Технология выплавки стали в конвертере кратко

Обновлено: 05.07.2024

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом. Механические свойства стали гораздо выше, чем у чугуна, что объясняется пониженным содержанием углерода, а также примесей в стали по сравнению с чугуном (табл. 3.1).

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали.

Материал	Состав, %
Углерод	Кремний	Марганец	Фосфор	Сера
Передельный чугун	4,0–4,4	0,75– 1,25	До 1,75	0,15–0,3	0,03– 0,07
Сталь низкоуглеродистая	0,14–0,22	0,12–0,3	0,4–0,65	0,005	0,055

Сущностью любого передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы.

Кислородный конвертер (рис. 3.2) представляет собой агрегат грушевидной формы высотой до 15 м, кожух которого изготовлен из листовой стали толщиной до 110 мм. Внутри конвертер футерован огнеупорным кирпичом. В процессе работы конвертер 2 может поворачиваться на цапфах 1 с помощью поворотного устройства 3 вокруг горизонтальной оси для завалки скрапа, заливки чугуна, разгрузки стали и шлака.

Шихтовыми материалами для кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, скрап и флюсы. В состав флюсов входит известняк, железная руда, боксит Al₂O₃ и плавиковый шпат СаF₃, который применяют для разжижения шлака.

В кислородном конвертере всегда ведут основной процесс выплавки стали, повышенную щелочность создают с помощью известняка для удаления фосфора и серы.

Перед плавкой в наклоненный конвертер через горловину загружают скрап и заливают чугун с температурой 1250–1350 °С. Шихта должна занимать 1/5 объема конвертера. После этого конвертер поворачивают в вертикальное положение и внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму 5, через которую подают кислород под высоким давлением. Фурма не доходит до уровня металла на 1,2–2 м. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают флюсы.

Рис. 3.2. Схема устройства кислородного конвертера и стадии выплавки стали:

I – завалка лома; II – заливка чугуна; III – загрузка флюса; IV – продувка;

V – выпуск стали; VI – слив чугуна; 1 − цапфы; 2 − конвертер; 3 − поворотное устройство; 4 − отверстие для выпуска стали; 5 − фурма

Для снижения содержания в чугуне углерода и примесей осуществляют их окисление. Процессы окисления сопровождаются выделением большого количества тепла, что необходимо для расплавления шихты и нагрева ванны жидкого металла. В этом состоит первый этап плавки.

В первую очередь под действием кислорода начинается интенсивное окисление железа в соответствии с законом действующих масс, так как в чугуне в большом количестве содержится железо и оно взаимодействует с кислородом: Fe + 1/2 О₂ = FeО + 263 кДж

Образовавшийся оксид железа, при высоких температурах процесса, более активно, чем чистый кислород, взаимодействует с примесями чугуна.

На 4–6-й минутах плавки окисляется кремний, восстанавливается железо и выделяется большое количество тепла. С окисления кремния начинается процесс шлакообразования. На 8–10-й минутах плавки начинает окисляться марганец и в виде оксида также удаляется в шлак. Фосфор начинает взаимодействовать с оксидом железа в начальный момент продувки (с 5-й минуты):

2P + 5FeO ↔ 5Fe + P₂O₅ + 225 кДж

Повышенное содержание оксида железа способствует образованию Р₂О₅. Это соединение неустойчивое, и реакция может идти в обе стороны, но присутствующий в печи оксид кальция уже при невысоких температурах связывает Р₂О₅, переводя его в шлак:

Хуже всего при кислородно-конвертерном процессе удаляется сера, присутствующая в чугуне в виде сульфида железа FeS, который начинает взаимодействовать с оксидом кальция даже при низких температурах:

FeS + СаО = FeО + СаS

Но в кислородном конвертере из-за повышенного содержания FeО сера практически не связывается кальцием, так как этот процесс сопровождается образованием FeО, который уже в избытке.

FeО + С = СО + Fe – 154 кДж

Пузырьки окиси углерода выделяются из жидкого металла, вызывая бурное кипение ванны. Оно способствует выравниванию температуры по объему конвертера и частичному удалению в шлак неметаллических включений, прилипающих к пузырькам углерода. При достижении заданного содержания углерода подачу кислорода отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и сталь через летку выливают в ковш.

