Выплавка стали в кислородных конвертерах.
Рис. 10.1. Мартеновская печь для выплавки стали
В передней ее стенке находятся завалочные окна, через которые в печь загружают твердый чугун, металлический лом, заливают жидкий чугун, подают шлакообразующие материалы (флюсы) и различные добавки.
В противоположной задней стене печи расположены выпускные отверстия, для удаления готовой стали и шлака.
Нижняя часть печи называется подиной. Она должна быть очень прочной и стойкой, так как на подину загружают чугун и лом.
В каждой из торцовых стенок печи есть два канала: один для подачи топлива, второй — воздуха, необходимого для сжигания этого топлива.
Отапливают печи мазутом или газом.
И газ, и воздух перед подачей в мартеновскую печь нагревают в специальных камерах — регенераторах (Рис. 10.2.):
Рис. 10.2. Схема работы регенераторов мартеновской печи: а – общая схема; б и в – при перекидке клапанов
Регенератор — это большая камера, выполненная из огнеупорного материала и заполненнаяячейками из огнеупорного кирпича, образующими насадку.
Насадка регенератора нагревается теплом, выносимым из печи раскаленными продуктами сгорания топлива, т.е. в них происходит восстановление утраченного тепла — его регенерация (отсюда и название этих камер).
Режим работы регенераторов:
а) постепенно насадка одной пары регенераторов, через которые пропускают холодные газ и воздух, остывает, а насадка второй пары регенераторов, через которые из печи уходят продуктысгорания, нагревается;
б) когда она нагреется до определенной температуры, автоматически меняется направление движения газа и воздуха при помощи перекидных клапанов, установленных в каналах, подводящих газ и воздух в печь и отводящих продукты сгорания.
в) нагретые регенераторы начинают работать, а остывшие останавливаются на нагрев.
Эту операцию называют перекидкой клапанов и осуществляют примерно через каждые 15-20 минут.
Газ и воздух перед подачей в плавильное пространство печи проходят через предварительно разогретые до температуры около 1200 ºС камеры-регенераторы, где нагреваются до температуры 800-900 ºС.
Плавка в мартеновской печи делится на несколько стадий:
Первая стадия - завалка шихты.
Вторая стадия - прогрев шихты и заливка жидкого чугуна.
При сжигании разогретого газа в атмосфере разогретого воздуха в горелке образуется факел пламени, поднимающий температуру в рабочем пространстве печи до 1700 ºС.
Твердые шихтовые материалы плавятся на подине.
Третья стадия – плавление:
а) загруженные в печь материалы постепенно расплавляются, железо и другие примеси окисляются, образуются такие окислы, как FeO, SiO2, MnO, P2O5, CO2;
б) из этих окислов (негазообразных) и загружаемых в печь шлакообразующих материалов (флюса) — известняка, кварцита, плавикового шпата — формируется шлак;
в) по окончании плавления на подине печи располагается жидкий металл, покрытый слоем шлака.
Четвертая стадия – «кипение» стали.
На этой стадии происходит окисление углерода:
С + ½О2 = СО
Роль этой реакции исключительно важна.
Образующиеся в расплаве пузырьки окиси углерода через жидкий металл устремляются к его поверхности и увлекают за собой другие примеси, в частности газы, растворенные в металле.
Поверхность металлической ванны в этот период напоминает кипящую жидкость.
Пятая стадия – доводка стали – раскисление и легирование.
В мартеновских печах плавка длится 7 - 8 часов, и за одну плавку печь может выдать до 900 тонн стали.
Наряду с углеродистой сталью в них выплавляют многие сорта специальных легированных сталей.
В связи с высокой экономичностью и гибкостью технологии кислородно-конвекторного способа выплавки стали, строительство новых мартеновских печей прекращено.
Однако, как отмечалось ранее, ещё до настоящего времени 20% стали выплавляется с использованием мартенов, поэтому осуществляется ряд мероприятий по интенсификации их работы.
Увеличение экономичности мартенов достигают:
1) использованием воздуха, обогащённого кислородом до 30%;
2) применением высококалорийного природного газа;
3) перестройкой обычных мартеновских печей на двухванные: в основу их действия положен принцип работы кислородного конвертера – окисление углерода и примесей продувкой кислорода.
Кислородно-конвертерный метод выплавки стали это один из способов передела чугуна в сталь без использования топлива путём продувки чугуна током кислорода.
При этом окислительный и восстановительный периоды плавки разнесены не только во времени, но и в пространстве: первый - протекает в конвертере, второй – после выпуска стали в ковше.
Сталеплавильный агрегат в кислородно-конверторном методе включает: собственно конвертер, систему подачи кислорода (фурму) и систему очистки конверторных газов (Рис. 10.3).
Рис. 10.3 Кислородный конвертер с верхней продувкой. 1 – стальной кожух; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – кислородная фурма; 4 – завалка флюса; 5 – легирующие добавки; 6 – летка; 7 – ковш; 8 – заготовка.
Конвертор, представляет собой стальной контейнер грушевидной формы (1) вместимостью 100-350 т. Изнутри конвертер выложен огнеупорным кирпичом (2).
В верхней части сосуда находится горловина, которая служит для заливки чугуна, завалки твёрдых компонентов шихты и отвода газа; сбокурасположена летка (4) – окошко для слива стали.
Через горловину в конвертер также вводится фурма (3) для подачи кислорода, и происходит жидкий слив шлака.
Снаружи конвертер опоясан стальным кольцом с двумя цапфами, которые удерживают контейнер и позволяют поворачивать его вокруг горизонтальной оси.
1. Перед началом процесса плавки конвертер поворачивают в наклонное положение, затем загружают металлический лом и жидкий чугун.
2. После этого конвертер возвращают в вертикальное положение, загружают флюсы (известняк) и вводят фурму для подачи кислорода под давлением 1,0–1,4 МПа.
!!! Кислородные струи пол давлением пронизывают металл, вызывая его циркуляцию и перемешивание со шлаком.
3. При кислородно-конвертерном способе передела чугуна в сталь протекают те же реакции, что и при мартеновском способе, но более интенсивно.
Вследствие экзотермичности реакций окисления и их высокой скорости период плавки в кислородном конвертере протекает в автотермичном режиме и не требует подвода тепла извне.
При этом обеспечивается нагрев стали, выпускаемой из конвертера, до 1600-1650ºС, что значительно выше температуры заливаемого чугуна, которая при заливке достигает 1250-1400 ºС.
4. По ходу плавки берут пробы металла на экспресс-анализ. Если содержание углерода соответствует заданному количеству, продувку прекращают.
5. Поднимают фурму и, повернув конвертер в горизонтальное положение, выпускают сталь через летку, а затем через горловину сливают шлак.
6. В готовой стали остается кислород в виде оксида железа.
Для его восстановления в ковш вводят раскислители. Часть раскислителей может вводится в конвертор в конце плавки.
Закончив раскисление, приступают к разливке стали по изложницам. Температура стали при разливке - 1600-1650 ºС.
Плавка в конверторе длится 35-40 минут, а скоростная мартеновская плавка 6-8 часов.
При равной производительности капитальные затраты на строительство кислородно-конверторного цеха на 25-30% ниже, а себестоимость стали на 5-7% меньше, чем при мартеновском способе.