Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 32 из 88

15.1.3. Продувка чугуна кислородом. Перед второй мировой войной в прак­тику ряда германских заводов вошло некоторое обогащение кислородом дутья томасовских конвертеров. В 1934г. в СССР инж. Н. И. Мозговой провел серию опытов по продувке чу­гуна в ковше технически чистым кис­лородом. Однако только в конце 40-х — начале 50-х годов XX в. интенсивные разработки методов получения в боль­ших масштабах дешевого кислорода обеспечили возможность исследова­ний технологии кислородной конвер­терной плавки при замене воздуха кислородом. В 1945г. на Кузнецком металлургическом комбинате (КМК) под руководством акад. И. П. Бардина и проф. В. В. Кондакова был построен специальный конвертер, на котором была проведена серия опытов по обо­гащению дутья кислородом. Масса садки конвертера составляла 1,6—1,7т. Расплавляющийся в вагранке чугун имел состав, %: С 3,5, Si 0,45-0,75, Мп 0,7-0,9. Продувку чистым кислородом проводили через выполненные из ог­неупорных материалов фурмы сни­зу, через днище. Диаграмма одной из плавок приведена на рис. 15.5. В ре­зультате эксперимента с вдуванием кислорода установлено: 1)скорость



Рис. 15.5. Изменение свойства металла при продувке чугуна снизу кислородом в опыт­ном конвертере КМК

процесса в 2,5—3,5 раза выше, чем при продувке воздухом; 2) можно работать на химически холодных чугунах; 3) получаемая сталь имеет хорошее ка­чество; 4) содержание азота в металле составляет 0,001-0,002 % (в обычной бессемеровской 0,012—0,015 %, в мар­теновской 0,004-0,006 %); 5) обычные фурмы выдерживают всего одну плав­ку. Низкая стойкость обычных фурм при продувке снизу не позволила ис­пользовать этот метод в промышлен­ных масштабах. Широкое распростра­нение конвертерное производство с использованием для продувки металла кислорода получило лишь после раз­работки процесса продувки сверху, через водоохлаждаемую фурму.

Идея продувки металла в конверте­ре кислородом сверху была предложе­на еще в одном из патентов Бессемера. Однако практически она была реали­зована только в конвертерном цехе ав­стрийской компании VOEST в середи­не XX в. (г. Линц, 1952 г., и г. Донавице, 1953 г.). Новый процесс получил несколько названий: 1) LD-процесс (от нем. Linz Dusenferfahren — фур­менный процесс в Линце или по пер­вым буквам названий городов Linz и Donawitz); 2) ВОР-процесс (от англ. Basic Oxygen Process — основной кис­лородный процесс); 3) кислородно-конвертерный процесс. Исходя из теплового баланса кислородно-кон­вертерного процесса, доля металли­ческого лома может составлять 20— 25 % от массы садки.

Последующие годы характеризова­лись появлением ряда разновидностей кислородно- конвертерного процесса. В 1954-1956 гг. на Новотульском ме­таллургическом заводе проведены опыты по продувке чугуна в конвертере снизу через фурмы, в которых по цент­ральной трубе подавали О₂, а по окру­жающей трубку концентрической щели — СО₂ (10-30 % от расхода кис­лорода). В СССР в 1957-1958 гг. В. Г. Фе­дорович, И. И. Кобеза и С. Ф. Карп оп­робовали в лабораторных условиях свой метод плавки, при котором дон­ные воздушные фурмы конвертера были заменены кислородными с газо­вой защитой.

В 1967-1968 гг. в ФР-Г на одном из заводов компании Maxhiitte (Eisen

werk — Gesellschaft Maximilians Hutte) применен метод продувки чугуна в конвертере снизу струями кислорода," окруженными для защиты кольцевыми струями углеводородов. Метод успеш­но прошел заводские испытания. По­лучил широкое распространение метод продувки высокофосфористого чугуна через днище конвертера при помощи фурм, в которых струя кислорода окру­жена «охладителем» — природным га­зом (метаном, пропаном, бутаном и т. д.). Вместе с кислородом в ванну вду­вают тонкоизмельченную известь. Процесс получил название процесс ОВМ (Oxygen, Botton, Maxhutte — кис­лород, днище, Максхютте).

