» » Современное состояние конвертерного производства стали
29.04.2015

В течение последних 10 лет широко развивались способы ведения конвертерного процесса с применением кислорода и частичным или полным исключением азота из состава дутья. Вместе с дополнительными мерами по дефосфорации и десульфурации металла это обеспечило получение малых содержаний нежелательных примесей в конвертерной стали и улучшение ее свойств. Ниже кратко рассмотрены варианты усовершенствования конвертерных процессов, в основном при томасировании, где совершенствование технологии плавки получило наибольшее развитие.
При применении дутья, обогащенного кислородом, понижается парциальное давление азота в газовой фазе и тем самым уменьшается возможность поглощения его жидким металлом. Кроме того, избыточные количества тепла, образующиеся в результате уменьшения его расхода на нагрев балластного азота, позволяют эффективно регулировать температурный режим плавок охлаждающими добавками и снижать температуру ванны в периоды, наиболее благоприятные для поглощения азота. Наконец, подвод к ванне более концентрированного окислителя дает сокращение времени продувки, в том числе и продолжительности последнего периода плавки, когда азот поглощается наиболее интенсивно.
Применение дутья, обогащенного кислородом, позволяет переплавлять в конвертере значительное количество скрапа (до 20%), что при применении воздушного дутья невозможно из-за нехватки тепла.
По многочисленным данным практики, наилучшим является обогащение дутья кислородом до 30—32%, максимум 40%. В большинстве томасовских цехов обогащают дутье кислородом до 30%. Более высокое обогащение дутья, дающее меньшие дополнительные (преимущества, в то же время вызывает серьезные эксплуатационные и экономические затруднения — увеличение потерь металла со шлаком, с дымом и выбросами, снижение стойкости фурм и днищ и др.
Обогащение дутья кислородом для улучшения качества металла наиболее целесообразно сочетать с добавками по ходу продувки, не только оказывающими охлаждающее действие, но и уменьшающими потребности в кислороде дутья. При этом уменьшается количество азота, проходящего через расплав. Наиболее эффективны добавки железной руды и особенно известняка. При добавлении железной руды происходит физическое и химическое охлаждение ванны, заменяется часть кислорода дутья и увеличивается выход жидкой стали в результате восстановления железа. Известняк, помимо охлаждения ванны, обогащает газовую фазу окислителем (CO2) и понижает в ней содержание азота.
По применении дутья, обогащенного кислородом, в ряде цехов начальный период плавки ведут на обычном воздушном дутье во избежание сильных выбросов металла. Часть периода передувки при томасировании также приходится в ряде случаев вести на воздушном дутье для уменьшения потерь железа в шлаке и дыме.
Один из вариантов применения дутья, обогащенного кислородом, при томасировании иллюстрируется рис 38. Обогащение начинают с третьей минуты продувки и доводят до максимума на девятой минуте. Содержание азота в металле по ходу продувки несколько снижается (с 0,010 до 0,008%); повышается содержание азота в шлаке, особенно при глубокой дефосфорации.
Современное состояние конвертерного производства стали

При применении обогащенного дутья в сочетании с добавками руды и известняка удается получить сталь с содержанием 0,005% азота, которое близко к содержанию азота в мартеновской стали. По имеющимся данным, окисленность металла к концу плавки может быть не выше, чем при обычной продувке воздухом.
Содержание серы и фосфора в стали целесообразно снижать, применяя обработку чугуна содой при выпуске из миксера и наводку вторичного шлака в конвертере. При этом если дутье, обогащенное кислородом до 30%, подается в течение всей продувки и в конце периода обезуглероживания присаживается по 35 кг на 1 т стали железной руды и известняка, то удается получить металл с содержанием в среднем 0,0048% N, 0,024% P и 0,025% S.
Дальнейшее снижение содержания азота в конвертерной стали возможно при практически полном исключении его из состава дутья. С этой целью для продувки применяют смеси, состоящие из кислорода и водяного пара или кислорода и двуокиси углерода. При диссоциации H2O или CO2 поглощается значительное количество тепла. Это позволяет иметь в смеси высокое содержание кислорода — до 50% по объему. Кроме того, водяной пар и двуокись углерода служат окислителями при продувке (например, H2O используется на 72%).
