«Технологические операции конвертерной плавки»

Кислородно-конвертерный процесс получил несколько названий: LD-процесс (от немецких слов Linz Dusenferfaren – фурмовый процесс в Линце); ВОР-процесс (от английских слов Basic Oxygen Process – основной кислородный процесс); кислородно-конвертерный процесс (название принято в отечественной практике).

В последнее время появилось много разновидностей кислородно-конвертерного процесса (ОLP – Oxygene – Lance – Poudre – от французского кислород – фурма – пудра; КМS – по названию немецких заводов Klockner, Maxhutte и слова Stahlhersteelung и много других).

Футеровка кислородного конвертера выполняется из периклазоуглеродного, смолодоломитомагнезитового, смолодоломитового или магнезитового кирпича. Иcпользование основных огнеупоров на основе MgO, CaO дало возможность наводить во время процесса основные шлаки, выполнять дефосфорацию и десульфурацию металла.

Процесс плавки стали в кислородных конвертерах разделяют на такие этапы: загрузка металлического лома, заливка жидкого чугуна, продувка ванны кислородом, введение сыпучих материалов, образующих шлак, контроль температуры металла и отбор проб, слив металла и шлака, осмотр футеровки конвертера и подготовка к следующей плавке. Цикл плавки начинают с загрузки металлического лома в конвертер.

Технологические операции конвертерной плавки иллюстрируются анимацией.

Загрузка металлического лома 

Количество стального лома достигает 25–27% от массы шихты. К металлу, как и при обычных сталеплавильных процессах, предъявляются следующие требования: отсутствие высокого содержания фосфора, серы, добавок цветных металлов и ржавчины. Кроме того, ограничивают максимальный размер кусков лома, потому что очень большие могут не успеть раствориться в металле за время продувки, а во время загрузки могут повредить футеровку конвертера. Для конвертеров емкостью 100–350 т размер кусков лома не должен быть больше таких габаритов: 0,3 × 0,3 × 1,0 м, а для пакетов лома не больше 0,7 × 1,0 × 2,0 м.

Металлолом попадает в конвертеры из отделения шихтовых магнитных материалов (скрапного отделения) или непосредственно из скрапоразделительного узла.

Загрузку производят мульдами разной вместимости в зависимости от объема конвертера. Загрузка лома и заливка чугуна в конвертер разрешается начинать при температуре футеровки не ниже 1000 °С по команде мастера (сталевара) конвертера. Поскольку конвертер является высокопродуктивным агрегатом, во всех новых кислородно-конвертерных цехах применяют односовковую загрузку скрапа.

Во время завалки конвертер наклоняют в сторону грузового пролета на угол 45°. Краном из грузового просвета или специальной машиной мульды с металлоломом подают к горловине конвертера, наклоняют и высыпают скрап в конвертер. Равномерность распределения металлолома в середине рабочего пространства конвертера обеспечивается его покачиванием.

При наличии в конвертере металла и шлака от предыдущей плавки до начала завалки должны быть приняты меры по их удалению из конвертера или загущению путем добавления извести в определенном количестве.

Заливка жидкого чугуна 

Основным шихтовым материалом для кислородно-конвертерного цеха является жидкий чугун. Жидкий чугун попадает в конвертеры из миксерного отделения или из отделения переливания самоходными чугуновозами, емкость которых соответствует емкости конвертера. Чугуновозный ковш подают к моменту выпуска предыдущей плавки. Конвертер находится в наклонном положении, как и во время операции по завалке металлолома. Не делая большого перерыва, в конвертер на скрап заливают жидкий чугун при помощи заливочного крана с чугуновозным ковшом, который передвигается по рабочей площадке вдоль фронта конвертеров. Массу чугуна, заливаемого в конвертер, рассчитывают в зависимости от заданной марки стали, массы отливок, количества охладителей (лома, окатышей, руды).

Загруженный конвертер устанавливают в вертикальное положение.

Большое значение придают стабильности металлолома по массе и составу, а также стабильности жидкого чугуна по химическому составу и температуре. Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,2–0,3%, потому что при большем содержании необходимо выполнять промежуточный слив шлака во время продувки и наводить новый шлак, что снижает продуктивность конвертера. Также чугун должен содержать не более 0,04–0,06% серы, потому что десульфурация металла во время плавки в кислородном конвертере протекает недостаточно полно.

Температура жидкого чугуна, который перерабатывают в конвертерах на сталь, обычно составляет 1300–1450 °С. Использовать чугун с более низкой температурой нежелательно, поскольку это приводит к холодному началу продувки и замедлению образования шлака.