Во Франции применена модифика­ция процесса с донной продувкой, в которой в качестве «защиты» и охла­дителя струи кислорода используется жидкое топливо. Процесс получил на­звание LWS (по первым буквам фирм-разработчиков данного метода: Loire-Creusot, Wendel-Sidelor и Sprunck).

На Витковицком металлургичес­ком комбинате (г. Острава, Чехия) ус­пешно применен процесс, названный авторами Oxyvit (Oxygen + Vitkovice). В Oxyvit-процессе чугун продувают снизу кислородом и порошкообраз­ной известью в защитной рубашке из углеводородов.

В 1971 г. лицензия на метод работы с продувкой снизу была приобретена компанией «United States Steel Corp.» (США), и на экспериментальном кон­вертере компании была проведена се­рия опытных плавок по продувке снизу не фосфористого, а обычного (так на­зываемого мартеновского) чугуна с ос­тановкой продувки на заданном содер­жании углерода. Для предотвращения затекания металла в фурмы по оконча­нии продувки кислородом использо­ван подвод нейтрального газа (N₂, Аг). Разработанный процесс был назван Q-ВОР '. В трояком толковании названия показано, что новый процесс отличает­ся от обычного (с продувкой кислоро­дом сверху) более спокойным ходом плавки, более высокой скоростью ра финирования и металл получается бо­лее высокого качества.
¹ Дополнительный к обозначению ВОР индекс Q от первой буквы англ, слов: quiet(спокойно, спокойный), quick(быстро, быст­рый) и quality(качество, качественный).
В отличие от способа продувки кислородом сверху перечисленные выше способы получили общее назва­ние конвертерных процессов с дон­ным дутьем (донной продувкой). Если кислород и другие газы подают и сверху, и снизу, то процесс называют комбинированным (с комбинирован­ным дутьем).

В настоящее время процесс переде­ла чугуна в сталь в конвертерах явля­ется основным способом получения стали.) Помимо этого применения аг­регаты конвертерного типа использу­ют для производства легированной и высоколегированной сталей путем продувки газовыми смесями разного состава (О₂ + Аг, О₂ + N₂ и др.) полу­продукта, предварительно полученно­го в дуговой печи или в кислородном конвертере. В настоящее время произ­водство стали в мире превысило 800 млн т. Более половины этого ко­личества выплавляется в конвертерах.

15.2. ОБЩАЯ СХЕМА СОВРЕМЕННОГО КОНВЕРТЕРНОГО ПРОЦЕССА
В основу конвертерного процесса по­ложена обработка расплава газообраз­ными окислителями без дополнитель­ного подвода тепла извне. Технологи­ческий процесс плавки осуществляется за счет химической теплоты экзотер­мических реакций и физического теп­ла, вносимого жидким чугуном. Плав­ка ведется в специальном агрегате — конвертере, который представляет со-_; бой сосуд, футерованный изнутри огнеупорными материалами. Сложивша­яся за годы существования процесса форма рабочего пространства конвер­тера обеспечивает обработку расплава газом-окислителем с очень большой интенсивностью, без значительных по­терь металла. На большой реакцион­ной поверхности, возникающей в про­цессе продувки, с высокой скоростью протекают реакции окисления приме­сей и соответственно достигается вы­сокая производительность агрегата.

Разнообразие исходных шихтовых материалов, определяемое главным образом химическим составом чугуна и лома, а также требованиями к каче­ству выплавляемого металла, привело к возникновению многих разновидно­стей конвертерного способа производ­ства стали. В зависимости от применя­емой футеровки конвертерные про­цессы могут быть кислыми или основ­ными; в зависимости от используемого газа они могут быть на воздушном, кис­лородном или смешанном дутье. Спосо­бы подвода дутья отличаются разнооб­разием и в зависимости от способа его подачи могут быть объединены в груп­пы: с верхней (через водоохлаждаемую фурму), с нижней через дно (с помо­щью специальных устройств) и с ком­бинированной продувкой (одновремен­ная подача газов сверху и снизу).

