Системи технологій промисловості (стр. 6 )

Изменение состава металла, шлака и температуры по ходу процесса.

В кислородном конвертере элементы, входящие в состав чугуна, могут окисляться как газообразным кислородом О2, так и кислородом, переходящим в состав шлака в виде оксидов железа (FеО) и в состав металла в виде растворенного кислорода [O]. В месте контакта струи кислорода с чугуном в первую очередь окисляется железо 2[Fе] + О2 = 2(FеО). Образующийся FеО входит в состав шлака (FеО) и растворяется в металле (FеО) = [Fе] + [О].

Реакции окисления кремния, марганца, углерода и фосфора происходят как по одностадийной (газообразным кислородом О2), так и по двухстадийной [(FеО) в шлаке и [О] в металле] схемам:

1) [Si] + О2 = (SiO2); 2) [Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fе]; 3) [Si] + 2[O] = (SiO2);

4) 2[Мn] + О2 = 2(МnО); 5) [Мn] + (FеО) = (МпО) + [Fе]; 6) [Мn] + [О] = (МnО).

Для углерода более развита реакция окисления газообразным кислородом, а также кислородом, растворенным в металле

2[C] +O2 = 2CO; [C] + [O] = CO.

Для успешного протекания окисления фосфора необходимо одновременное участие оксидов железа и СаО шлака.

Это связано с химической непрочностью Р2О5 и восстановлением из него фосфора в металл при отсутствии в шлаке достаточного количества СаО

2[Р] + 5(FеО) + 3(СаО) = (3СаO. Р2О5) + 5 [Fе].

Все указанные реакции идут с выделением теплоты, поэтому с повышением температуры по ходу процесса могут изменять направление на обратное. Это наблюдается для марганца и фосфора.

Изменение состава металла и шлака, а также температуры металла по ходу кислородно-конвертерного процесса характеризуется данными, приведенными на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 - Изменение состава металла и шлака по ходу продувки в кислородном конвертере

Все реакции окисления примесей протекают с выделением значительного количества теплоты, поэтому осуществление кислородно-конвертерного процесса не требует использования какого-либо топлива. Главным источником теплоты служит тепло, выделяемое при окислении углерода и кремния: 40-45% химического тепла вносится за счет окисления углерода и 25-30% - за счет кремния. При повышенном расходе металлолома в конвертер, когда вследствие значительного переохлаждения ванны окисление углерода замедляется, роль кремния как основного теплоносителя возрастает.

1.5.2 Производство стали в конвертерах донного дутья

В середине 60-х годов опытами по вдуванию струи кислорода, окруженной слоем углеводородов, была установлена возможность продувки через днище без разрушения огнеупоров.

Основное отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем, т. е. объем, приходящийся на тонну продуваемого чугуна. В днище устанавливают от 7 до 22 фурм в зависимости от емкости конвертера. Размещение фурм в днище может быть различным. Перед установкой конвертера в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.

Фурма состоит из двух труб. Внутренняя служит для подачи кислорода, а наружная, образующая кольцевой зазор вокруг внутренней, для введения углеводородсодержащего газа или жидкого топлива.

Для обеспечения защитной роли кольцевого газа или жидкого топлива щель между внутренней и внешней трубами должна составлять 0,5-2,5 мм. Защитное действие углеводородсодержащего газа или топлива заключается в том, что под влиянием высоких температур углеводороды разлагаются с поглощением тепла. Этого достаточно для компенсации избыточного тепла, выделяющегося при взаимодействии чистого кислорода с жидким металлом. Таким образом предотвращается быстрое разрушение фурм и частей днища, прилегающих к фурмам. Интенсивность подачи кислорода находится в пределах 4-7 м3/(т∙мин). Расход природного газа находится в пределах 6-7 % от расхода кислорода, расход пропана составляет 3,5 %.

В условиях донной продувки улучшаются условия перемешивания ванны, увеличивается поверхность раздела металл-газ. Это оказывает благоприятное влияние на условия зарождения и выделения пузырьков СО. Таким образом, скорость обезуглероживания при донной продувке выше по сравнению с верхней. Получение металла с содержанием углерода менее 0,05 % не представляет затруднений. Благоприятные условия протекания реакции обезуглероживания обеспечивают по ходу плавки при донной продувке меньшую окисленность металла и шлака. Применением тонкоизмельченной извести в струе кислорода можно добиться удаления фосфора с самого начала продувки одновременно с окислением углерода и кремния.

Условия удаления серы при донной продувке более благоприятны, чем при верхней продувке. Это также связано с меньшей окисленностью шлака и увеличением поверхности контакта газ-металл. Последнее обстоятельство способствует удалению части серы в газовую фазу в виде SO2.

