Кислородно конвертерный способ производства стали

7.Кислородно-конверторный способ получения стали: исходные материалы, технология, технико-экономические показатели. Схема кислородного конвертера.

Кислородно-конвертерный процесс – это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Кислородный конвертер – это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера 130—350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 360°С для завалки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30 %), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит (А12О3), плавиковый шпат (CaF2), которые применяют для разжижения шлака.

Технология плавки. Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину с помощью завалочных машин загружают скрап, заливают чугун при температуре 1250—1400°С. После этого конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение (рис. 2.4, в), внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9-1,4 МПа. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь, боксит, железную руду. Струи кислорода проникают в металл, вызывают его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна при взаимодействии с кислородом в зоне под фурмой развивается температура до 2400°С.

В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо, так как его концентрация во много раз выше, чем примесей. Образующийся оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и содержание их понижается. При этом происходит разогрев ванны металла теплотой, выделяющейся при окислении примесей, поддержание его в жидком состоянии.

В кислородном конвертере благодаря присутствию шлаков с большим содержанием СаО и FeO, перемешиванию металла и шлака создаются условия для удаления из металла фосфора по реакции в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура еще невысока. В чугунax перерабатываемых в конвертерах, не должно быть более 0,15 % Р. При повышенном (до 0,3 %) содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера.

Удаление серы из металла в шлак протекает в течение всей плавки по реакциям (7) и (8). Однако высокое содержание в шлаке FeO (до 7-20 %) затрудняет удаление серы из металла. Поэтому для передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с содержанием до 0,07 % S.

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.4, г).

При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием; затем из конвертера сливают шлак (рис. 2.4, д).

В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.

В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколегированные (до 2-3 % легирующих элементов) стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в пего стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130-300 т заканчивается через 25-50 мин. Кислородно-конвертерный процесс более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах.

Учебные материалы

Бессемеровский способ

Кислый способ, футеровка конвертера выложена из динасового огнеупорного кирпича. Применяется при переплавке в сталь чугуна марок Б1 и Б2, содержащих строго ограниченное (максимально допустимое в сталях) количество фосфора и серы. Это объясняется тем, что в конвертерах или в других печах с кислой футеровкой невозможно удалять вредные примеси S и Р.

Плавка стали в конвертере состоит в следующем:

1. Конвертер ставится в горизонтальное положение.
2. Заливается жидкий чугун.
3. Подается воздушное дутье под давлением Р = 3÷3,5 атм. (который окисляет примеси) и одновременно с этим конвертер ставится в вертикальное положение.

Во время плавки в кислом конвертере наблюдается 3 периода:

1) Окисление Fe, Mn, Si и образуется шлак

Длится процесс окисления 3-6 минут.

2) Выгорание углерода, т.е. его окисление, жидкость кипит:

СО вырвавшись из стали догорает ярким пламенем высотой 8-10 метров

3) Пламя прекращается и появляется бурый дым, что означает горение железа, а сам дым – частицы окислов железа. Необходимо побыстрее прекратить подачу воздуха и процесс плавки окончен.

Если углерода в стали осталось меньше необходимого по марки выплавляемой стали, то состав по С доводится добавлением в стали небольшого количества высокоуглеродистого чугуна и ферросплавов Fe-Mn, Fe-Si и Al.

Процесс плавки длится 20-30 минут, емкость конвертеров всего до 30г.

Этот метод экономичный, эффективный и распространенный. Сталь содержит незначительное количество кислорода (кислород вредная примесь, FeO повышает хрупкость стали, усиливает склонность к старению и повышает порог хладноломкости), поэтому кислая (бессемеровская) сталь более пластичная, следовательно более качественная, по сравнению со сталями выплавляемыми в основных печах.

В настоящее время развитие конвертерного производства идет по расширению кислородно-конвертерного способа, емкость которых до 250-300т.

Томасовский способ

Томасовский способ – продувка через жидкий металл воздуха, но футеровка основная и благодаря этому становится возможным удаление фосфора. Футеровка доломитовая (МgO, СаО). Применяется для переплавки в стали чугунов марок Т-1 и Т-2, содержащих повышенный % фосфора до 2,2% и серы.

В томасовском конвертере процессы окисления протекают в такой же последовательности, как и в бессемеровском, за исключением того, что в третьем периоде идет бурное окисление фосфора, за счет чего резко повышается температура стали и сталь становится более качественной и пластичной.

Для удаления Р и S в конвертер загружается 12-14% от веса заливаемого чугуна – известняк СаСО₃:

Р₂О₅(СаО)₄ – очень прочное соединение и ценное удобрение для сельского хозяйства.

