Шихтовые материалы для выплавки стали.

Задачей сталеплавильных процессов является получение металла со строго заданным химическим составом из разнородной по составу шихты.

В состав шихты входят металлические и неметаллические материалы.

Металлическая часть шихты включает жидкий и твердый передельный чугун, металлический лом и шихтовую заготовку.

В зависимости от содержания элементов чугун подразделяют следующим образом:

на две группы по содержанию марганца

(I гр. – до 1,0, II гр. - > 1,0% Mn);

на три класса по содержанию фосфора (класс А ≤ 0,15, класс Б ≤ 0,20, класс В ≤ 0,3% Р);

на три категории по содержанию серы (I категория ≤0,03; II категория ≤0,05; III категория ≤0,07% S).

Содержания углерода в чугуне не указывается, т. к. оно определяется содержанием других компонентов, в первую очередь кремния, марганца и фосфора. Обычно содержание углерода колеблется в пределах 3,5… 4,2%.

Марганец в чугуне оказывает положительное влияние на процессы шлакообразования и десульфурации при выплавке стали. Однако до 90% его содержания окисляется, переходя в шлак, и теряется со шлаком. Из-за дефицита марганца в настоящее время используются маломарганцовистые чугуны с содержанием марганца 0,15 – 0,40%.

Кремний оказывает значительное влияние на ход сталеплавильных процессов. С увеличением содержания кремния в чугуне улучшается тепловой баланс плавки и возможна переработка большого количества металлолома. При этом, однако, увеличивается расход извести и количество шлака, т.к. на связывание кремнезема в соединении 2СаО SiО₂ требуется 5,7% СаО при содержании 0,5 Si и 10,2% СаО при содержании 1,1% кремния в чугуне. Одновременно снижается процент выхода жидкой стали, т.к. весь кремний окисляется и переходит в шлак. Поэтому оптимальным считают содержание кремния в чугуне 0,5…07%.

Сера - вредная примесь. Она снижает пластичность (относительное удлинение, относительное сужение, ударную вязкость), сообщает стали красноломкость, понижает свариваемость, способствует образованию различного рода трещин. Поэтому содержание ее в чугуне ограничивают 0,07%.

Фосфор улучшает тепловой баланс плавки, и в томасовском процессе реакция его окисления является главным источником тепла. Однако стали он сообщает хрупкость, синеломкость, ухудшает свариваемость, поэтому его содержание в чугуне ограничивают.

Доля чугуна в металлошихте при выплавке стали в мартеновских печах составляет 55 – 60, в кислородных конвертерах – 75 – 80, в дуговых электропечах 5 -7%.

Металлический лом бывает оборотный и привозной. Оборотный образуется на самом металлургическом заводе. Это различного рода отходы, скрапины, недоливки, сифонные летники и проводка, прокатная обрезь. Привозной лом поступает от сборных пунктов и предприятий вторчермета.

Металлолом подразделяют по видам: стальной, чугунный, доменный присад; по категориям: нелегированный и легированный; по химсоставу - 53 группы; по чистоте и габаритам – 3 класса.

В электросталеплавильном производстве кроме чугуна и металлолома используют шихтовую заготовку, чтобы облегчить выплавку легированной стали на отходах. Это выплавляемый в мартеновских печах или кислородных конвертерах металл, в котором регламентируется содержание углерода, серы и фосфора. Загружают его в виде металлических болванок толщиной 200…250 и длиной 1000…1200 мм.

Помимо перечисленных материалов в шихте электросталеплавильных печей используют продукты прямого восстановления – губчатое железо или металлизованные окатыши. В них содержится (вес. %) : 85 – 95 железа; 0.1…0,8 углерода; 0,01...0,03 фосфора; 2,0…8,0 кремнезема. Это упоминавшаяся ранее незагрязненная примесями цветных металлов первородная шихта. К неметаллической части шихты относят твердые окислители, шлакообразующие материалы и флюсы.

В качестве твердых окислителей используют железную руду, прокатную окалину, окатыши и агломерат. Их используют для ускорения окисления углерода, кремния марганца и фосфора. Главное требование к этим материалам – высокое содержание оксидов железа и низкое содержание пустой породы.

Газообразные окислители - воздух и технический кислород.

Для образования шлакового покрова с нужными физико – химическими свойствами используют известняк, доломит, известь, боксит, шамотный бой, плавиковый шпат, железофлюсы.

Известняк (СаСо₃) используют для образования шлака во время плавления в мартеновских и электропечах. Он требует дополнительных затрат тепла на разложение (по сравнению с известью), а выделяющийся углекислый газ перемешивает металл и способствует выравниванию состава и температуры в объеме металлической ванны.

Известь (продукт обжига известняка) имеет следующий химический состав (масс. %);\: 88…- 93 СаО, около 2MqO и SiO_2, 3(F₂O₃ + Al₂O₃), не более 0,1 S. Чем выше содержание СаО и ниже содержание SiO₂ и серы, тем выше качество извести.

Для разжижения шлака используют боксит (20…-60% Al₂O₃, 15…- 45%FeO, 5..20 SiO₂), шамотный бой (35% Al₂O_3, 60% SiO₂), плавиковый шпат (95…-95% Са F₂ до 5% SiO₂). Эти материалы используют для придания шлаку нужных физико-химических свойств и известны под названием флюсы.

Ферросплавы - это особая группа материалов промышленного производства, используемых на заключительных этапах выплавки стали для ее раскисления и легирования.

Самостоятельного значения ферросплавы не имеют.

Это сплавы с одним или несколькими элементами, обладающими в ряде случаев более высоким, чем железо, сродством к кислороду и придающими стали необходимые физические и служебные свойства - это ферросилиций, ферромарганец, феррохром, силикокальций и др.

Все сталеплавильные процессы окислительные, т.е. проводятся при парциальном давлении кислорода в атмосфере агрегата в сотни раз более высоком по сравнению с равновесным в металле. Вследствие этого во время плавления шихты происходит полное или частичное окисление практически всех примесей металлошихты. На заключительном этапе плавки, после достижения требуемой температуры, в металл вводят необходимое количество нужных компонентов.

Все сталеплавильные процессы для своего осуществления требуют затрат тепла. В зависимости от источника поступления тепла сталеплавильные процессы подразделяют на конвертерные, подовые и электропечные.

Конвертерные процессы осуществляют за счет тепла, выделяющегося при окислении примесей жидкого чугуна при его продувке воздухом или техническим кислородом. Это бессемеровский, томасовский и кислородно- конвертерный процессы.

Подовые процессы осуществляются за счет внешнего источника тепла. Топливом для их осуществления могут быть: природный газ, мазут, коксовый газ, смесь коксового и доменного газов. Их сжигают в рабочем пространстве мартеновских и двухванных печей. Это мартеновский процесс и его разновидности.

В электросталеплавильных процессах выплавку стали осуществляют за счет преобразования в дуге электрической энергии в тепловую.

Во время плавки металл находится в контакте с огнеупорной футеровкой агрегата, которая оказывает значительное влияние на состав образующегося шлака и ход реакций. В зависимости от того, какие оксиды составляют основу используемых для футеровки печи или конвертера огнеупоров (SiO₂, MqO, CaO), процессы выплавки подразделяют на кислые и основные.

