2. Конверторный способ получения стали
Сталью называют сплавы железа с углеродом и другими элементами. Такие сплавы обладают пластическими свойствами как в нагретом, так и в холодном состоянии и могут подвергаться прокатке, волочению, ковке и штамповке. Сталь содержит до 2% углерода и некоторое количество марганца, кремния, а также вредные примеси фосфора и серы. Кроме этого, в стали могут содержаться и легирующие элементы хром, никель, ванадий, титан и др.
В настоящее время сталь производят преимущественно путем передела чугуна, при котором из него удаляется избыток углерода, кремния, марганца, а также вредных примесей для придания стали необходимых свойств. Углерод и другие примеси при высокой температуре соединяются с кислородом гораздо энергичнее, чем железо, и их можно удалить при незначительных потерях железа. Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ СО и улетучивается. Другие примеси превращаются в оксиды SiO2, МnО и Р2О, которые вследствие меньшего по сравнению с металлом удельного веса всплывают и образуют шлак. В настоящее время в промышленности в основном применяют конвертерный и мартеновский методы получения стали, кроме того, сталь получают в электрических дуговых и индукционных печах.
Конверторный способ получения стали
Сущность конвертерного способа получения стали заключается в том, что через жидкий чугун, залитый в конвертер, продувается воздух, кислород которого окисляет углерод и другие примеси. Обычно конвертер-емкость имеет грушевидную форму, сваренную из толстой листовой стали и футерованную внутри огнеупорным кирпичом (рис. 2). Снаружи в верхней части конвертера имеются два цилиндрических выступа, называемых цапфами, которые служат для опоры и поворота конвертера. Одна из цапф делается полой и соединяется с воздуховодом. От цапфы к днищу через трубу и воздушную коробку подводится воздух. В днище конвертера имеются отверстия фурмы, через которые под давлением 2,0 — 2,5 ат. воздух подается в конвертер. Для заливки жидкого чугуна конвертер поворачивается из вертикального в горизонтальное положение. После заливки чугуна пускают дутье, и конвертер поворачивают днищем вниз.
Рисунок 2 – Схема конвертора
Слой металла в конвертере составляет от 1/5 до 1/3 высоты его цилиндрической части. Емкость современных конвертеров, работающих на воздушном дутье, достигает 50 т. В конвертерах применяют кислую и основную футеровку. Тепло, необходимое для нагрева жидкой стали до высоких температур, в этих процессах получается за счет химических реакций окисления примесей чугуна. При этом примеси могут окисляться элементарным кислородом и кислородом закиси железа, которая растворяется в металле. При окислении примесей кислородом выделяется значительное количество тепла, окисление происходит кислородом по следующим реакциям:
Si + О2 SiO2 + Q;
Mn + 1/2O2 MnO + Q;
С + 1/2О2 СО + Q;
C + O2 CO2 + Q;
Fe + 1/2O2 FeO + Q;
2P + 2/3 O2 P2O5 + Q.
Окисление примесей чугуна кислородом закиси железа происходит по следующим реакциям:
Si + 2FeO SiO2 + 2Fe + Q;
Mn + FeO MnO + Fe + Q;
С + FeO CO + Fe — Q;
2P + FeO P2O5 + 5Fe + Q.
При окислении элементов наибольшее количество тепла выделяют кремний, фосфор и марганец. Эти вещества используются при продувке чугуна как источник тепла (кремний в кислом процессе, а фосфор — в основном конвертере). Недостаточное количество тепла от реакций компенсируется температурой жидкого чугуна.
