Производство стали в кислородных конвертерах

Производство стали в кислородном конвертере

Производство стали в кислородных конвертерах. Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода (до 2,1 %), кремния (до 0,4 %), марганца (до 0,8 %), примесей серы (до 0,04 %) и фосфора (до 0,04 %).

Исходными материалами для получения стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Сутью передела чугуна в сталь является уменьшение содержания углерода и других входящих в чугун элементов. В настоящее время сталь получают преимущественно в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах.

Кислородно-конвертерным и мартеновским способами выплавляют около 80 % всей стали.

Кислородно-конвертерный процесс заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. Сталь, полученная этим способом, наиболее дешевая и не уступает по качеству мартеновской. Кислородный конвертер представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, внутренняя поверхность которого облицована алюмосиликатным кирпичом (рис. 2.3).

Конвертеры изготовляют емкостью на 100—350 т жидкого чугуна. Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали составляет 50—60 м 3 .

Перед началом работы конвертер поворачивают на цапфах вокруг горизонтальной оси и с помощью завалочной машины загружают до 30 % объема металлоломом, затем заливают жидкий чугун, нагретый до температуры 1250—1400 °С, возвращают конвертер в исходное вертикальное положение, подают кислород и добавляют шлакообразующие материалы: известь, плавиковый шпат и железную руду, которая ускоряет процесс окисления. При продувке конвертера техническим кислородом углерод и другие примеси окисляются в процессе дутья и благодаря присутствию в руде оксида железа FeO. При этом образуется химически активный шлак с необходимым содержанием окиси кальция СаО, благодаря чему происходит удаление серы. В момент, когда содержание углерода достигает количества, заданного для выплавляемой стали определенной марки, подачу кислорода прекращают, конвертер поворачивают и выливают вначале сталь, а затем шлак.

Рис. 2.3. Кислородный конвертер 1 — горловина для загрузки; 2 — водоохлаждаемая фурма; 3 — выпускное отверстие

Для уменьшения содержания кислорода в стали при выпуске из конвертера ее раскисляют, т. е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду — Mn, Si, Al.

По степени раскисления различают сталь кипящую (кп), спокойную (сп) и полуспокойную (пс). Кипящая сталь — наименее (слабо) раскисленная.

В такой стали реакция образования окиси углерода C + O = СО не прекращается до ее полного отверждения: во время разливки металл продолжает «кипеть» из-за выделения пузырей СО. В слитке образуются газовые раковины, которые завариваются впоследствии при обработке стали давлением.

Выход годного металла при производстве кипящей стали выше, чем при производстве других сталей, так как в этом случае не образуется усадочной раковины, а сама сталь обходится дешевле. Спокойная сталь получается при полном раскислении, когда выделение СО прекращается.

Эта сталь наиболее качественная, но и наиболее дорогая. В верхней части слитка образуются большая усадочная раковина и рыхлота, что уменьшает выход годного металла. Полуспокойная сталь получается при неполном раскислении.

Производительность кислородного конвертера емкостью 300 т достигает 400—500 т/ч, в то время как производительность мартеновских и электрических печей не превышает 80 т/ч. Благодаря высокой производительности, простоте устройства, отсутствию необходимости в топливе и малой металлоемкости кислородно-конвертерный способ становится основным способом производства стали.

Конвертерное производство — получение стали в сталеплавильных агрегатах-конвертерах путём продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению кислородом содержащихся в чугуне примесей (кремния, марганца, углерода и др.

) и последующему удалению их из расплава. Выделяющееся в процессе окисления тепло повышает температуру расплава до необходимой для расплавления стали, то есть конвертер не требует топлива для работы. На начало XXI века более 60 % стали в мире производится конвертерным способом [1] .

Бессемеровский процесс [ править | править код ]

Первый массовый способ получения жидкой стали открыл английский изобретатель Генри Бессемер в 1856. До Бессемера плавленой стали не существовало: невозможно было получить температуру свыше 1500°, необходимую для расплавления металла с пониженным относительно чугуна содержанием углерода. Сталь получали пудлингованием и ковкой криц.

Продувка расплава в бессемеровском конвертере осуществляется атмосферным воздухом. Содержащийся в нём азот уносит заметную часть полезного тепла реакции, не позволяя вносить в плавку большие количества лома, и частично переходит примесью в получаемую сталь.

