Конверторний спосіб виплавки сталі

1. Конверторний спосіб виплавки сталі

Киснево-конверторний метод виплавки сталі застосовується з 1956 року. Він вирізняється значною економічністю, дозволяє переробляти металобрухт, забезпечує контроль обсягів і якості сталі та не потребує природного газу як додаткового палива. Тривалість процесу сягає 50 хвилин, тоді як мартенівська плавка займає від 6 до 12 годин.

Електрометалургія забезпечує виробництво сталі найвищої якості з мінімальним впливом на довкілля. Лише у 1994 році електрометалургійний та киснево-конверторний методи досягли 50-відсоткової частки у загальному обсязі виплавки сталі.

Для виплавки сталі застосовуються такі вихідні матеріали: металошихта, флюси та окислювачі.

Металошихта переважно (до 80%) складається з переробного чавуну та сталевого брухту, інколи додають феросплави. Як флюс використовується вапняк, а окислювачем слугує залізна руда.

Головна мета переробки чавуну на сталь — зменшення вмісту вуглецю, кремнію, марганцю та фосфору через їх окислення та переведення у шлак або гази. Вуглець, реагуючи з киснем, утворює газ СО, який видаляється. Інші домішки переходять у шлак. Існують три основні методи отримання сталі: конверторний, мартенівський та електроспосіб.

Киснево-конверторний метод є однією з альтернатив мартенівському. Він передбачає три технологічні варіанти: продувку киснем зверху, знизу та комбіновану продувку.

Цей метод вирізняється відсутністю потреби у природному газі та ефективним контролем технологічного процесу. На сьогодні близько 47% вітчизняної сталі виробляється саме киснево-конверторним способом.

У найближчі чотири роки заплановано будівництво конверторних цехів із виведенням мартенівських печей на "Алчевському МК" та "Запоріжсталі", а також спорудження конвертора на "Дніпровському МК".

Сучасні конвертори мають ємність 60–100 тонн і більше, тиск повітряного дуття становить 0,3–1,35 Мн/м. Для переробки однієї тонни чавуну потрібно 350 кубометрів повітря.

Перед заливанням чавуну конвертор переводять у горизонтальне положення, щоб отвори фурм опинилися вище рівня металу. Потім агрегат повільно повертають вертикально, одночасно подаючи дуття, що запобігає проникненню металу у повітряну коробку. Під час продувки рідкого чавуну вигорають кремній, марганець, вуглець та частково залізо.

Коли концентрація вуглецю досягає потрібного рівня, конвертор повертають горизонтально та припиняють подачу повітря. Готовий метал розкислюють і виливають у ківш.

Бесемерівський процес. У конвертор заливають рідкий чавун із високим вмістом кремнію (до 2,25% і вище), марганцю (0,6–0,9%) та мінімальною кількістю сірки й фосфору.

За характером реакцій бесемерівський процес поділяється на три періоди. Перший період розпочинається після пуску дуття і триває 3–6 хвилин. З горловини разом із газами вилітають дрібні краплі чавуну, утворюючи іскри. У цей час окислюються кремній, марганець та частково залізо за реакціями:

Si + O₂ = SiO₂,
2Mn + O₂ = 2MnO,
2Fe + O₂ = 2FeO.

Закис заліза частково розчиняється в рідкому металі, сприяючи подальшому окисленню кремнію та марганцю. Ці реакції супроводжуються виділенням значної кількості тепла, що розігріває метал. Шлак має кислий характер (40–50% SiO₂).

Другий період настає після майже повного вигоряння кремнію та марганцю. Метал добре розігрітий, що створює умови для окислення вуглецю за реакцією C + Fe = Fe + CO, яка поглинає тепло. Горіння вуглецю триває 8–10 хвилин і супроводжується деяким зниженням температури. Окис вуглецю згоряє на повітрі, утворюючи яскраве полум'я над горловиною.