Для получения стали методом продувки применяют чугун марки Б-1 и Б-2 — для кислого и Т1 — для основного процесса. Чугун марки Б-1 и Б-2 содержит минимальное количество фосфора (0,07%) и серы (0,06%). Чугун марки Т-1 содержит гораздо больше фосфора (1,6 — 2,0%, иногда до 2,5%). В последнее время для продувки чугуна вместо воздуха применяют технический кислород, который позволяет повысить скорость плавки и выход качественной стали за счет увеличения добавки твердой шихты, а также уменьшения химических примесей в чугуне, подвергающихся окислению. Конвертер, работающий на кислородном дутье, по своей конструкции отличается от обычных конвертеров тем, что в нем имеется сплошное днище. Кислород вовремя плавки подается в него сверху, так как его подача через донные фурмы приводит к их быстрому разрушению. Для этой цели в конвертер опускают трубу, через которую подают кислород и вдувают известь или смесь извести и плавикового шпата. Концентрацию извести и шпата в струе кислорода регулируют в зависимости от состава чугуна. Работают конвертеры на кислородном дутье емкостью 3, 30, 50, 100, 150 и 250 т. Эти конвертеры в основном футеруются магнезитовым кирпичом и доломитовым порошком. Труба, через которую подается кислород, вместе с известью охлаждается водой. Расход воды для трехтонного конвертера составляет 20 м3/ч. Состав извести может изменяться по содержанию окиси кальция от 78 до 92%, окиси кремния SiO2 — от 1,5 до 2,7% и серы — от 0,07 до 0,12%. Возможность применения извести разного состава является большим преимуществом данного способа. Подача извести в струе кислорода обеспечивает исключительно высокую степень соединения и удаления фосфора и серы из металла в шлак. Добавка плавикового шпата к извести еще больше повышает активность шлаков. Кислород применяется технический под давлением 6 — 8 ат. Для понижения температуры металла в конвертер во время плавки загружают стальной лом и железную стружку. При повышенном содержании кремния в чугуне подачу извести увеличивают для того, чтобы получить шлак с необходимой основностью для связывания фосфора. При продувке томассовского чугуна, содержащего 3,6% С; 0,8% Мп; 0,4% Si; 1,7% Р и 0,04% S, после промежуточного скачивания шлака содержание С в металле понижается до 0,6%, а Р — до 0,1%. Полученный шлак является хорошим удобрением для сельского хозяйства. После повторного вдувания извести получают металл с содержанием 0,8% С; 0,31% Мп; 0,017% Р; 0,014% S; 0,001% Ni и следами S , то есть получают сталь, подобную по составу мартеновской. Расход кислорода на 1 т чугуна составляет 60 — 65 м3, а извести 130 — 135 кг. Длительность продувки в тридцатитонном конвертере составляет 20 — 30 мин, расход футеровки — 10 кг на 1 т чугуна.
На современном этапе развития металлургического производства конвертерный способ не решает задачу получения стали сразнообразными свойствами. Для успешного осуществления конвертерного способа требуется чугун строго ограниченного состава.
Источник
Кислородный конвертер
Для производства стали применяют три хорошо отработанных технологических процесса: мартеновский, кислородно-конвертерный, электроплавильный. Согласно статистике наибольшее количество стали в мире выплавляют, используя кислородный конвертер. На него приходится более 70% всей выплавляемой стали.
Основы этого метода были разработаны в начале тридцатых годов двадцатого века. Применять его приступили на австрийских заводах, расположенных в двух городах Линце и Донавице только в пятидесятые годы двадцатого века. В зарубежной технической литературе по металлургии этот способ получения стали именуется буквами ЛД. Это название возникло из первых букв австрийских городов. У наших металлургов он именуется как кислородно-конвертерный.
Разновидности кислородно-конвертерного способа
В кислородных конвертерах технология выплавки происходит по одному из двух хорошо известных способов. Они носят имя своих создателей: томасовский и бессемеровский. Однако современные технологии шагнули далеко вперёд. Так содержание азота в томасовской и бессемеровской стали выше в три раза, чем в конвертерной или мартеновской.
Разница между ними заключается в реализации технологических решений и применяемого огнеупорного материала. В томасовском процессе достаточно сложно производить контроль над протеканием периодов плавки. Бессемеровский процесс позволяет производить продувку воздухом через дно самого конвертера.
По способу организации продувки кислородно-конвертерный процесс бывает: с верхней, нижней или донной, комбинированной продувкой.
Первый способ обеспечивает наилучшие условия следующих технологических процессов: подачи в конвертер кислорода для продувки, более эффективный вывод лишних газовых скоплений, удобную заливку жидкого чугуна, дополнительную загрузку металлического лома и других дополнительных материалов.
