Конвертерное производство — получение стали в сталеплавильных агрегатах-конвертерах путём продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению кислородом содержащихся в чугуне примесей (кремния, марганца, углерода и др.) и последующему удалению их из расплава. Выделяющееся в процессе окисления тепло повышает температуру расплава до необходимой для расплавления стали, то есть конвертер не требует топлива для работы. На начало XXI века более 60 % стали в мире производится конвертерным способомhttp://steelcast.ru/ld_process Выплавка стали в кислородном конвертере. В 2020 году 70 % мирового объёма стали выставлялось конвертерным способомКак промышленность борется с изменением климата . Ведомости. 16 февраля 2022.
Процессы
Классификация конвертерных процессов Основными способами классификации являются способ подвода, состав дутья и других реагентов, состав футеровки, способ ввода дополнительного тепла в конвертер. По способу подвода дутья процессы делятся на три группы:
с продувкой снизу; с продувкой сверху; с комбинированной продувкой.
Бессемеровский и томасовский процессы относятся к группе процессов с продувкой снизу. В качестве дутья в этих процессах применяется воздух, обогащённый кислородом воздух и парокислородная смесь. Кислородно-конвертерный процесс и процесс Кальдо относятся к группе процессов с продувкой сверху. Бессемеровский и томасовский процессы уступают место процессам с продувкой сверху.
По способу ввода дополнительного тепла в конвертер выделяют процессы:
со сжиганием дополнительного топлива в ходе продувки; с дополнительным дожиганием монооксида углерода до оксида углерода в полости конвертера; с предварительным подогревом металлолома в конвертере; со сжиганием дополнительного топлива и дожиганием монооксида углерода до оксидом углерода в ходе продувки; с предварительным подогревом металлолома перед продувкой и сжиганием дополнительного топлива в процессе продувки; с предварительным подогревом металлолома перед продувкой и дожиганием газов в ходе продувки; с предварительным подогревом металлолома до продувки, сжиганием дополнительного топлива и дожиганием угарного газа до углекислого в ходе продувкиСтаров Р. В., Нагорских В. А. Производство стали в конвертерах (пособие подручному сталевара).— К.: Техніка, 1987.— 167 с., ил..
Бессемеровский процесс
Первый массовый способ получения жидкой стали открыл английский изобретатель Генри Бессемер в 1856 году. До Бессемера плавленой стали не существовало: невозможно было получить температуру свыше 1500°, необходимую для расплавления металла с пониженным относительно чугуна содержанием углерода. Сталь получали пудлингованием и ковкой криц.
Продувка расплава в бессемеровском конвертере осуществляется атмосферным воздухом. Содержащийся в нём азот уносит заметную часть полезного тепла реакции, не позволяя вносить в плавку большие количества лома, и частично переходит примесью в получаемую сталь. Основной недостаток процесса — невысокое качество металла за счёт неудалённых при продувке вредных примесей (фосфора и серы). Для выплавки бессемеровских чугунов нужны очень чистые по содержанию серы и фосфора железные руды, природные запасы которых ограничены.
Томасовский процесс
В 1878 году Англичанин Сидни Гилкрист Томас вместо кислой динасовой футеровки бессемеровского конвертера применил основную футеровку, а для связывания фосфора предложил использовать известь. Томасовский процесс позволил перерабатывать высокофосфористые чугуны и получил распространение в странах, где железные руды большинства месторождений содержат много фосфора (Бельгия, Люксембург, др.). Однако и томасовская сталь была низкого качества.
В 1864 году французский металлург П. Мартен разработал процесс получения стали в мартеновской печи. В отличие от конвертерных способов получения стали, мартеновский процесс отличался малой требовательностью к химическому составу исходного материала, позволял переплавлять большое количество стального лома; качество мартеновской стали было выше конвертерной. Однако следует заметить, что время плавки в мартеновской печи гораздо больше, чем в конвертере. Мартеновская печь требует внешнего обогрева в течение всей плавки, в то время как конвертер разогревается сам. Вследствие этого мартеновский способ вытесняется окончательно конвертерным. Единственным достоинством стали, выплавленной в мартеновской печи, по сравнению с конвертерной, остается её большой ассортимент, в то время как для повышения количества марок стали конвертерной используют установку доводки стали.
К середине XX века мартеновским способом изготовлялось около 80 % всей стали, производимой в мире. Но именно в этот период началось бурное возрождение конвертерного производства, связанное с применением продувки чистым кислородом.
Кислородно-конвертерный процесс Первый патент на кислородное дутьё получил ещё сам изобретатель процесса Генри Бессемер. Однако опробование идеи долгое время сдерживалось отсутствием тоннажного производства кислорода. Только к началу 1930-х годов кислород промышленной чистоты стал доступен в больших количествах благодаря созданию криогенных установок для сжижения воздуха и разгонки его на фракции. Первые довоенные опыты по продувке чугуна кислородом производились в небольших ковшах вместимостью единицы тонн. В 1933—1936 годах с подачи и под руководством инженера на киевском заводе «Большевик» были проведены, по-видимому, первые в мировой практике плавки с применением кислородной продувкиhttp://kpi.ua/ru/928-7-foto Мозговой Николай Илларионович — выдающийся изобретатель и учёный, выпускник КПИ. Параллельно шли опыты в Германии.