Основной недостаток процесса — невысокое качество металла за счёт неудалённых при продувке вредных примесей (фосфора и серы). Для выплавки бессемеровских чугунов нужны очень чистые по содержанию серы и фосфора железные руды, природные запасы которых ограничены.

Томасовский процесс [ править | править код ]

Англичанин Сидни Гилкрист Томас в 1878 вместо кислой динасовой футеровки бессемеровского конвертера применил основную футеровку, а для связывания фосфора предложил использовать известь.

Томасовский процесс позволил перерабатывать высокофосфористые чугуны и получил распространение в странах, где железные руды большинства месторождений содержат много фосфора (Бельгия, Люксембург, др.).

Однако и томасовская сталь была низкого качества.

В 1864 французский металлург П. Мартен разработал процесс получения стали в мартеновской печи.

Однако следует заметить, что время плавки в мартеновской печи гораздо больше, чем в конвертере. Мартеновская печь требует внешнего обогрева в течение всей плавки, в то время как конвертер разогревается сам. Вследствие этого мартеновский способ вытесняется окончательно конвертерным.

Единственным достоинством стали, выплавленной в мартеновской печи, по сравнению с конвертерной, остается её большой ассортимент, в то время как для повышения количества марок стали конвертерной используют установку доводки стали.

Производство стали в кислородных конвертерах — Справочник металлиста

Конвертерный способ производства стали

Категория:

Производство черных и цветных металлов

Конвертерный способ производства стали

Далее: Мартеновский способ производства стали

Источником теплоты при конвертерном способе являются химические реакции окисления элементов, входящих в состав чугуна.

Окисление протекает в основном за счет кислорода дутья (воздуха, технически чистого кислорода, паро-кислородной смеси).

В настоящее время дутье подается в различных конвертерах через днище, сбоку или сверху. В соответствии с этим применяются конвертеры различных конструкций.

Конвертеры с боковым дутьем имеют емкость 0,5—4 т и используются в сталелитейном производстве с целью выплавки стали для фасонного литья; устройство такого конвертера рассмотрено в [разделе «Литейное производство».

На металлургических заводах в настоящее время применяют конвертеры с нижним (через отверстия в днище) и верхним (через горловину) дутьем емкостью от 5 до 60 т.

До последнего времени применялись лишь конвертеры с нижним дутьем и использованием атмосферного воздуха; в результате выплавлялась сталь, насыщенная азотом и имеющая поэтому пониженную свариваемость, а также склонность к старению и хрупкому излому при низких температурах.

В связи с этим недостатком конвертерный передел, являющийся первым способом массового производства литой стали, с конца прошлого века постепенно вытеснился мартеновским и электросталеплавильными способами. К 1956 г.

доля конвертерного способа в общем производстве стали снизилась в СССР до 4,1%, а в США до 3,8%.

Применение вместо воздуха технически чистого кислорода резко изменяет весь ход процесса, позволяет использовать наиболее дешевый передельный мартеновский чугун, переплавлять в конвертере до 20—30% металлолома .

(вместо 5—10% при воздушном дутье), получать сталь, по качеству не уступающую мартеновской. Основным преимуществом конвертерного способа является его высокая производительность (цех, имеющий 3—4 конвертера емкостью по 25 т, может дать до 1 300 000 т стали в год). Поэтому в ближайшие годы следует ожидать повышения доли конвертерного способа в общем производстве стали.

Контрольными цифрами по семилетнему плану (1959—1965 гг.) развития народного хозяйства СССР предусмотрено строительство конвертерных цехов на ряде металлургических заводов.

Конвертер с нижним дутьем (рис. 1) представляет сосуд грушевидной формы. Кожух конвертера сваривают из толстой листовой стали и футеруют внутри огнеупорным материалом. Снаружи в средней части конвертер имеет два цилиндрических выступа, называемых цапфами, которые служат для опоры и поворота конвертера.

Одна из цапф (2) делается полой и соединяется с газопроводом. От цапфы к днищу дутье подается через трубу и коробку. В днище конвертера имеются отверстия — фурмы, через которые дутье подается в конвертер под давлением 1,8—2,5 ати.

