Конвертеры
В 1855 году англичанин Генри Бессемер провел интереснейший опыт: он расплавил в
Тигле кусок доменного чугуна и продул его воздухом. Хрупкий чугун превратился в
Ковкую сталь. Все объяснялось очень просто - кислород воздуха выжигал углерод из
Расплава, который удалялся в атмосферу в виде оксида и диоксида. Впервые в
Истории металлургии для получения продукта не требовался дополнительный подогрев
Сырья. Это и понятно, ведь Бессемер реализовал экзотермическую реакцию горения
Углерода! Процесс был удивительно быстротечен. В пудлинговой печи сталь получали
Лишь за несколько часов, а здесь - за считанные минуты. Так Бессемер создал
Конвертер - агрегат, превращающий расплавленный чугун в сталь без
Дополнительного нагрева. Д. И. Менделеев назвал бессемеровские конвертеры печами
Без топлива. А поскольку по форме агрегат Бессемера напоминал грущу, его так и
Называли - бессемеровская "груша".
В бессемеровском конвертере можно переплавлять не всякий чугун, а только такой,
В составе которого имеются кремний и марганец. Соединяясь с кислородом
Подаваемого воздуха, они выделяют большое количество теплоты, которая и
Обеспечивает быстрое выгорание углерода. Все же теплоты не хватает, чтобы
Расплавлять твердые куски металла. Поэтому в бессемеровском конвертере нельзя
Перерабатывать железный лом или твердый чугун. Это резко ограничивает
Возможности его применения.
Бессемеровский процесс - быстрый, дешевый и простой способ получения стали, но
Есть у него и большие недостатки. Поскольку химические реакции в конвертере идут
Очень быстро, то углерод выгорает, а вредные примеси - сера и фосфор - остаются
В стали и ухудшают ее свойства. Кроме того, при продувке сталь насыщается азотом
Воздуха, а это ухудшает металл. Вот почему,
8
Как только появились мартеновские печи, бессемеровский конвертер стал редко
Употребляться для выплавки стали. Гораздо больше конвертеры использовали для
Выплавки цветных металлов - меди и никеля.
Сегодняшний конвертер, конечно, можно в определенном смысле называть потомком
Бессемеровского детища, ибо в нем, как и прежде, сталь получают, продувая жидкий
Чугун. Но уже не воздухом, а технически чистым кислородом. Это оказалось намного
Эффективнее.
Кислородно-конвертерный способ выплавки стали пришел в металлургию более чем
Полвека назад. Созданный в Советском Союзе по предложению инженера-металлурга
Н. И. Мозгового, он полностью вытеснил бессемеровский процесс А первая в мире
Тонна кислородно-конвертерной стали была успешно выплавлена в 1936 году на
Киевском заводе "Большевик".
Оказалось, что таким способом можно не только перерабатывать жидкий чугун, но и
Добавлять в него значительные количества твердого чугуна и железного лома,
Который раньше можно было перерабатывать только в мартеновских печах Вот почему
Кислородные конвертеры получили такое большое распространение.
Но только в 1950-е годы конвертеры для выплавки стали окончательно выдвинулись
На первый план. Степень использования тепла в кислородном конвертере гораздо
Выше, чем в сталеплавильных агрегатах подового типа. Тепловой коэффициент
Полезного действия конвертера составляет 70 процентов, а у мартеновских печей не
Более 30. Кроме того, газы отходящие из конвертера, используются при дожигании в
Котлах-утилизаторах, или как топливо при отводе газов из конвертера без
Дожигания.
Существует три вида конвертеров: с донной продувкой, верхней и комбинированной.
В настоящее время наиболее распространенными в мире являются конвертеры с
Верхней продувкой кислородом - агрегаты весьма производительные и относительно
Простые в эксплуатации. Однако в последние годы во всем мире конвертеры с донным
И с комбинированным (сверху и снизу) дутьем начинают теснить конвертеры с
Верхней продувкой.