Третий этап выплавки стали – раскисление в кислородном конвертере не проводится, оно осуществляется в ковше осаждающим методом.

Раскисление заключается в восстановлении оксида железа FeО, растворенного в жидком металле. Кислород, выполнивший свою функцию при удалении примесей из металла, сам является вредной примесью, и его содержание необходимо снизить.

В ковш добавляют ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Они обладают бóльшим сродством к кислороду, чем сталь. Железо восстанавливается, а образующиеся оксиды MnO, SiO2, Al2O3, обладающие меньшей плотностью, уходят в шлак:

FeО + Mn = Fe + MnO + Q

2FeО + Si = 2Fe + SiO2 + Q

3FeО + 2Al = 3Fe + Al2O3 + Q

В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода – кипящие и спокойные. Этим способом трудно получать стали, содержащие высокое количество легкоокисляющихся легирующих элементов, поэтому кислородно-конвертерным способом можно выплавить только низколегированную сталь. Легирующие элементы вводятся в ковш в расплавленном состоянии или в виде твердых ферросплавов.

Кислородно-конвертерный процесс отличается высокой производительностью: выплавка стали в конвертерах вместимостью 50–300 т идет 25–50 мин.

Сущность процесса

Производство стали

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали.

Материал	Состав, %
Углерод	Кремний	Марганец	Фосфор	Сера
Передельный чугун	4,0–4,4	0,75– 1,25	До 1,75	0,15–0,3	0,03– 0,07
Сталь низкоуглеродистая	0,14–0,22	0,12–0,3	0,4–0,65	0,005	0,055

Рис. 3.2. Схема устройства кислородного конвертера и стадии выплавки стали:

I – завалка лома; II – заливка чугуна; III – загрузка флюса; IV – продувка;

2P + 5FeO ↔ 5Fe + P₂O₅ + 225 кДж

FeS + СаО = FeО + СаS

FeО + С = СО + Fe – 154 кДж

FeО + Mn = Fe + MnO + Q

2FeО + Si = 2Fe + SiO2 + Q

3FeО + 2Al = 3Fe + Al2O3 + Q

Около 70% стали от общего объема мирового производства изготавливается конвертерным способом. До середины прошлого столетия для получения стали применялись бессемеровский и томасовский процессы. Однако в дальнейшем сталь начали производить усовершенствованным кислородно-конвертерным способом. В настоящее время предшественники современного метода практически не применяются.

Суть конвертерного производства

В конвертерном производстве применяются специальные сталеплавильные агрегаты, называемые конвертерами. Производство стали осуществляется путем продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Данный металл содержит различные примеси, в том числе кремний, углерод и марганец. Примеси окисляются под действием кислорода и удаляются из расплава. Основным преимуществом конвертерного способа является то, что для работы сталеплавильного устройства не требуется топливо. Сталь расплавляется под действием тепла, которое выделяют окисляющиеся примеси.

Конструкция конвертера

Оборудование представляет собой грушевидный сосуд, обеспеченный внутренней футеровкой и леткой для выпуска продуктов плавки. В верхней части конструкции предусмотрено отверстие с горловиной для подачи фурмы, лома, расплавленного чугуна, легирующих смесей и отвода газа. Тоннаж варьируется от 50 до 400 т. В качестве материалов для изготовления конструкции применяется листовая или сварная сталь средней толщиной порядка 50-70 мм. Типовое устройство кислородного конвертера предусматривает возможность отсоединения днища – это модификации с донной продувкой газо-воздушными смесями. Среди вспомогательных и функциональных элементов агрегата можно выделить электродвигатель, трубопроводную инфраструктуру для циркуляции потоков кислорода, опорные подшипники, демпферную платформу и опорную станину для монтажа конструкции.

Автоматизация конвертерного процесса

С точки зрения автоматического управления в конвертерном производстве выделяют следующие величины:

Опорные кольца и цапфа

Конвертер располагается на роликовых подшипниках, которые фиксируются на станине. Конструкция может быть и стационарной, но это встречается редко. Обычно на этапах проектирования определяется возможность транспортировки или перемещения агрегата в тех или иных условиях. Именно за эти функции отвечает оснастка в виде опорных колец и цапфы. Группа подшипников обеспечивает возможность кручения оборудования вокруг оси цапф. Прежние модели конвертеров предполагали совмещение несущей оснастки и корпуса плавильного оборудования, но из-за воздействия высоких температур и деформации вспомогательных материалов это конструкционное решение было заменено более сложной, но надежной и долговечной схемой взаимодействия функционального блока и емкости.

