Кислородные конвертеры

Общая характеристика

Кислородные конвертеры получили широкое распрост­ранение благодаря ряду технико-экономических преиму­ществ, главными из которых являются высокая производи­тельность по сравнению с мартеновскими печами, способ­ность переплавлять скрап и давать сталь лучшего качест­ва по сравнению с воздушными конвертерами. В настоящее время кислородные конвертеры являются наиболее распро­страненными и перспективными сталеплавильными агрега­тами в мире. В достаточно широкой эксплуатации находят­ся кислородные конвертеры с верхней, наклонной и донной продувкой ванны кислородом. Наибольшее распространение получили конвертеры с верхней продувкой. Они обычно называются конвертерами ЛД по имени австрийских горо­дов Линц и Донавиц, где они были впервые построены. В этих конвертерах, работающих на мартеновских чугунах, получают сталь достаточно хорошего качества, они способ­ны переплавлять около 25% стального скрапа в металли­ческую завалку. Скорость выхода кислорода из фурм в этих конвертерах в 2 – 2, 5 раза превышает скорость звука. Увеличение доли скрапа сверх 25% в этих конвертерах невозможно, так как оксид углерода, образующийся при окислении углерода, дожигается вне пределов рабочего пространства конвертера. Это является существенным не­достатком этого конвертера, так как требует специальных, весьма крупных и дорогостоящих устройств для дожигания СО улавливания выделившегося при этом тепла. Эти уст­ройства, среди которых главным является большой котел-утилизатор, располагаются над конвертером, что требует строительства специальных цехов большой высоты. Это обстоятельство несколько сдерживает распространение конвертеров ЛД, так как они не могут быть размещены в существующих и подлежащих реконструкции мартеновских цехах. Тем не менее конвертеры ЛД в настоящее время яв­ляются наиболее распространенными.

Стремление дожечь оксид углерода в пределах рабочего пространства и получить дополнительное количество тепла, необходимое для использования большей, чем 25% доли скрапа в металлическую завалку, послужило толчком для создания конвертера с подачей кислорода под углом к по­верхности металлической ванны со скоростью, не превыша­ющей 200 – 250 м/с. Конвертер расположен наклонно, имеет развитую поверхность металлической ванны и во время плавки вращается вокруг оси, что улучшает перемешива­ние металла и позволяет полезно использовать тепло, акку­мулированное кладкой. Все это позволило обеспечить до­жигание СО в пределах рабочего пространства конвертера и поднять долю скрапа в завалку до 45%. Впервые такой конвертер был построен в 1956 г. в шведском городе Домнарвете по предложению известного металлурга профессо­ра Каллинга и получил название конвертера Кал-До. В на­стоящее время в конвертерах Кал-До выплавляется при­близительно 35 млн. т стали. Распространение этих конвер­теров несколько сдерживается сложностью их строительства и эксплуатации. Конвертер Кал-До также как и ЛД рабо­тает на мартеновских чугунах и требует строительства спе­циального цеха, так как в существующих мартеновских це­хах размещен быть не может.

В 1966 – 1967 гг. за рубежом были построены кислород­ные конвертеры с донным дутьем. Необходимость создания такого конвертера возникла, в основном, по двум причи­нам. Во-первых, необходимостью переработки чугунов с повышенным содержанием марганца, кремния и фосфора, поскольку передел такого чугуна в конвертерах ЛД сопро­вождается выбросами металла в ходе продувки и не обес­печивает должной стабильности химического состава гото­вой стали. Второй причиной является то, что конвертер с донной продувкой стал наиболее приемлемой конструкцией для реконструкции существующих бессемеровских и томассовских цехов и вписывается в здание существующих марте­новских цехов, подлежащих реконструкции. Этому конвер­теру свойственно наличие большого числа реакционных зон, интенсивное окисление углерода с первых минут плавки, низкое содержание оксидов железа в шлаке. В силу специфики работы сталеплавильной ванны при данной продувке в конвертерах подобного типа выход годного несколько вы­ше, чем в конвертерах ЛД и Кал-До, а запыленность отхо­дящих газов ниже. В 1979 г. в мире работало 79 конверте­ров с донным дутьем, общая производительность которых достигала 37 – 38 млн. тонн стали, т.е. около 7% мирового производства кислородно-конвертерной стали.