Коли вміст вуглецю зменшується, полум'я слабшає, і починається третій період. Його ознака — поява бурого диму над горловиною, що свідчить про майже повне вигоряння кремнію, марганцю та вуглецю і початок інтенсивного окислення заліза. Третій період триває не більше 2–3 хвилин, після чого конвертор переводять у горизонтальне положення та вводять розкислювачі (феромарганець, феросиліцій або алюміній) для зниження вмісту кисню. Відбуваються реакції:

FeO + Mn = MnO + Fe,
2FeO + Si = SiO₂ + Fe,
3FeO + 2Al = Al₂O₃ + 3Fe.

Готову сталь виливають у ківш і направляють на розливання.

Щоб отримати сталь із заданим вмістом вуглецю (наприклад, 0,4–0,7%), продувку припиняють до повного вигоряння вуглецю або допускають повне вигоряння, після чого додають необхідну кількість чавуну чи феросплавів.

Томасівський процес. У конвертор з основною футеровкою спочатку завантажують свіже обпечене вапно, потім заливають чавун із вмістом 1,6–2,0% фосфору, до 0,6% кремнію та до 0,8% сірки. У томасівському конверторі утворюється вапняний шлак, необхідний для вилучення та зв'язування фосфору. Заповнення, підйом конвертора та пуск дуття відбуваються так само, як у бесемерівському процесі.

У перший період продувки окислюються залізо, кремній, марганець і формується вапняний шлак. Температура металу дещо підвищується.

У другий період вигорає вуглець, що супроводжується зниженням температури. Коли вміст вуглецю падає нижче 0,1%, полум'я зменшується і зникає. Настає третій період, під час якого інтенсивно окислюється фосфор:

2P + 5Fe + 4Ca = (Ca)₄·P₂O₅ + 5Fe.

У результаті окислення фосфор переходить у шлак, оскільки тетрафосфат кальцію розчиняється лише в ньому. Томасівські шлаки містять 16–24% P₂O₅.

Ця реакція виділяє значну кількість тепла, що спричиняє різке підвищення температури металу.

Перед розкисленням шлак необхідно видалити, оскільки вуглець, кремній та марганець із розкислювачів можуть відновити фосфор зі шлаку та повернути його в метал. Томасівську сталь використовують для виготовлення дахового заліза, дроту та сортового прокату.

Киснево-конверторний процес. Для інтенсифікації бесемерівського та томасівського процесів останніми роками застосовують дуття, збагачене киснем.

При бесемерівському процесі збагачення дуття киснем скорочує тривалість продувки, підвищує продуктивність конвертора та частку сталевого скрапу у ванні. Головна перевага кисневого дуття — зниження вмісту азоту в сталі з 0,012–0,025% (при повітряному дутті) до 0,008–0,004% (при кисневому). Додавання до дуття суміші кисню з водяною парою або вуглекислим газом дозволяє наблизити якість бесемерівської сталі до рівня мартенівської та електросталі.

Значний інтерес становить використання чистого кисню для виплавки чавуну в глуходонних конверторах зверху через водоохолоджувані фурми.

Бесемерування здійснюється у великих сталевих грушоподібних посудинах — конверторах, футерованих усередині цеглою з керамзиту, ємністю до 40–50 тонн чавуну. Конвертор обертається на горизонтальних цапфах за допомогою зубчастого колеса. До дна, в якому є багато дрібних отворів, приєднана повітряна камера для нагнітання повітря.

Конвертор наповнюють розплавленим чавуном, а в повітряну камеру нагнітають повітря. Проходячи через отвори, повітря пронизує всю масу чавуну та окислює домішки.

Спочатку вигорають кремній і марганець, переходячи у шлаки, потім — вуглець. Весь процес бесемерування триває 19–20 хвилин, після чого конвертор спорожнюють, повертаючи отвором униз.

Бесемерівським способом отримують сталь із вмістом вуглецю менше 0,3%. Для сталі з більшим вмістом вуглецю продувку припиняють раніше або додають багатий вуглецем чавун і продовжують продувку для перемішування.