Современный кислородный конвертер, в частности, обеспечивается отдельным опорным кольцом, в структуру которого также вводятся цапфы и закрепленный кожух. Технологический промежуток между кожухом и опорной базой предотвращает негативное температурное воздействие на чувствительные элементы подвесок и передвижных механизмов. Непосредственно система фиксации конвертера реализуется за счет упоров. Само же опорное кольцо представляет собой несущее устройство, сформированное двумя полукольцами и цапфовыми плитами, закрепленными в узлах стыковки.

Принцип работы кислородного конвертера

Впервые кислородное дутье было запатентовано Г. Бессемером. Однако в течение продолжительного времени кислородно-конвертерный процесс не применялся, в связи с отсутствием массового производства кислорода. Первые опыты по продувке кислородом стали возможными в начале сороковых годов прошлого столетия.

Устройство кислородного конвертера осталось прежним:

камера сгорания изнутри защищена основной футеровкой;
однако вместо воздуха в нем применяется продувка кислородом;
подача кислорода осуществляется через водоохлаждаемые сопла.

На территории России применяются сталеплавители с верхней подачей кислорода.

Особенностью конвертерного способа с кислородной продувкой является скоротечность. Весь процесс расплавления металла занимает десятки минут. Однако во время работы требуется тщательно отслеживать содержание в чугуне углерода, температуры его расплава и прочие параметры, чтобы вовремя прекратить продувку.

Процесс сталеплавильного производства упростился, когда кислородные конвертеры оснастили автоматическими системами, усовершенствовали лабораторную технику и измерительные приборы. Усовершенствование кислородно-конвертерного процесса позволило повысить производительность, снизить себестоимость металла и повысить его качество.

Современные кислородные конвертеры могут работать в трех основных режимах:

с полным дожиганием окиси углерода;
с частичным дожиганием ОС;
без дожигания ОС.

Схема получения стали в кислородном конвертере

Они позволяют производить сталь из чугуна различного состава.

Поворотный механизм

Эта страница в последний раз была отредактирована 25 августа 2019 в 19:15.

Размеры конвертера

В ходе проектирования параметры конструкции должны рассчитываться исходя из того, какой примерный объем продувки без учета выброса расплава будет производиться. В последние годы разрабатываются агрегаты, принимающие материалы в объеме от 1 до 0,85 м3/т. Также рассчитывается уклон горловины, угол которого в среднем составляет от 20° до 35°. Однако практика эксплуатации таких сооружений показывает, что превышение наклона в 26° ухудшает качество футеровки. По глубине размеры конвертера составляют 1-2 м, но по мере увеличения емкости загрузки и высота конструкции может увеличиваться. Обычные конвертеры глубиной до 1 м могут принимать загрузку не более 50 т. Что касается диаметра, то он в среднем варьируется от 4 до 7 м. Толщина горловины составляет 2-2,5 м.

Кислородный конвертер – описание процесса плавки

Кислородный конвертер – это стальной сосуд грушевидной формы. Его внутренняя часть защищена смолодоломитовым (основным) кирпичом. Вместимость сталеплавильного агрегата варьируется от 50 до 350 тонн. Сосуд распложен на цапфах и способен поворачиваться вокруг горизонтальной оси, что позволяет беспрепятственно заливать в него чугун, закладывать другие добавки и сливать металл со шлаком.

Чтобы получить конечный продукт, в конвертер заливается не только чугун, но и закладывают добавки. К ним относятся:

лом металла;
шлакообразующие материалы (железная руда, известь, полевой шпат, бокситы).

Конвертерный способ с кислородной продувкой предусматривает заливку в конвертер чугуна, нагретого до 1250–1400°С. Установив конвертер в вертикальное положение, в него подают кислород. Как только началась продувка, в расплавленный чугун вводят остальные компоненты, входящие в состав шлака. Перемешивание чугуна со шлаком осуществляется под действием продувки.