Первоначально предполагалось, что особенность процесса производства стали с донной продувкой кислородом сде­лают его экономически более выгодным по сравнению с конвертерами ЛД, благодаря тому, что на бывших вначале в эксплуатации 25 – 30-тонных конвертерах переплавлялось до 40% скрапа и выход годного был выше. Однако опыт эксплуатации крупных конвертеров не подтвердил этого: удельный расход скрапа оказался на уровне 20 – 25%, вы­ход годного одного порядка с конвертерами с верхним дутьем. Недостаточный опыт эксплуатации конвертеров с донным дутьем не позволяет пока сделать окончательный вывод о преимуществах одного из этих процессов производ­ства стали. Необходимо отметить, что всем конвертерам свойственны значительный угар железа и высокая запылен­ность отходящих газов, требующая применения весьма со­вершенных методов очистки газов. Без применения газо­очисток с самой высокой степенью очистки эксплуатация кислородных конвертеров недопустима.

Кислородные конвертеры с верхней продувкой (ЛД)

Устройство кислородного конвертера и его размещение в цехе представлено на рис. 116. Основная, средняя часть корпуса конвертера цилиндрической формы, степы ванны сферической формы, днище — плоское. Верхняя, шламная часть конической формы. Кожух конвертера выполняют из стальных листов толщиной 30 – 90 мм. В конвертерах сад­кой до 150 т днище выполняют отъемным и крепят его к корпусу болтами. Отъемное днище облегчает ремонтные работы. При садке 250 – 350 т конвертер делают глуходонным, что вызвано необходимостью создания жесткой конст­рукции корпуса и условиями техники безопасности, гаран­тирующей от случаев прорыва жидкого металла.

Корпус конвертера крепится к специальному опорному кольцу, к которому привариваются цапфы. Одна из цапф через зубчатую муфту соединена с механизмом поворота. В конвертерах большой емкости (более 250 т) обе цапфы являются приводными. Конвертер цапфами опирается на подшипники, установленные на станинах. Механизм пово­рота позволяет вращать конвертер на любой угол вокруг горизонтальной оси.

Корпус и днище конвертера футеруют огнеупорным кир­пичом. Футеровку цилиндрической части конвертера выпол­няют из трех слоев: внутренний (рабочий) слой толщиной 600 – 800 мм, промежуточный слой толщиной 50 – 150 мм и наружный (арматурный) слой толщиной 115 – 350 мм. Ра­бочий слой выкладывают смолодоломитомагнезитовым кирпичом. Арматурный слой, примыкающий к кожуху, вы­кладывают из хромомагнезитового кирпича. Промежуточ­ный слой заполняют смолодоломитовой или смоломагнезитовой набивкой. Рабочий слой днища выкладывают смолодоломитовым, наружный — хромомагнезитовым кирпи­чом общей толщиной 800 – 900 мм.

Подача кислорода в ван­ну конвертера для продув­ки металла производится через специальную фурму, вводимую в горловину кон­вертера.

Первой операцией кон­вертерного процесса являет­ся загрузка скрапа. Разо­гретый конвертер наклоня­ют на некоторый угол от вертикальной оси и специ­альным коробом-совком ем­костью 8 – 10 м³ через гор­ловину загружают в конвер­тер скрап. Обычно загружа­ют 20 – 25% скрапа на плав­ку. Если скрап не подогре­вают в конвертере, то затем сразу же заливают жидкий чугун. После этого конвер­тер устанавливают в верти­кальное положение, через горловину в конвертер вво­дят кислородную фурму.

Для наводки шлака в конвертер по специальному желобу вводят шлакообразующие материалы: известь в количестве 5 – 7% и в небольшом количестве железную руду и плавиковый шпат.

После окисления примесей чугуна и нагрева металла до заданных величин продувку прекращают, фурму из конвер­тера удаляют и сливают металл и шлак в ковши. Легиру­ющие добавки и раскислители вводят в ковш.