Рис. 1. Бессемеровский конвертер

Для облегчения ремонта конвертера днище делается приставным.

При заливке жидкого чугуна и при перерывах процесса конвертер поворачивается на цапфах в положение, показанное на рис.

2, с помощью зубчатой рейки, сцепленной с зубчатым колесом (рис. 1). После заливки чугуна пускают дутье, и конвертер поворачивают днищем вниз.

Слой металла составляет при этом от V5 до 1/3 высоты цилиндрической части конвертера.

В конвертер с верхним дутьем кислород под давлением 4—12 ати подводят на поверхность металлической ванны через специальную водоохлаждаемую фурму с медным соплом.

Кислород под напором струи частично проникает в металлическую ванну и окисляет ее, частично же растекается по поверхности и обеспечивает сгорание в конвертере выделяющейся из металла окиси углерода, что увеличивает количество теплоты, выделяющейся в конвертере.

При продувке кислородом применяют конвертеры с глухим дном, стационарные и вращающиеся.

При стационарном положении конвер: тера во время продувки не достигается требуемое перемешивание металла, поэтому в зоне сопрйкосновения кислорода с металлом происходит резкое местное повышение температуры, вызывающее значительные потери железа в виде окислов, уносимых газами, удаляющимися через горловину конвертера. На рис.

Продукты горения при продувке отводятся через горловину конвертера, откидной камин и газоотвод.

Рис. 2. Положение конвертера при заливке его чугуном

Чугун из доменной печи или миксера поступает в ковш, а из него вливается в конвертер при температуре около 1300°. Выгорание примесей при продувании воздуха происходит бурно, с выделением большого количества тепла.

При этом наблюдается определенная последовательность выгорания примесей.

Рис. 3. Вращающийся конвертер для продувки сверху

Первый период при продувке кислородом продолжается около 2 мин. и сопровождается повышением температуры металла до 1550— 1750° вследствие выделения большого количества теплоты при окислении железа, кремния и марганца.

При дальнейшей продувке шум стихает, пламя уменьшается и исчезает и появляется бурый дым; это свидетельствует о завершении выгорания примесей и интенсивном окислении железа, поэтому в конце второго первдда продувку заканчивают.

В настоящее время освоены и применяются методы остановки продув на заданном содержаний углерода, при этом продувка прерывается во втором периоде до появления бурого дыма.

Рис. 4. График изменения состава металла при продувке кислородом через днище

По окончании продувки производят раскисление стали.

Необходимость раскисления вызывается тем, что закись железа (FeO), растворенная в стали, придает ей красноломкость (хрупкость в горячем состоянии).

Раскисление производится элементами, обладающими большим сродством к кислороду, чем железо.

Такими элементами являются марганец и кремний, содержащиеся в зеркальном чугуне, ферромарганце и ферросилиции, а также алюминий.

Готовый металл выливают в ковш и разливают по изложницам.

Томасовский процесс. Томасовский способ получения стали появился вследствие необходимости переработки фосфористых чугунов, которые получаются из фосфористых руд, достаточно распространенных в природе (например, Керченские руды в СССР).

Для перевода в шлак окиси фосфора, образующейся при продувании чугуна, необходимо применять основной флюс — известь. Однако в бессемеровский конвертер известь загружать нельзя, так как она будет разъедать кислую динасовую футеровку.

В последние годы все возрастающее распространение получает способ продувки кислородом фосфористых чугунов сверху в конвертерах с глухим дном.

В конвертер сначала загружается известь в количестве 4—10% от веса чугуна (в зависимости от количества фосфора и серы в последнем), а затем производится заливка самого чугуна при температуре 1250—1300°.

В ходе процесса делают присадку железной руды и скрапа.

При переработке высокофосфористых чугунов с целью предотвращения перехода фосфора из шлака в металл производят спуск высокофосфористого шлака и загрузку дополнительных порций извести.

На рис. 9 приведен график изменения состава металла при переработке высокофосфористого чугуна в 30-тонном вращающемся конвертере; точки а и б соответствуют времени спуска шлака, точка в выпуску стали. Полученный фосфористый шлак является ценным удобрением, поэтому он считается не отходом, а вторым продуктом плавки.