Потребность в повышении доли перерабатываемого лома при выплав­ке стали в конвертерах привела к со­зданию ряда новых разновидностей конвертерных процессов с использо­ванием дополнительных источников тепловой энергии в виде более полной утилизации тепла отходящих газов, использования газообразного, жидко­го и твердого видов топлива.

Общая компоновка конвертера как сталеплавильного агрегата определя­ется технологическими особенностя­ми плавки, обеспечивающими макси­мальную производительность. Для снижения потерь времени при осуще­ствлении отдельных технологических операций, связанных с загрузкой ших­товых материалов, процессом продув­ки, необходимостью ввода шлакооб-разующих и добавочных материалов по ходу плавки, а также отвода образу­ющихся газов, выпуска металла и сли­ва шлака рабочее пространство кон­вертера выполнено подвижным и мо­жет занимать по мере необходимости различные положения, вращаясь вок­руг своей оси на 360°. Поэтому комп­лекс конвертерной установки включа­ет в себя следующие составные части: корпус конвертера с опорно-поворот­ными цапфами и механизмом поворо­та, систему подачи окислительных и нейтральных газов, систему отвода, охлаждения и очистки дымовых газов, систему подачи шлакообразующих и добавочных материалов, а также уст­ройства для обслуживания и ремонта футеровки конвертера.

15.3. КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНЫЙ ПРОЦЕСС С ВЕРХНЕЙ ПРОДУВКОЙ
15.3.1. Конструкция конвертера. В кис­лородном конвертере продувку ванны осуществляют кислородом через фур­му, которую вводят сверху по оси кон­вертера. Управление процессом плав­ки ведут в основном посредством из­менения положения фурмы и давле­ния кислорода.

Емкость (вместимость) конверте­ров изменяется в широких пределах. В нашей стране эксплуатируют конвер­теры емкостью от 160 до 400 т. В уст­ройстве современного конвертера (рис. 15.6) можно выделить цилиндри­ческую среднюю часть, концентричес­кую горловину (в виде усеченного ко­нуса) и сферическое днище.

Исходя из опыта последних лет, минимальные потери металла при нормальном ходе продувки (без выб­росов) достигаются при объеме рабо­чего пространства конвертера, превы­шающем в 5—7 раз объем расплава в спокойном состоянии. Поэтому в ГОСТ заложено, что удельный объем конвертеров независимо от их емкос­ти должен составлять 0,8-1,0 м³/т. От­ношение полноц высоты рабочего пространства к его диаметру должно быть в пределах 1,2—1,6.

Объем ванны кислородного кон­вертера и все основные параметры оп­ределяются его емкостью с учетом ин­тенсивности продувки.

На рис. 15.7, а показаны основные размеры, принимаемые при конструи­ровании рабочего пространства агрегата. Эти размеры обычно принимаются на основе опыта действующих агрегатов и результатов моделирования. Нарис. 15.7, б показаны разновидности профилей и размеры действующих агрегатов. При проектировании учитывают состав шихты, принятую технологию продув­ки, вероятность выбросов, массу обра­зующегося шлака и необходимость вместить всю массу металла и шлака и иметь оптимальные размеры ванны (диаметр и глубину), строительную прочность огнеупоров (рис. 15.8) и др.

В современных конвертерах глуби­на ванны 1,6—1,9 м, удельная площадь поверхности ванны 0,12-0,18 м²/г.



Рис. 15.6. Кислородный конвертер:

/ — корпус с футеровкой; 2 — кислородная фурма; 3 — рабочее пространство; 4—опорные узлы; 5 — механизм поворота; 6— опорное кольцо



Рис. 15.7. Профиль рабочего пространства конвертера:

а —основные размеры D₁ , D_{2 ,}D₃ — диаметры соответственно горловины, цилиндрической части и днища; R— радиус шаровой части днища;h_в,к, h_н.к. , h_ц , h_в , и h_ш — высота соответственно верхней и нижней коничес­кой частей, цилиндрической части, ванны и шаровой части; Н и Н₁ — полная высота и высота свободного пространства соответственно); б— разновидности профилей действующих кислородных конвертеров

Пока еще нет четких теоретичес­ких рекомендаций относительно правильного выбора интенсивности продувки, числа сопел в фурме и рас­хода кислорода на одно сопло. В практике современного кислородно-конвертерного процесса интенсивность продувки обычно составляет /= 3 + 5 м³/(т • мин).