Кислые процессы реализуются в агрегатах, основу футеровки которых составляет кислотный оксид кремния SiO₂.

Основные – в агрегатах, футеровка которых состоит из оксидов с основными свойствами MqO и CaO.

В агрегатах с кислой футеровкой образуются шлаки с содержанием SiO₂ 40…- 60%, которые не вступают во взаимодействие с серой и фосфором, поэтому удаление этих вредных примесей из металла не происходит.

В агрегатах с основной футеровкой в шлаках содержится значительное количество свободного оксида кальция СаО, который связывает серу и фосфор в соединение CaS, 4CaOP₂O₅, 3CaOP₂O₅ , обеспечивая тем самым десульфурацию и дефосфорацию металла.

 

 

3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОКИСЛИТЕЛБНОЙ ПЛАВКИ

 

3.1. Питание сталеплавильной ванны кислородом

Выплавка стали в мартеновских печах осуществляется за счет сжигания топлива в потоке воздуха. В атмосфере рабочего пространства при этом присутствуют СО₂, Н₂О, О₂. Эти же газы находятся в атмосфере электродуговых печей. В конвертерных процессах чугун продувают воздухом или технически чистым кислородом. Т.е. во всех случаях атмосфера в сталеплавильных агрегатах окислительная; парциальное давление кислорода в зависимости от типа процесса колеблется от 20 до 100 КПа, а равновесное с металлом (с растворенным в металле кислородом) составляет 10 ^-3…10 ^{– 5} Па. Т.е. имеется значительный окислительный потенциал, благодаря чему процесс поступления кислорода в металл и его расходование на окисление примесей идет непрерывно.

Из атмосферы мартеновской печи поступает до 30 кг кислорода на тонну стали, из атмосферы кислородного конвертера – до 80 кг.

Переход кислорода из газовой фазы в металл может осуществляться по нескольким схемам:

1.Путем непосредственного контакта металла с атмосферой при продувке ванны воздухом или кислородом.

2. С помощью корольков (капель) металла, образующихся всегда в больших количествах, как при кипении, так и при продувки ванны. При этом корольки взаимодействуют и с атмосферой, и со шлаками.

3. Кислород из атмосферы может поступать в металл через шлак в несколько этапов:

- взаимодействие окислительного газа с оксидом железа на поверхности шлака по реакции:

 

(3.1)

 

- транспортировка образовавшегося оксида на границу шлак – металл и взаимодействие его с железом по реакции:

 

(Fe₂O₃) + [ Fe ] → 3(FeO) (3.2)

 

растворение части (FeO) в металле по реакции:

 

(FeO) → [ Fe] + [ O ] (3.3)

 

Растворившийся в металле кислород участвует в окислении примесей в объеме металла, а оставшаяся в шлаке часть (FeO) может расходоваться на ркисление примесей на границе шлак – металл или участвовать в переносе кислорода по описанной схеме.

4. Важная роль в питании ванны кислородом принадлежит твердым окислителям, которые вносятся в агрегат во время загрузки шихты и по ходу плавки.

 

 

3.2. Реакция окисления углерода

 

Основная составляющая шихты при выплавке стали – чугун – содержит в среднем 4%. В готовой стали содеожание углерода в большинстве случаев исчисляется десятыми долями процента, поэтому скорость окисления углерода определяет продолжительность плавки, и эту реакцию считают главной реакцией сталеплавильных процессов.

Углерод является основным потребителем кислорода. Установлено, что окисление углерода происходит в объеме металла по реакциям:

 

[ C ] + [ O ] = { CO } (3.4)

 

[ C ] + 2 [ O ] = { CO₂ } (3.5)

 

Вторая реакция протекает при концентрациях углерода менее 0,05%, поэтому не будем ее рассматривать.

Объем выделяющихся газов многократно превышает объем металла, т.к. окисление 1кг углерода сопровождается образованием более 10м³ СО при температуре 1500˚С. Это обеспечивает интенсивное перемешивание металла и шлака и ускоряет массообменные процессы. В мартеновском же и электросталеплавильном процессах это обеспечивает нагрев металла и усреднение его температуры по всему объему ванны. При отсутствии перемешивания вряд ли была возможна выплавка стали на подине мартеновской или какой-либо иной печи.

Кроме того, углерод является важным источником тепла. Например, в кислородно-конвертерном процессе при окислении углерода выделяется до 25% тепла в приходной части теплового баланса.

Константу равновесия реакции (3.4) с достаточной для практических целей точностью можно записать в таком виде:

 

 

Кс = (3.6)

 

Установлено, что при температуре сталеплавильных процессов произведение величин в знаменателе этого выражения является постоянной величиной

 

[ C ] [ O ] = 0,0025. (3.7)

 

Учитывая, что при выходе на поверхность металла давление СО в пузыре равно атмосферному Рсо = 1ат, выражение (3.6) записывают в виде

 

Кс = (3.8)

 

Тогда, с учетом (3.7) Кс = 400.

Уравнение (3.7) используют для определения соотношений концентраций углерода и кислорода в железе в состоянии равновесия при температуре сталеплавильных процессов.

В реальных условиях для протекания реакции обезуглероживания необходим некоторый избыток кислорода, что и наблюдается в действительности (рис. 3.1).

Из рассмотрения этой зависимости следует, что концентрация кислорода в металле контролируется углеродом и понижается с повышением концентрации углерода.

Окисление углерода может идти и на границах металла со шлаком и с газовой фазой соответственно по реакциям

 

[C] + (FeО) = {CO} + [Fe]

[C] + ½{O₂} = {CO}

 

Рис 3.1 Зависимость между содержанием [С] и [О] в металле для равновесных и действительных условий мартеновской ванны.

 

Важным в практическом отношении является вопрос о скорости окисления углерода, т.к. от этого зависит производительность агрегата.

Термодинамический анализ реакций окисления углерода показывает, что с увеличением температуры создаются более благоприятные условия для их протекания.

Минимальная температура перегрева металла над температурой ликвидус сплава составляет 30…- 40˚С, и задача сталевара состоит в том, чтобы плавку вести горячо, обеспечивая тем самым сокращение длительности плавки.

Скорость окисления зависит от содержания углерода двояко: в области высоких концентраций ([C] > 0,1…0,2%) при постоянной скорости поступления кислорода она остается неизменной, а при меньших концентрациях падает. Указанный диапазон концентраций называют критическим, т.к. происходит изменение лимитирующего звена реакции: в области высоких концентраций скорость реакции контролируется доставкой кислорода в зону реакции, в области меньших концентраций лимитирующим звеном становится массоперенос углерода. Естественно, что с увеличением скорости подвода кислорода в зону реакции скорость окисления растет, одновременно увеличивается и критическая концентрация углерода (рис. 3.2)

Рис. 3.2 Зависимость скорости выгорания углерода от его концентрации в металле при различной интенсивности продувки ванны 900 т мартеновской печи кислородом, м³/ч:

1,2,3,4,5 – интенсивность доставки кислорода.

 

3.3. Реакция окисления кремния

Кремний сплавляется с железом в любых соотношениях, образуя соединения FeSi. Вследствие высокой активности по отношению к кислороду используется как раскислитель, по той же причине при выплавке стали находящийся в шихте кремний окисляется практически полностью, выделяя при этом значительное количества тепла. Окисление может протекать в объеме металла, на границе со шлаком, на границе металл – газ.

