На практике различают следующие схемы комбинированной продувки с вдуванием:
- кислорода сверху и инертного (Ar) или нейтрального (N2) газа через пористые элементы, установленные в днище;
- кислорода сверху и смеси «кислород - природный газ» через донные фурмы;
- кислорода сверху и инертного (Ar) или нейтрального (N2) газа через неохлаждаемые фурмы, установленные в днище.
Выбор вариантов комбинированного процесса зависит от многих факторов и определяется, прежде всего, сортаментом выплавляемой стали, наличием достаточного количества чугуна и требованиями экономического и конъюнктурного характера. Так, например, весомо влияют на долю жидкого чугуна и лома в шихте соотношение цен на эти материалы и, в конечном счете, экономика процесса. Вместе с тем, наибольшее распространение в мире получила комбинированная продувка кислородом сверху и ней тральным газом снизу. По такой технологии в мире работает около 80% от общего числа конвертеров. Через донные фурмы могут вдуваться не только аргон или азот, но и CO2 с интенсивностью до 0,1 м3/(т•мин) и даже СО. 7
Все шире в мировой практике применяют вдувание снизу нейтрального газа после завершения кислородной продувки сверху. В целом же комбинированная продувка обеспечивает: снижение окисленности конечного шлака на 10…20% и повышение выхода годного на 0,2…0,3%; высокую гомогенизацию металла в конвертере по составу и температуре; повышение точности попадания в анализ на выпуске (сокращается средняя продолжительность продувки на 0,5…1,5 мин.); уменьшение содержания углерода в конце продувки; сокращение расхода раскислителей и пр. Оперативный контроль по ходу кислородно-конвертерной плавки представляется весьма важным элементом, обеспечивающим контроль химического состава металла и его температуры, а также веса плавки, металлолома, железной руды (или окалины), обожженной извести и доломита. Такая стратегия, в конечном счете, минимизирует количество додувок и добавок охладителя. Используемые системы автоматического контроля и управления процессом конвертерной плавки базируются либо на статистических, либо на динамических моделях. В первом случае применяются компьютерные аналоги с накопленным в данных производственных условиях статистическим материалом. Однако такие модели требуют достаточно точной информации о химическом составе, весе и температуре заливаемого металла и заваливаемого скрапа, а также о химическом составе и размерах кусков извести, доломита и прочих флюсов. На практике это не всегда возможно обеспечить, так что точность таких моделей, как правило, не удовлетворяет производственников. Поэтому прямым развитием процесса моделирования стало введение в них вспомогательных параметров, контролируемых по ходу плавки. Например, для корректировки статистической модели может быть использована информация о химическом составе отходящих газов либо температура металла и активность кислорода, определяемая по ходу плавки.
На нескольких заводах в Северной Америке, например, для оценки уровня содержания углерода в низкоуглеродистых сталях применяются световые сенсоры. Эта система определяет интенсивность свечения в горловине конвертера в период продувки. Безусловно, динамические модели автоматического контроля более эффективны, поэтому следует ожидать их дальнейшего усовершенствования, особенно в части создания новых приемов измерения (контроля) используемых в модели корректирующих параметров.
3. Устройство кислородных конвертеров
Кислородный конвертер представляет собой поворачивающийся на цапфах сосуд грушевидной формы (рисунок 1), футерованный изнутри и снабженный леткой для выпуска стали и отверстием сверху для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна, загрузки лома и шлакообразующих и слива шлака. Вместимость существующих конвертеров составляет 50-400 т. В нашей стране установлен типовой ряд емкостей конвертеров (по массе жидкой стали): 50, 100, 130, 160, 200, 250, 300, 350 и 400 т.