Таким образом, при применении смесей проявляются их повышенные окислительные свойства и в то же время в зоне фурм не развивается слишком высокая температура, как при дутье, сильно обогащенном кислородом.
Продувку паро-кислородной и кислородо-углекислотной смесями ведут либо в течение всей плавки, либо только в последний ее период, когда происходит наибольшее поглощение азота металлом. До начала продувки смесями металл обычно продувают воздухом, обогащенным кислородом. При этом возможный недостаток тепла в период продувки смесью, богатой CO2 или H2O, может компенсироваться разогревом ванны в предыдущий период.
Такой способ работы экономичнее применения смеси в течение всей продувки. Однако здесь имеются трудности при организации дутьевого режима вследствие значительного уменьшения количества дутья при переходе на подачу смеси, в то время как площадь живого сечения сопел остается постоянной.
Ход томасовского процесса с применением смеси O2 и CO2 представлен на рис. 39.
Современное состояние конвертерного производства стали

Смесь вводили только с двенадцатой минуты продувки в течение 6 мин. Содержание азота к концу плавки составляло 0,003% при начальном содержании его в чугуне 0,0075%. Исследования в производственных условиях и промышленное применение кислородо-углекислотного дутья показали возможность выплавки стали с содержанием азота не выше 0,004%.
При продувке смесью O2 и CO2 в течение примерно половины плавки суммарный расход кислорода на 1 т чугуна составляет 67,3 л3, из них воздушным обогащенным дутьем вносится 23,8 м3 (35%) и смесью 43,5 м3 из которых 30,4 ж3 составляет свободный кислород и 13,1 м3 кислорода получается за счет диссоциации двуокиси углерода. Общий удельный расход технического кислорода равняется 45 м3/т, a CO2 — 32,7 м3/т. Целесообразность применения паро-кислородной и кислородо-углекислотной смесей зависит в основном от стоимости двуокиси углерода, которая не должна превышать стоимости промышленного кислорода. Водяной пар — более дешевая составляющая, однако при его применении необходимо обеспечить достаточный перегрев дутья и исключить возможность конденсации пара при подводе смеси к днищу. Для этой цели приходится подавать пар к конвертеру при 260° и давлении 12 ати, а также подогревать кислород в рекуператоре перед смешением его с паром.
В настоящее время наиболее распространены следующие варианты применения смесей кислорода и водяного пара: 1) дутье, обогащенное кислородом до 30%, подают в течение первой половины продувки, затем вводят смесь 63—70% O2 и 37—30% H2O (по весу); 2) парокислородную смесь того же состава вводят в течение всей продувки.
В первом варианте расходуется меньше кислорода (42—48 м3 на 1 т чугуна) и может быть добавлено больше скрапа (3,4—7,5%). При втором варианте хотя и требуется относительно больший расход кислорода (55—58 м3/т чугуна) и может быть использовано меньше скрапа, можно лучше привести конструкцию днищ в соответствие с уменьшенным количеством дутья (по сравнению с дутьем, обогащенным воздухом) и избежать выбросов во время первой половины продувки. С применением паро-кислородного дутья значительно сокращается время продувки. Так, при общем удельном расходе кислорода 67 м3/т производительность 16-т конвертера составляет 1,9 T/мин, в то время как при работе на воздушном дутье производительность его равна 1,1 T/мин и при работе на дутье, обогащенном кислородом, 1,5 T/мин. За счет сэкономленного времени появляется возможность работать с двумя шлаками. При этом общее время плавки не превышает ее продолжительности без применения паро-кислородной смеси.
Получаемая этим способом сталь содержит 0,0025±0,0005% N, 0,020±0,006%Р и 0,020 ±0,005% S, т. е. вредных примесей в ней меньше, чем в мартеновской стали.