По окончании продувки производят раскисление стали (в конвертере или в ковше).

Наличие горячего высо-коизвестковистого шлака обеспечивает возможность более быстрого окисления и ошлакования фосфора по сравнению с углеродом (при продувке воздухом фосфор переходит в шлак после выгорания углерода), поэтому при продувке кислородом сверху можно сохранить содержание углерода на нужном пределе. Например, из графика рис. 9 видно, что процесс продувки закончен при содержании 0,5%С и 0,25% Р.

Качество конвертерной стали, продутой кислородом, не уступает мартеновской, поэтому она используется наравне с мартеновской в различных отраслях промышленности вплоть до автомобильной для изготовления деталей методом глубокой вытяжки и др.

Читать далее:

Мартеновский способ производства стали

→ Справочник → Статьи → Блог → Форум

Конвертерным способом получают более 50 % стали. Этот метод разработал и в 1856 г. осуществил английский металлург Генри Бессемер.

Кислородно конвертерный способ производства стали

Важно отметить, что кислородно-конвертерный способ производства стали имеет ряд особенностей, связанных с технологическими тонкостями, в процессе всего производства. Значительные затраты на конвертерное производство оправдывают окупаемость во время эксплуатации любых изделий, особенно из стали, выплавленной таким путем.

Согласно технологическим особенностям, конвертерный способ подразделяется на две разновидности:

• Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем – бессемеровский и томасовский процессы.
• Кислородно-конвертерный процесс с продувкой кислородом сверху и снизу.

Кислородно-конверторный способ

При воздушном дутье, залитый в конвертерах чугун, продувают снизу воздухом. Благодаря тому, что частицы воздуха окисляют любые примеси чугуна, происходит повышение температуры стали вплоть до 1,6 тыс. градусов. Именно это тепло и превращает чугун в сталь.

Различия двух способов

Вышеупомянутое производство подразделяется на бессемеровский и томасовский процессы. Различия между ними в основных составляющих футеровках конвертеров.

Бессемеровский путь выплавки стали позволяет использовать низкое содержание фосфора и серы. При томасовском способе, наоборот, чугун переплавляется посредством высокого содержания фосфора.

Суть кислородно-конвертерного производства заключается в выплавке стали посредством футеровки и продувки кислородом из жидкой чугунной основы. В обязательном порядке для этого используется водоохлаждающая форма.

В агрегатах кислород подается снизу. Этот метод наиболее распространен в России. Хотя в зарубежных странах нередко применяется и комбинированный способ продувки. В металлургии кислородно-конвертерный метод выплавки признан практически одним из самых эффективных по нескольким параметрам:

• Воспроизведение одного сталеплавильного агрегата превышает в мощности иные способы в несколько тон.
• В большегрузных конвертерах воспроизведение достигает порядка 500 тонн за 1 час.
• Затратные средства значительно ниже, чем при ином производстве.
• Довольно экономное обустройство любого цеха, даже в независимости от мощности плавильных агрегатов.
• Простота процесса состоит в автоматизации метода выплавки стали.

Благодаря тому, что используется чистый кислород, сталь, получаемая на выходе, не имеет высокого содержания азота. Это позволяет использовать материал в широких спектрах малой промышленности. Важно и то, что сравнительная безопасность для здоровья, позволяет задействовать специалистов среднего звена.

Возможность предоставить работу большему количеству населения

Особенности производства стали кислородно-конвертерным способом

Для создания стали подобным способом используется не только специальное оборудование.

В первую очередь необходимо учитывать технологические требования к подготовительным работам.

Конвертерное производство посредством продувки кислородом происходит в несколько этапов:

• в конвертер загружается металлолом;
• заливается чугунное сырье;
• включается продувка содержимого конвертера кислородом;
• загружаются сливы стали, шлаки и шлакообразующие.

Процесс конвертерной выплавки стали

Каждый из этапов выполняется только в описанной последовательности с правильным учетом пропорций. В наклоненную конвертерную емкость лом любых видов металла загружается с помощью завалочных машин.

На следующем шаге специально установленные заливочные краны позволяют залить необходимое количество чугуна. После этого конвертер нужно установить вертикально и только затем начинать продувку кислородом. Частота которого не менее 99,5% О2.