 

[Si] + 2[O] = (SiO₂) (3.9)

 

[Si] + 2(FeО) = (SiO₂) + 2[Fe] (3.10)

[Si] + {O₂} = (SiO₂) (3.11)

 

В основных сталеплавильных агрегатах окисление кремния идет до остаточных содержаний 0,01… 0,02%, т. к. ( SiO₂) связывается основными оксидами в устойчивые комплексы. Поэтому рассмотрим реакцию (10).

Константа равновесия этой реакции имеет вид

 

(3.12)

 

откуда (3.13)

 

Рассматриваемая реакция экзотермическая, поэтому с понижением температуры растет значение К Si ,т.е. в начале плавки значение К Si большое.

В основных шлаках активность (SiO₂) низкая, т.к. весь оксид связан в комплекс 2СаО SiO₂. Активность FeO высокая.

Вследствие перечисленных причин кремний полностью окисляется уже в начале плавки и переходит в шлак.

В агрегатах с кислой футеровкой поведение кремния иное. Из-за высокой концентрации (SiO₂) в шлаке (50 – 60%) высока и его активность. Активность же (FeO) в течение плавки меняется: вначале высокая, затем падает.

В начале плавки при низкой активности (SiO₂), высоких значениях KSi и α (FeO) кремний интенсивно окисляется. Затем в связи с ростом температуры (K_Si падает) концентрации и активности (SiO₂) и снижением активности (FeO) начинается процесс восстановления кремния из шлака.

Поведение кремния по ходу плавки в агрегатах с кислой и основной футеровкой схематически представлено на рис. 3.3

Рис 3.3 Схема изменения содержания кремния в ходе мартеновской плавки: 1- кислый процесс (а - кремневосстановительный; б – промежуточный; в – активный); 2 – основной процесс.

 

3.4. Реакция окисления марганца

 

Марганец в сталях присутствует как раскислитель и легирующий компонент. Раскислительная способность его мала и в этом качестве он используется при производстве кипящих марок стали. В других типах сталей он обычно содержится в количестве до 0,5%, что обусловлено необходимостью устранения неблагоприятного влияния серы на свойства стали. В присутствии марганца растворенная в металле сера выделяется при кристаллизации в виде тугоплавких включений, что предотвращает красноломкость.

В больших количествах марганец является легирующим веществом и используется при производстве конструкционных, рессорно-пружинных, износостойких и др. марок стали.

Как кремний, марганец может окисляться в металле на границе со шлаком, на границе с атмосферой агрегата. Но основное количество марганца окисляется на границе металл – шлак по реакции:

 

[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] (3.14)

 

Для практических подсчетов константу равновесия этой реакции записывают в виде

KMn = (3.15)

 

[Mn] = (3.16)

 

Реакция окисления марганца относится к числу сильно экзотермических реакций. Т.е. окислению марганца будет способствовать низкая температура начального периода плавки (высокое значение KMn), высокое содержание (FeO) и низкая концентрация (МnO) в шлаке. По этим причинам в начальный период плавки окисляется 90 – 95% марганца. В конце плавки в связи с повышением температуры металла и снижением содержания FeO в шлаке идет обратный процесс – восстановление марганца из оксида шлака в металл. Поэтому потери марганца со шлаком составляют 70… 80% за плавку.

В кислых процессах окисление марганца идет более полно, т. к. MnO взаимодействует с SiO₂ с образованием соединения 2MnO SiO₂, что понижает активность MnO в шлаке и приводит к смещению реакции окисления марганца вправо. Т.е. марганец ведет себя в этом случае так же, как кремний в основных процессах.

 

3.5. Окисление фосфора

 

Как уже отмечалось, фосфор вредная примесь. Наличие его в стали понижает ее пластические свойства, свариваемость, повышает анизотропию механических свойств в прокате, вызывает синеломкость – повышенную хрупкость при температурах 500… 600˚С.

В процессе плавки его удаляют из металла путем окисления на границе металл – шлак и металл – газ

 

2[P] + 5(FeO) = (P₂O₅) + 5[Fe] (3.17)

 

2[P] + 2,5{O₂} = (P₂O₅) (3.18)

 

В объеме металла фосфор не окисляется, т.к. концентрация растворенного в металле кислорода контролируется углеродом и ниже равновесной с фосфором.

Оксид Р₂О₅ неустойчив при температуре сталеплавильных процессов, разлагается на исходные компоненты, и фосфор вновь переходит в металл.

Для удаления фосфора из металла в шлак оксид Р₂О₅ необходимо связать в устойчивые комплексы 3СаО ·Р₂О₅ или 4СаО ·Р₂О_5.

Поэтому окисление фосфора происходит только на границе металл – шлак по реакции:

 

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4CaO ·P₂O₅) + 5[Fe] (3.19)

 

Реакция эта экзотермическая, поэтому при повышенных температурах в конце плавки могут создаться благоприятные условия для восстановления фосфора (рефосфорация). Приведенные ниже расчеты значений Кр подтверждают такую возможность.

 

(3.20)

 

 

t
K	7.8 * 108	3.5 * 107	2.1 * 106

 

(3.21)

Из уравнения (3.21) следует, что удалению фосфора из металла способствует низкая температура (высокое значение Кр), высокое содержание FeO и CaO в шлаке, малое содержание фосфатов кальция в шлаке (скачивание шлака).

 

 

 

Рис 3.4 Зависимость отношения (% Р₂О₅) / [%P] от содержания закиси железа в шлаке (а) и отношения (%СаО) / (%FeO) (б) [цифры у кривых – основность шлака В = (%СаО) / (%SiO₂)]

 

На практике часто используют коэффициент распределения фосфора между шлаком и металлом.

Зависимости Lp от содержания FeO в шлаке и от отношения (СаО)(FeO) при различной основности приведены на рис.3.4. Как видно из рисунков, существуют оптимальные значения этих аргументов, при которых значение Lp наибольшее.

Для предупреждения рефосфорации надо в конце плавки обновлять шлак: скачивается шлак предыдущего периода и наводится новыми присадками твердых окислителей и извести. Благодаря этому удается не только предотвратить рефосфорацию, но и достигнуть существенного снижения концентрации фосфора в металле (так называется горячая дефосфорация).

 

3.6. Десульфурация металла

Как и фосфор сера – вредная примесь, понижающая механические свойства, особенно пластичность, свариваемость, электротехнические и антикоррозионные свойства.

В жидком железе она имеет неограниченную растворимость, а при переходе в твердое состояние и охлаждении до нормальной температуры растворимость падает до 0,001 – 0,002%. Т.е. практически вся сера выпадает из раствора в виде сульфидов и оксифульфидов железа.

Чистый сульфид FeS имеет температуру плавления 1190˚С. С железом FeS образует эвтектику, плавящуюся при температуре 988˚С. Располагаясь по границам зерен, прослойки этих веществ являются причиной красноломкости – потери прочности металла под нагрузкой при температурах ковки и прокатки. Поэтому содержание серы в сталях обыкновенного качества ограничивают 0,05; в качественных – 0,04, в высококачественных 0,02…0,01% и ниже.