1 - опорный подшипник; 2 - цапфа; 3 - защитный кожух; 4 - ведомое зубчатое колесо; 5 - вал шестерня; 6 - навесной электродвигатель с редуктором; 7 - навесной электродвигатель с редуктором; 8,9 - демпфер; 10 - опорная станина; 11 - опорное кольцо
Рисунок 1. Кислородный конвертер
3.1 Устройство конвертера с верхней продувкой
Форма конвертера. Профиль рабочего объема, образованный футеровкой, у отечественных конвертеров обычно имеет суживающуюся к верху горловину, примыкающую к цилиндрической части. Цилиндрическая часть заканчивается сферическим днищем. Сужение нижней части, и сферическая форма днища предотвращают образование застойных зон при циркуляции металла в конвертерах с верхней продувкой. У малых (<130т) конвертеров днище для упрощения кладки иногда делают плоским; плоское днище имеют конвертеры донной продувки. По конфигурации корпуса (кожуха) конвертеры различаются. Корпус может быть такой же формы, как рабочий объем, т.е. - с сужением внизу; быть без сужения внизу, когда к цилиндрической части примыкает сферическое
Корпус конвертера выполняют сварным из листовой стали толщиной от 20 до 110 мм и делают его либо цельносварным, либо с отъемным днищем, которое крепится болтами или клиновыми соединениями. Расположение горловины в конвертерах симметричное, что позволяет вводить кислородную фурму строго по оси конвертера. При этом обеспечивается равное удаление кислородных струй от стенок конвертера и тем самым - равномерный износ футеровки.
Конвертер цапфами опирается на роликовые опорные подшипники, закрепленные в опорных станинах. Подшипники обеспечивают возможность вращения конвертера вокруг оси цапф; при этом один подшипник фиксированный, а другой «плавающий», что дает возможность перемещения вдоль оси цапф на 15-30 мм.
В первых кислородных конвертерах цапфы крепились непосредственно к кожуху конвертера. При этом, как показала практика, вследствие нагрева кожуха и его деформации происходил перекос цапф (их отклонение от первоначального положения), что вызывало при вращении цапф удары по опорным подшипникам и шестерням механизма поворота конвертера и их повышенный износ.
Современные кислородные конвертеры снабжают отдельным опорным кольцом, к которому крепятся цапфы и в котором с зазором в 150-200 мм закреплен кожух. Механизм поворота обеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360° со скоростью от 0,1 до 1 об/мин. Поворот конвертера необходим для выполнения технологических операций: заливки чугуна, завалки лома, слива стали и шлака и др.
Механизм поворота может быть односторонним и двусторонним.
Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях, подвергаясь воздействию высоких температур; термических напряжений, возникающих при колебаниях температуры футеровки; ударов кусков шихты при загрузке и знакопеременных нагрузок, возникающих при вращении конвертера. Она изнашивается также в результате химического взаимодействия со шлаком и размывающего действия потоков металла и шлака.
Футеровку обычно делают из двух слоев: арматурного и рабочего. Примыкающий к корпусу арматурный слой толщиной 110-250 мм уменьшает теплопотери и защищает кожух в случае прогара рабочего слоя. Арматурный слой выполняют из магнезитового или магнезитохромитового кирпича, он не требует замены очень длительное время (годы). Внутренний или рабочий слой изнашивается во время работы и его заменяют при ремонтах футеровки; его толщина в зависимости от емкости конвертера составляет 500-800 мм. Кислород подают в конвертер через вертикально расположенную водоохлаждаемую фурму, которую вводят в полость конвертера через горловину строго по его оси. Давление кислорода перед фурмой составляет 1, 0-1, 6 МПа. Высоту фурмы над ванной можно изменять по ходу плавки; обычно она увеличивается при росте емкости конвертера и находится в пределах 1, 0-4, 8 м от уровня ванны в спокойном состоянии. Поднимают и опускают фурму с помощью механизма, сблокированного с механизмом вращения конвертера.
3.2 Устройство конвертера с комбинированной продувкой
Можно выделить две разновидности конвертеров для комбинированной продувки. Одна из них это конвертеры для продувки кислородом сверху и через дно. Они ничем не отличаются от конвертеров донной продувки, имеют вставное днище с фурмами для подачи кислорода в кольцевой защитной оболочке. Другая разновидность - это конвертеры для продувки кислородом сверху и нейтральными газами через дно; зачастую это переоборудованные конвертеры верхнего дутья. Конвертеры этой разновидности оборудованы вставными днищами с устройствами для вдувания газов и системой подвода газов к днищу через полые цапфы конвертера. Для рабочего слоя футеровки конвертера, как и у конвертеров верхней продувки применяют в основном безобжиговыесмоло- и пекосвязанные огнеупоры на основе СаО и MgO. В футеровке днищ эти огнеупоры показали низкую стойкость, поэтому применяют магнезитохромитовые, магнезитоуглеродистые огнеупоры и разрабатывают новые, более стойкие в условиях службы днища.