Якщо чавун містить фосфор, видалити його при звичайній футеровці неможливо. Присутність фосфору робить сталь ламкою. За пропозицією Томаса футеровку виконують із суміші оксидів магнію та кальцію, отриманих прожарюванням доломіту MgCO₃·CaCO₃, а до чавуну додають 10–15% вапна. Фосфористий ангідрид P₂O₅ з'єднується з вапном, утворюючи шлаки — так звані томасшлаки, які використовують як добрива.

Киснево-конверторний процес — це вид переділу рідкого чавуну в сталь без витрати палива шляхом продувки технічно чистим киснем через фурму, що вводиться зверху. Для переробки 1 тонни чавуну потрібно 350 кубометрів повітря.

Уперше киснево-конверторний процес у промисловому масштабі реалізовано в Австрії у 1952–1953 роках на заводах у містах Лінц і Донавиці (за кордоном процес називають ЛД за першими літерами міст, в Україні — киснево-конверторним).

Нині працюють конвертори ємністю від 20 до 450 тонн, тривалість плавки становить 30–50 хвилин.

Цей процес посідає провідне місце серед способів масового виробництва сталі. Його успіх зумовлений можливістю переробки чавуну практично будь-якого складу, використанням металобрухту від 10 до 30%, здатністю виплавляти широкий сортамент сталей, включаючи леговані, високою продуктивністю, низькими капітальними витратами, гнучкістю та якістю продукції.

Конвертор має грушоподібну форму з концентричною горловиною, що забезпечує зручність уведення кисневої фурми, відводу газів, заливання чавуну та завантаження лома й шлакоутворюючих матеріалів. Кожух зварюють зі сталевих листів товщиною 20–100 мм. У центральній частині кріпляться цапфи, з'єднані з механізмом нахилу. Механізм повороту складається з передач, що зв'язують цапфи з приводом. Конвертор може обертатися навколо горизонтальної осі на 360° зі швидкістю 0,01–2 об/хв. Для конверторів ємністю від 200 тонн застосовують двосторонній привід, наприклад, чотири двигуни по два на кожну цапфу.

У верхній частині конвертора є льотка для випуску сталі, що виключає потрапляння шлаку в метал. Льотку закривають вогнетривкою глиною, замішаною на воді.

Хід процесу. Виробництво сталі в кисневому конверторі складається з таких періодів: завантаження металобрухту, заливання чавуну, продувка киснем, завантаження шлакоутворюючих, злив сталі та шлаку.

Завантаження починається із завалки сталевого лома в нахилений конвертор через горловину за допомогою завалочних машин лоткового типу. Потім заливальними кранами заливають рідкий чавун, конвертор установлюють вертикально, уводять фурму та включають подачу кисню чистотою не менше 99,5%. Одночасно з початком продувки завантажують першу порцію шлакоутворюючих і залізної руди (40–60% від загальної кількості). Решту сипучих матеріалів подають у процесі продувки однією або кількома порціями, найчастіше через 5–7 хвилин після початку.

На процес рафінування впливають положення фурми (відстань від її кінця до поверхні ванни) та тиск кисню. Зазвичай висота фурми становить 1,0–3,0 м, тиск кисню — 0,9–1,4 МПа. Правильний режим продувки забезпечує циркуляцію металу та його перемішування зі шлаками, що прискорює окислення C, Si, Mn, P.

Важливим елементом технології є шлакоутворення, яке визначає видалення фосфору, сірки та інших домішок, впливає на якість сталі, вихід придатного та стійкість футеровки. Основна мета — швидке формування шлаків із необхідними властивостями (основністю, рідкоплавкістю). Складність пов'язана з високою швидкістю процесу (тривалість продувки 14–24 хвилини). Формування шлаків залежить від швидкості розчинення вапна, на яку впливають склад шлаків, їх окисленість, змочування поверхні вапна, перемішування ванни, температурний режим, склад чавуну. Ранньому формуванню основних шлаків сприяє первинна реакційна зона (поверхня зіткнення струменя кисню з металом) із температурою до 2500°. У цій зоні вапно піддається впливу високої температури та шлаків із підвищеним вмістом оксидів заліза. Кількість вапна визначається розрахунком залежно від складу чавуну та вмісту SiO₂ у руді, бокситі, вапні. Загальна витрата вапна становить 5–8% від маси плавки, бокситу — 0,5–2,0%, плавикового шпату — 0,15–1,0%. Основність кінцевих шлаків має бути не менше 2,5.