Десульфураторами являются Mn, Ca, Mq, Ce и другие металлы, и их оксиды. Но наиболее дешевым и распространенным является оксид кальция СаО.

 

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) (3.22)

 

Ks = (3.23)

 

[S] = (3.24)

 

Т.к. CaS соединение весьма прочное, то температуру (и К¹s) при термодинамическом анализе можно не принимать во внимание. Тогда, согласно (3.24), понижению содержания серы в металле способствует высокая концентрация СаО в шлаке и низкая окисляемость шлака.

Для характеристики серопоглатительной способности шлака используют коэффициент распределения серы между шлаком и металлом

 

(3.25)

 

Наиболее сильное влияние на его значение оказывает температура, основность шлака и окисленность металла. Наиболее высокие значения коэффициента распределения серы достигаются в доменной печи – 80…70; в кислородном конвертере и мартеновской печи он значительно ниже: до 10 и до 5 соответственно.

 

3.7. Шлакообразование

 

Побочным продуктом при выплавке стали является шлак. Он образуется в результате разрушения футеровки агрегата, окисления примесей чугуна и лома, присадок вспомогательных материалов.

Для осуществления различных технологических процессов в агрегат загружают железную руду, окалину, агломерат, окатыши, известняк, известь и т.д. При этом образуется расплав оксидов, называемый шлаком.

Его плотность и температура плавления ниже чем у металла, поэтому шлак находится на поверхности стали, покрывая ее.

Таким образом, источниками шлака являются:

- продукты окисления компонентов чугуна и лома (железа, кремния, марганца, фосфора, хрома и др.);

- продукты разрушения огнеупорной футеровки агрегатов;

- твердые окислители, шлакообразующие материалы и флюсы;

- пустая порода и загрязнение используемых материалов.

В течение всей плавки жидкий металл находится в контакте со шлаком. Состав и свойства шлака оказывают основное влияние на ход плавки и качество металла. Поэтому к шлаку предъявляются такие требования:

- в окислительные периоды плавки шлак должен обеспечивать интенсивный перенос кислорода из атмосферы в металл, в другие периоды и после выпуска в ковше – препятствовать этому процессу;

- обладать высокой сорбционной (поглотительной) способностью по отношению к вредным примесям (сере и фосфору) и неметаллическим включениям;

- препятствовать переходу в металл азота и водорода из атмосферы.

Главными компонентами шлака являются оксиды: FeO, CaO, SiO₂, Al₂O₃, MqO. Если в составе шлака преобладают основные оксиды CaO, MqO, MnO, FeO Fe₂O₃, шлак называют основным. Если преобладают оксиды с кислотными свойствами SiO₂ и P₂O₅ , шлак называют кислым. Основные и кислотные свойства характеризуют основностью, используя в качестве ее показателя отношение:

(3.26)

 

Кислые шлаки содержат до 55…60% SiO₂, 10…15% MnO, 7…8%CaO. Они образуют в агрегатах с кислой футеровкой. Подавляющее количество выплавляют в агрегатах с основной футеровкой. В конечных шлаках этих агрегатов содержится 35…60% СаО +MqO, 10…25% FeO, 5…10% MnO, 15…30% SiO₂. Состав и основность шлаков по ходу плавки меняются: первичные шлаки низкоосновные (В < 1,2…1,5), к концу плавки основность повышается до 2,5…3,5.

Другой важной характеристикой шлака является его окисленность. Ее оценивают по суммарному содержанию FeO или железа, пересчитывая содержание оксидов (% по массе) по формулам:

 

∑ (FeO) = (FeO) + 1,35 (FeO₃) (3.27)

 

∑ (Fe) = 0,788 (FeO) + 0,70 (Fe₂O₃) (3.28)

 

В начале плавки окисленность шлака высокая, ∑ (FeO) достигается 20...25%. По мере усвоения известняка и извести и повышения температуры она понижается и перед раскислением составляет не более 10…15%.

Процесс шлакообразования протекает во времени, его скорость зависит от температуры, интенсивности перемешивания ванны, размеров кусков материалов, последовательности их загрузки и т.д. Т.к. многие процессы зависят от состава и свойств шлака, шлакообразованию придают большое внимание, особенно при выплавке стали скоротечным кислородно-конвертерным процессом.

Расход шлакообразующих материалов определяют расчетом материального баланса плавки, а время и порядок присадок – технологической инструкцией.

3.8. Раскисление стали

В чистом железе в равновесии с его оксидами растворяется при температуре 1600˚С 0,20…0,23% кислорода. В конце плавке в низкоуглеродистой стали растворено 0,005…0,008% кислорода, что выше равновесного содержания. Например, при [C] = 0,2 [O]p = 0,0125.

При охлаждении металла растворимость кислорода подает: в Feδ она составляет 0,034 в Feγ - 0,003…0,004, в Feα – 0,002…0,003.

При затвердевании избыточный кислород выделяется из металла и взаимодействует с железом, марганцем и углеродом. Образующиеся при этом оксиды железа будут располагаться по границам зерен в виде прослоек, снижающих прочность слитка. Оксиды марганца будут загрязнять металл неметаллическими включениями, а пузыри СО образуют газовые раковины. Такой слиток при прокатке не выдержит деформационных нагрузок и развалится. Поэтому на заключительном этапе плавки производится понижение концентрации кислорода в металле до технологически необходимой величины. Эта операция называется раскислением и производится при выплавке стали в любом агрегате.

В качестве раскислителя используют химические элементы, обладающие большим сродством к кислороду чем железо: марганец, кремний, алюминий, титан и др.

Они могут использоваться как в чистом виде (алюминий, титан), так и в виде сплавов (ферросилиций, ферромарганец, ферроалюминий), в том числе комплексных (силикокальций, амолюминий – марганец – кремний и др.).

По степени раскисленности стали подразделяют на три группы:

- спокойные, содержащие 0,002…0,003% растворенного кислорода;

- кипящие, содержащие 0,025…0,035% кислорода;

- полуспокойные, содержащие 0,012…0,015% кислорода.

Спокойная сталь затвердевает в изложнице с образованием открытой усадочной раковины в головной части слитка. Для ее ракисления используют марганец, кремний и сильные раскислители (алюминий, титан).

После наполнения изложницы кипящей сталью наблюдается энергетическое бурление металла под влиянием выделяющихся пузырей монооксида углерода, образование которого происходит на фронте затвердевания в результате взаимодействия углерода и кислорода. Этот процесс создает иллюзию кипения, что и дало название стали этой группы. Слитки кипящей стали имеют закрытую усадочную раковину, подкорковые сотовые пузыри и значительное количество различного рода пузырей в теле слитка. При прокатке все они завариваются, т.к. они изолированный от атмосферы и их стенки не окислены.

Для раскисления такой стали достаточно одного марганца.

Полуспокойная сталь в изложнице не кипит, наблюдается лишь искрение в течение нескольких секунд. Т.к. процесс газообразования полостью не подавлен, образующиеся при затвердевании металла усадочная раковина и пузыри изолированы от атмосферы и поэтому их стенки свариваются при прокатке.

Для раскисления полуспокойной стали используют марганец и кремний.

Используют такие способы раскисления:

- глубинное, или осаждающие;

- диффузионное;

- вакуумное.

