислый (55-65 %Si0₂; 15-25 % FeO; 15-20% МпО), при плавке не удаляются сера и фосфор.

Плавка в томасовском конвертере

В конвертер для образования основного шлака загружают из­весть (12—18% от массы металла), заливают томасовский чугун (1,6-2,0 %Р; 0,2-0,6% Si; 0,8-1,3% Мп; <0,08 % S; 2,8-3,3% С), имеющий температуру 1180-1250 °С, и ведут продувку воздухом в течение 16—22 мин. За это время окисляются углерод, кремний и марганец; из продуктов окисления составляющих чугуна и СаО извести формируется основной шлак и в конце продувки в этот шлак частично удаляются фосфор и сера.

Продувку заканчивают, когда содержание фосфора в ме­талле снизится до 0,05-0,07 %, после чего металл выпус­кают в ковш, куда вводят раскислители.

Общая длительность плавки составляет 25—40 мин. Состав конечного шлака: 16-24 % Р₂0_5> 42-45 % СаО, 5-10 % Si0₂, 8-15 % FeO, 7—10 % МпО; благодаря высокому содержанию Р₂0₅ этот шлак используют в качестве удобрения.

Видоизменения бессемеровского и томасовского процессов

Достоинства бессемеровского и томасовского процессов — высокая производительность, простота устройства конверте­ра, отсутствие необходимости применять топливо, малый расход огнеупоров и связанные с этим более низкие, чем при мартеновском и электросталеплавильном процессах, ка­питальные затраты и расходы по переделу. Однако обоим процессам был присущ большой недостаток — повышенное со­держание азота в стали (0,010—0,025 %), вызываемое тем, что азот воздушного дутья растворяется в металле. По этой причине бессемеровская и томасовская стали обладают повы­шенной хрупкостью и склонностью к старению.

Для получения стали с пониженным содержанием азота в 1950—1965 гг. были разработаны и находили промышленное применение способы продувки снизу дутьем, обогащенным кислородом (до 30—40 % 0₂ в дутье), смесью кислорода и водяного пара в соотношении 1:1 и смесью кислорода и С0₂ в соотношении 1:1.

Увеличение содержания кислорода в дутье до 30—40% (вместо 21% в воздухе) не решило проблему; выплавляемая сталь содержала 0,006—0,009 % азота, т.е. больше, чем мартеновская. Дальнейшее же увеличение доли кислорода в дутье оказалось неприемлемым, так как вызывало быстрое разрушение футеровки днища из-за его перегрева вблизи фурм вследствие выделения здесь тепла экзотермических ре­акций окисления составляющих чугуна. При воздушном дутье столь сильного перегрева не было из-за охлаждающего воз­действия азота, которого в воздухе больше (79 %), чем в обогащенном дутье.

Способы продувки смесями 0₂—С0₂ и 0₂-Н₂О_пар обеспечи­вали низкое содержание азота в стали (0,001—0,0035 %\ но из-за высокой стоимости и сложности не нашли широкого применения.

В период с 1955 по 1975 г. бессемеровский и томасовс-кий процессы и их разновидности были вытеснены кислород­но-конвертерными процессами с верхней и нижней подачей дутья.

2. Кислородно-конвертерные процессы

Кислородно-конвертерным процессом в нашей стране обычно называют процесс выплавки стали из жидкого чугуна и до­бавляемого лома в конвертере с основной футеровкой и с продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму; за рубежом его называют процессом ЛД. За время существо­вания процесса (с 1952-53 гг.) было разработано несколько его разновидностей, из которых в настоящее время наряду с процессом ЛД промышленное применение находят кислородно-конвертерные процессы с донной продувкой и с комбини­рованной продувкой (см. рис. 81).

Первые опыты по продувке чугуна кислородом сверху были проведены в СССР в 1933 г. инж. Н.И.Мозговым. В дальней­шем в нашей и в ряде других стран велись исследования по разработке технологии нового процесса. В промышленном масштабе кислородно-конвертерный процесс был впервые осу­ществлен в 1952—1953 гг. в Австрии на заводах в г. Линце и Донавице.