Рассмотрим устройство кислородного конвертера с верхней продувкой. Средняя часть
Корпуса конвертера цилиндрической формы, стены ванны сферической формы, днище
Плоское. Верхняя шлемная часть конической формы. Кожух конвертера выполняют из
Стальных листов толщиной 30- 90 миллиметров. В конвертерах садкой до 150 тонн
Днище отъемное, крепят его к корпусу болтами, что облегчает ремонтные работы.
При садке 250-350 тонн конвертер делают глуходонным, что вызвано необходимостью
Создания жесткой конструкции корпуса, гарантирующей от случаев прорыва жидкого
Металла.
Корпус конвертера крепят к специальному опорному кольцу, к которому приваривают
Цапфы. Одна из цапф через зубчатую муфту соединена с механизмом поворота. В
Конвертерах вместимостью больше двухсот пятидесяти тонн обе цапфы являются
Приводными. Конвертер цапфами опира-
НАУКА И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Ется на подшипники, установленные на станинах. Механизм поворота позволяет
Вращать конвертер вокруг горизонтальной оси.
Корпус и днище конвертера футеруют огнеупорным кирпичом. Подача кислорода в
Ванну конвертера для продувки металла осуществляется через специальную фурму,
Вводимую в горловину конвертера.
Первой операцией конвертерного процесса является загрузка скрапа. Конвертер
Наклоняют на некоторый угол от вертикальной оси и специальным коробом-совком
Вместимостью через горловину загружают в конвертер скрап - железный и стальной
Лом. Обычно загружают 20-25 процентов скрапа на плавку Если скрап не подогревают
В конвертере, то затем сразу же заливают жидкий чугун. После этого конвертер
Устанавливают в вертикальное положение, через горловину в конвертер вводят
Кислородную фурму.
Для наводки шлака в конвертер по специальному желобу вводят шлако-образующие
Материалы: известь и в небольшом количестве железную руду и плавиковый шпат.
После окисления примесей чугуна и нагрева металла до заданных величин продувку
Прекращают, фурму из конвертера удаляют и сливают металл и шлак в ковши.
Легирующие добавки и раскислители вводят в ковш.
Продолжительность плавки в хорошо работающих конвертерах почти не зависит от их
Вместимости и составляет 45 минут, продолжительность продувки - 15-25 минут.
Каждый конвертер в месяц дает 800-1000 плавок. Стойкость конвертера - 600-800
Плавок.
Движение металла в конвертере весьма сложное, помимо кислородной струи, на
Жидкую ванну воздействуют пузыри оксида углерода. Процесс перемешивания
Усложняется еще и тем, что шлак проталкивается струей газа в толщу металла и
Перемешивается с ним. Движение ванны и вспучивание ее выделяющимся оксидом
Углерода приводят значительную часть жидкого расплава в состояние эмульсии, в
Которой капли металла и шлака тесно перемешаны друг с другом. В результате этого
Создается большая поверхность соприкосновения металла со шлаком, что
Обеспечивает высокие скорости окисления углерода.
Конвертеры с донной продувкой кислородом из-за меньшего угара железа позволяют
Получить больший (на 1,5-2 процента) выход годной стали по сравнению с
Конвертерами с верхней продувкой. Плавка в 180-тонном конвертере с донной
Продувкой длится 32-39 минут, продувка - 12- 14 минут, то есть
Производительность выше, чем у конвертеров с верхней продувкой. Однако
Необходимость промежуточной замены днищ нивелирует это различие в
Производительности
Первые конвертеры с донной продувкой за рубежом были построены в 1966-1967
Годах. Необходимость создания такого конвертера обусловлена, в основном, двумя
Причинами. Во-первых, необходимостью переработки чугунов с повышенным
Содержанием марганца, кремния и фосфора. Поскольку передел такого чугуна в
Конвертерах с верхней продувкой сопро-
10
Вождается выбросами металла в ходе продувки и не обеспечивает должной
Стабильности химического состава готовой стали Во-вторых, тем, что конвертер с
Такой продувкой является наиболее приемлемой конструкцией, позволяющей
Осуществить реконструкцию существующих бессемеровских и томасовских цехов, и
Вписывается в здание существующих мартеновских цехов Этому конвертеру
Свойственно наличие большого числа реакционных зон, интенсивное окисление
Углерода с первых минут плавки, низкое содержание оксидов железа в шлаке В силу
Специфики работы сталеплавильной ванны при донной продувке в конвертерах
Подобного типа выход годного несколько выше, чем в других конвертерах, а
Запыленность отходящих газов ниже
В конвертерах с донной продувкой, имеющих большое число фурм, все
Технологические процессы протекают интенсивнее, чем в конвертерах с верхней
Продувкой Однако общая производительность конвертеров с донной продувкой не
Превышает значительно таковую для конвертеров с верхней продувкой по причине
Ограниченной стойкости днищ
Чтобы предохранить кладку днища конвертера от действия высоких температур, фурму