Конвертеры с нижней продувкой всегда сделаны с меньшим объемом, по сравнению с конвертерами, обладающими верхней продувкой. Для реализации продувки через дно в нижней части конвертера монтируют от семи до двадцати специальных устройств, называемых фурмами. Их количество зависит от объёма конвертера. Монтируют эти устройства в той части дна, которая поднимается над уровнем расплавленного металла в момент наклона конвертера. После освобождения от содержимого осуществляется этап продувки. Существенно повышается скорость движения молекул углерода к поверхности. Это снижает общее содержание химического элемента в расплаве. Таким образом, появляется возможность получать сталь, в которой процент содержания оставшегося углерода очень маленький.
Кроме углерода, удаётся получить лучшее удаление серы. Осуществляя продувку со стороны дна, удаётся повысить на 2% количество получаемого металла.
Последний способ позволяет объединить некоторые достоинства обоих методов и в то же время устранить некоторые имеющиеся недостатки. Продувка мощным потоком кислорода производиться сверху вниз. Снизу вверх производят продувку инертным газом, например аргоном. Иногда для снижения общей стоимости вместо инертных газов применяют азот. Применение комбинированной продувки позволяет добиться следующих положительных показателей:
- увеличить объём выплавляемого металла;
- процент добавляемого металлического лома может быть повышен;
- добиться существенного снижения требуемых ферросплавов;
- уменьшить требуемое количество кислорода для продувки;
- снизить содержания различных газовых примесей, что позволяет повысить качество стали.
Технология кислородно-конвертерного способа
Устройство кислородного конвертера достаточно простое. По внешней форме конвертер выглядит как большой сосуд. Сверху он заканчивается сужающейся горловиной. Такая форма верхней части позволяет обеспечивать благоприятные условия для организации верхней продувочной системы. Вся загрузка компонентов в конвертер осуществляется сверху. Принцип работы кислородного конвертера заключается в следующем: в него заливают расплавленный чугун (он служит топливом для кислородного конвертера), засыпают металлический лом, загружают дополнительные материалы. В центральной части металлического корпуса конвертера располагается механизм поворота. С его помощью происходит наклон конвертера для слива готовой стали. В конвертерах, у которых объём превышает 200 тонн, применяют мощный двухсторонний привод. Для этого используют четыре мощных электрических двигателя, по два с каждой стороны.
При выборе размера верхней горловины учитывают, что целесообразно производить загрузку исходного материала, например стального лома не по частям, а сразу весь объём. Это позволяет сократить общее время, которое требуется на весь технологический процесс. Однако при увеличении размера горловины конвектора начинают увеличиваться общие тепловые потери. Происходит повышение содержания азота. Это происходит за счёт того, что через широкую горловину происходит самопроизвольное подсасывание дополнительного кислорода из окружающего воздуха. Вместе с кислородом попадает и азот. Этот дополнительный азот растворяется в металле и приводит к снижению качества.
Во многих странах наиболее распространёнными являются конвертеры с объёмом от 20 тонн до 450 тонн. Продолжительность конвертерного процесса выплавки стали не превышает 50 минут.
Сохранение надёжности протекания химических реакций при конвертерном процессе выплавки стали происходит благодаря поддержанию температуры более 1400°C. Для обеспечения этих условий металлический корпус конвертера внутри выкладывается огнеупорным материалом (обычно это специальный шамотный или тугоплавкий кирпич). На первом этапе производят загрузку кислородного конвертера. После этого, приступают к подаче кислорода. Требуемое количество подаваемого воздуха для обеспечения одной плавки составляет 350 кубических метров.
Кислород с большой скоростью вступает в химическую реакцию с расплавленным чугуном. Это позволяет удалить избыточный углерод. Присутствующие в металле серу и фосфор одновременно превращают в шлак. Такая технологическая цепочка позволяет остановить плавку в тот момент, когда уровень содержания углерода достигнет заданных технических условий. Это позволяет получать довольно большую номенклатуру углеродистых сталей и добиваться низкого содержания серы, фосфора и других примесей.
