Конвертерные процессы производства стали. Теория, технология, конструкции агрегатов.

Баптизмаиский В.И., Меджибожский М.Я., Охотский В.Б.

Киев, 1984 г.

Раздел второй

ТЕХНОЛОГИЯ КОНВЕРТЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ

4. ПРОЦЕССЫ ДОННОЙ И БОКОВОЙ ПРОДУВКИ

4.1. БЕССЕМЕРОВСКИЙ ПРОЦЕСС

4.1.1. Сущность процесса. История его развития

С развитием в XIX в. машиностроения, железнодорожного и водного транспорта возникла огромная потребность в качественной стали, которая не могла быть удовлетворена старыми способами ее производства (кричным, пудлинговым и тигельным).

Новая эра в металлургии наступила после создания во второй половине XIX в. конвертерных процессов — высокопроизводительных способов получения жидкой стали путем продувки чугуна окислительными газами. Первым из таких процессов был бессемеровский, названный так по имени его изобретателя Генри Бессемера, который в 1856 г. запатентовал способ получения жидкой стали путем продувки чугуна снизу паром, сжатым воздухом или их смесями.

Вначале процесс осуществляли в стационарном агрегате, что не позволяло выключать дутье во время выпуска плавки и заливки чугуна. В I860 г. Бессемер предложил поворачивающийся конвертер, в котором были устранены недостатки стационарного.

Сущность бессемеровского процесса заключается в получении жидкой стали путем продувки расплавленного чугуна воздухом через дно грушевидного сосуда, футерованного дииасовым кирпичом. Такой сосуд был назван конвертером.

Бессемеровский процесс сначала быстро и широко распространился в ряде стран Европы и Америки, особенно в США, где выплавка стали этим способом достигла в 1906 г. 12,5 млн. т.

В России первые опыты по бессемеровскому процессу были произведены в 1857 г. па Вссволодовильвенском, а в 1859 г. — на Воткинском, Верхнетуринском и Нижнетагильском заводах. Массовое производство бессемеровской стали в России начато в 1872 г. па Обуховском (ныне ленинградском им. Кирова), в 1875—1876 гг. па Нижнесалдинском и Катав-Ивановском и других металлургических заводах.

Обуховский и Нижнесалдинский заводы — родина оригинального русского варианта процесса, разработанного Д. Н. Черновым и независимо от него К. П. Поленовым. По этому варианту продувают малокремнистые чугуны, перегретые в вагранке или в пламенной печи. Малая продолжительность продувки и нормальная температура готовой жидкой стали обеспечивают сравнительно высокое качество металла.

В 1913 г. бессемеровское производство стали в России составило 597 тыс. т. Перед Великой Отечественной войной в СССР было пять бессемеровских цехов на заводах днепропетровском им. Петровского, днепровском им. Дзержинского, Енакиевском, Криворожском и Чусовском. В конце XIX и в первой половине XX в. бессемеровский процесс непрерывно вытеснялся мартеновским производством, а начиная с 50-х гг.— кислородно-конвертерным. Это было обусловлено рядом недостатков бессемеровского процесса, к которым относятся: малая доля стального лома в шихте, ограниченный состав чугуна, повышенное содержание азота в стали и др. В настоящее время бессемеровское производство стали в СССР и за рубежом почти полностью прекращено и заменено кислородно-конвертерным.

4.1.2. Устройство конвертера. Дутье

Конструкция конвертера, разработанная Г. Бессемером более 120 лет тому назад, оказалась столь удачной и технологичной, что до настоящего времени не претерпела при донном дутье каких-либо существенных изменений.

Конвертер (рис. 4.1) состоит из корпуса 3 (стального кожуха, футерованного динасовым кирпичом), днища 2 с воздушной коробкой ). Корпус опирается на металлический пояс (опорное кольцо) 5 с двумя цапфами. Футерованное динасом днище имеет сопла для подачи воздуха из воздушной коробки. При вертикальном положении конвертера воздух через сопла поступает в слой чугуна. Избыточное давление сжатого воздуха, составляющее около 0,2 МПа, значительно больше давления столба жидкого металла, что предотвращает заливание им сопел. Корпус конвертера имеет в верхней части выгиб («спину»), что позволяет увеличивать вместимость ванны, заливать в него чугун и пускать дутье при горизонтальном положении. Через верхнее отверстие 4, называемое горловиной, заливают чугун (иногда загружают стальной лом или железную руду для охлаждения металла), выливают в конце плавки сталь и шлак, отводя при продувке конвертерные газы.