Продувка чугуна в томасовском конвертере смесями кислорода с водяным паром или двуокисью углерода не является в настоящее время единственным способом получения стали, которая не уступает по своим свойствам мартеновской. Другой способ, дающий металл с весьма низким содержанием вредных примесей и получающий все большее распространение, — это передел чугуна в глуходонных конвертерах с введением технически чистого кислорода вертикально сверху под высоким давлением (до 12 ати) — так называемый Л—Д процесс. Только при вводе кислорода в конвертер сверху решается задача ведения сталеплавильного передела на концентрированном кислороде, которую не удалось решить при продувке снизу из за неудовлетворительной стойкости фурм. При подаче кислорода к расплаву сверху вопрос о стойкости днищ снимается, а стойкость водоохлаждаемой фурмы, подающей кислород, оказывается высокой (300 плавок и более). В настоящее время эксплуатируются глуходонные конвертеры емкостью от 20 до 180 т, намечено строительство 300-г конвертеров.
На рис. 40 показана схема установки 35-г конвертера. Конвертер с эксцентрично расположенной горловиной объемом 43 м3 имеет высоту 6875 мм, внешний диаметр 4340 мм и внутренний — 2980 мм. Рабочий слой футеровки (380 мм) выполнен из периклазо-шпинелидного кирпича. За рубежом для футеровки применяют также смолодоломитовый или магнезитовый кирпич.
Кислород вводится в конвертер водоохлаждаемой фурмой, наконечник которой изготовлен из меди, интенсивно охлаждаемой водой. При применении сопла Лаваля с проходным сечением 65—70 мм в конвертер ежеминутно может быть подано 140—220 м3 кислорода. Сталь из некоторых конвертеров выпускают через отверстие, расположенное в верхней части конвертера в стороне, противоположной загрузочной; шлак при этом сливают через горловину.
При продувке кислородом сверху в глуходонном конвертере дутье не пронизывает всю толщу металла, как при продувке снизу. Тем не менее струя кислорода, обладающая большой кинетической энергией, внедряется в расплав. Перемешивание ванны усиливается далее в результате кипения при обезуглероживании металла. О достаточно полном взаимодействии дутья с ванной свидетельствует высокая степень использования кислорода — 95%. Скорости окислительных процессов при этом способе несколько ниже, чем при продувке сильно окислительными смесями снизу.
Важным преимуществом продувки кислородом сверху является гораздо более благоприятный для процесса шлаковый режим, чем при обычной конвертерной плавке. Процесс шлакообразования происходит при высоких температурах, обеспечиваемых при контакте кислорода с жидким металлом. По имеющимся данным, температура в зоне реакции достигает 2500°. В этих условиях добавки быстро усваиваются, и образующийся шлак, оставаясь в зоне высоких температур, обладает хорошей жидкоподвижностью и высокой реакционной способностью. Окисленность шлака легко регулировать, изменяя расстояния фурмы от поверхности расплава, а также специальными приспособлениями на фурме, изменяющими аэродинамику струи.
Современное состояние конвертерного производства стали

Высокое содержание окиси кальция и закиси железа в шлаке обеспечивает раннее и интенсивное, окисление фосфора из чугуна. Максимальная скорость дефосфорации наблюдается уже по прошествии 20—25% общего времени продувки. Таким образом, окисление фосфора происходит одновременно с окислением углерода, и содержание фосфора может достигать низких значений еще при достаточно высоком содержании углерода. В дальнейшем необходимо лишь воспрепятствовать возможному восстановлению фосфора, увеличив основность шлака. Поэтому при Л—-Д процессе, как правило, отсутствует период передувки, необходимый при томасировании.
В глуходонных конвертерах с продувкой кислородом сверху перерабатывают чугуны типа мартеновских состава. 3,8—4,4% С, 0,3—3,0% Mn, 0,2—1,3% Si, 0,07—0,25% Р, 0,02—0,05% S. Имеются также данные о продувке таким способом чугунов с повышенным содержанием кремния (до 2,15%) и серы (0,6%).
Таким образом, Л—Д процесс, позволяет использовать для производства стали чугуны разного состава, главным образом такие, которые, в обычных конвертерных процессах не перерабатывают из-за недостаточного количества тепла, выделяющегося при продувке этих чугунов. Большие тепловые возможности Л—Д процесса, объясняющиеся практическим отсутствием в газовой фазе балластного (в тепловом отношении) азота, позволяют не только применять чугуны с низким содержанием фосфора и кремния, но и использовать при продувке много скрапа (12—23%).