После доливки чугуна конвертер возвращают в вертикальное рабочее положение.

Продувка

В полость конвертера вводят фурму и включают подачу кислорода. Перед началом продувки проверяют готовность систем, механизмов и оборудования. Прежде всего это касается котла-охладителя и газоочистки. Особенно большое внимание уделяют работе тракта для отвода конвертерных газов по схеме без догорания СО. По котлу контролируют давление и расход воды для питания контура. Проверяют работу дымососа, газовые горелки и приспособления для систем газоотводного тракта, расход воды. Автоматически включается регулятор, выставляется заданное давление в устье кессона охладителя конвертерных газов, равняющееся 6–10 Па, и обеспечивается в отводимых газах 60% СО.

Высоту фурмы над уровнем условно спокойной ванны устанавливают в зависимости от расхода кислорода через сопло, угла наклона оси сопла от вертикали, химического состава жидкого чугуна, качества металлолома, извести, других добавок и состояния футеровки конвертера. За счет кислорода, которым продувают чугун, окисляется избыточный углерод, а также кремний, марганец и небольшое количество железа, причем окисление кремния и марганца заканчивается в первые 3–4 минуты продувки.

Из окислов, которые образовались (за исключением СО), извести и других сыпучих материалов образуется шлак. Основность шлака увеличивается в связи с растворением извести и в конце продувки составляет 2,5–3,7. Во время продувки в шлак из металла выделяются фосфор и сера.

Пузырьки СО, которые образовались при окислении углерода, вспенивают металл и шлак и значительно усиливают циркуляцию шлака и металла, что ускоряет процессы окисления, дефосфорации, нагрева металла и др. Вместе с пузырьками окиси углерода из металла удаляются растворенные в нем вредные газы – водород и азот.

Расстояние от головки фурмы до уровня спокойной стали обычно составляет 0,8–3,3 м и зависит от вместимости конвертера и конкретных условий работы данного конвертера.

При этом необходимо учитывать, что положение фурмы на уровне спокойной ванны прежде всего должно обеспечить нормальный ход шлакообразования, исключить выброс металла из полости конвертера.

Для ускорения шлакообразования продувку начинают при более высоком положении фурмы, а через 2–4 минуты ее опускают до обычного оптимального значения. Интенсивность подачи кислорода в зависимости от конструкции фурмы и принятой технологии находится в пределах 2,5–7 м³/(т · мин). В начале и в конце продувки, когда скорость окисления углерода небольшая и металл мало вспенивается, фурма находится над ванной. В середине продувки, когда интенсивность окисления углерода значительно возрастает, большое количество пузырьков СО выделяется и вспенивает верхнюю часть ванны. Это приводит к тому, что фурма оказывается заглубленной в газо-шлако-металлическую эмульсию; уровень ванны может достигать горловины конвертера.

Перед началом продувки на каждой смене или перед пуском конвертера после набивки новой футеровки и замены кислородной фурмы выполняют проверку ее положения.

В современных цехах продувку выполняют сквозь многосопловые фурмы кислородом с чистотой не менее 99,5% О₂. Причем в дутье должно быть не больше 0,1% N₂. Контроль химического состава компонентов должен выполняться каждую неделю. Режим изменения высоты фурмы, расход и давление кислорода в ходе продувки определяется заводской технологической инструкцией. Как правило, существенный расход кислорода изменяется в пределах 47–57 м³/т стали, повышаясь при увеличении содержания добавок в чугуне и понижаясь при увеличении части стального лома в шихте, потому что лом содержит меньше добавок, которые окисляются, чем чугун.

Давление кислорода перед фурмой должно быть в определенных пределах. Давление кислорода перед фурмой в 1,2–1,4 МПа обеспечивает высокую кинетическую энергию и скорость струи кислорода (450–500 м/с), что в свою очередь способствует достаточному углублению кислородных струй в ванну до полного усвоения кислорода металлом.

Интенсивность продувки в отличие от расхода кислорода в единицу времени, который возрастает при увеличении вместимости конвертера, для большегрузных конвертеров достигает 2000 м³/хв и не зависит от емкости. Она определяется главным образом конструкцией кислородной фурмы (числом сопел в ней) и является почти постоянной в условиях того или иного конвертерного цеха. На разных предприятиях величина интенсивности находится в пределах 2,5–5,0, а иногда доходит до 7 м³/(т · мин).