Всеобщее вытеснение кислородно-конвертерным производством мартеновского началось только по окончании Второй мировой войны, с воплощением предвоенных наработок по криогенной технике, проектированием и постройкой очень крупных кислородных установок при металлургических заводах, обеспечивавших не только продувку конвертеров, но и обогащение кислородом доменного дутья. В 1952 году в Линце (Австрия) начал работать первый в мире кислородно-конвертерный цех на комбинате компании VÖEST AG. В 1953 году начал работать завод в Донавице. В 1966 году на Липецком металлургическом комбинате был запущен кислородно-конвертерный цех, в котором впервые в мире всю полученную сталь разливали на установках непрерывной разливки. С этого времени сочетание кислородно-конвертерного производства с непрерывной разливкой стало основным направлением развития сталеплавильного производства.
Одновременно развивались методы экспресс-контроля параметров плавки: по сравнению с мартеновской конвертерная плавка очень скоротечна (десятки минут) и требует тщательного отслеживания содержания углерода, температуры расплава и отходящих газов и др. с целью своевременного прекращения продувки. Совершенствование автоматики, лабораторной техники и измерительных приборов было таким же необходимым условием выплавки качественной конвертерной стали, как и получение нужных количеств кислорода. Металл, получаемый кислородно-конвертерным процессом, по качеству стал равноценным мартеновской стали, себестоимость стали снизилась на 20—25 %, производительность увеличилась на 25—30 %.
На сегодняшний день существует три основных режима работы кислородного конвертера: с полным дожиганием окиси углерода, с частичным и без дожигания СО.
Существует много разновидностей кислородно-конвертерного процесса, предназначенного для производства стали требуемого качества из чугунов различных составов: низко- и высокофосфористых, кремнистых и низкокремнистых, марганцовистых и высокомарганцовистых и т. п. Наибольшее распространение получил кислородно-конвертерный способ с верхней продувкой чугуна технически чистым кислородом (чистотой не менее 99,5 %, остальные 0,5 % — азот, аргон, криптон).
В начале развития кислородно-конвертерного производства стойкость футеровки была низкой (200—250 плавок), а продолжительность смены футеровки — достаточно высокой. При таком положении дел один из установленных в цехе конвертеров постоянно находился на ремонте. В дальнейшем время эксплуатации конвертера до замены футеровки увеличилась (Так, на ЗСМК в экспериментальном порядке достигли 2500 плавок), время на замену футеровки сократилось и загрузка цехов стала полной.
Устройство конвертера Бессемеровский и томасовский конвертеры представляют собой сосуд грушевидной формы, выполненный из стального листа с футеровкой изнутри. Футеровка бессемеровского конвертера кислая (динасовый кирпич), томасовского — основная (смолодоломит).
Сверху в суживающейся части конвертера — горловине — имеется отверстие, служащее для заливки чугуна и выпуска стали. В классическом конвертере с нижней продувкой дутье, подаваемое в воздушную коробку, поступает в полость конвертера через фурмы (сквозные отверстия), имеющиеся в футеровке днища. Дутьем служит воздух, подаваемый под давлением 0,30—0,35 МПа. Цилиндрическая часть конвертера охвачена опорным кольцом; к нему крепятся цапфы, на которых конвертер поворачивается вокруг горизонтальной оси.
Стойкость днища бессемеровского конвертера составляет 15—25 плавок, после чего их заменяют. Стойкость остальной футеровки выше: у томасовского конвертера 250—400 плавок, у бессемеровского 1300—2000 плавок. Таким образом, футеровка конвертера — химически активный расходный материал, требующий периодического обновления.
В современном кислородном конвертере дутьё подаётся через опускаемую сверху фурму с несколькими сверхзвуковыми соплами Лаваля на конце, направленными почти под прямым углом к поверхности расплава. Сама фурма, как правило, не заглубляется в расплав. Для предохранения от брызг и отвода газов горловина конвертера прикрывается опускающимся колоколом, также сверху смонтированы и контрольные приборы типа пирометров и газоанализаторов. Режим плавки и состав шихты (процент чугуна, лома, руды, состав и количество добавляемых ферросплавов) рассчитываются компьютером по результатам лабораторных экспресс-анализов и текущих измерений.
Автоматизация конвертерного процесса
Основные понятия Конверторный процесс отличается высокой скоростью протекания, что усложняет процесс управления плавкой. Контролируемые параметры процесса разделяют на четыре группы:
заданные параметры; начальные параметры; параметры, изменяющиеся по ходу продувки; конечные.
Заданные параметры в системах контроля обычно определены маркой стали и развесом отливаемых слитков. К таким параметрам относятся: масса жидкой стали, состав и температура металла, заданную основность конечного шлака. Начальными параметрами считаются состав, температура и масса жидкого чугуна, также вид и масса металлолома и сыпучих материалов. Относятся к начальным параметрам также и общая масса угля на плавку и общее количество кислорода, необходимое для процесса плавки.
Параметры, изменяющиеся по ходу продувки, называют динамическими. К ним относятся:
положение фурмы; минутный и общий расход и давление кислорода; состав и температура металла; состав шлака; расход, состав, температура отходящих газов; светимость факела; уровень шума; вибрации конвертера и фурмы; расход, давление и температура воды на охлаждение фурмы; время присадки сыпучих материалов; время продувки.
Конечные параметры передают информацию о массе получившейся стали, состав и температуру металла, состав шлака. Успешными результатами управления плавкой считается совпадение конечных и заданных параметров. Дополнительными факторами являются минимальные затраты материалов и время процесса плавки.
Системы контроля конвертерного процесса Конвертерная плавка характеризуется следующими системами контроля:
Контроль параметров чугуна; Определение массы шихтовых материалов и продуктов плавки; Контроль качества извести; Контроль параметров дутья; Контроль положения кислородной фурмы; Контроль содержания углерода в металле; Контроль температуры металла; Контроль уровня ванны в продувке; Контроль шлакообразования.