Типичный ход изменения содержания примесей при продувке мартеновского чугуна кислородом в глуходонном конвертере иллюстрирует рис. 41. Лучшие условия восстановления марганца по сравнению с обычным конвертерным процессом приводят к снижению расхода ферромарганца для раскисления стали, а при достаточно высоком содержании марганца в чугуне позволяют выплавлять кипящую сталь без раскисления ее ферромарганцем.
Современное состояние конвертерного производства стали

Содержание азота в конечной стали находится в прямой зависимости от чистоты используемого для продувки кислорода. При применении 99—98% O2 можно получить сталь с содержанием 0 002— 0,004% N.
Экономическими преимуществами передела мартеновских чугунов в глуходонных конвертерах являются сравнительно низкая стоимость передела, составляющая около 50% стоимости передела в мартеновском цехе, а также гораздо меньшие капитальные затраты на строительство конвертерного цеха по сравнению с мартеновским такой же мощности.
Основные недостатки процесса продувки кислородом сверху, отражающиеся на технико-экономических показателях этого процесса, — повышенный угар железа и относительно высокий расход огнеупоров. Испарение железа и примесей в высокотемпературной зоне взаимодействия кислорода с жидким металлом приводит к образованию большого количества плавильной пыли (в среднем за плавку 50—70 г на 1 м3 отходящих из конвертера газов). Частицы пыли очень мелки: до 80% ее составляют фракции от 0,2 до 0,5 д. Потери железа в виде дыма достигают 0,8—1,6% от веса металла.
Проблема очистки дымовых газов от пыли с последующим ее использованием достаточно сложна. Наилучшие результаты были достигнуты на мокрой циклонной установке.
Для снижения температуры отходящих газов до 500°, необходимой для очистки, их пропускают через котел-утилизатор с принудительной циркуляцией, устанавливаемый в вытяжной трубе конвертера (конвективная поверхность нагрева) или на стенах камина (радиационная поверхность нагрева). За котлом газы дополнительно охлаждаются из брызгал, и пыль осаждается в мокрых циклонах. Остаточное содержание пыли в газах после очистки 0,10—0,15 г/м3, расход свежей воды 250 л, электроэнергии 3,8 квт*ч на 1000 м3 газа при максимальном часовом количестве газов 17 000 м3.
Наиболее тяжелы условия службы футеровки глуходонного конвертера в зоне шлакового пояса вследствие агрессивного действия шлаков. Стойкость футеровки на различных заводах — от 150 до 500 плавок, причем большинство конвертеров имеет пониженную стойкость. Учитывая, что на смену футеровки требуется в среднем 60 час., за которые могло бы быть произведено 100 плавок, время на ремонты следует считать большим. Расход огнеупоров на 1 г стали колеблется в широких пределах — от 5 до 20 кг.
Значительные осложнения возникают при переработке Л—Д процессом высокофосфористых чугунов типа томасовских из-за большого количества шлака и трудностей обеспечения своевременной дефосфорации металла. Более перспективны варианты применения кислорода в глуходонных конвертерах — ОЛП-процесс и буфер-шлаковый процесс. По первому варианту в конвертер в струе кислорода вводят дозированное количество порошкообразной извести крупностью до 2 мм. Процесс ведут с однократным или двукратным окачиванием шлака, характеризуется он пониженным расходом извести (10,5% от веса чугуна) и кислорода (55 м3/т). При содержании углерода в стали 0,03—0,08% содержание фосфора в ней не превышает 0,03%; степень десульфурации 60%.
При буфер-шлаковом процессе кислород подают на поверхность шлака или в шлак, и непосредственный контакт его с металлической ванной отсутствует. В этом случае удается уменьшить количество бурого дыма, увеличить степень десульфурации (в отдельных плавках до 85%) и обеспечить своевременное удаление фосфора. Содержание азота в стали при этом мало зависит от чистоты применяемого кислорода.