– FeS + СаО → СаS + FeО, где СаS – непрочное соединение, поэтому вводят Mn:

СаS + MnO → MnS + СаО, где MnS – не переходит в ванну, если остается, то это более тугоплавкое соединение нежели FeS + Fe (t_плавл. ≈ 988°С).

В настоящее время томасовский способ в нашей стране почти не применяется, так как высокофосфористых и высокосернистых руд у нас мало.

Рассмотренные конвертерные способы выплавки стали имеют следующие преимущества:

1. Высокая производительность (время плавки 20-30 мин.).
2. Простота конструкций печей (конвертеров) и следовательно малые капитальные затраты.
3. Малые эксплуатационные затраты.
4. Не требуется при плавке специально вводить тепло, так как оно получается в конвертерах за счет реакций окисления примесей.

1. Значительный угар железа (до 13%).
2. Невозможность переплавлять в больших количествах скрап (металлический лом).
3. Более низкое качество стали (главный недостаток конвертирования) – например, за счет продувки воздухом в стали увеличивается содержание азота (до 0,025-0,048%), которое заметно снижает качество стали.
4. Из-за непродолжительности процесса невозможно в конвертерах выплавлять стали сложного химического состава, а из-за невысоких температур (наибольшая t_плавл. = 1600°С) невозможно добавлять тугоплавкие легирующие компоненты (W, Mo, Nb и т.д.).

Таким образом до настоящего времени конвертерное производство стали было ограничено из-за вышеизложенных недостатков. В конвертерах выплавлялись лишь простые углеродистые стали обыкновенного качества.

Кислородно-конвертерный способ производства стали

В настоящее время промышленная индустрия настолько окрепла, что стало возможным в больших промышленных количествах получать промышленно чистый кислород. Продувая чугун кислородом имеется возможность выплавлять в них стали по качеству близкие к мартеновским. Кроме того благодаря применению О₂ в конвертерах производительность их еще более повышается и также повышается температура ванны (t_плавл. повышается до

2500°С), что позволяет уже в большем количестве в конвертерах переплавлять скрап. Кислородно-конвертерное производство позволило в последние годы выплавлять в конвертерах до 40% от общего количества выплавляемой стали.

Рисунок 1.2 – Кислородно-конверторный способ:

1 – горловина для загрузки, 2 – цилиндрическая часть,
3 – стальное кольцо с цапфами, 4 – съемное днище

При этом способе кислород подается в ванну жидкого чугуна в конвертере сверху, через охлаждаемую водой фурму.

Конвертерные установки с донной кислородно-топливной продувкой – в 1,5 раза превосходят по производительности 2-х ванную мартеновскую печь (при сохранении баланса металлолома).

Учебные материалы

Бессемеровский способ

Кислый способ, футеровка конвертера выложена из динасового огнеупорного кирпича. Применяется при переплавке в сталь чугуна марок Б1 и Б2, содержащих строго ограниченное (максимально допустимое в сталях) количество фосфора и серы. Это объясняется тем, что в конвертерах или в других печах с кислой футеровкой невозможно удалять вредные примеси S и Р.

Плавка стали в конвертере состоит в следующем:

1. Конвертер ставится в горизонтальное положение.
2. Заливается жидкий чугун.
3. Подается воздушное дутье под давлением Р = 3÷3,5 атм. (который окисляет примеси) и одновременно с этим конвертер ставится в вертикальное положение.

Во время плавки в кислом конвертере наблюдается 3 периода:

1) Окисление Fe, Mn, Si и образуется шлак

Длится процесс окисления 3-6 минут.

2) Выгорание углерода, т.е. его окисление, жидкость кипит:

СО вырвавшись из стали догорает ярким пламенем высотой 8-10 метров

3) Пламя прекращается и появляется бурый дым, что означает горение железа, а сам дым – частицы окислов железа. Необходимо побыстрее прекратить подачу воздуха и процесс плавки окончен.

Если углерода в стали осталось меньше необходимого по марки выплавляемой стали, то состав по С доводится добавлением в стали небольшого количества высокоуглеродистого чугуна и ферросплавов Fe-Mn, Fe-Si и Al.

Процесс плавки длится 20-30 минут, емкость конвертеров всего до 30г.

Этот метод экономичный, эффективный и распространенный. Сталь содержит незначительное количество кислорода (кислород вредная примесь, FeO повышает хрупкость стали, усиливает склонность к старению и повышает порог хладноломкости), поэтому кислая (бессемеровская) сталь более пластичная, следовательно более качественная, по сравнению со сталями выплавляемыми в основных печах.

