Введение

На современном этапе развития промышленность Украины оказалась в жестких рыночных условиях. Борьба за место на мировых рынках металла требует снижение себестоимости продукции и повышение ее качества. Значительную долю в себестоимости продукции отечественных производителей составляют топливно-энергетические ресурсы. Для их экономии необходимо внедрять системы автоматизации производственных процессов, энергосберегающие технологии и аппараты, активно использовать вторичные материальные и энергетические ресурсы.

Металлургическая отрасль является одной из наиболее энергоемких отраслей народного хозяйства, но технологические процессы этой отрасли характеризуются низкими показателями использования топливно-энергетических ресурсов, поэтому значительная их часть, не использованная в технологическом процессе, должна быть использована в виде ВЭР. Так, к примеру, при производстве металла в кислородном конвертере выделяется значительное количество калорийного конвертерного газа (теплота сгорания 8,5-9,2 МДж/м³), имеющего температуру 1400-1800 ⁰С, поэтому целесообразно использовать его физический и химический потенциал. Жидкий металл и конвертерный шлак имеют температуру порядка 1650 ⁰С, т.е. они также обладают большим потенциалом физической теплоты.

Организация рационального использования ВЭР металлургического производства позволит экономить миллионы т.у.т в год, что положительно скажется на экономике Украины.

1 Конструкция и тепловая работа кислородного конвертера. Вэр конвертерного производства

1. Разновидности конвертерных процессов. Конструкция агрегата и общая схема процесса

Конвертерный процесс был первым способом производства стали в массовых масштабах. Идея Генри Бессемера - получать литую сталь путем продувки жидкого чугуна воздухом или другими окислительными газами без использования топлива - впервые была осуществлена в 1856 г. Для футеровки конвертера использовали известные в то время кислые огнеупорные материалы, поэтому первый конвертерный процесс, названный бессемеровским, был кислым. Продувка воздухом осуществлялась через фурмы, расположенные в днище конвертера. Простота конструкции агрегата, его высокая производительность, отсутствие затрат топлива обусловили быстрое развитие процесса. Однако невозможность переработки чугуна с повышенным содержанием фосфора вызвали необходимость поиска другого способа передела. Эти поиски увенчались успехом, когда в 1878 г. Джильхрист Томас заменил кислую футеровку конвертера основой, выполненной из обожженного доломита, и осуществил первый основной конвертерный процесс - томасовский. И тот и другой конвертерные процессы требовали определенного состава чугуна для обеспечения необходимого количества химического тепла. В качестве основного источника этого тепла в бессемеровском процессе служил кремний (0,9-1,25%), в томасовском - фосфор (1,6-2,2 %). В случае томасовского процесса повышенное содержание фосфора обусловливалось также возможностью получения кондиционных фосфористых шлаков, используемых в качестве удобрения.

Однако даже при использовании оптимальных по составу чугунов в случае продувки их воздухом тепловой баланс операции оставался напряженным, что ограничивало количество металлического лома, переплавляемого в конвертерах. Продувка воздухом приводила к повышению содержания азота в стали и, следовательно, ухудшению ее качества. Указанные недостатки устраняются при замене воздушного дутья кислородным. Начиная с 50-х годов кислородно-конвертерный процесс получил бурное развитие и в настоящее время стал ведущим способом производства стали. Разработаны способы передела чугуна разнообразного состава - обычного передельного (мартеновского), с повышенным содержанием фосфора, легированного ванадием, хромом, марганцем и другими элементами.

В основу конвертерных процессов положена обработка жидкого чугуна газообразными окислителями; при этом дополнительный подвод тепла извне не производится, и процесс выплавки стали осуществляется только химическим теплом экзотермических реакций окисления примесей и физическим теплом, вносимым жидким чугуном Продувка чугуна осуществляется в специальных агрегатах – конвертерах, представляющих собой металлический грушевидный сосуд футерованный изнутри огнеупорными материалами. Подвод окислителя производится с высокой интенсивностью, позволяющей получить огромную реакционную поверхность; в результате все конвертерные процессы характеризуются высокой скоростью реакций окисления примесей и, следовательно, высокой производительностью.

Разнообразие исходных шихтовых материалов, определяемых главным образом химическим составом железных руд, а также требованиями к качеству выплавляемого металла, привели к созданию нескольких разновидностей конвертерного способа производства стали. Эти различия определяются также составами огнеупорной футеровки и газа-окислителя, а также способом подвода его к металлической ванне. В зависимости от применяемой футеровки конвертерные процессы могут быть кислыми или основными. В зависимости от состава применяемого газа-окислителя конвертерные процессы делят на воздушные (продувка воздухом) и кислородные (продувка технически чистым кислородом или смесью его с другими газами).