Окислення домішок починається з перших хвилин продувки. Найінтенсивніше на початку окислюються кремній і марганець завдяки високій спорідненості до кисню при порівняно низьких температурах (1450° і менше).

Окислення вуглецю має важливе значення, оскільки впливає на температурний режим, шлакоутворення та рафінування металу від фосфору, сірки, газів і неметалічних включень.

Характерною рисою киснево-конверторного виробництва є нерівномірність окислення вуглецю як за об'ємом ванни, так і протягом продувки.

З перших хвилин продувки починається дефосфорація. Найінтенсивніше фосфор видаляється в першій половині продувки при низькій температурі металу та високому вмісті FeO у шлаку; основність і кількість шлаку швидко зростають. Киснево-конверторний процес дозволяє отримати менше 0,02% фосфору в готовій сталі.

Умови для видалення сірки менш сприятливі, ніж для фосфору, оскільки шлаки містять значну кількість FeO, а висока основність (понад 2,5) досягається лише в другій половині продувки. Ступінь десульфурації становить 30–50%, вміст сірки в готовій сталі — 0,02–0,04%.

Після досягнення заданого вмісту вуглецю дуття відключають, фурму піднімають, конвертор нахиляють і метал через льотку виливають у ківш.

Отриманий метал містить підвищений вміст кисню, тому заключною операцією є розкислення в сталерозливному ковші. Одночасно зі зливом сталі по спеціальному жолобу в ківш подаються розкислювачі та легуючі добавки.

Шлаки зливають через горловину в шлаковий ківш, установлений на шлаковозі під конвертером.

Перебіг процесу регулюється температурним режимом, зміною кількості дуття та введенням охолоджувачів — металолому, залізної руди, вапняку. Температура металу при випуску становить близько 1600 °C.

Під час продувки утворюється значна кількість відхідних газів. Для використання їх тепла та очищення від пилу за кожним конвертером обладнані казан-утилізатор і установка для очищення газів.

Керування процесом здійснюється за допомогою комп'ютерів, у які вводиться інформація про вихідні матеріали (склад і кількість чавуну, лома, вапна) та показники процесу (кількість і склад кисню, відхідних газів, температура).

Киснево-конверторний процес із донною продувкою.

У середині 60-х років досліди з вдування струменя кисню, оточеного шаром вуглеводнів, показали можливість продувки через днище без руйнування вогнетривів. Нині у світі працюють кілька десятків конверторів із донною продувкою садкою до 250 тонн. Кожна десята тонна конверторної сталі у світі виплавляється цим процесом.

Основна відмінність конверторів із донною продувкою — менший питомий об'єм (об'єм на тонну чавуну, що продувається). У днище встановлюють від 7 до 21 фурми залежно від ємності. Фурми розміщують в одній половині днища так, щоб при нахилі вони були вище рівня металу. Перед установкою конвертора вертикально через фурми пускається дуття.

При донній продувці покращується перемішування ванни, збільшується поверхня зародження та виділення бульбашок CO. Швидкість зневуглецювання вища порівняно з верхньою продувкою. Отримання металу з вмістом вуглецю менше 0,05% не становить труднощів.

Умови видалення сірки при донній продувці сприятливіші завдяки меншій окисленості шлаків і збільшенню поверхні контакту газ—метал. Частина сірки видаляється в газову фазу у вигляді SO₂.

Переваги донної продувки: підвищення виходу придатного металу на 1–2%, скорочення тривалості продувки, прискорення плавлення лома, менша висота будівлі цеху. Це становить інтерес для заміни мартенівських печей без корінної реконструкції цехів.

Отже, узагальнюючи, охарактеризуємо технологію виготовлення сталі конверторним способом.