За короткий срок кислородно-конвертерный процесс полу­чил широкое распространение во всех странах. Так, если в

Быстрое развитие кислородно-конвертерного процесса объясняется тем, что он, как и прочие конвертерные про­цессы, обладает рядом преимуществ по сравнению с марте­новским и электросталеплавильным процессами. Основные:

1) более высокая производительность одного работающего сталеплавильного агрегата (часовая производительность мартеновских и электродуговых печей не превышает 140 т/ч, а у большегрузных конвертеров достигает 400—500 т/ч);

2)более низкие капитальные затраты, т.е.. затраты на сооружение цеха, что объясняется простотой устройства конвертера и возможностью установки в цехе меньшего числа плавильных агрегатов;

17-3810 *""

3) меньше расходы по переделу, в число которых входит стоимость электроэнергии, топлива, огнеупоров, сменного оборудования, зарплаты и др.;

4) процесс более удобен для автоматизации управления ходом плавки;

5) благодаря четкому ритму выпуска плавок работа кон­вертеров легко сочетается с непрерывной разливкой.

Кроме того, по сравнению с мартеновским производством конвертерное характеризуется лучшими условиями труда и меньшим загрязнением окружающей природной среды.

Благодаря продувке чистым кислородом сталь содержит 0,002-0,005 % азота, т.е. не больше, чем мартеновская. Тепла, которое выделяется при окислении составляющих чу­гуна, с избытком хватает для нагрева стали до температуры выпуска. Имеющийся всегда избыток тепла позволяет пере­рабатывать в конвертере значительное количество лома (до 25-27 % от массы шихты), что обеспечивает снижение стои­мости стали, так как стальной лом дешевле жидкого чугуна.

§ 2. УСТРОЙСТВО КИСЛОРОДНЫХ КОНВЕРТЕРОВ ДЛЯ ВЕРХНЕЙ ПРОДУВКИ

Кислородный конвертер представляет собой поворачивающийся на цапфах сосуд грушевидной формы (рис. 82 и 83), футеро­ванный изнутри и снабженный леткой для выпуска стали и отверстием сверху для ввода в полость конвертера кисло­родной фурмы, отвода газов, заливки чугуна, загрузки лома и шлакообразующих и слива шлака. Вместимость существующих конвертеров составляет 50-400 т. В нашей стране установ­лен типовой ряд емкостей конвертеров (по массе жидкой стали): 50, 100, 130, 160, 200, 250, 300, 350 и 400 т.

Форма конвертера. Профиль рабочего объема, образован­ный футеровкой, у отечественных конвертеров обычно имеет вид, показанный на рис.84. Суживающаяся кверху горловина примыкает к цилиндрической части, ниже которой расположе­на суживающаяся часть, заканчивающаяся сферическим дни­щем. Сужение нижней части и сферическая форма днища пре­дотвращают образование застойных зон при циркуляции ме­талла в конвертерах с верхней продувкой. У малых (<130т) конвертеров днище для упрощения кладки иногда делают пло­ским; плоское днище имеют конвертеры донной продувки.

Гис. 82 Общий вид кислородно­го конвертера с односторонним сгационарным механизмом пово­рота

1'ис. 83. Кислородный конвертер с двухсторонним навесным многодвигательным

механизмом поворота:

/ - опорный подшипник; 2 — цапфа; 3 — защитный кожух; 4 — ведомое зубчатое

колесо; 5 — вал-шестерня; б — навесной электродвигатель с редуктором; 7 —

корпус ведомого колеса; 8, 9 — демпфер; 10 — опорная станина; 11 — опорное

кольцо

По конфигурации корпуса (кожуха) конвертеры различают­ся. Корпус может быть такой же формы, как рабочий объем, т.е. с сужением внизу (см. рис. 86, а); быть без сужения внизу, когда к цилиндрической части примыкает сферическое

Рис. 84. Профиль рабочего пространства кисло­родного конвертера

днище (см. рис. 86, б); с незначительным сужением (угол наклона к вертикали ~ 6°) нижней половины, переходящей в сферу (см. рис. 86, в).

Размеры конвертера должны прежде всего обеспечивать продувку без выбросов металла через горловину, поскольку выбросы уменьшают выход годной стали и требуют периоди­ческих остановок конвертера для удаления настылей металла с горловины и входной части котла-утилизатора. Размеры некоторых конвертеров приведены в табл. 4.

Основные параметры, определяющие возможность работы конвертера без выбросов — удельный объем (объем рабочей полости, приходящийся на 1т жидкой стали, м³/т) и отноше­ние высоты рабочего объема к его диаметру H/D (рис.84).

При выборе оптимальной величины этих параметров необ­ходимо учитывать следующее. Если удельный объем недоста­точен, то при продувке возникают выбросы; при чрезмерно большом удельном объеме неоправданно возрастают габариты