Продолжительность плавки в хорошо работающих кон­вертерах почти не зависит от их емкости и составляет ~45 мин, продолжительность продувки 15 – 25 мин. Каждый конвертер в месяц дает 800 – 1000 плавок. Стойкость конвертера 600 – 800 плавок. Расход огнеупоров 3 – 3, 5 кг/т стали. Выход жидкой стали 89 – 91%. Количество шлака 10 – 12%. Расход кислорода 50 – 55 м³/т. Продолжитель­ность продувки ванны кислородом по существу определяет производительность конвертера. Продолжительность про­дувки зависит от удельного расхода кислорода. Чрезмерное увеличение удельного расхода кислорода нецелесообразно, так как увеличивает разбрызгивание и ускоряет износ футе­ровки конвертеров. Практически интенсивность продувки составляет 3, 5 – 4 м³ О₂/мин на 1 т стали. Длина водоохлаждаемой фурмы для подачи кислорода составляет 13 – 18 м. Слишком низкое расположение фурмы приводит к ее быст­рому износу. Поэтому фурму обычно располагают на рас­стоянии 1 – 2 м от уровня спокойной ванны, обеспечивая на выходе из сопла значение критерия Маха около 2.

В месте соприкосновения струи кислорода с жидкой ванной благодаря высокой температуре образуются пары металлического железа и оксидов, которые выносятся из ванны конвертерными газами в виде бурого дыма, т.е. происходит интенсивное пылеобразование.

Движение металла в конвертере является весьма слож­ным; помимо кислородной струи, на жидкую ванну воздей­ствуют пузыри оксида углерода. Процесс перемешивания усложняется еще и тем, что шлак проталкивается струей газа в толщу металла и перемешивается с ним. Движение ванны и вспучивание ее выделяющимися оксидами углеро­да приводят значительную часть жидкого расплава в состоя­ние эмульсии, в которой капли металла и шлака тесно пе­ремешаны друг с другом. Это создает большую поверхность соприкосновения металла со шлаком, что обеспечивает вы­сокую скорость окисления углерода и высокую скорость нагрева металла. При окислении углерода на 1 м³ поданно­го в ванну кислорода выделяется 2 м³ СО. Для 200-т кон­вертера расход газа в горловине достигает 60000 м³/ч. Дожигание СО над ванной практически не происходит и газ, отходящий из конвертера, состоит из 90% СО и 10% СО₂, а его температура в среднем составляет 1700°С. За­пыленность отходящих газов очень велика, поэтому газ не­обходимо очищать. Применяемые установки мокрой очист­ки и электрофильтры требуют предварительного охлажде­ния газа (соответственно до 400°С и 250°С). Размеры установок для дожигания, охлаждения и очистки конвертер­ных газов во много раз превышают размеры самих конвер­теров (см. рис. 116). Чаще всего на заводах газ (СО) дожигают в камине при подаче холодного воздуха, засасыва­емого через зазор между горловиной и камином или пода­ваемого принудительно. Стенки камина представляют собой поверхности котла-утилизатора или водяные холодиль­ники. Газ дополнительно охлаждают впрыскиванием воды, а затем очищают.

Следует отметить, что степень использования тепла в кислородном конвертере гораздо выше, чем в сталепла­вильных агрегатах подового типа. К.п.д. (тепловой) кон­вертера составляет ~70%, в то время как для хорошо ра­ботающих мартеновских печей он не более 30%, что явля­ется большим преимуществом конвертерного процесса перед мартеновским. Кроме того, газы, отходящие из конвер­тера, имеют теплоту сгорания 10 – 11, 5, МДж/м³, что ис­пользуется или при дожигании газа в котлах-утилизаторах, или как топливо при отводе газов из конвертера без дожи­гания.

Кислородные конвертеры Кал-До

Значительное количество химического тепла, содержа­щееся в оксиде углерода и выделяющееся из ванны, можно использовать в самом конвертере. Сжигание СО над ванной конвертера ЛД, как правило, не применяют, так как вследствие малой площади ванны конвертер не приспособ­лен к функциям теплообменника. Кроме того, при сгорании СО значительно повышается температура рабочего прост­ранства и усиленно изнашивается кладка.