1. Перед заливанням конвертора розплавленим чавуном приямок має бути просушений і засипаний шаром сухого піску.
2. Зняття настилів і скрапу з горловини конвертора з внутрішньої та зовнішньої сторін повинно виконуватися безпечними способами зі спеціальних площадок з огородженнями та тепловими екранами.
3. Для обмеження розбризкування металу та захисту працівників від опіків у прорізі робочої площадки мають бути встановлені захисні щити.
4. При продувці зверху оброблення та закладення льотки, а також відбір проб повинні виконуватися з пересувних або стаціонарних площадок, обладнаних теплозахисними екранами.
5. Забороняється розташовувати в зоні викидів розплаву з конверторів (при їх повороті) пости спостереження та керування, а також будь-які механізми.
6. Нагромадження настилів на стінках каміна не допускається. Чищення каміна повинно виконуватися регулярно після припинення роботи конвертора та остигання стінок. Чищення виконується зовні з площадок під керівництвом відповідальної особи. Збивання налиплих настилів — зверху вниз.
7. Для захисту від теплового випромінювання стінки каміна, що прилягають до робочих площадок, повинні бути покриті теплоізольованою масою або екрановані.
8. Під час продувки металу всі люки в каміні мають бути закриті.
9. При роботі конвертора має виключатися проникнення газів у приміщення цеху.
10. Для захисту від променистого тепла та викидів розплавленого металу й шлаків конвертор по обидва боки цапф має бути обгороджений екранами. При повороті конвертора повинні подаватися світлові та звукові сигнали.
11. Після зливу металу футеровка та днище конвертора повинні бути ретельно оглянуті для визначення їх стану.
12. Перевірка стану механізму повороту конвертора повинна виконуватися щозмінно. Робота з несправним механізмом забороняється.
13. Ремонт і огляд механізму повороту в період роботи конвертора забороняються.
14. Виконувати роботи під конвертором під час очищення охолоджувача конверторних газів забороняється. При виконанні цих робіт має бути встановлене огородження та вивішені попереджувальні плакати.
15. Видалення відкладень (настилів, шламу) в елементах газовідвідного тракту повинно виконуватися своєчасно.
16. Контроль за вмістом окису вуглецю в приміщеннях газоочистки та димососної повинен здійснюватися за графіком, затвердженим головним інженером (технічним директором) організації.

Виробництво сталі киснево-конверторним способом щороку зростає.

2. Поняття «конвертор»

Конвертор (англ. converter, від лат. convertere — перетворювати) — це апарат (вид печі) для отримання сталі з передільного розплавленого чавуну та шихти шляхом продувки повітрям (атмосферним або збагаченим киснем), яке подається в робочий простір через фурми під тиском 9–12 атм. Такий метод називають конверторним або киснево-конверторним процесом.

Основні виробники сталі в кисневих конверторах: Китай, Японія, США, Росія, Південна Корея, Бразилія, Індія, Україна.

Перша велика установка з конвертором об'ємом 15 тонн була запущена на металургійному заводі в місті Лінц (Австрія) у 1949 році.

Перші промислові сталеплавильні цехи з конверторами та кисневим дуттям через фурму, що занурюється зверху, введені в експлуатацію у 1952–1953 роках в Австрії (Лінц і Донавиць).

У СРСР технологія конвертора вперше впроваджена у 1956 році на Дніпропетровському металургійному заводі імені Петровського, а у 1957 році введено в експлуатацію повноцінний киснево-конверторний цех на заводі "Криворіжсталь".

Конвертор — це спеціальна металева посудина, футерована всередині вогнестійкою цеглою. Футеровка витримує до 2000 плавок.

За допомогою приводних механізмів конвертор може обертатися навколо горизонтальної осі — при завантаженні шихти, зливанні шлаку та виплавленої сталі. Робоче положення — вертикальне. Ємність кисневих конверторів — від 50 до 500 тонн.

Спочатку в конвертор завантажують скрап (металевий лом), потім заливають рідкий чавун (при температурі 1300 °C), засипають вапно, залізну руду та окалину. Потім здійснюють продувку технічним киснем під тиском 1,6–1,8 МПа. Під час продувки кисень окислює домішки. Реакції окислення протікають швидко з виділенням великої кількості теплоти, температура підвищується до 2500 °C. Після продувки сталь готова, її випускають.