Контроль происходящих процессов и качество металла, осуществляют методом периодического отбора проб. Они позволяют определить степень оставшегося в расплаве газообразного углерода. Когда процент содержания углерода достигнет заданного, процесс продувки кислородом останавливают. По завершению технологической цепочки, сталь выливают в специальный ковш. Оставшийся шлак удаляют через специальный слив в конвертере.
Особое внимание уделяется контролю количества и скорости подачи кислорода. Процент содержания кислорода регулируют введением в конвертер охладителей. Функции охладителей могут выполнять: металлолом, железная руда, известняк.
Схема кислородного конвертера
Всё равно в готовой стали всегда сохраняется определённый процент кислорода. Он вступает в реакцию окисления с железом. Таким образом образуется окись железа. Чтобы снизить содержание этой окиси (провести операцию восстановления железа), в ковш добавляют так называемые раскислители. Если процесс так называемого раскисления произошел технологически правильно, в результате остывания отсутствует процесс выделения газов. Такую сталь металлурги называют спокойной. Для получения такой стали, в качестве раскислителей, в расплав добавляют сначала добавки на основе ферромарганца. На конечном этапе добавляют ферросилиций. В конце плавки — обыкновенный алюминий.
Вся технологическая цепочка производства стали подразделяется на следующие этапы:
- окисление присутствующих добавок;
- последовательные химические реакции (сначала окисление кремния; затем марганца, на завершающем этапе углерода);
- дефосфорация;
- десульфурация;
- шлаковое образование;
- процесс общего раскисления.
Если весь кислород не был удалён, продолжается образование окиси железа. Кроме этого, при остывании продолжается химическая реакция взаимодействия углерода и железа. Она приводит к выделению окись углерода. Его интенсивное образование и последующее выделение из расплава хорошо видно визуально. Процесс напоминает закипания воды в чайнике. Подобная сталь на языке профессионалов называется «кипящей». Для устранения этого эффекта в расплав добавляют ферромарганец.
Присутствие в жидком металле растворенных газов, которые не успевают выйти, приводит к образованию пустот. Они серьёзно снижают качество всего полученного металла. Чтобы не допустить таких образований, на этапе плавки, производят специальную дегазацию. Чтобы добиться наилучшего эффекта, эту операцию проводят в специальных вакуумных камерах. Таким образом удаётся существенно повысить плотность и улучшить физико-механические свойства полученной партии металла.
Достоинства и недостатки кислородно-конвертерного способа
К основным достоинствам способа относятся:
- по сравнению с другими процессами выплавки у него более высокая производительность;
- конструктивная схема самого кислородного конвертера достаточно проста (обыкновенный металлический резервуар, то есть корпус, внутри которого находится огнеупорный материал);
- низкая стоимость расходов на огнеупоры;
- невысокая себестоимость получаемой стали;
- низкие капитальные затраты на строительство, даже с учётом добавления стоимости на строительство кислородных станций.
Опыт эксплуатации конвертеров показал, что экономическая эффективность превышает мартеновский способ на 14%, а электроплавильный на 25%.
К наиболее явно выраженным недостаткам относятся:
- необходимость загрузки в конвертер только жидкого чугуна. Добавление и последующая переработка металлического вторсырья возможна только в небольшом количестве (не более 10%);
- на этапе технологической продувки вместе с углеродом выгорает достаточно большое количество полезного железа. Технологические потери могут достигать 15%;
- возникают сложности в организации системы контроля и регулирования конвертерного процесса выплавки стали. Это связано с высокой скорость протекания химических процессов;
- недостаточный контроль не позволяет получать сталь точно заданных технических характеристик.
Область применения конвертерных видов стали
Имеющиеся недостатки несколько ограничивают область применения подобной стали. Из неё производят такие деталей, к которым не предъявляют повышенные технические требования. В кислородных конвертерах получают продукцию трёх видов: углеродистую, легированную и низколегированную сталь. Эти марки используются для изготовления проволоки (катанки), труб небольшого диаметра, отдельных видов рельс.
Специальные изделия активно применяются в строительстве. Практически вся так называемая автоматная сталь изготавливается по конвертерной технологии. Из неё производят большое количество метизной продукции: болты, гайки, шурупы, саморезы, скобы и так далее.
Источник