Конструкция конвер­тера, приспособленного к сжиганию СО (конверте­ра Кал-До), показана на рис. 117. Корпус печи по­коится на роликах, два из которых — приводные, они обеспечивают враще­ние конвертера вокруг его оси со скоростью до 30 об/мин. Все ролики за­креплены в люльке, кото­рая может поворачивать­ся вместе с печью вокруг горизонтальной оси (пово­ротная цапфа на рисунке показана пунктиром). В рабочем положении ось конвертера наклонена к горизонту под углом 17°, благода­ря чему площадь ванны получается достаточно большой.

Кладка напоминает футеровку конвертеров ЛД.

Кислород подают через водоохлаждаемую фурму, на­правленную под углом к ванне. Окисление примесей ван­ны происходит в результате диффузии кислорода через шлак. Так как поверхность ванны больше, толщина шлака меньше, что способствует достаточно быстрой передаче кис­лорода в металл. Большое значение для ускорения окисле­ния ванны имеет также вращение конвертера, усиливающее перемешивание металла и шлака.

В этих условиях нет необходимости вводить кислород со сверхзвуковой скоростью. Наоборот, его подают так, чтобы шлак сильно не разбрызгивать. Обычно скорость кислорода на выходе из фурмы составляет 200 – 250 м/с. Угол накло­на и расстояние фурмы от поверхности ванны изменяют по ходу плавки.

Поскольку часть тепла, необходимого для процесса, по­ступает к ванне при сжигании СО, конвертер Кал-До не является чистым теплогенератором. Он одновременно слу­жит топкой и теплообменником.

Большая роль в процессе передачи тепла к ванне при­надлежит кладке, выполняющей функции регенератора; часть ее, находящаяся над ванной, нагревается от газовой среды с высокой температурой, а затем, вступая в контакт с более холодным металлом и шлаком, отдает им свое теп­ло. Вследствие охлаждения металлом средняя температура кладки сохраняется на допустимом уровне. Все же стой­кость кладки конвертера Кал-До значительно ниже стойко­сти кладки печи ЛД и составляет для крупных печей от 50 до 150 плавок., Опыты по применению обожженного магне­зитового кирпича высокой чистоты говорят о том, что стой­кость кладки можно значительно повысить.

Для сохранения кладки конвертеров Кал-До расход кислорода в них поддерживают более низким, чем в кон­вертерах ЛД: 1, 5 – 2, 5 м³/мин на 1 т металла. Поэтому об­щая продолжительность плавки получается большей: для агрегатов емкостью 110 – 135 т она составляет 70 – 80 мин.

Благодаря тому, что в ванну тепло поступает извне в печах Кал-До необходимо снижать приход тепла путем теплогенерации или увеличивать расходные статьи. Для этого уменьшают долю чугуна в шихте или увеличивают количе­ство твердых окислителей. Оба способа дают Кал-До-процессу значительные экономические преимущества. Первый позволяет перерабатывать большие количества относительно дешевого стального лома (до 45% вместо 25% при ЛД-процессе), второй приводит к более высокому выходу жидкого металла.

В отличие от конвертеров ЛД из горловины печи Кал-До выходит газ, содержащий лишь незначительное количе­ство СО. Так как кислород поступает преимущественно в результате диффузии через шлак и меньше разбрызгивает­ся ванна, потери железа с пылью в печи Кал-До составля­ют 11 кг на 1 т стали по сравнению с 17 кг для печи ЛД. По этим причинам размеры установок для охлаждения и очист­ки газа для конвертеров Кал-До значительно меньшие и стоимость их значительно ниже.

Удельная продолжительность продувки в конвертере Кал-До с возрастанием расхода кислорода уменьшается, так же как и для конвертера ЛД. Часть кислорода расходует­ся на дожигание СО. Выделяющееся при этом тепло в зависимости от условий горения и теплообмена может усваи­ваться ванной в большей или меньшей степени. Тепло от сгорания примесей выделяется в ванне и усваивается ею полностью.