Для вдувания нейтральных газов в футеровке днища устанавливают 4-16 фурменных устройств - огнеупорных блоков, в которых имеются газопроводящие каналы. Применяют блоки с одним газопроводящим каналом (рисунок 2, а), с несколькими каналами (рисунок 2, б) и пористые, с направленной пористостью (рисунок 3, в). В поперечном сечении каналы могут быть круглыми или иметь форму плоской либо кольцевой щели. Чаще применяют блоки с каналами круглого сечения; они представляют собой либо круглое отверстие в огнеупоре, как это показано на рис. 1, а, либо вмонтированную в огнеупор стальную трубку. Диаметр канала в одноканальных блоках достигает 8 мм. Пористый блок сечением 100Ч150 мм может иметь до 50 каналов диаметром 1-1,5 мм. Нейтральный газ подводят либо непосредственно к каналу блока (на рисунок 2, а - через вмонтированную в огнеупор цилиндрическую втулку 3), либо через охватывающую огнеупорный блок кассету 4 (рисунок 2, б, в) из стальных листов. Фурменные блоки на разных заводах располагают разнообразными способами - в одной половине днища и по всей его площади, параллельными рядами и по окружности и другими способами, добиваясь за счет этого улучшения перемешивания и основных показателей плавки. Стойкость днищ обычно ниже стойкости футеровки стен, и днище приходится заменять чаще, чем футеровку стен.
1 - газоподводяшая трубка; 2 - каналы; 3 - закладная втулка; 4 - кассета из стальных листов
Рисунок 2. Разновидности огнеупорных блоков (фурм) с одним гаэоподводящим каналом (а), с несколькими (б), с направленной пористостью (в) для подачи нейтральных газов через дно
4. Технологические операции конвертерной плавки
Шихтовка плавки и организация загрузки. Шихтовку, т.е. определение расхода на плавку чугуна и лома, шлакообразующих, ферросплавов и других материалов, в современных цехах проводят с помощью ЭВМ (АСУТП) на основании вводимых в нее данных о составе чугуна и других шихтовых материалов, температуре чугуна, параметрах выплавляемой стали и некоторых других. При этом расход лома, являющегося охладителем плавки, определяют на основании расчета теплового баланса плавки, увеличивая или уменьшая расход так, чтобы обеспечивалась заданная температура металла в конце продувки, а расход извести - так, чтобы обеспечивалась требуемая основность шлака (2.7-3,6). Лом загружают в конвертер совками объемом 20-110 м3; их заполняют ломом в шихтовом отделении цеха и доставляют к конвертерам рельсовыми тележками. Загрузку ведут (рисунок 3, а) через отверстие горловины конвертера, опрокидывая совок 3 с помощью полупортальной машины 2, либо мостового крана, либо напольной (перемещающейся по рабочей площадке цеха) машины. Конвертер при загрузке наклонен примерно на 45° с тем, чтобы загружаемые куски лома скользили по футеровке, а не падали бы сверху, разрушая ее. Жидкий чугун заливают (рисунок 1, б) в наклоненный конвертер через отверстие горловины с помощью мостового крана 4 из заливочного ковша 5, который обычно вмещает всю порцию заливаемого чугуна (до 300 т и более). Заливочные ковши с чугуном доставляют к конвертерам из миксерного или переливного отделений. Для загрузки сыпучих шлакообразующих материалов конвертер оборудован индивидуальной автоматизированной системой. Из расположенных над конвертером расходных бункеров, где хранится запас материалов, их с помощью электро-вибрационных питателей и весовых дозаторов выдают в промежуточный бункер б, а из него материалы по наклонной течке (трубе) 7 ссыпаются в конвертер через горловину.
При этом система обеспечивает загрузку сыпучих без остановки продувки по программе, которая разработана заранее или задается оператором из пульта управления конвертером.
1 - газоотвод; 2 - полупортальная загрузочная машина; 3 - совок; 4 - мостовой кран; 5 - заливочный ковш; б - бункер; 7 - течка; 8 - термопара; 9 - бункер для ферросплавов; 10 - сталеразливочный ковш; 11 - шлаковая чаша (ковш)
Рисунок 3. Технологические операции конвертерной плавки: загрузка лома (а), заливка чугуна (б), начало продувки (в), замер температуры (г), слив металла (д), слив шлака (г)