Завантаження печі триває 5 хвилин, продувка — 12–20 хвилин, відбір проб — 6 хвилин, виливка сталі та шлаку — 5–10 хвилин. Весь цикл займає 35–40 хвилин. Це найпродуктивніший і найдешевший спосіб виплавки сталі, але якість сталі невисока. Конверторна сталь використовується переважно для невідповідальних будівельних конструкцій.

Конвертор має грушоподібну форму. Верхню частину називають козирком або шоломом — вона має горловину, через яку заливають чавун і зливають сталь та шлак. Середня частина — циліндрична. У нижній частині є приставне днище, яке в міру зносу замінюють. До днища приєднана повітряна коробка, куди надходить стиснене повітря.

Конверторним способом виплавляють близько 20% сталі.

3. Переваги та недоліки конверторного способу

Сталеплавильне виробництво — це отримання сталі з чавуну та сталевого лома в сталеплавильних агрегатах металургійних заводів. Воно є другою ланкою у виробничому циклі чорної металургії. Основними способами виплавки сталі в сучасній металургії є киснево-конверторний, мартенівський та електросталеплавильний процеси. Співвідношення між ними змінюється.

Сталеплавильний процес є окисним, оскільки сталь отримують у результаті окислення та видалення більшої частини домішок чавуну — вуглецю, кремнію, марганцю та фосфору. Відмінна риса — наявність окисної атмосфери. Окислення здійснюється киснем, що міститься в газах, оксидах заліза та марганцю. Після окислення з металевого сплаву видаляють розчинений кисень, уводять легуючі елементи та отримують сталь заданого хімічного складу.

Метод характеризується високою продуктивністю: конверторний цех із трьох 400-тонних конверторів може забезпечити річний обсяг виробництва на рівні 10 мільйонів тонн сталі.

В Україні досі широко використовуються мартенівські технології, яким майже сто років. Витрати палива при цьому надзвичайно великі, тоді як увесь світ давно перейшов на конверторний спосіб, що вимагає вшестеро менших енерговитрат на тонну сталі. За підрахунками фахівців, упровадження конверторного способу дозволило б скоротити витрати газу в металургії на 1,4 мільярда кубометрів. Крім того, на 2,4 мільярда кубометрів можна скоротити витрати палива за рахунок упровадження технології виплавляння чавуну з вдуванням гарячих відновлюваних газів на холодному технологічному кисні та пиловугільній суміші.

Аналіз переваг і недоліків способів виплавки сталі в конверторах із верхньою та нижньою продувкою привів до створення процесу, у якому метал продувається зверху киснем і знизу — киснем у захисній сорочці або аргоном (азотом). Використання конвертора з комбінованою продувкою порівняно з продувкою тільки зверху дозволяє підвищити вихід металу, збільшити частку лома, знизити витрату феросплавів та кисню, підвищити якість сталі за рахунок зниження вмісту газів при продувці інертним газом наприкінці операції.

Список використаної літератури

1. Безимянский В.И. и др. Конверторные процессы производства стали / Под ред. Безимянского. — К.; Донецк: — 1984.
2. Власов Н.Н. и др. Розливка чёрных металлов: Справочник. — М.: — 1987.
3. Дриц М.Е., Москалёв М.А. Технология конструкционных материалов и метериаловедение. — М.: — 1990.
4. Линчевский Б.В. и др. Металлургия чёрных металлов: учебник / Под ред. Б.В. Линчевского. — М.: — 1986.
5. Машины и агрегаты металлургических заводов: Учебник. — М.: — 1981.
6. Металлургия стали / Под ред. В.И. Явойского. — М.: — 1983.
7. Накифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. — М.: — 1986.
8. Основы металлургического производства: Учебник / В.К. Бабич, Н.Д. Лукашкин, А.С. Морозов и др. — М.: — 1988.
9. Основы технологии важнейших отраслей промышленности / Под ред. Сидорова. — М.: — 1971.
10. Технология важнейших отраслей промышленности / Под ред. Гринберга. — М.: — 1985.