Как только начинается продувка, важно загрузить часть шлаковых материалов. Весь объем которых, в том числе и железной руды, распределяется в несколько приемов. Важно соблюдать скорость их загрузки, но не позже чем через 5–7 минут после первого этапа выплавки.

Особенности и секреты процесса

От иных способов стального производства подобный метод отличается тем, что завязан на очень высоких скоростях. Весь метод, как правило, проходит буквально за 14–24 минуты. Высокие температуры позволяют задавать мгновенную скорость растворения извести в шлаковых содержимых.

Поэтому и выплавка стали в одном конвертере, включая весь процесс производства, не составляет более 30 минут. Важно отметить, что на качество основного процесса непосредственное влияние оказывает неравномерность окисления каждого из компонента, содержащегося в агрегате.

Ведущий принцип кислородно-конвертерного процесса обусловлен регулированием температурного режима и изменением количества продувок. Необходимое условие для эффективности выплавки – введение охладителей в качестве железной руды, металлолома, известняка.

Очистка пылевых отходов происходит при помощи котла-утилизатора. Все отходящие газы от процесса выплавки попадают в установку для их очистки. Все производство стали кислородным способом управляется мощными современными компьютерами.

Стоит отметить, что при донной продувке удельный объем готовой стали гораздо меньше, чем при верхней продувке. Именно при донном методе скорость получения готовой стали гораздо выше.

Технологии получения жидкой стали

К тому же что касается готового металла, то по окончании всех производственных работ результат эффективнее на 1–2%.

Дополнительно во время процесса сокращается длительность продувки, происходит ускорение плавления лома. Все это позволяет налаживать конкретный технологический процесс при меньшей высоте производственного здания.

Производство стали в кислородных конвертерах — Металлы, оборудование, инструкции

Важно отметить, что кислородно-конвертерный способ производства стали имеет ряд особенностей, связанных с технологическими тонкостями, в процессе всего производства. Значительные затраты на конвертерное производство оправдывают окупаемость во время эксплуатации любых изделий, особенно из стали, выплавленной таким путем.

Основные нюансы процесса

Согласно технологическим особенностям, конвертерный способ подразделяется на две разновидности:

• Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем – бессемеровский и томасовский процессы.
• Кислородно-конвертерный процесс с продувкой кислородом сверху и снизу.

При воздушном дутье, залитый в конвертерах чугун, продувают снизу воздухом. Благодаря тому, что частицы воздуха окисляют любые примеси чугуна, происходит повышение температуры стали вплоть до 1,6 тыс. градусов. Именно это тепло и превращает чугун в сталь.

Ведущие принципы выплавки качественной стали

Согласно статистическим показателям каждая десятая тонна выплавленной стали в мире получается в результате кислородно-конвертерного способа при донной продувке.

Весь процесс при низких производственных затратах и адекватных условиях для хода работ, способствует выплавки высококачественной стали. Уникальные технологические мощности конвертерных агрегатов позволяют использовать различные составы сплавов, кроме самого жидкого чугуна.

Одним из ведущих принципов производства стали в кислородных конвертерах является их проектирование емкостью от 400 до 4,3 тыс. тонн и минимальной высотой 6–8 метров. Слишком низкие агрегаты провоцируют выбросы вспенивающегося металла через узкие горловины. Подобный факт негативно сказывается на всем процессе производства и на качестве самой стали на выходе.

Планирование процесса

Принципиально важно и перед каждой плавкой осуществлять детальное планирование всех оптимальных условий. Они включают в себя:

• расход чугуна и лома,
• уровень подачи кислорода в фурму,
• приблизительные расчеты по концентрации фосфора, серы и шлаков,
• анализ окончательной массы стали и заданных объемов отходов.

Удельная интенсивность выплавки стали кислородным способом в конвертерах позволяет производить высокие объемы сырья при минимальных нагрузках на ход процесса. Немаловажную роль здесь играет фактор проектирования и выбора сопутствующих условий, а также организации технологии производства.

Высококачественную сталь в стране получают не только на огромных заводах, но и на территории малых помещений, для эффективного производства требуется необходимая мощность агрегатов и квалифицированные специалисты.

по теме: Основы кислородно конвертерного производства