Делают в виде двух коаксиальных трубок - по центральной подается кислород, а по
Периферийной - какое-либо углеводородное топливо, чаще всего природный газ Таких
Фурм обычно 16-22 Большое число более мелких фурм обеспечивает лучшее
Перемешивание ванны и более спокойный ход плавки
Струя топлива отделяет реакционную зону от днища, снижает температуру около
Днища в месте выхода кислородных струй за счет отбора тепла на нагрев топлива,
Крекинг и диссоциации составляющих топлива и продуктов их окисления Охлаждающий
Эффект, кроме того, обеспечивается пылевидной известью, которая подается в струю
Кислорода Таким образом, продувка расплавленного металла несколькими струями
Кислорода снизу создает ряд благоприятных особенностей в работе конвертера
Обеспечивается большее число реакционных зон и большая межфазная поверхность
Контакта кислородных струй с металлом Это позволяет увеличить интенсивность
Продувки, повысить скорость окисления углерода Улучшается перемешивание ванны,
Повышается степень использования кислорода В результате появляется возможность
Расплавления больших по массе кусков скрапа Лучшая гидродинамика ванны
Обеспечивает более ровный и спокойный ход всей плавки, практически исключает
Выбросы В силу этого в конвертерах с донной продувкой можно перерабатывать
Чугуны с повышенным содержанием марганца и фосфора
Стремление повысить производительность агрегатов одновременно с необходимостью
Повысить однородность состава и температуры металла при возможности изготовления
Сталей широкого диапазона привело к использованию комбинированной продувки при
Относительно небольшом (по сравнению только с донной продувкой) количестве
Газов, вдуваемых через
НАУКА И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
11
Фурмы, установленные в днище конвертера В последнее время появилось два основных
Варианта такого процесса, когда снизу подают кислород или инертные газы с целью
Обеспечить интенсивное перемешивание ванны и ускорить процесс удаления примесей
При этом, как и при донной продувке, снизу вместе с газами может подаваться
Пылевидная известь По такому важному показателю, как возможный расход скрапа,
Конвертеры с верхней, донной и комбинированной продувкой оказываются
Приблизительно на одном уровне, при несколько более высоком выходе годного при
Донной продувке
В настоящее время в мире применяется и разрабатывается много различных методов
Комбинированной продувки расплавленной ванны, рационально сочетающих верхнюю и
Донную продувку, причем в последней используется как кислород, так и инертные
Газы (аргон, азот)
В кислородно-конвертерном процессе с верхней продувкой достаточно интенсивное
Перемешивание достигается только в середине плавки при интенсивном окислении
Углерода В начале и в конце плавки перемешивание недостаточно, что затрудняет
Глубокое рафинирование металла от серы и фосфора Комбинированная подача
Кислорода через верхнюю и донные фурмы еще более, чем при одной донной продувке,
Ускоряет процесс окисления углерода и повышает производительность конвертера
По сравнению с чисто донной продувкой в случае комбинированного процесса в
Сопоставимых условиях температура металла выше Кроме того, при комбинированной
Продувке уменьшение расхода кислорода через верхнюю фурму снижает
Пылеобразование и разбрызгивание
И еще одно преимущество кислородных конвертеров здесь все процессы
Механизированы и автоматизированы, все чаще управление конвертерами поручается
Компьютерам
Дуговые электроплавильные печи
Вся история металлургии - это борьба за качество, за улучшение физических и
Механических свойств металла А ключ к качеству - химическая чистота Даже
Крохотные примеси серы, фосфора, мышьяка, кислорода, некоторых других элементов
Резко ухудшают прочность и пластичность металла, делают его хрупким и слабым А
Все эти примеси находятся в руде и коксе, и избавиться от них трудно Во время
Плавки в доменной печи и в мартеновской печи основная часть примесей переводится
В шлак и вместе с ним удаляется из металла Но в тех же домнах и мартенах в
Металл попадают вредные элементы из горючих газов и ухудшают его свойства
Получить действительно высококачественную сталь помогла электрометаллургия,
Отрасль металлургии, где металлы и их сплавы получают с помощью электрического
Тока Это относится не только к выплавке стали, но и к электролизу металлов и, в
Частности, расплавленных их солей - например, извлечению алюминия из
Расплавленного глинозема
12
Основную массу легированной высококачественной стали выплавляют в дуговых
Электрических печах
В дуговых сталеплавильных печах и плазменно-дуговых печах (ПДП) теплоге-нерация
Возникает за счет энергетических преобразований дугового разряда, происходящего
В воздухе, парах расплавляемых материалов, инертной атмосфере или иной
Плазмообразующей среде.