Так как концентрация чугуна гораздо выше, чем примесей, в процессе продувки происходит образование оксида железа, который растворяясь, обогащает металл кислородом. Именно растворенный кислород способствует уменьшению в металле концентрации кремния, углерода и марганца. А когда примеси окисляются, выделяется полезное тепло.

Особенностью основного шлака является большое содержание оксида кальция и оксида железа, которые в начале продувки способствуют удалению фосфора. Если же содержание фосфора превышает требуемый показатель, шлак сливают и наводят новый. Продувку кислородом заканчивают, когда содержание углерода в конечном продукте соответствует определенному параметру. После этого конвертер переворачивают и производят слив стали в ковш, куда добавляют раскислители и другие добавки.

Видео по теме: Основы кислородно конвертерного производства

Футеровка кислородного конвертера

Обязательная технологическая процедура, в ходе которой внутренние стены конвертера обеспечиваются защитным слоем. При этом надо учитывать, что в отличие от большинства металлургических печей данная конструкция подвергается гораздо более высоким термическим нагрузкам, что обуславливает и особенности выполнения футеровка. Это процедура, предполагающая укладку двух защитных слоев – функционального и армирующего. Непосредственно к поверхности корпуса примыкает пласт защитной арматуры толщиной 100-250 мм. Его задача заключается в снижении теплопотерь и недопущении прогара верхнего слоя. В качестве материала применяется магнезитовый или магнезитохромитовый кирпич, который может служить годами без обновления.

Верхний рабочий слой имеет толщину порядка 500-700 мм и заменяется довольно часто по мере износа. На этом этапе кислородный конвертер обрабатывается безобжиговыми песко- или смоловязанными огнеупорными составами. Основу материала для этого слоя футеровки составляет доломит с добавками магнезита. Стандартный расчет по нагрузке делается исходя из температурного воздействия порядка 100-500 °С.

Торкретирование футеровки

Под агрессивными температурно-химическими воздействиями внутренние поверхности конструкции конвертера быстро утрачивают свои качества – опять же, это касается внешнего износа рабочего слоя термической защиты. В качестве ремонтной операции применяется торкретирование футеровки. Это технология горячего восстановления, при которой с помощью специального оборудования укладывается огнеупорный состав. Его наносят не сплошным способом, а точечно на сильно изношенные участки базовой футеровки. Процедура выполняется на специальных торкрет-машинах, подающих к поврежденному участку водоохлаждаемую фурму с массой из коксовой пыли и магнезитового порошка.

Технологии выплавки

Традиционно выделяют два подхода к реализации кислородно-конвертерного плавления – бессемеровский и томасовский. Однако современные методики отличаются от них низким содержанием азота в печи, что повышает качество рабочего процесса. Выполняется технология по следующим этапам:

Загрузка лома. Порядка 25-27 % от общей массы шихты загружается в наклоненный конвертер посредством совков.
Заливка чугуна или стального сплава. Жидкий металл при температуре до 1450 °С ковшами заливается в наклоненный конвертер. Операция продолжается не более 3 мин.
Продувка. В этой части технология выплавки стали в кислородных конвертерах допускает разные подходы в плане подачи газо-воздушной смеси. Поток может направляться сверху, снизу, донным и комбинированным способами в зависимости от типа конструкции оборудования.
Получение проб. Выполняется замер температуры, удаляются ненужные примеси, ожидается анализ состава. Если его результаты соответствуют проектным требованиям, плавка выпускается, а если нет – вносятся корректировки.

Плюсы и минусы технологии

Способ ценится за высокую производительность, простые схемы подачи кислорода, конструкционную надежность и относительно низкие расходы в целом на организацию процесса. Что касается недостатков, то к ним, в частности, относятся ограничения в плане добавления шлама и вторсырья. Тот же лом металла с другими включениями может составлять не более 10 %, а это не позволяет в нужной степени модифицировать структуру выплавки. Также при выдувке расходуется большой объем полезного железа.