Корпус конвертера обычно глухо-донный, сварной конструкции. Дни­ща могут быть как глухие, так и отъем­ные (приставные или вставные). Кон­вертеры с отъемными днищами легче

ремонтировать, так как при отъеме днища футеровка охлаждается быстрее (рис. 15.9). Кроме того, возможна за­мена только футеровки отъемного днища (без корпуса). Корпус конвертера помещается в опорное кольцо и крепится в нем. Узлы крепления и опорное кольцо закрыты от попада­ний металла и шлака защитным кожу­хом, приваренным к корпусу. Крепле­ние корпуса конвертера к опорному кольцу осуществляют при помощи си­стемы шарнирных подвесок и упоров, исключающих раскачивание конвер­тера при продувке металла кислоро­дом и под воздействием колебаний жидкого металла. В системе крепле­ния должна быть учтена неодинаковая степень колебаний температуры кор­пуса и опорного кольца и обеспечена независимость их температурных де­формаций. Привод конвертера пред­ставляет собой систему, состоящую из нескольких электродвигателей и меха­низма поворота (обычно один боль­шой тихоходный и несколько быстро­ходных редукторов). При разработке конструкции конвертера учитывается основное требование, предъявляемое к сосудам с жидким металлом, — обес­печение их устойчивости при любых углах наклона, т. е. возможность воз­врата в исходное положение при непо­ладках в работе двигателей. Для этого необходимо, чтобы опрокидывающий момент при повороте конвертера на любой угол был положительным. Од­новременно нужно стремиться по воз­можности к уменьшению максималь­ного опрокидывающего момента, с тем чтобы была минимальной мощ­ность двигателей поворотного приво­да. При расчетах опрокидывающих моментов учитывают возможную степень разгара футеровки конвертера. Масса конвертера емкостью 300—350т с комплектующим оборудованием равна 1200 т. Корпус конвертера имеет жесткую съемную горловину и приварную летку (или «сталевыпускное отверстие») со сменным обрамляю­щим фланцем.

15.3.2. Футеровка конвертера. Усло­вия эксплуатации футеровки кисло­родных конвертеров тяжелые, причем в наиболее тяжелых условиях оказыва­ется футеровка цилиндрической части



Рис. 15.8. Двухслойная футеровка (А — арма­турный слой; Б — рабочий слой) конвертера на череповецком металлургическом комби­нате ОАО «Северсталь», выполненная из ма­териалов:

/ — периклазохромитовые огнеупоры; 2— известково-периклазовые огнеупоры на пековой связке; 3 — периклазовые огнеупоры;

4— блоки из плавленого периклаза; 5— металлический корпус; 6— асбест или периклазовая масса; 7— набивная периклазовая масса
конвертера и особенно район так на­зываемого шлакового пояса. В этом районе футеровка контактирует со шлако-металлической эмульсией, об­разующейся при воздействии кисло­родной струи на поверхность ванны. Стойкость футеровки обычно измеря­ется числом плавок от одного капи­тального ремонта до другого. При ра­боте без систематического торкрети­рования поверхности стойкость футе­ровки составляет до 1000 плавок; в случае систематического торкретиро­вания поверхности стойкость футеров­ки возрастает в несколько раз. Сто­имость высококачественных огнеупо­ров, используемых для футеровки конвертеров, велика, поэтому непре­рывно испытываются новые техноло­гии, позволяющие снизить расход ог­неупоров.