Наиболее широко используют глубинное, или осаждающее раскисление, когда в качестве раскислителей используют названные ранее материалы. В объеме металла они взаимодействуют с кислором по реакции

 

m[O] + n[R] = (RnOm) (3.29)

 

образующийся оксид «выпадает в осадок». По аналогии с соответствующими химическими реакциями и назван способ раскисления, хотя продукты раскисления, оксиды, всплывают из металла и переходят в шлак.

 

(3.30)

 

Из соотношения (3.30) следует, что для снижения концентрации растворенного в металле кислорода необходимо большое значение константы равновесия, что имеет место при использовании сильных раскислителей при низких температурах, большая концентрация раскислителя и небольшая концентрация продуктов раскисления.

Раскислительную способность химических элементов сравнивают, располагая их в ряд по величине сродства к кислороду.

При концентрации элемента – раскислителя 0,1% и температуре 1600˚С этот ряд выглядит следующим образом: Cr, Mn, V, C, Si, Al, Ti ;

При содержании раскислителя 10% он выглядит так: Cr, Mn, V, Si, C, Al, Ti; Т.е раскислительная способность является функцией концентрации и температуры.

Диффузионное раскисление используют при выплавке стали в электропечах. Способ основан на таком явлении. При контакте двух несмешивающихся фаз между ними происходит обмен ионами или молекулами вещества, в результате чего устанавливается какое-то распределение этого вещества, постоянное для данной температуры. Это распределение характеризуется величиной коэффициента распределения:

 

(3.31)

 

Т.к. величина постоянная, то, изменяя содержание оксида железа в шлаке, мы будем изменять содержание кислорода в металле. Раскисляя шлак присадками углерода, кремния или алюминия, производят раскисление металла, т.к. поток кислорода направляется из металла в шлак. Этот способ неприемлем для мартеновских печей и кислородных конвертеров, т.к. в них невозможно создать восстановительную атмосферу, при которой не происходит питание шлака кислородом, и раскислители будут просто сгорать.

Раскисление вакуумом основано на том, что углерод дает газообразные продукты взаимодействия с кислородом. Константа равновесия реакции окисления углерода дает возможность управлять этим процессом.

Зная, что произведение концентраций углерода и кислорода – величина постоянная, можно управлять концентрацией кислорода, изменяя давление (парциальное) СО в атмосфере:

 

(3.32)

 

Создавая разряжение, (снижая парциальное давление монооксида углерода в газовой фазе), можно добиться снижения концентрации кислорода в металле, т.к. произведение [C] [O] величина постоянная при температуре сталеплавильных процессов.

В подавляющем большинстве используют осаждающее раскисление. При производстве кипящей стали достаточная степень раскисленности достигается присадками только марганца до остаточного его содержания 0,3…0,4%. Содержание кремния не должно превышать 0,02…003%.

При производстве полуспокойной стали, наряду с марганцем, используют кремний, его остаточное содержание составляет обычно 0,10…0,12 %.

Раскисление спокойной стали производят марганцем (остаточное содержание 0,3…0,5%), кремнием (остаточное содержание 0,2…0,3%) и небольшим количеством какого-либо сильного раскислителя, обычно алюминия или титана.

С операцией раскисления совмещают легирование, т.е. насыщение стали в требуемых количествах элементами, придающими ей необходимые технологические свойства. Это могут быть те же марганец и кремний в количествах выше указанных, хром, ванадий, титан, никель, вольфрам и др. Раскисление и легирование можно проводить в печи, в ковше; предварительное в печи и окончательное – в ковше.

 

3.9. Классификация марок стали

 

Единой всемирной классификации марок стали нет. В нашей стране их классифицируют по ряду признаков. В том числе:

- по назначению (конструкционные, инструментальные, стали с особыми физическими свойствами);

- по качеству (обыкновенного качества с содержанием фосфора не более 0,04% и серы не более 0,05%), качественные с содержанием серы и фосфора ниже указанных значений и высококачественные с содержанием названных элементов не более 0,02…0,03%: по степени раскисленности и по химсоставу.

По химсоставу стали подразделяют на углеродистые и легированные. В свою очередь в углеродистых выделяют три группы:

- низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,30%;

- среднеуглеродистые с содержанием углерода 0,30…0,65%;

- высокоуглеродистые с содержанием углерода 0,65…1,5%.

Углеродистые стали бывают обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества наиболее дешевые и получили широкое применение. Они содержат больше серы (до 0,05%) и фосфора (до 0,04%).

Эти стали обозначают буквами Ст (сталь) и цифрами 1, 2, 3, …..6. Чем больше это число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.

Стали обыкновенного, качества называют еще рядовыми. Они бывают спокойными, полуспокойными и кипящими.

Стали спокойные маркируют так : Ст 1сп, Ст 2сп…Ст 6сп.

Полуспокойные Ст 1пс, Ст 2пс……Ст 5пс.

Кипящие Ст 1кп, Ст2кп, …..Ст 4кп.

В этой группе есть марка стали Ст 0, содержащая не более 0,23% углерода, содержание остальных компонентов, кроме серы и фосфора, в ней не регламентируется.

Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий ведения плавки. Они содержат менее 0,04% S и 0,03%Р. Качественные углеродистые стали маркируют только цифрами:

08, 10, 15, 20……. 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процесса.

Стали марок 08 и 10 бывают спокойными и кипящими. Последние обозначают 08кп, 10кп.

Легированные конструкционные стали обозначают (маркируют) цифрами и буквами, например, 15 Х, 40 ХФА, 20 ХН2А, 18 ХГТ. Двузначное числа в начале марки указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы обозначают легирующий элемент, цифра за буквой указывает примерное содержание легирующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифры за буквой указывает, что содержание элемента составляет 1 – 1,5% и менее.

Эти марки стали выплавляют как качественные и содержат не более 0,035% серы и фосфора.

Высококачественные стали содержат еще меньше вредных примесей, менее 0,025% серы и фосфора. Они обозначаются буквой А в конце маркировки.

Наличие легирующих элементов в стали обозначают буквами:

А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Ю - алюминий, Ч – обработана редкоземельными металлами.

Наличие в стали десятых долей алюминия, титана, ванадия, бора, молибдена также указывается в маркировке.

Буква А в конце маркировки означает, что сталь высококачественная;

в середине маркировки – сталь легирована азотом (16 Г 2АФ); в начале маркировки – сталь автоматная.

Например, сталь марки 20 ХНЧФА содержит 0,20% углерода, 1% хрома, 4% никеля, 0,15…0,30% ванадия; эта сталь высококачественная.

Автоматная сталь А20 содержит 0,15 – 0,25% углерода, 0,15… 0,35% кремния, 0,60…0,90% марганца, 0,08 – 15% серы (чтобы получить ломкую стружку) и не более 0,06% фосфора.

Аналогично автоматным, по назначению маркируются инструментальные стали: У8, У10, У12. (Цифры указывают содержание углерода в десятых долях процента);

шарикоподшипниковые: ШХ 9, ШХ15 (содержат около 1% углерода и хром соответственно 1 и 1,5%).

Буквой Е обозначают электротехнические стали и т. д.

Для раскисления и легирования используют соответствующие элементы как в чистом виде, так и в виде сплавов с железом.