В настоящее время развитие конвертерного производства идет по расширению кислородно-конвертерного способа, емкость которых до 250-300т.

Томасовский способ

Томасовский способ – продувка через жидкий металл воздуха, но футеровка основная и благодаря этому становится возможным удаление фосфора. Футеровка доломитовая (МgO, СаО). Применяется для переплавки в стали чугунов марок Т-1 и Т-2, содержащих повышенный % фосфора до 2,2% и серы.

В томасовском конвертере процессы окисления протекают в такой же последовательности, как и в бессемеровском, за исключением того, что в третьем периоде идет бурное окисление фосфора, за счет чего резко повышается температура стали и сталь становится более качественной и пластичной.

Для удаления Р и S в конвертер загружается 12-14% от веса заливаемого чугуна – известняк СаСО₃:

Р₂О₅(СаО)₄ – очень прочное соединение и ценное удобрение для сельского хозяйства.

– FeS + СаО → СаS + FeО, где СаS – непрочное соединение, поэтому вводят Mn:

СаS + MnO → MnS + СаО, где MnS – не переходит в ванну, если остается, то это более тугоплавкое соединение нежели FeS + Fe (t_плавл. ≈ 988°С).

В настоящее время томасовский способ в нашей стране почти не применяется, так как высокофосфористых и высокосернистых руд у нас мало.

Рассмотренные конвертерные способы выплавки стали имеют следующие преимущества:

1. Высокая производительность (время плавки 20-30 мин.).
2. Простота конструкций печей (конвертеров) и следовательно малые капитальные затраты.
3. Малые эксплуатационные затраты.
4. Не требуется при плавке специально вводить тепло, так как оно получается в конвертерах за счет реакций окисления примесей.

1. Значительный угар железа (до 13%).
2. Невозможность переплавлять в больших количествах скрап (металлический лом).
3. Более низкое качество стали (главный недостаток конвертирования) – например, за счет продувки воздухом в стали увеличивается содержание азота (до 0,025-0,048%), которое заметно снижает качество стали.
4. Из-за непродолжительности процесса невозможно в конвертерах выплавлять стали сложного химического состава, а из-за невысоких температур (наибольшая t_плавл. = 1600°С) невозможно добавлять тугоплавкие легирующие компоненты (W, Mo, Nb и т.д.).

Таким образом до настоящего времени конвертерное производство стали было ограничено из-за вышеизложенных недостатков. В конвертерах выплавлялись лишь простые углеродистые стали обыкновенного качества.

Кислородно-конвертерный способ производства стали

В настоящее время промышленная индустрия настолько окрепла, что стало возможным в больших промышленных количествах получать промышленно чистый кислород. Продувая чугун кислородом имеется возможность выплавлять в них стали по качеству близкие к мартеновским. Кроме того благодаря применению О₂ в конвертерах производительность их еще более повышается и также повышается температура ванны (t_плавл. повышается до

2500°С), что позволяет уже в большем количестве в конвертерах переплавлять скрап. Кислородно-конвертерное производство позволило в последние годы выплавлять в конвертерах до 40% от общего количества выплавляемой стали.

Рисунок 1.2 – Кислородно-конверторный способ:

1 – горловина для загрузки, 2 – цилиндрическая часть,
3 – стальное кольцо с цапфами, 4 – съемное днище

При этом способе кислород подается в ванну жидкого чугуна в конвертере сверху, через охлаждаемую водой фурму.

Конвертерные установки с донной кислородно-топливной продувкой – в 1,5 раза превосходят по производительности 2-х ванную мартеновскую печь (при сохранении баланса металлолома).

Описать схему технического процесса выплавки стали в кислородном конверторе. Какие стали получают этим способом?

1. Описать схему технического процесса выплавки стали в кислородном конверторе. Какие стали получают этим способом?

Сталь получают из передельного чугуна и железного лома.

Чугун отличается от стали большим содержанием углерода и кремния. В чугуне содержатся так­же значительные количества серы и фосфора Следовательно, для получения стали из чугуна необходимо уменьшить в нем содержание углерода и кремния, а серу и фосфор требуется удалить по возможности полнее. Это достигается окислением примесей кислородом.

Кислородно-конверторный способ. Основоположником конверторного способа получения стали является англий­ский ученый Г. Бессемер (1813—1898). При переработке чу­гуна в сталь по этому методу процесс окисления примесей осуществляется в конверторах.

Сущность кислородно –конвертерного процесса заключается в том, что налитый в плавильный агрегат (конвертор) расплавленный чугун продувают струей кислорода воздуха. Углерод, кремний и другие примеси окисляются и тем самым чугун переделывается в сталь.