Кислородные конвертеры с донной продувкой

Попытки применения кислородного дутья в томассовских и бессемеровских конвертерах с донным воздушным дутьем делались неоднократно, но не принесли положи­тельных результатов, так как футеровка днища не выдер­живала тех высоких температур, которые развивались в местах подачи кислорода в металлическую ванну. В этих местах происходило очень интенсивное окисление примесей чугуна и развивалась чрезмерно высокая температура. Для предохранения кладки днища конвертера от действия вы­соких температур фурму выполняют в виде двух коаксиаль­ных трубок (рис. 118), в которых по центральной подается кислород, а по периферийной какое-либо углеводородное топливо, чаще всего природный газ. Таких фурм обычно делается 16 – 22, диаметр кислородного сопла фурм колеб­лется в пределах 28 – 50 мм, зазор для подачи топлива зависит от вида топлива и составляет 0, 5 – 2, 0 мм. Большое число более мелких фурм обеспечивает лучшее перемеши­вание ванны и более спокойный ход плавки. Струя топлива отдаляет реакционную зону от днища, снижает температу­ру около днища в месте выхода кислородных струй за счет отбора тепла на нагрев топлива, крекинг и диссоциацию составляющих топлива и продуктов их окисления. Охлаж­дающий эффект кроме того обеспечивается пылевидной известью, которая подается в струю кислорода. Как пока­зывает практика, количество поданного в фурмы топлива должно составлять приблизительно 5 – 7% по отношению к массе кислорода. Излишнее увеличение расхода топлива, в надежде увеличить приход тепла и получить возможность увеличить удельное количество скрапа не приносит желае­мого результата, так как приводит к образованию настылей на днище, повышению содержа­ния водорода в стали. Теплотех­нические расчеты показывают, что количество тепла, выделяемое при окислении составляющих топлива, очень не намного превы­шает количество тепла, которое расходуется на диссоциацию СО₂ и Н₂О. Однако конвертер с донным кислородным дутьем имеет несколько меньшие тепловые по­тери (по сравнению с конверте­ром ЛД), т.к. отсутствуют поте­ри тепла на охлаждение фурм; при донном дутье приблизитель­но вдвое уменьшаются потери ме­талла с дымом и, следовательно, уменьшаются потери тепла на испарение железа. Для футеров­ки конвертера с донным дутьом применяют, в основном, те же материалы, что и для конвертеров с верхним дутьем. Футеровка горловины и верха цилиндрической ча­сти в этих конвертерах изнашивается меньше чем в конвертерах ЛД; в наибольшей степени изнашивается днище, ко­торое растрескивается из-за большого перепада температур по толщине кладки. Средняя стойкость футеровки стен со­ставляет 1400 – 1500 плавок, стойкость днищ 550 – 600 пла­вок. Промежуточная замена днищ — большой недостаток конвертеров с донной продувкой.

Продувка расплавленного металла несколькими струя­ми кислорода снизу создает ряд особенностей в работе конвертера с донным кислородным дутьем. Обеспечивается большое число реакционных зон и большая межфазная поверхность контакта кислородных струй с металлом. Это позволяет увеличить интенсивность продувки, повысить ско­рость окисления углерода, интенсивность продувки кисло­родом в таких конвертерах достигает 4 – 5 м³ О₂/т× мин. Улучшается перемешивание ванны, повышается степень использования кислорода. Улучшение перемешивания влечет за собой возможность расплавления больших по массе кус­ков скрапа. Лучшая гидродинамика ванны обеспечивает более ровный и спокойный ход всей плавки, практически исключает выбросы. В силу этого в конвертерах с донным дутьем можно перерабатывать чугун с повышением содер­жания марганца и фосфора.

Использование конвертеров с донной продувкой кисло­родом из-за меньшего угара железа позволяет получить больший выход годной стали, превышающий таковой для конвертеров ЛД на 1, 5 – 2%. Плавка в 180-тонном конвер­тере с донной кислородной продувкой длится 32 – 39 мин, продувка 12 – 14 мин, т.е. производительность выше, чем у конвертеров ЛД. Однако, необходимость промежуточной замены днищ нивелирует это различие в производительно­сти.

Конвертеры с донным дутьем могут размещаться в ре­конструируемых мартеновских цехах, что подкрепляет их перспективность. При установке конвертеров в мартенов­ском цехе обеспечивается экономия на здании (с учетом его реконструкции), равная 20 – 25% стоимости нового цеха, что является очень существенным. Отсутствие в конверте­рах с донным дутьем вертикально расположенной конвер­терной фурмы упрощает и удешевляет конструкции газоочистных устройств.