 

3.10. Маркировка сталей за рубежом

 

Маркировка сталей в США. Обозначение государственного стандарта – ASA (American Standards Association). Ведущие организации по стандартизации: ASTM (American Society for Testing and Materials); AISI (American Iron and Steel Institute). По ASA стали маркируют цифрами, добавляя в некоторых случаях прописную букву. По ASTM конструкционные стали, за исключением коррозионностойких и жаростойких, обозначают четырехзначным числом, в котором две последние цифры – среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Марки коррозионностойких и жаростойких сталей обозначают трехзначным числом, из которых первая цифра имеет следующее значение:

2 – хромникелевые стали;

4 – хромистые стали;

5 – хроммолибденовые стал;

6 – хромникельмолибденовые стали и хроммолибденовые стали с содержанием других элементов.

Пример: сталь марки 302 – хромникелевая сталь, содержащая 17 – 19% Cr и 8 – 10% Ni.

Маркировка стали в Германии

Обозначение государственного стандарта – DIN (Deutsche Industrie-norm).

Организация по стандартизации – DNA (Deutsche Normenausshuss).

Стали маркируют двумя способами: с помощью цифр, которыми обозначают номер материала, и с помощью комбинации букв и цифр, которая обозначает марку стали.

Маркировка с помощью букв и цифр (марка стали) – при этом способе маркировки стали подразделяют на группы в зависимости от степени легирования и вида технической обработки:

Группа 1. Маркировка углеродистых неулучшаемых сталей. На первом месте в марке стали ставится заглавная буква (по способу разливки стали: U – кипящая сталь, R – спокойная или полуспокойная сталь, RR – сталь, успокоенная по специальной технологии), на втором месте ставятся буквы St (от слова «сталь»), на третьем месте двухзначное число, указывающее минимальный предел прочности (кгс/мм²), на четвертом месте – номер группы качества. По содержанию фосфора, серы, а иногда и углерода стали разделяются на три группы, обозначаемые цифрами 1, 2, 3, из которых 3-я группа имеет самое низкое содержание фосфора, серы, а также углерода. Номер группы качества отделяется от показателя минимального предела прочности дефисом. Приведенные четырехкомпонентные обозначения составляют основу марки, которая может быть дополнена перед первым обозначением буквами: Е (указание на то, что сталь выплавлена в электропечах), М – (сталь выплавлена в мартеновских печах), Y – (при выплавке стали применена продувка кислородом).

Пример: сталь марки RSt 42-2 – углеродистая неулучшаемая сталь с минимальным пределом прочности 42 кгс/мм² 2-й группы качества. Сталь MRSt 42-2N – та же сталь, мартеновская после нормализации.

Группа 2. Маркировка углеродистых качественных сталей. Сначала в марке приводится буква С, а затем двузначное число, указывающее среднее содержание углерода, умноженное на 100.

Пример: сталь С 35 – углеродистая качественная сталь со средним содержанием углерода 0,35%.

Маркировка стали в Японии

Обозначение государственного стандарта – JIS (Japanese Industrial Standards). Организация по стандартизации – JISC (Japanese Industrial Standards Committee).

Марки конструкционных сталей в Японии состоят из нескольких прописных букв и однозначного или двузначного числа. В зависимости от характеристик стали делятся на группы, причем каждую группу обозначают несколькими заглавными буквами.

Примеры обозначений сталей обычных групп:

1) стали марок SSxx – углеродистые рядовые стали, где хх – двузначное число, указывающее минимальный предел прочности (кгс/мм²), например SS 34;

2) стали марок SxxC – углеродистая сталь гарантированного химического состава (хх – двузначное число, указывающее среднее содержание углерода в сотых долях процента; например, в стали S20C среднее содержание углерода составляет 0,20%);

3) стали марки SUMx – автоматная сталь (х – однозначное число указывает на порядковый номер стали в группе);

4) стали марок SFxx – углеродистая сталь для поковок и т. д. в зависимости от назначения (хх – двузначное число, выражающее минимальный предел прочности, кгс/мм², например, сталь марки SF42).

 

 

4. КОНВЕРТЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ

 

4.1. Общая характеристика конвертерных процессов

 

Все конвертерные процессы осуществляются за счет тепла реакций окисления примесей чугуна, протекающих в зоне продувки металла воздухом или кислородом. Тепловые эффекты этих реакций характеризуются такими цифрами: (МДж/кг):

 

реакция	С → CO	C →CO2	Mn→MnO	Si → SiO2	Р → Р2О5
окисление воздухом	3,7	17,5	4,7	12,9	17,9
окисление кислородом	11,2	32,9	6,3	19,3	24,5

 

Как видно из этих данных, количество выделяющегося тепла различно. Обусловлено это отсутствием затрат на нагрев азота при продувке кислородом. При окислении марганца, кремния и фосфора кислородом количество выделяющегося тепла возрастает на 30…60%, при окислении углерода до СО – в 3 раза, при окислении углерода в СО₂ – почти в 2 раза. Общий же приход ΣQ тепла определяется тепловым эффектом реакций и составом чугуна:

 

(4.1)

 

где ∆[C], ∆[Mn], ∆[Si], ∆[P] – количество окислившихся компонентов чугуна, %.

q_{C …} - тепловые эффекты реакций окисления, МДж/кг примеси.

 

При продувке чугуна воздухом окисление углерода покрывает лишь 35…50% потребности тепла на плавку, вклад марганца не превышает 10-12%, остальное тепло должно быть получено за счет окисления кремния и фосфора.

В бессемеровском процессе недостаток тепла компенсируется кремнием. Используемый для выплавки стали чугун должен содержать 0,9…1,5% кремния.

В томасовском процессе недостаток тепла компенсируется фосфором. Чугун должен содержать 1,5…2,0% фосфора.

При использовании технически чистого кислорода картина существенно меняется. В этом случае при окислении 4,0% углерода полностью компенсируются затраты тепла на нагрев металла до 1650˚С. При окислении остальных компонент выделяется уже избыточное тепло, что делает возможной переработку 25…30% металлолома от массы чугуна.

Технологическая схема всех конвертерных процессов примерно одинакова. В наклоненный конвертер загружают часть шлакообразующих материалов, металлолом (если позволяет тепловой баланс плавки), заливают чугун и начинают продувку. Шихтовка плавки, т.е. количество используемых на плавку материалов и их соотношение, должна быть такой, чтобы после окисления примесей и расплавления лома в жидком металле содержалось требуемое количество углерода, серы и фосфора, а его температура была бы достаточной для проведения операций раскисления, легирования и разливки стали.

Главное отличие между процессами – состав футеровки и дутья. Как уже отмечалось, бессемеровский процесс осуществляется в конвертере с кислой футеровкой, а в качестве дутья используют воздух, который подают через донные продувочные фурмы. Для футеровки используют динасовый кирпич, состоящий на 92…97% из кремнезема.

В этом процессе из-за кислой футеровки не удаляются сера и фосфор в шлак.

Томасовский процесс отличается от бессемеровского тем, что футеровку конвертера выполняют из основных огнеупоров (обожженный доломит на смоляной связке – смолодоломит). Это позволяет перерабатывать чугун с высоким содержанием фосфора и удалять серу из металла в шлак.

Названные процессы в настоящее время имеют ограниченное применение, а на территории Украины вообще не используются. Основное количество стали сейчас, выплавляют в кислородных конвертерах.