Этот процесс осуществляется в конверторе, схема которого представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Конвертор

1 — механизм опро­кидывающего устрой­ства; 2—конвертор; 3 — фурма; 4 — пло­щадка для заливки чугуна.

Его грушевидный корпус (кожух) сварен из листовой стали, внутри он футерован основным огнеупорным материалом ( у кожуха магнезит или хромомагнезит, внутренний – рабочий слой – доломитосмоляная масса или кирпич).

Конвертор устанавливают на опорных станинах при помощи цапф, и он может поворачиваться вокруг оси, что необходимо для заливки чугуна и других технологических операций, рис. 2.

Рисунок 2. Технологические операции кислородно-конверторной плавки:

1- загрузка стального скрапа; 2 – заливка расплавленного чугуна; 3 – продувка кислородом; 4 – загрузка извести и железной руды с началом продувки и по ходу плавки; 5 – выпуск металла; 6 – выпуск шлака

Вместимость современных конвертеров дости­гает т.

Перед старыми способами получения стали бессемеровский способ имел два неоспоримых преимущества – очень высокую производи­тельность, отсутствие потребности в топливе. Недостатком бессемеров­ского процесса является ограниченная гамма чугунов, которые могут перерабатываться этим способом, так как при динасовой футеровке не удается удалить из металла такие примеси, как серу и фосфор, в том случае, если они содержатся в чугуне.

Кислород вдувают в конвертер вертикальной трубчатой водоохлаждаемой фурмой, опускаемой в горловину конвертера, но не доходящей до уровня металла на 1200—2000 мм. Таким образом, кислород не про­дувается через слой металла (как воздух в старых конвертерных процессах), а подается на поверхность залитого в конвертер металла. Это дает возможность перерабатывать чугуны с различным содержанием примесей, а также не только вводить в конвертер жид­кий металл, но и добавлять к нему для охлаждения скрап или желез­ную руду (количество скрапа на некоторых заводах доводят до 30 % мессы металла).

Началом очередного цикла в кислородном конвертере служит завалка в него лома и других металлических отходов; на некоторых за­водах в конвертор вводят железную руду. После введения этих добавок в конвертер начинают заливать жидкий чугун, подвозимый из миксера в чугуновозных ковшах. После того как металл займет 1/5 объ­ема конвертера, загружают известь, необходимую для связывания фосфора; в конвертор опускают водоохлаждаемую фурму и подают в нее технический кислород. В конвертере начинается интенсивный процесс окисления металла кислородом, который прежде всего, встре­чаясь с частичками железа, окисляет их по реакции

Кроме железа, окисляются и примеси, но окисление их может про­исходить не только кислородом, но и перешедшей в шлак закисью железа по реакциям

В уравнениях реакций химические элементы, находящиеся в ме­талле, заключены в квадратные скобки, а находящиеся в шлаке, — в круглые.

Все эти реакции протекают в конвертере с кислородным дутьем одновременно, причем последняя реакция способствует перемешива­нию металла.

После 15—16-минутной продувки поднимают фурму, наклоняют конвертер, берут пробу металла на анализ и скачивают большую часть шлака ; это занимает 7—8 мин; за это время экспресс-анализом определяют основные параметры стали, затем конвертер вновь ставят в вертикальное положение, опускают фурму и вторично продувают кислородом несколько минут в зависимости от данных анализа и за­данной марки стали.

В это время продолжаются реакции окисления и интенсивно идут реакции шлакообразования

и многие другие физико-химические процессы; в конце вторичной продувки в конвертер вводят раскислители ( ферромарганец и ферросилицием). Марганец и кремний реагируют с растворенным кислородом; их окислы образуют с окислами железа жидкую шлаковую фазу, что помогает вывести продукты раскисления из металла.

Затем фурму вновь подни­мают, конвертер наклоняют, бе­рут контрольную пробу метал­ла, термопарой погружения из­меряют его температуру, после чего сталь выпускают через бо­ковую летку в разливочный ковш; после слива металла ска­чивают оставшийся шлак и за­делывают выпускное отверстие. Весь технологический цикл плавки занимает 50—60 мин, а продолжительность продувки кислородом – 18—30 мин.

В кислородном конверторе удается получить доста­точно чистые по сере и фосфору стали, так как ход плавки в таком конверторе позволяет применять извест­ковые шлаки.

Недостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является большое пылеобразование, обусловленное обильным окисле­нием и испарением железа; угар металла составляет 6—9 %, что зна­чительно больше, чем при других способах получения стали. Это требует обязательного сооружения при конвертерах сложных и доро­гих пылеочистительных установок.