Преимущества процесса с донной продувкой состоят в повышении выхода годного металла на 1-2 %, сокращении длительности продувки, ускорении плавления лома, меньшей высоте здания цеха и т. д.

1.5.3 Конвертерный процесс с комбинированной продувкой

Начиная с 1975-1980 гг., все большее распространение в производстве стали получают конвертеры, так называемого, комбинированного дутья. В этих конвертерах наряду с подачей кислорода в жидкий металл при помощи верхней вертикальной фурмы через днище вдувают инертный газ или кислород в оболочке защитного газа.

В конвертерах комбинированного дутья рационально сочетаются достоинства верхнего и донного дутья и в значительной мере устраняются их недостатки. Одним из основных преимуществ верхнего дутья является возможность регулирования шлакообразования за счет изменения режима дутья (высота фурмы над уровнем металла и расход кислорода), что позволяет выплавлять стали с различным содержанием углерода. Кроме того, в конвертерах верхнего дутья можно перерабатывать значительную долю лома (27-29 % от массы металлической части шихты). Вместе с тем, при верхнем дутье имеет место слабое перемешивание металлической ванны, особенно в ее нижней части, что обусловливает неполноту и пониженную скорость реакций удаления примесей. Кроме того, происходит значительное переокисление металла и шлака (при малых содержаниях углерода в металле), а, следовательно, и уменьшение выхода годного.

При донном подводе дутья достигается интенсивное перемешивание металлической ванны, что обеспечивает гораздо большую полноту и ускорение реакции окисления и удаления примесей из металла. При этом повышается выход годного в результате уменьшения окисленности шлака и количества выбросов из конвертера. Однако при использовании донного дутья снижается доля перерабатываемого лома и усложняется технология плавки. При комбинированном дутье возможно достижение достаточной интенсивности перемешивания металлической ванны, более полное протекание процессов обезуглероживания, десульфурации и дефосфорации металла, увеличение выхода годного и получение металла более высокого качества.

1.6 Мартеновское производство стали

Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и металлического лома на поду отражательной печи. В мартеновском процессе, в отличие от конвертерного, недостаточно тепла химических реакций и физического тепла шихтовых материалов. Для плавления твердых шихтовых материалов, для покрытия значительных тепловых потерь и нагрева стали до необходимых температур в печь подводится дополнительная теплота, получаемая путем сжигания в рабочем пространстве топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.

Газовая атмосфера печи имеет окислительный характер, т. е. в ней содержится избыточное количество кислорода. Благодаря этому металл в мартеновской печи в течение плавки подвергается прямому или косвенному воздействию окислительной атмосферы.

1.6.1 Устройство и работа мартеновской печи

Мартеновская печь представляет собой пламенную отражательную регенеративную печь. Печь названа по имени французского инженера П. Мартена, которую впервые построили в 1864 г.

Мартеновская печь состоит из следующих основных частей.

Рабочее пространство, ограниченное подом, сводом, передней и задней стенками, предназначено для осуществления плавки.

На передней стенке расположены завалочные окна, через которые в печь загружаются все шихтовые материалы. Завалочные окна закрыты специальными футеро­ванными крышками с отверстиями - гляделками, через которые можно наблюдать за ходом плавки и состоянием печи.

На задней стенке по центру печи при соединении стенки с подиной устраивают сталевыпускное отверстие.

Свод перекрывает сверху рабочее пространство печи. Подина печи выдерживает нагрузку загруженных материалов и жидких продуктов плавки.

Головки (правая и левая), состоящие из собственно головок и вертикальных каналов, предназначены для подачи топлива и воздуха в рабочее пространство и отвода из него продуктов сгорания. Головки расположены в торцах рабочего пространства и через вертикальные каналы соединены со шлаковиками.

Шлаковики, (воздушные и газовые) предназначены для осаждения и накопления пыли и частиц шлака, выпадающих из проходящих через них продуктов сгорания. Осаждение пыли в шлаковиках происходит в результате снижения скорости и резкого изменения направления движения продуктов сгорания при переходе из узкого сечения вертикального канала в широкое горизонтальное сечение камеры шлаковика и прилипания к подине и стенкам шлаковиков размягченных частиц шлака.

Регенераторы (воздушные и газовые) предназначены для подогрева поступающих в печь газа и воздуха за счет регенерации теплоты выходящих из рабочего пространства продуктов сгорания. Регенераторы представляют собой камеры, выложенные решеткой из огнеупорного кирпича. В результате этого обеспечивается большая поверхность соприкосновения огнеупоров с проходящими через регенераторы нагретыми продуктами сгорания или воздуха и газа, поступающих в печь.

Борова - каналы для прохождения воздуха, газа, продуктов сгорания.