» » Выплавка стали во вращающихся агрегатах
29.04.2015

За последние годы разработаны и освоены новые процессы производства стали с применением кислорода. К ним относятся процесс Калдо, предложенный проф. Каллингом в Швеции, и роторный процесс, разработанный в ФРГ. В отличие от мартеновского, конвертерного и электросталеплавильного способов, где выплавка металла осуществляется при стационарном положении агрегата, в этих процессах рафинирование чугуна производится либо во вращающемся конвертере (Калдо процесс), либо во вращающейся цилиндрической печи (роторный процесс).
При вращении агрегата происходит непрерывное перемешивание металла, быстро образуется активный шлак и можно регулировать последовательность и скорости окисления отдельных примесей чугуна.
Рафинирование металла производится кислородом, который может подаваться как на поверхность, так и в глубь расплавленного металла, что дает возможность получить металл с незначительным содержанием азота. Благодаря вращению в значительной степени снижается отрицательное влияние местного перегрева в зоне взаимодействия кислорода с металлом, отчего уменьшаются потери металла в виде газообразных окислов железа.
Эти процессы позволяют перерабатывать как томасовский, так и мартеновский чугун и получать разнообразные по составу и с малым содержанием вредных примесей стали. По качеству эти стали в силу малого содержания N, S, P равноценны металлу, выплавленному не только в мартеновских, но и в электросталеплавильных печах.
Процесс Калдо

Передел чугуна по этому способу ведут в глуходонном вращающемся конвертере с симметрично расположенной горловиной (рис. 42). Кожух конвертера опоясан двумя кольцами, опирающимися на две пары катков. Задняя пара катков, расположенная ближе к днищу, имеет электропривод, который обеспечивает вращение конвертера вокруг продольной оси с регулируемой скоростью до 30 об/мин.
Конвертер может также поворачиваться, как и обычный, вокруг поперечной оси. Для этой цели катки заключены в специальную люльку, покоящуюся на двух цапфах. Во время продувки конвертер находится в наклонном положении; при максимальной скорости вращения (30 об/мин) он наклонен до 20° к горизонту.
Выплавка стали во вращающихся агрегатах

Конвертер емкостью 30 т имеет внешний диаметр кожуха 3,5 м, внутренний диаметр 2,3 м и длину около 5,6 м. Футеровка конвертера состоит из трех слоев — слоя смолодоломитового кирпича (350 мм), слоя магнезитового кирпича (115 мм) и слоя изолирующего шамотного кирпича (50 мм). Стойкость футеровки сравнительно невысока и при переделе томасовского чугуна составляет около 50 плавок. Небольшой срок службы футеровки обусловлен высокими температурами процесса и большим количеством шлака.
Во избежание чрезмерного перегрева футеровки объем заливаемого чугуна в конвертер должен быть таким, чтобы в наклонном положении металл закрывал не менее половины днища, а также и значительную часть цилиндрической части футеровки. Кстати, купить днища следует заблаговременно.
Кислород под давлением 3 ати вводится через горловину водоохлаждаемой фурмой. Струя кислорода подается под небольшим углом к поверхности металла.
Калдо процессом на заводе Домнарвет (Швеция) перерабатывают томасовские чугуны с 1,8% фосфора и низкофосфористые мартеновские чугуны.
При переделе обычного томасовского чугуна, заливаемого при 1250° добавляют 12—14% руды или агломерата и 13—14% извести (возможны добавки скрапа до 40%) Основное количество руды и извести задают в конвертер до заливки чугуна и меньшую часть присаживают после, скачивания первого и второго шлака.
Выплавка стали во вращающихся агрегатах

Расход кислорода зависит от хода процесса, при необходимости высокого температурного режима, создаваемого дожиганием окиси углерода внутри конвертера, расход кислорода увеличивают. В среднем удельный расход кислорода составляет 65—71 м3/т чугуна. Продолжительность всего цикла передела в 30-т конвертере 90—95 мин., из которых 40—50 мин. затрачивается на собственно продувку, 30 35 мин. — на скачивание шлака и отбор проб и 20 мин. — на заливку чугуна, выпуск металла и загрузку добавок.
Характерная особенность процесса — более быстрое окисление фосфора, чем углерода (рис. 43), что позволяет получать металл с содержанием фосфора до 0,025% при высоком содержании углерода. Можно также остановить процесс на заданном содержании углерода, не опасаясь переокисления металла.
Ход процесса регулируется изменением скорости вращения конвертера и расхода кислорода.
Шлак по ходу плавки скачивают дважды- первый раз — при содержании в металле 0,2—0,3% фосфора и 2,0% углерода; второй — при содержании 0,1% фосфора и около 1,0% углерода. Первый шлак содержит до 22% P2O5 и 3—4% FeO, второй — до 17% P2O5 и 6% FeO. Оба шлака используют в качестве удобрения.
Конечный шлак перед выпуском металла сгущают известью и задерживают в конвертере для следующей плавки. Ввиду малого содержания железа в скачиваемых шлаках потери железа со шлаком невелики. Значительно ниже, чем в стационарных конвертерах, и потери железа с отходящими газами, поэтому отпадает необходимость в тонкой очистке газов.
Выход жидкой стали довольно высок; 92% металла получается из чугуна и 7% железа восстанавливается из руды. В получаемой стали содержание серы не превышает 0,010—0,015% при содержании ее в чугуне 0,060%, содержание азота составляет 0,001—0,003%.
По качеству сталь не уступает мартеновской, а по свариваемости, однородности и по пластическим свойствам превосходит ее.
Калдо-процессом производят главным образом низкоуглеродистые стали для глубокой вытяжки, а также полуспокойную сталь для толстых листов.
Годовая производительность 30 т конвертера 150—210 тыс. т, 100-т конвертера — 450—560 тыс. т в год при переделе томасовского и мартеновского чугунов с продолжительностью полного цикла соответственно 70 и 55 мин. для 30 т конвертера и 100 и 70 мин. для 100-т.
Роторный процесс