Циркуляция ванны

Циркуляция ванны, возникающая во время продувки в результате действия кислородных струй и потока пузырьков СО, которые выделяются из ванны, интенсифицирует массо- и теплообмен, ускоряя процессы окисления, рафинирования, нагрева металла и расплавление стального лома.

Под фурмой высокоскоростные потоки кислорода, которые захватывают капли металла и шлака, направлены вниз. Это так называемая «зона продувки». Остальную часть ванны называют зоной циркуляции, в которой на границе зоны продувки циркуляционные потоки направлены вверх; это результат того, что из-за увеличенной концентрации кислорода здесь происходит более интенсивное окисление углерода и формируется усиленный поток пузырьков СО. Так как контур циркуляции должен быть замкнут, у стенок конвертера металл движется вниз.

В начале и в конце продувки, когда скорость окисления углерода и выделение пузырьков СО значительные, циркуляционные потоки ослаблены и интенсивность перемешивания ванны недостаточная.

Добавка компонентов, образующих шлак

Сыпучие компоненты, образующие шлак, загружают при помощи автоматизированной системы, которая состоит из бункеров для хранения материалов, питателей, весов и лотков, по которым материалы ссыпаются в горловину конвертера. Система обеспечивает загрузку сыпучих материалов без остановки продувки по программе, заданной оператором с пульта управления конвертером.

Структура системы подачи сыпучих материалов и ферросплавов, а также оборудование системы беспрерывно усовершенствуется.

Загрузку добавок в конвертер можно выполнять по таким схемам:

·                 до заливки чугуна в конвертер 100% на скрап;

·                 до заливки чугуна в конвертер 50% под чугун или скрап, остаток дают в ходе продувки;

·                 режим завалки – «доводка» в процессе продувки (первую самую большую порцию загружают в начале продувки, остаток порций (2–3) – во время продувки);

·                 загрузка мелкими равномерными порциями по ходу продувки (режим «посыпания»); количество порций может быть до 10, это определяется составом оборудования и числом автоматических весов-дозаторов тракта подачи шихтовых сыпучих материалов.

В цехах старой постройки возможны только первые две схемы.

Наиболее часто используют такой порядок загрузки компонентов, образующих шлак: в первую порцию входит ½ – ⅔ сыпучих компонентов (известь с плавиковым шпатом, иногда с добавлением руды, окалины, окатышей, бокситов); остальное добавляют несколькими порциями на протяжении первой трети длительности продувки. Сыпучие материалы добавляют в конвертер в измельченном виде (до фракции 20–25 мм).

Контроль температуры металла и отбор проб

Для того чтобы получить на момент окончания продувки заданный химический состав и температуру, по ходу плавки можно осуществлять измерения температуры металла, а также выполнять отбор проб металла и шлака. С этой целью конвертерные печи оборудуют специальными фурмами (термозондами). Они являются неотъемлемыми элементами оборудования современного кислородного конвертера. Результаты измерений, выполненных за 2–3 минуты до завершения продувки, используются для остановки продувки при определенном составе и температуре металла.

Зондовые устройства вводят в конвертер или через окно кессона параллельно кислородной фурме, либо через отверстие в шлемной части конвертера под некоторым углом к вертикали (рис. 1).

Рис. 1. Введение зонда:

а – через окно кессона; б – через шлемную часть конвертера

В комплекте с зондовым оборудованием применяют датчики температуры, датчики температуры вместе с приспособлением для отбора пробы металла, датчики температуры с определением содержания углерода, датчики температуры и окисления.

На рис. 2 представлено специальное оборудование для конвертера емкостью 350–400 т. Оборудование располагается на специальной площадке сверху здания цеха. Масса такого оборудования около 57 т, в том числе масса собственно измерительной фурмы с охлаждающей водой 47 т. Время замера температуры составляет 140 с.

Рис. 2. Приспособление для замера температуры и отбора проб металла без наклона конвертера

В тех цехах, где отсутствуют термозонды, отбор проб и измерение температуры выполняют во время наклона конвертера (рис. 3). Наклон возможен только после прекращения продувки, поэтому промежуточный наклон является нежелательной операцией, потому что это безусловно снижает производительность конвертера.

Рис. 3. Измерение температуры металла в конвертере

Если так получилось, что для получения содержания углерода, соответствующего определенной марке стали, необходимо продолжить продувку еще некоторое время, то конвертер вновь возвращают в вертикальное положение и возобновляют продувку. Эту дополнительную операцию иногда называют передувкой или додувкой; она обычно продолжается несколько секунд.