Кислородно-конвертерный процесс
Сущность технологии заключается в том, что жидкий чугун, залитый в конвертер, продувают технически чистым (99,6% О2) кислородом, окисляющим углерод и другие примеси. Процесс отличают высокая скорость окислительных реакций, обусловливающая минимальную длительность продувки (15–25 минут), простота конструкции конвертера и управления его работой, малые капитальные затраты. Преимуществом конвертерного процесса является автогенность, не требующая использования топлива, роль которого выполняют выжигаемый за короткий период продувки углерод, кремний, фосфор и марганец чугуна.
Углерод и другие примеси окисляются кислородом дутья и кислородом, переходящим в шлак в форме оксида железа (FeO) и в металл – в виде растворенного кислорода [O] (здесь и далее круглые скобки – шлаковая фаза, квадратные – металлическая, фигурные – газовая). Для кислородного дутья
[C] + 0,5 O2 = {CO};
[Si] + O2 = (SiO2).
Взаимодействие примесей, например, кремния с кислородом шлака и металла имеет следующий вид
[Si] + 2 (FeO) = (SiO2) + 2 [Fe];
[Si] + 2 [O] = (SiO2).
В шлак вместе с кремнием, марганцем и фосфором переходит 30–40% серы. Остаточные количества серы и других примесей удаляют последующим внепечным рафинированием металла синтетическими и иными реагентами в сталеразливочных ковшах.
Тепла, выделяемого при окислении примесей, достаточно для повышения температуры с 1300–1450°С (чугун) до 1600–1700°С в конце продувки.
Конвертер имеет грушевидную форму, сварен из толстолистовой стали и футерован изнутри огнеупорами. В верхней его части имеется горловина, через которую производится загрузка исходных материалов, выпуск шлака и отвод отходящих газов. В России эксплуатируются конвертеры емкостью от 140 до 400 т, производящие в час от 200 до 500 и более тонн стали. Их габариты: диаметр до 7,5 м, высота до 10,5 м. В соответствии с характером образующихся шлаков конвертеры футеруют основными огнеупорами (смолодоломитовый, смоломагнезитовый кирпич), расход которых достигает 10 кг/т стали. Кампания конвертеров по футеровке составляет от 600 до 5000 плавок в зависимости от применяемых огнеупоров.
Исходные материалы конвертерного процесса представлены жидким чугуном (обычно 75–80% металлической части шихты) и металлическим ломом (остальное). В мировой практике используют чугун с широким интервалом содержания основных примесей, %: 0,3–1,2 Si; 0,1–2,2 Mn; 0,02–1,5 P; 0,02–0,06 S.
Жидкий чугун до заливки в конвертер хранят в миксерах – емкостях, вмещающих от 1400 до 2500 т, где происходит выравнивание химического состава чугуна различных выпусков, что стабилизирует работу конвертера.
Цикл конвертерной плавки начинают в заливки скрапа через горловину наклоненного конвертера. Затем, не меняя положение агрегата, заливают чугун из чугуновозных ковшей (рисунок 5.2).
а – завалка скрапа; б – заливка чугуна; в – загрузка шлакообразующих (сыпучих) материалов; г – введение в конвертер фурмы и включение
подачи кислорода; д – выпуск стали из конвертера; е – слив шлака
из конвертера
Рисунок 5.2 – Технологические операции
кислородно-конвертерной плавки
После заливки чугуна конвертер ставят в вертикальное положение, в его рабочее пространство вводят водоохлаждаемую кислородную фурму и включают подачу кислорода (давление 12–16 атм., скорость вдувания 500 м/с и более). Фурму, в зависимости от емкости конвертера, устанавливают в 0,7–3,0 м от уровня спокойной ванны. Одновременно с началом продувки загружают первую порцию флюсов, в основном извести или плавикового шпата и бокситов (разжижители шлаков) и железной руды (охлаждающая добавка). Остальное количество шлакообразующих материалов вводят, как правило, в течение первой трети продувки. Продувку заканчивают при достижении заданных значений температуры, содержания углерода, фосфора и серы.
Выпуск стали в сталеразливочный ковш производят через летку конвертера, а слив шлака – через его горловину. Состав шлака, %: 45–55 СаО, 10–20 FeO, 13–20 SiO2, 3–6 MgO, 4–7 MnO, 1–1,5 P2O5.
Завершающей операцией конвертерного производства является внепечная обработка металла для повышения его качества.
Кроме варианта кислородно-конвертерной плавки (ККП) при дутье сверху большое распространение получила плавка стали с использованием комбинированного дутья. Через пористые огнеупорные блоки или фурмы, установленные в днище, вдувают инертный газ (аргон, азот) или кислород в оболочке защитного газа (природного). Применение донной продувки способствует интенсивному перемешиванию ванны, что приводит к более эффективному удалению примесей, снижению содержания закиси железа в шлаке и повышению выхода годного металла примерно на 1%.
Усредненные газы конвертерной плавки имеют, %: 67–80 СО, 13–16 СО2, по 0–3 Н2 и Н2О, 5–8 N2. Их запыленность равна 30–100 г/м3, количество пылевых частиц размером 5 мкм и менее составляет 55% при продувке и 90% – при выпуске стали.
Применяют три способа отвода газов от конвертеров: с полным дожиганием оксида углерода за счет подсоса воздуха; с частичным дожиганием и без дожигания в газоотводящем тракте.
Дожигание оксида углерода обязательно, если имеется очистка газа в электрофильтрах, где из-за постоянных искровых разрядов возможен взрыв газовых смесей при концентрациях оксида углерода 12,5–75%. В отходящих газах должно оставаться 4–8% СО.
Для очистки обычно используют мокрое пылеулавливание (скрубберы, трубы Вентури). Электрофильтры устанавливают только при полном дожигании оксида углерода.
При мокрой газоочистке образуются конвертерные шламы в количестве 1,5–2,0% от массы металла. Они содержат, %: 50–66 Fe; 80–90 оксидов железа; 5–12 CaO; 1,5–2,5 SiO2; 1–2 C; 0,2–4,0 Zn; 0,04–0,2 S. Их гранулометрический состав: 30–35% частиц крупнее 100 мкм; 50–60% фракций 8–100 мкм; до 20% – частицы менее 8 мкм.
В настоящее время освоено конвертерное производство высококачественных углеродистых и легированных марок сталей. В структуре их себестоимости основную долю (до 80% общей стоимости) занимают расходы на металлическую шихту, текущие расходы по переделу равны 16%, до 3,0–3,5% приходится на вспомогательные материалы. Выход годного металла составляет 89–91%.