Применение технологии

Сочетание плюсов и минусов в итоге обусловило и характер применения конвертеров. В частности, металлургические комбинаты выпускают низколегированную, углеродистую и легированную сталь высокого качества, достаточного для применения материала в тяжелой промышленности и строительстве. Получение сталей в кислородном конвертере происходит с легированием и улучшением отдельных свойств, что расширяет сферы применения конечной продукции. Из получаемого сырья изготавливают трубы, проволоку, рельсы, метизы, скобяные изделия и т. д. Технология широко применяется и в цветной металлургии, где при достаточной продувке получают черновую медь.

Заключение

Плавка в конвертерных сооружениях считается морально устаревшей техникой, но ее продолжают использовать по причинам оптимального сочетания производительности и финансовых затрат на обеспечение процесса. В немалой степени востребованности технологии способствуют и конструкционные достоинства применяемого оборудования. Та же возможность прямой загрузки лома металла, шихты, шлама и других отходов, хоть и в ограниченном объеме, расширяет возможности для модификации сплава. Другое дело, что для полноценной эксплуатации крупногабаритных конвертеров с возможностями поворота требуется организация соответствующего помещения на предприятии. Поэтому осуществляют выплавку с кислородной продувкой в больших объемах преимущественно крупные компании.

Кол-во блоков: 17 | Общее кол-во символов: 14653
Количество использованных доноров: 4
Информация по каждому донору:

Суть конвертерного производства

Принцип бессемеровского способа

Впервые массовое получение жидкой стали стало возможным в 1856 году благодаря Г. Бессемеру – изобретателю из Англии. Он придумал, как нагреть металл до температуры, превышающей 1500°С. Именно такая температура необходима для того, чтобы расплавить металл с пониженным содержанием углерода.

Бессемеровский процесс предусматривает продувку расплава атмосферным воздухом. Для этих целей применяются конвертеры, у которых внутренняя часть камеры сгорания защищена динасовым кирпичом. Благодаря такой защите бессемеровский способ называют кислой футеровкой конвертера.

Плавка в бессемеровском сталеплавильном агрегате осуществляется путем заливки чугуна при температуре 1250–1300°С. Следует заметить, что для выплавки бессемеровских чугунов требуются железные руды с низким содержанием серы и фосфора.

Залитый чугун продувают воздухом, в результате чего происходит окисление углерода, марганца и кремния. При окислении образуются оксиды, формирующие кислый шлак. Продувку воздухом заканчивают после того, как углерод окислится до требуемых значений.

Далее металл через горловину сливают в ковш, попутно его окисляя. У такого способа присутствует один существенный недостаток, заключающийся в невысоком качестве конечного продукта, который получается слишком хрупким за счет неполного удаления серы и фосфора.

Принцип томасовского способа

В 1878 году англичанину С.Г. Томасу удалось устранить главный недостаток бессемеровского способа. Кислую футеровку конвертера он заменил основной. Внутренний защитный слой в ванной был выложен смолодоломитовым кирпичом. А чтобы удалить из металла большую часть примесей, он предложил использовать известь, функция которой заключалась в связывании фосфора.

Томасовский процесс позволил перерабатывать чугун с высоким содержанием фосфора. Поэтому наибольшее распространение данный способ получил в странах, где железные руды содержат много фосфора. Во всем остальном метод, изобретенный Томасом, мало чем отличается от предложенного Бессемером:

и в том, и в другом случае используется сталеплавильный агрегат, в который чугун подается сверху через отверстие в горловине;
через это же отверстие производится выпуск стали.
снизу сталеплавильный агрегат снабжен съемным днищем, что позволяет заменять его по мере выработки определенного срока службы;
дутье в полость сталеплавителя поступает через специальные сопла, расположенные в футеровке днища.

Как уже говорилось выше, слив стали производится через отверстие в горловине. Перевернуть многотонный агрегат позволяют цапфы в цилиндрической части конвертера. При томасовском процессе в сталеплавитель загружают известь, позволяющую получить основной шлак. Далее туда же заливают высокофосфористый чугун, нагретый до 1200–1250°С и подают дутье. При подаче дутья происходит окисление кремния, марганца и углерода. В основной шлак удаляются сера и фосфор. Продувка завершается тогда, когда содержание фосфора снизится до определенных показателей. Окончательным этапом, как и в бессемеровском процессе, является выпуск металла с последующим раскислением.