Согласно общей теории печей М. А. Глинкова дуговые сталеплавильные и плазменно-
Дуговые печи представляют собой печи-теплообменники с радиационным режимом
Работы, поскольку
Энергетические условия на границе зоны технологического процесса, то есть на
Зеркале ванны жидкого металла, создают электрические дуги и огнеупорная
Футеровка рабочего пространства. Кроме этого, в дуговых сталеплавильных печах
Вертикально расположенные графитированные электроды создают неравномерное
Излучение дуг, зависящее от диаметра электродов и параметров электрического
Режима.
По условиям теплообмена между дугами, поверхностями рабочего пространства и
Металлом, особенностям электрофизических процессов дугового разряда,
Энергетическому и электрическому режимам всю плавку в дуговых печах от начала
Расплавления твердой металлошихты до слива жидкого металла делят на этапы.
Перед началом плавки куполообразный свод печи поднимают, отводят в сторону и
Загружают сверху в печь шихтовые материалы Затем свод ставят на место, через
Отверстия в нем опускают в печь электроды и включают электрический ток. Чугун,
Железный лом и другие материалы начинают быстро плавиться.
По мере оплавления шихты под электродами и вокруг них образуются "колодцы", в
Которые опускаются дуги и электроды. Наступает этап "закрытого" горения дуг,
Когда плавление шихты происходит в "колодцах", снизу путем теплопередачи
Излучением на близлежащие слои шихты и теплопроводностью через слой жидкого
Металла, накопившегося на подине. Холодная шихта на периферии рабочего
Пространства нагревается за счет тепла, аккумулированного футеровкой: при этом
Температура внутренней поверхности футеровки интенсивно снижается с 1800-1900 до
900--1000 градусов Кельвина На этом этапе футеровка рабочего пространства
Экранирована от излучения дуг, поэтому целесообразно обеспечить максимальную
Тепловую мощность с учетом электротехнических возможностей печного
Трансформатора.
Когда количества наплавленного жидкого металла будет достаточно для
НАУКА И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
13
Заполнения пустот между кусками твердой шихты, электрические дуги открываются и
Начинают гореть над зеркалом металлической ванны. Наступает этап "открытого"
Горения дуг, при котором происходит интенсивное прямое излучение дуг на
Футеровку стен и свода, температура повышается со скоростью до 30-100 градусов
Кельвина в минуту и возникает необходимость снижения электрической мощности дуг
В соответствии с тепловос-принимающей способностью футеровки.
Современные дуговые сталеплавильные печи работают на трехфазном токе
Промышленной частоты. В дуговых печах прямого действия электрические дуги
Возникают между каждым из трех вертикальных графитирован-ных электродов и
Металлом. Футерованный кожух в дуговых сталеплавильных печах имеет
Сфероконическую форму. Рабочее пространство перекрыто сверху купольным сводом.