Существуют различные способы подвода газа-окислителя (дутья) к металлической ванне:

• снизу через дно конвертера (газ-окислитель подводят через специальные сопла);

• сверху (газ-окислитель подводят к поверхности ванны сверху через специальную фурму);

• комбинированный (сверху и через дно).

Применение технического кислорода позволило увеличить количество переплавляемого стального лома и улучшить качество стали.

В связи с образованием высокотемпературной реакционной зоны вместе вдувания кислорода в металл продувка производится главным образом сверху. В последнее время разработаны способы охлаждения реакционной зоны (продувка топливо-кислородной смесью или разбавление кислорода аргоном), что позволило осуществить и донную продувку при сохранении удовлетворительной стойкости футеровки. Однако ведущее место занимает кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой.

Геометрическая форма рабочего пространства конвертера (рис. 1.1) представляет собой цилиндр, ограниченный по высоте с обоих торцов двумя усеченными конусами. Нижний усеченный конус является ванной, в которой располагается металл в спокойном состоянии, цилиндрическая часть обеспечивает необходимый объем рабочего пространства, занимаемый металлом, шлаком и газом в процессе продувки. Верхняя коническая часть, называемая шлемом, способствует уменьшению потерь металла с выносами и выбросами и по терь тепла. Вверху шлем заканчивается отверстием, называемым горловиной. Горловина служит для загрузки шихтовых материалов, отвода образующихся в процессе продувки газов, слива шлака и производства ремонтных работ. Для выпуска металла на границе между цилиндрической и верхней конической частью устроено сталевыпускное отверстие. Корпус конвертера снабжен специальными цапфами, на которых он может поворачиваться вокруг горизонталь­ной оси на 360° для выполнения технологических и ремонтных операций.

а) б)

Рисунок 1.1 Общий вид кислородного конвертера (а) и конвертерного агрегата (б)

Основная футеровка конвертера выполнена из магнезиальных или доломитовых огнеупоров на смоляной связке, что позволяет перерабатывать различные по химическому составу чугуны. Объем рабочего пространства конвертера в связи с интенсивным вспениванием расплава в процессе продувки должен быть в 7-10 раз больше объема металла в спокойном состоянии (0,8- 1,2 м ³/т садки).

Газообразный технический кислород чистотой 99,5-99,8 % О2 подают в конвертер под давлением 1,6-1,8 МПа при помощи специальной подвижной водоохлаждаемой фурмы.

Исходными материалами для выплавки стали в кислородных конвертерах являются жидкий чугун, металлический лом и шлакообразующие материалы. Для загрузки шихтовых материалов конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета. Металлический лом загружают при помощи крано­вого или напольного оборудования. После этого заливают чугун. Конвертер устанавли­вают в вертикальное положение, опускают фурму и начинают продувку. Шлакообразующие материалы (из­весть, плавиковый шпат) вводят по ходу продувки через горло­вину по специальному тракту.

В процессе продувки струя кислорода, подаваемая с высокой скоростью на поверхность расплава, глубоко внедряясь в объем металла, образует реакционную зону. Большой запас энергии струи способствует дроблению и интенсивному перемешиванию металла и шлака. Увеличение поверхности раздела фаз, которому способ­ствует также выделяющийся СО, обеспечивает высокую скорость массообменных процессов между окислителем и расплавом. Прямое взаимодействие кислорода с расплавом приводит к выделению большого количества тепла в первичной реакционной зоне, в ре­зультате чего в этой зоне развиваются очень высокие температуры (2200-2700 °С). Интенсивное перемешивание металла обеспечивает теплообмен между реакционной зоной и объемом металла. Подача кислорода на поверхность расплава и расположение высокотемпературной зоны вблизи поверхности расплава способствуют сравнительно быстрому шлакообразованию, что в свою очередь обеспечивает необходимые условия для рафинирования металла.

По достижении заданного состава металла и его температуры продувка заканчивается, конвертер наклоняется и производится выпуск стали. Слив металла вместе со шлаком недопустим вследствие возможного перехода фосфора и серы из шлака в металл, а также развития вторичных процессов окисления. Раскисление и легирование металла производится в ковше в процессе вы­пуска. Для уменьшения потерь тепла металлом после оконча­ния выпуска его поверхность покрывают небольшим слоем шлака. После окончания вы­пуска остальной шлак сливают через горловину в шлаковню.

Кислородно-конвертерная плавка включает следующие периоды: загрузку скрапа, заливку чугуна, продувку, отбор пробы и замер температуры металла, выпуск. Продолжительность плавки мало зависит от садки конвертера и определяется лишь удельной интенсивностью продувки и организацией работы в цехе. Продолжительность конвертерной плавки колеблется в пределах 30-45 мин. Длительность продувки составляет 10-20 мин в зависимости от интенсивности продувки [1,2].