Дальнейшее совершенствование производства стали с применением кислорода во вращающихся агрегатах — это применение так называемого роторного процесса, осуществленного в промышленных масштабах на заводе в Оберхаузене (ФРГ). Передел чугуна по этому способу ведут в роторе, представляющем собой горизонтально расположенную вращающуюся цилиндрическую печь (рис. 44). Печь может быть установлена в непосредственной близости к доменной печи и перерабатывать чугун отдельных выпусков. Возможно сооружение сталеплавильного цеха с несколькими вращающимися печами и подачей чугуна из миксера.
Выплавка стали во вращающихся агрегатах

Ротор емкостью 60 т имеет длину 14,6 м, внутренний диаметр 2,7 м, наружный 3,7 м. Футеровка печи состоит из двух слоев постоянного слоя из магнезитового кирпича толщиной 120 мм и набивного рабочего слоя из доломито-смоляной массы.
Печь вращается со скоростью от 0,1 до 0,5 об/мин. Для облегчения условий эксплуатации печь оборудована наклоняющим приспособлением. Кислород подается в печь двумя отдельными струями, одна из которых («первичный» кислород) водоохлаждаемой фурмой вводится под поверхность расплавленного металла и предназначена для окисления примесей и перемешивания металла; другая струя кислорода («вторичного») поступает над уровнем металла для сжигания окиси угле рода, выделяющейся из ванны.
Подобно конвертеру, в роторе не расходуется горючее процесс протекает за счет тепла химических реакций. При горении окиси углерода в струе кислорода над поверхностью ванны развиваются температуры, превышающие 2000°, при этом до 60% выделяющегося тепла усваивается ванной. Продукты горения удаляются с выходной стороны печи.
Высокий температурный режим, возможность работы на высокоактивных шлаках, одновременная подача кислорода как для прямого окисления, так и для дожигания окиси углерода, непрерывное перемешивание ванны обеспечивают в роторной печи высокие скорости окисления примесей, благоприятствуют удалению фосфора и серы и дают возможность регулировать ход процесса.
В роторной печи перерабатывают чугуны с любым содержанием фосфора, получая полупродукты для мартеновских печей или готовую сталь,
Процесс плавки начинается с загрузки в предварительно подогретую печь извести и руды. Эти материалы загружают через отверстие в торцовой стенке печи центробежной завалочной машиной. Затем заливают чугун, подкатывают тележку с кислородными соплами, устанавливают их в требуемое положение и начинают продувку.
В процессе продувки автоматически регулируется соотношение между расходом первичного и вторичного кислорода и глубина погружения фурмы в металл Регулировка осуществляется по содержанию в отходящих газах окиси углерода, количество которой находится в определенной зависимости от скорости рафинирования, использования тепла в печи содержания окислов железа в шлаке.
При выплавке полупродукта с 1,0% углерода продувку заканчивают через 40 мин. после подачи кислорода. Перед выпуском металла из печи удаляют большую часть шлака.
Рафинирование чугуна с малым содержанием фосфора до готовой стали осуществляют так же, как и выплавку полупродукта, причем процесс можно останавливать на заданном содержании углерода.
При переделе высокофосфористого чугуна на готовую сталь необходимая степень дефосфорации металла обеспечивается особым шлаковым режимом. Конечный шлак после выпуска металла задерживают в печи и после добавки извести и руды используют для последующей плавки. Такая операция значительно облегчает формирование активного дефосфорирующего шлака.
В первую треть периода продувки окисление фосфора происходит с большей скоростью, чем обезуглероживание (рис. 45).
Выплавка стали во вращающихся агрегатах

По достижении в ванне около 2% углерода и 0,1—0,2% фосфора шлак, содержащий 18—20% P2O5 и 8—12% железа, скачивают, а затем перемалывают и используют как удобрение.
Добавляя известь и руду в печь, формируют вторичный шлак, под которым происходит дальнейшее снижение содержания фосфора (менее 0,030%) и доводка металла до необходимого состава.
Во вращающейся печи достигается также более интенсивная десульфурация, чем в томасовском конвертере или мартеновской печи При переработке чугуна даже с повышенным содержанием серы получали сталь с 0,012% S. Содержание азота в спокойной стали в среднем составляло 0,004% при применении кислорода чистотой 95%.
В роторе в основном выплавляют кипящую и спокойную малоуглеродистую сталь (0,05—0,25% С). Возможна выплавка стали с содержанием углерода до 0,8%. Продолжительность плавки составляет около 2 час, из них 15 мин. затрачивается на загрузку руды и извести, 10—15 мин — на заливку чугуна, 50—60 мин. — на продувку ванны и 10 мин. — на удаление шлака и выпуск стали. Выход стали 97,8%, расход кислорода примерно 70 м3/т стали, причем около 70—90% расходуется на дожигание окиси углерода. Расход руды составляет около 150 кг/г, извести — 125 кг/т стали. Производительность 60 г печи составляет 180 тыс. г, 100-г печи — 300 тыс. т стали в год.