 

 

4.2. Кислородно - конвертерный процесс

 

4.2.1. Конструкция кислородного конвертера

Для выплавки стали используют конвертеры вместимостью от 60 до 400т.

В состав кислородно-конвертерного агрегата с верхней продувкой входят (рис 4.1): корпус с футеровкой, опорное кольцо с цапфами, станины и опорные узлы, привод поворота, кислородная фурма с механизмом (машиной) ее перемещения.

 

Рис. 4.1. - Кислородный конвертер с навесным приводом:

1-корпус; 2-съемный шлем; 3-трёхслойная футеровка; 4-опорное кольцо; 5-Цапфа; 6-опорный узел; 7-станина; 8-привод поворота.

 

Кроме того, конвертор оборудован системой подачи сыпучих материалов, охладителем конвертерных газов, газоочисткой и системой управления плавкой.

Корпус конвертера симметричен относительно вертикальной оси и состоит из нескольких частей: верхней конической, средней цилиндрической и нижней сферической. Все эти элементы изготовлены из стальных листов, сваренных между собой встык.

Коническая часть (горловина) выполнена из листа толщенной 40 – 60мм, сверху к ней приварена литая стальная обечайка, в которой с помощью болтовых или клиновых соединений крепиться съемный литой шлем.

Необходимость установки шлема обусловлена тяжелыми условиями службы этой части корпуса: она подвергается механическим ударам при загрузке шихты и удалении настылей, тепловым воздействиям при заливке чугуна, продувке металла кислородом и сливе продуктов плавки.

Цилиндрическую часть корпуса изготавливают из листов толщиной 75 – 100мм. Этот элемент воспринимает нагрузки, возникающие при загрузке шихты, в процессе продувки, при наклонах конвертера. С внешней стороны цилиндрической части приваривают элементы крепления корпуса в опорном кольце, с внутренней – ребра жесткости, служащие одновременно полками для кладки первых рядов футеровки.

Сферическую часть корпуса (днище) изготавливают из штампованных элементов толщиной 50 – 60 мм. По конструкции днища конвертеры бывают глуходонными, с приставными и вставными днищами.

Приставное днище удобно тем, что при ремонтах обеспечивает быстрое охлаждение и подачу огнеупоров снизу, что более рационально и удобно по сравнению с организацией ремонтов через горловину.

Основными достоинствами глуходонной конструкции являются усиление жесткости и прочности корпуса конвертера.

Развитие конструкции конвертеров привело к созданию днища, вставленного в люк донной части конвертера (см. рис. 4.1)

Небольшие размеры люка позволяют сохранить жесткость корпуса, а большая толщина футеровки и тщательное уплотнение шва обеспечивают безаварийную работу. Сверху стык перекрывают дополнительным слоем кирпича.

Надо сказать, что одно время применения глуходонной конструкции считалось обязательным для агрегатов вместимостью более 150т из-за опасения ухода металла по линии разъема корпус – днище.

Для проведения ряда технологических операций конвертер наклоняют относительно оси, проходящей через цапфы. Цапфы диаметром 700 – 2300 мм запрессовывают в цапфовые плиты, нагревая предварительно плиту или охлаждая цапфу в жидком азоте. Учитывая снижение несущей способности цапф при нагреве, их делают водоохлаждаемыми.

Опорные кольца водой не охлаждают, иногда используют принудительное воздушное охлаждение.

Конвертер большой вместимости имеет большие габаритные размеры (высота корпуса до 12 м, диаметр до 8 м), обладает массой, достигающей 2000 – 2500 т, испытывает значительные статические и динамические нагрузки. Эти усилия передаются цапфами опорным узлам, установленным на сварных станинах, закрепленных в фундаменте.

Опоры конвертера, помимо восприятия вертикальных и горизонтальных сил, должны компенсировать перекосы и перемещения цапф, вызванные погрешностями изготовления и монтажа и тепловыми деформациями. Одна опора фиксированная, вторая – плавающая, т.е. подвижная в осевом направлении.

Опора состоит из литого основания, корпуса подшипника, крышки подшипника, двух конических роликоподшипников, двух опорных колонн со сферическими пятами и фиксатора.

Подшипниковые узлы снабжены лабиринтными и сальниковыми уплотнениями, так как в них нагнетается смазка.

Фиксированная и плавающая опоры отличаются конструкцией фиксаторов.

Цапфа заканчивается хвостовиком, который имеет меньший диаметр и выступает за пределы опорного узла. Через хвостовик передается вращательный момент от привода механизма поворота конвертера.

Применяют приводы трех типов: стационарные, полунавесные и навесные. В зависимости от того, одна или обе цапфы приводные, приводы подразделяют на одно – и двухсторонние.

Современные отечественные конвертеры оборудованы двухсторонними навесными приводами. В этом случае электродвигатель и быстроходные редукторы смонтированы не на отдельной станине, а на опоре конвертера, т.е. навешена на нее.

Навесные приводы многодвигательные и позволяют уменьшить размеры тихоходной передачи вследствие уменьшения модуля зацепления, увеличить число электродвигателей и тем самым повысить надежность механизма поворота.

Двигатели обеспечивают наклон конвертеров малой вместимости со скоростью 0,1 -1,0 об/мин, большой вместимости – 0,04 – 01 об/мин.

Технические характеристики конвертеров и приводов различных типов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

Параметр	Тип привода
Стационарный	Навесной
Одно- сторонний	Двух- сторонний	Одно- Сторонний	Двухсторонний
Вместимость конвертера, т				300-350	350-400
Объем рабочего пространства, м3				267,8
Удельный объем, м3/т	0,83	0,82	0,84	0,89	0,8 – 0,9
Диаметр рабочего пространства, мм
Высота рабочего пространства, мм
Масса без футеровки, т
Мощность электродвигателя, кВт	2х135	2х135	6х60	6х2х60	6х2х60

 

Профиль рабочего пространства кислородного конвертера.

Развитие кислородно-конвертерного процесса потребовало решения технологических задач и разработки конструкции, в первую очередь определения оптимальных параметров и формы его рабочего пространства.

Размеры рабочего пространства выбирают в зависимости от вместимости конвертера с учетом интенсивности продувки и процессов физико-химического взаимодействия в газовой, шлаковой и металлической фазах. При этом должны быть учтены такие требования, как минимальные потери металла, теплоты, высокая стойкость футеровки и др.

Все эти сложные и противоречивые требования в различных странах и различными авторскими коллективами решаются примерно одинаково, чем и объясняется тот факт, что известные в настоящее время конструкции конвертеров принципиальных отличий не имеют.

Ванну конвертера проектируют сферической или близкой к ней формы, что обусловлено стремлением иметь минимальную поверхность на единицу садки и исключить образования застойных зон при продувке металла.

Глубина ванны с ростом садки изменяется незначительно и для конвертеров вместимостью 250…400т составляет 1500-1600 мм. Глубина ванны должна быть такой, чтобы исключался контакт высокотемпературной реакционной зоны с футеровкой, а интенсивность перемешивания металла была достаточно высокой для создания благоприятных условий расплавления лома и выравнивания состава металла.