Цапфы пояса опираются на подшипники, которые установлены на двух колоннах, а последние — на фундаментах. Одна из цапф имеет жестко посаженное зубчатое колесо, соединенное с механизмом поворота конвертера (электромотор с редуктором или гидравлический цилиндр и зубчатая рейка). Другая цапфа пустотелая. Она соединена с воздухопроводом скользящим уплотняющим сальником, обеспечивающим беспрепятственный поворот конвертера вокруг горизонтальной оси. Через отверстие в цапфе и патрубок воздух от воздуходувки поступает в воздушную коробку. Такая схема подвода обеспечивает непрерывную подачу воздуха через днище при любом положении конвертера и во время его поворота.

Подачу воздуха начинают после заливки чугуна в момент поворота конвертера из горизонтального в вертикальное положение и прекращают в конце плавки после повалки конвертера, когда уровень металла оказывается ниже уровня ближайших к «спине» сопел.

Оптимальное давление дутья составляет 0,2—0,25 МПа, интенсивность продувки металла воздухом 15—25 м³/(т-мин).

4.1.3. Шихтовые материалы и требования к ним

Исходным материалом, используемом при бессемеровском процессе, является чугун. Так как футеровка конвертера кислая (дина-совая), шлак получается тоже кислым, что обусловливает невозможность удаления фосфора и серы из металла в шлак. Поэтому содержание Р и Sв чугуне должно быть ограниченным. Оптимальная концентрация кремния и марганца в чугуне определяется тепловым балансом плавки и условиями службы футеровки.

В СССР применяли чугун следующего состава, %: 0,7—1,25 Si; 0,5—0,8 Мп; не более 0,07 Р; не более 0,06 S, 3,8—4,5 С.

Для бессемеровского процесса имеет значение не только абсолютное содержание [Si]_4yrи [Мп]чуг, но и отношение [Si]_Чуг/ [Мп]т_1уг: если оно ниже оптимальной величины 1,8—2, то получаются марганцовистые шлаки, разъедающие огнеупоры, при высоких его значениях вязкость кремнеземистых шлаков повышается, что приводит к зарастанию футеровки.

К шихтовым материалам относятся также охладители металла (стальной лом, железная руда и прокатная окалина), раскислители и легирующие ферросплавы. В стальном ломе должно быть минимальное количество серы и фосфора (меньше, чем в готовой стали), ржавчины, земли и цветных металлов. Предпочтительнее мелкий лом, полностью расплавляющийся до конца продувки.

Необходимо, чтобы железная руда была кусковой и содержала минимум влаги. Спокойную и полуспокойную сталь раскисляют ферромарганцем и 45 %-ным ферросилицием (40—50 % Si). Силикомаргаицем (60— 65 % Мn; 14—20 % Si; 1—2,5 %С; 0,1—0,2 % Р) раскисляют спокойную бессемеровскую сталь повышенного качества. Для глубокого раскисления спокойной стали используют вторичный алюминий в чушках (87—96 % А1).

4.1.4. Технология процесса. Периоды продувки

Окисление примесей чугуна кислородом подаваемого снизу воздуха и выделяемое при этом тепло обеспечивают превращение чугуна, нагретого до 1250—1350 °С, в жидкую сталь с температурой 1590—1650 ^СС.

Плавка состоит из следующих этапов: заливки чугуна через горловину (при горизонтальном положении конвертера, чтобы не залить сопла металлом); пуска дутья и одновременного поворота конвертера в вертикальное положение; продувки металла воздухом, состоящей в общем случае из трех периодов (шлакообразования, обезуглероживания, продувки); повалки конвертера (установки его в горизонтальное положение) и прекращения дутья; слива металла в ковш и его раскисления (в конвертере или в ковше).

На рис. 4.2 показано изменение состава металла, шлака, отходящих газов и температуры по ходу нормальной бессемеровской

плавки, проведенной практически без присадок материалов, корректирующих нагрев ванны. При обычной плавке с оптимальной температурой футеровки в начале продувки (около 1000°С) и чугуна (около 1300 ^СС), нормальным его составом тепло, выделяемое в процессе окисления примесей, обеспечивает необходимую температуру готовой жидкой стали (около 1600 ^СС).

В первом периоде продувки интенсивно окисляются кремний и   марганец   и   сравнительно медленно (или практически не окисляется) углерод. Это обусловлено тем, что при низких температурах   и соответствующих концентрациях элементов в металле максимальная работа реакции окисления углерода значительно меньше, чем реакций окисления кремния и марганца. На интенсивность и последовательность     окисления примесей металла влияют   не только термодинамические факторы, по и факторы массопереноса кислорода к местам протекания реакции, скорость которого в первом периоде относительно мала на поверхности раздела металл — пузырьки СО. В начале процесса окисленное в первичных реакционных зонах (вблизи струй воздуха) железо не полностью восстанавливается во вторичных зонах, так как при низких температурах скорость массопереноса кислорода и вторичных реакций несколько отстает от скорости окисления железа в области продувки. По этой причине часть железа необратимо окисляется, и в шлаке, увеличивается содержание FeO(оно снижается лишь к концу первого периода).