Помимо торкретирования широкое



Рис. 15.9. Общая схема процесса перефутеровки конвертера:

1 — ломка футеровки; 2 — демонтаж днища; 3 — футеровка донной части корпуса; 4 — роботизированная футеровка барабана конвертера; 5— футеровка верхнего конуса; 6— монтаж днища
распространение получает так называ­емый способ раздува шлака в кислород­ном конвертере. Способ предусматри­вает вдувание азота под высоким дав­лением через верхнюю кислородную фурму конвертера с целью раздува шлака по поверхности футеровки. Шлак, покрывая огнеупор, охлаждает­ся, затвердевает и создает прочный слой, являющийся защитным для ра­бочего слоя футеровки. Затвердевший шлаковый слой способствует сниже­нию скорости износа огнеупоров, по­вышению эксплуатационной стойкос­ти агрегата и снижению эксплуатаци­онных затрат. Процесс раздува прово­дят либо после полного выпуска стали, когда в конвертере остается только шлак, либо при наличии в кон­вертере и стали, и шлака. Режим раз­дува в обоих случаях неодинаков; раз­личны и зоны футеровки, на которых образуется гарнисаж.

Технология раздува шлака включа­ет следующие этапы:

— выпуск плавки из конвертера;

— визуальный контроль состояния шлака с целью оценки необходимости ввода добавок для его кондицирования;

— визуальный контроль состояния футеровки конвертера с целью выявления зон, требующих особого внима­ния при проведении раздува;

— качание конвертера для нанесе­ния покрытия на загрузочный и вы­пускной участки футеровки;

— опускание кислородной фурмы в заданную позицию и начало продувки азотом (расход азота равен расчетному для данной фурмы расходу кислоро­да);

— изменение положения фурмы при управлении вручную или от ЭВМ с целью формирования шлакового по­крытия на всей поверхности футеров­ки или сохранение постоянного поло­жения фурмы для покрытия опреде­ленного участка футеровки;

— ведение операции в течение за­данного времени;

— прекращение продувки и подъем фурмы;

— выпуск остатка шлака в шлаковозный ковш, после чего в конвертер можно загружать шихту для следую­щей плавки.

Состояние шлака — один из наибо­лее важных параметров процесса раз­дува. Если шлак очень жидкий, то он будет стекать по стенке конвертера. На практике в большинстве конвер­терных цехов, где применяют техноло гию раздува, не требовалось вносить изменений в состав конечного шлака, кроме как по содержанию MgO (его оптимальное содержание в шлаке дол­жно составлять 8—14 %).

В качестве корректирующих состав шлака добавок используют уголь, из­вестняк, доломит и материалы, содер­жащие оксид магния. Если плавку подвергают додувке, то для охлажде­ния шлака добавляют обычный или доломитизированный известняк, по­вышают вязкость шлака и снижают содержание в нем оксидов железа.

Описанная технология защиты фу­теровки имеет еще одно достоинство. Благодаря раздуву шлака появляется возможность легирования стали азо­том при вдувании газа на конечной стадии конвертерной плавки. В систе­ме трубопроводов для подачи азота в этом случае потребуются дополни­тельные клапаны и средства управле­ния, чтобы обеспечить смешивание кислорода с азотом. Однако в конеч­ном счете это приведет к значитель­ной экономии азотсодержащих фер­росплавов, которые обычно расходу­ются для этих целей.

Практически на всех заводах, где внедрили новую технологию раздува, удалось увеличить вдвое длительность кампании без увеличения расхода тор­крет-материала. При этом удельный его расход значительно снизился.

Расчеты показывают, что достиже­ние стойкости футеровки конвертера свыше 5000—5500 плавок уже практи­чески не сказывается на его годовой производительности (рис. 15.10). При выпуске в сутки 30—40 плавок достиг­нутая стойкость футеровки — это 4— 6 мес непрерывной работы, т. е. пери­од, в течение которого по инструкции необходима ревизия корпуса конвер­тера, вспомогательного оборудования и т. п.

На заводах Великобритании и США получает распространение орга­низация испарительного охлаждения корпуса конвертера. Метод назван HiVap (от англ, high — интенсивный и vapourize—испаряться). Благодаря скры­той теплоте испарения (2287 кДж/кг) удалось ограничиться сравнительно небольшим расходом воды. При HiVap-способе с помощью специаль­ных форсунок достигается тонкое и