Кожух установлен на опорной конструкции с гидравлическим (реже с
Электромеханическим) механизмом наклона печи. Для слива металла печь наклоняют
На 40-45 градусов, для скачивания шлака - на 10-15 градусов (в другую сторону).
Печи оборудованы механизмами подъема и поворота свода - для загрузки шихты через
Верх печи, передвижения электродов - для изменения длины дуги и регулирования
Мощности, вводимой в печь. Крупные печи оборудованы устройствами для
Электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне, системами удаления и
Очистки печных газов
Отечественные плазменно-дуговые печи имеют вместимость от 0,5 до 200 тонн,
Мощность - от 0,63 до 125 МВт. Сила тока на мощных и сверхмощных плазменно-
Дуговых печей достигает 50-100 кА.
В зависимости от технологического процесса и состава шлаков футеровка плазменно-
Дуговых печей может быть кислая (при выплавке стали для фасонного литья) или
Основная (при выплавке стали для слитков).
Особенностью конструкции плазменно-дуговых печей с огнеупорной футеровкой как
Разновидности плавильных ванных печей дугового нагрева является наличие одного
Или нескольких плазматронов постоянного тока и подового электрода - анода. Для
Сохранения атмосферы плазмообразующе-го газа рабочее пространство плазменно-
Дуговых печей герметизируется с помощью специальных уплотнений. Наличие
Водоохлаждаемого электрода в подине создает опасность взрыва, поэтому плазменно-
Дуговые печи снабжают системой контроля состояния футеровки подины и
Сигнализацией, предупреждающей о проплавлении подового электрода жидким
Металлом.
В настоящее время работают плазменно-дуговые печи с огнеупорной футеровкой
Вместимостью от 0,25 до 30 тонн мощностью от 0,2 до 25 МВт. Максимальная сила
Тока-до 10 к А.
Наиболее энергоемким периодом плавки в печах обоих типов является период
Плавления. Именно тогда потребляется до 80 процентов общего расхода энергии,
Причем в основном электрической. Длительность всей плавки в зависимости от
Принятой технологии выплавки электростали может быть 1,5-5 часов. Электрический
Коэффициент полезного действия дуговых сталеплавильных печей составляет 0,9-0,95, а тепловой - 0,65-0,7. Удельный
Расход электрической энергии составляет 450-700 кВт/ч на тонну, снижаясь за счет
Уменьшения удельной теплоотдающей поверхности для более крупных дуговых
Сталеплавильных печей.
Плазменно-дуговые печи имеют более низкие показатели Электрический коэффициент
Полезного действия у них равен 0,75-0,85. Это объясняется дополнительными
Потерями в плазмотроне при формировании плазменной дуги. Тепловой же - около
0,6, так как возникают дополнительные потери в водоохлаждаемых элементах
Конструкции. Особенностью эксплуатации плазменно-дуговых печей является
Использование дорогостоящих плазмообразующих газов, что вызывает необходимость
Создания систем регенерации отработанных газов и применения технологически
Приемлемых дешевых газовых смесей
Новые возможности в сталеплавильном производстве появились в связи с успешным
Освоением в конце 1980-х годов донного (через подину) выпуска металла из дуговых
Электропечей. Такая система выпуска была успешно реализована, например, в
Сталеплавильном цехе завода фирмы "Тиссен шталь" в Оберхаузене (ФРГ), на 100-
Тонных печах завода в Фридриксферке (Дания) и др. Они могут довольно длительное
Время работать в непрерывном режиме, например, датские 100-тонные агрегаты - в
Течение недели При выпуске плавки, который длится не более 2 минут, печь
Наклоняется всего на 10-15 градусов вместо 40-45 градусов (для обычных
Агрегатов). Это позволяет почти полностью заменить огнеупорную футеровку стен
Во-доохлаждаемыми панелями, резко сократить расход различных материалов и
Электроэнергии, производить полную отсечку печного шлака.
Как это ни удивительно на первый взгляд, современная дуговая сталеплавильная
Печь сверхвысокой мощности имеет удельный расход энергии значительно более
Низкий, чем мартеновская печь. К тому же труд сталевара мартеновской печи
Значительно тяжелее и утомительнее работы конверторщика или
Электросталеплавильщика