В связи с тем, что глубина ванны относительно постоянная величина, с ростом садки конвертера от 130 до 400 т увеличивается его диаметр от 4800 до 7000 мм.

Высота рабочего пространства конвертера определяется в первую очередь, тем, что в процессе продувки металл вспенивается и необходим объем для размещения образующейся газо-шлако-металлической эмульсии. С увеличением высоты конвертера потеря металла с выбросами снижается. Однако капитальные затраты на сооружение цеха возрастают. Поэтому этот параметр стараются по возможности ограничить, хотя рост садки конвертера от 130 до 400 т сопровождается увеличением высоты рабочего пространства от 7600 до 11050 мм. При этом отношение высоты к диаметру рабочего пространства конвертера изменяется в пределах 1,6 – 1,8.

Верхнюю часть пространства зауживают с целью снижения потерь металла с выбросами и тепловых потерь излучением. Однако диаметр горловины должен быть достаточно большим, чтобы можно было беспрепятственно осуществить завалку лома одним совком и слив чугуна. При этом диаметр горловины равен 0,4 -0,6 диаметра цилиндрической части конвертера.

Обобщающим параметром является удельный объем рабочего пространства конвертера, т.е. объем, приходящийся на одну тонну садки: при переделе обычных чугунов он равен 0,8 – 1,0, при переделе фосфорных чугунов – 0,9 – 1,1 м³/т.

Зная объем и соотношения основных параметров рабочего пространства, можно приступать к конструированию конвертера заданной вместимости.

Общепризнанной научно обоснованной методики расчета профиля рабочего пространства конвертера нет. Поэтому можно использовать различные эмпирические зависимости, полученные обобщением параметров действующих агрегатов.

Кафедра металлургии стали Металлургической академии разработала методику расчета, в которой сочетаются теоретические и эмпирические зависимости. В ее основу положено условие, что глубина ванны Н_O в спокойном состоянии должна превышать глубину проникновения реакционной зоны. Учитывая зависимость протяженности реакционной зоны от интенсивности продувки и скорости истечения кислорода из многосопловой фурмы, полученной в лабораторных условиях, глубина ванны должна быть такой:

 

H_O = 0,016w^0,5 p^0,1 (GI/k)^0,3 , (4.1)

 

где w и р - скорость м/с, и плотность, кг/м³, кислорода в критическом сечении сопла;

G – вместимость конвертера, т;

l - интенсивность продувки, м³/ (т·мин);

К – количество сопел в фурме.

Далее вычисляют высоту рабочего пространства и диаметр цилиндрической части рабочего пространства:

 

Н = 0,29 I^0,7 H_o ^1,5 K^-0,6; (4.2)

 

D = (0,6 – 0,32 ·10 ^{-3 G}) (G/H) ^0,5. (4.3)

 

Остальные параметры определяют на основании геометрических построений и найденных статистической обработкой зависимостей.

Футеровку кислородных конвертеров выполняют из основных огнеупоров. Наиболее часто используют безобжиговые огнеупоры на смоляной связке. Обожженный доломит состава, %: 33 – 37MqO; 53 – 60 СаО; 2 – 5 SiO₂; 2 – 5 Al₂O₂ + Fe₂O₃ фракции до 2 мм смешивают с каменно-угольной смолой (до 10%) и прессуют при 60 – 70˚С под давлением не менее 10 МПа.

Коксующий обжиг осуществляют в конвертере вначале горелкой, а потом сжиганием кокса в струе кислорода без горения смоляной связки.

Главные составляющие огнеупора СаО и MqO с температурой плавления 2300 и 2800˚С. С увеличением содержания MqO до 60 – 65% стойкость огнеупоров на смоляной связке растет.

Кроме смолодоломита используют известково-периклазовый кирпич на пековой связке, смоломагнезит, смолодоломитомагнезит.

В настоящее время широко используется периклазографитовые огнеупоры. Их применение позволяет повысить стойкость футеровки с 300…400 до нескольких тысяч плавок.

Огнеупорные материалы для футеровки конвертеров используют в виде кирпичей, блоков и масс для набивки. Размеры кирпичей могут соответствовать государственным стандартам или внутризаводским техническим условиям в соответствии с особенностями футеровки конвертерного агрегата в конкретных условиях производства.

Футеровку конвертера начинают с укладки непосредственно на корпус слоя асбеста толщиной 20 – 30 мм. Он служит изоляцией и позволяет расширяться футеровке без дополнительных напряжений в корпусе.

Следом идет арматурный слой из обожженного магнезитного или магнезитохромистого кирпича, уложенного на «плашку». Его назначение – предохранять корпус конвертера от прогара в случае разрушения рабочего огнеупорного слоя в конце кампании футеровки.

Арматурный слой служит несколько кампаний, не подвергаясь замене при холодных ремонтах.

Далее идет слой смоломагнезитовой набивки, которым выравнивают профиль в неудобных для кладки местах; эта масса одновременно герметизирует швы и полости и предотвращает затекание в них металла. Наличие этого слоя необязательно.

Рабочий слой состоит из одного – двух, иногда трех слоев кирпича. Толщина каждого слоя кратна наибольшему размеру, т.е. длине кирпича – 230 – 380 мм. Форма кирпича или набор кирпичей различной формы позволяет в процессе кладки набирать кольца необходимого диаметра.

Кладка ведется насухо кольцами снизу вверх. Применяется и кладка спиралью. При этом в местах перехода к горизонтальным слоям делают клиновидные прокладки из огнеупорной массы, имеющей меньшую стойкость, чем кирпичи или блоки. При использовании огнеупоров на смоляной связке температурные швы (деревянные или толевые прокладки) не оставляют.

Футеровка изнашивается неравномерно. В целях достижения равностойкости различных участков кладки используется позонная дифференцированная кладка с варьированием толщины и вида огнеупоров в зависимости от причин и скорости износа футеровки.

В верхней части горловины износ футеровки происходит от механических воздействий при загрузке лома и обрыве настылей, а также от резких колебаний температуры и воздействия плавильной пыли. Поэтому верхние ряды футеровки горловины выполняют пропитанными смолой обожженными огнеупорами.

Цилиндрическая часть рабочего пространства разрушается в основном под воздействием шлака. Поэтому ее футеруют огнеупорами на смоляной связке с увеличением толщины кладки в местах наибольшего износа (в районе цапф и ниже).

Арматурный слой днища конвертера выполняют из магнезитового кирпича «на ребро» и «на торец», рабочий слой может быть выложен безобжиговым кирпичом на смоляной связке или пропитанным смолой магнезитохромитовым кирпичом тоже «на торец».

В случае вставного или приставного днища на плоскость разъема накладывают слой смоломагнезитовой массы, и днище прижимают к корпусу с помощью домкратной тележки. Излишки массы выдавливают через стык, который закрывают дополнительным слоем кирпича.

Сталевыпускное отверстие футеруют магнезитовым кирпичом и специальными блоками из плавленого магнезита. Пространство между блоками и арматурным слоем заполняют массой из магнезитового порошка, замешанного на растворе сернокислого магния.

Само сталевыпускное отверстие располагают горизонтально или под некоторым углом к горизонту.

В первом случае облегчается кладка в районе отверстия, во втором снижается интенсивность движения металла в воронке при выпуске плавки.

4.2.2. Продувочные устройства кислородных конвертеров