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 грушу, 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, 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 опирается 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 шлакообразующие 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 сопровождается 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 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.

Основную массу легированной высококачественной стали выплавляют в дуговых электрических печах.

В дуговых сталеплавильных печах и плазменно-дуговых печах (ПДП) теплогенерация 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 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 тепловоспринимающей 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 графитированных 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 плазмотронов постоянного тока и подового электрода – анода. Для сохранения атмосферы плазмообразующего 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 кА.

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 водоохлаждаемыми 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.

Прокатные станы

Прокатный стан – это машина для обработки металлов давлением между вращающимися валками. После того как сталевары отлили слиток, этот огромный брусок стали нужно превратить в изделия – в кузов автомобиля, железнодорожный рельс или строительную балку. Но для этого нужно, чтобы слиток принял удобную для изготовления деталей форму – либо длинного бруса с поперечным сечением в виде квадрата, круга, балки, либо стального листа или проволоки и т д. Эти различные формы слиток и принимает на прокатных станах.

Прокатка в горячем состоянии стала использоваться лишь в начале XVIII века, причем сначала этим способом готовились более или менее тонкие железные листы, но уже с 1769 года начали подобным образом прокатывать проволоку. Первый прокатный стан для железных болванок был предложен английским изобретателем Кортом, когда он разрабатывал метод пудлингования. Корт первым догадался, что при изготовлении некоторых изделий рациональнее поручить молоту только отжимку шлаков, а окончательную форму придавать путем прокатки.

В 1783 году Корт получил патент на изобретенный им способ проката фасонного железа с помощью особых вальцов. Из пудлинговой печи крица поступала под молот, здесь она проковывалась и получала первоначальную форму, а затем пропускалась через вальцы. Этот способ потом стал очень распространенным.

Однако лишь в XIX столетии техника проката была поставлена на должную высоту, что во многом было связано с интенсивным строительством железных дорог. Тогда были изобретены прокатные станы для производства рельсов и вагонных колес, а потом и для многих других операций.

Устройство прокатного стана в XIX веке было несложным. Вращающиеся в противоположные стороны валки захватывали добела раскаленную металлическую полосу и, сжимаясь большей или меньшей силой, проводили ее между своими поверхностями. Таким образом, металл изделия подвергался сильному обжатию при высокой температуре и заготовка приобретала необходимую форму. При этом, например, железо получало свойства, которые не имело от природы. Отдельные зерна металла, которые до прокатки располагались в его массе в беспорядке, в процессе сильного обжатия вытягивались и образовывали длинные волокна. Мягкое и ломкое железо становилось после этого упругим и прочным.

К концу столетия техника проката настолько усовершенствовалась, что этим способом стали получать не только сплошные, но и пустотелые изделия. В 1885 году братья Меннесманы изобрели способ прокатки бесшовных железных труб. До этого трубы приходилось изготовлять из железного листа, – их сгибали и сваривали. Это было и долго, и дорого. На стане Меннесманов круглую болванку пропускали между двумя косо друг к другу поставленными валками, действовавшими на нее двояким образом. Во-первых, вследствие сил трения между валками и заготовкой последняя начинала вращаться. Во-вторых, из-за формы валков точки средней их поверхности вращались быстрее крайних. Поэтому, из-за косого расположения валков заготовка как бы ввинчивалась в пространство между ними. Если бы болванка была твердой, она бы не смогла пройти. Но так как ее предварительно сильно разогревали до белого каления, металл заготовки начинал скручиваться и вытягиваться, а в осевой зоне проходило его разрыхление – возникала полость, которая постепенно распространялась по всей длине заготовки. Пройдя через валки, заготовка насаживалась на специальный стержень (оправку), благодаря чему внутренней полости предавалось правильное круглое сечение. В результате выходила толстостенная труба.

Чтобы уменьшить толщину стенок, трубу пропускали через второй так называемый пилигримный прокатный стан. Он имел два валка переменного профиля. При прокатке трубы расстояние между валками сначала постепенно уменьшалось, а затем делалось больше диаметра трубы.

Каково же устройство современных прокатных станов? Слиток обычно проходит через несколько прокатных станов. Первый из них – блуминг или слябинг. Это самые мощные прокатные станы. Их называют обжимными, потому что их назначение – обжать слиток, превратить его в длинный брус (блум) или пластину (сляб), из которых потом на других станах будут изготовлены те или иные изделия.

Блуминги и слябинги – исполинские машины. Производительность современных блумингов и слябингов – порядка 6 миллионов тонн слитков в год, а масса слитков – от 1 до 18 тонн.

Перед обжимом слитки необходимо хорошо прогреть. Их выдерживают от четырех до шести часов в нагревательных колодцах при 1100—1300 градусов Цельсия. Затем слитки краном вынимают и кладут на электрическую тележку – электрокар, который и подает их к блумингу или слябингу.

У блуминга – два огромных валка. Верхний может подниматься и опускаться, уменьшая или увеличивая просвет между собой и нижним валком.

Раскаленный слиток, пройдя через валки, попадает на рольганг – транспортер из вращающихся роликов. Оператор непрерывно меняет направление вращения валков блуминга и роликов рольганга. Поэтому слиток движется через валки то вперед, то назад, и каждый раз оператор все больше уменьшает зазор между валками, все сильнее обжимая слиток. Через каждые 5-6 проходов специальный механизм – кантователь переворачивает слиток на 90 градусов, чтобы обработать его со всех сторон. В конце концов, получается длинный брус, который по рольгангу направляется к ножницам. Здесь брус делят на куски – блумы.

Так же происходит прокатка и на слябинге, с той лишь разницей, что у слябинга 4 валка – 2 горизонтальных и 2 вертикальных, которые обрабатывают слиток сразу со всех сторон. Затем полученную длинную пластину режут на плоские заготовки – слябы.

Блуминги и слябинги используются только на тех заводах, где разливка стали производится старым способом – в изложницы. Там, где работают установки непрерывной разливки стали (УНРС), получают уже готовые блумы или слябы.

Готовые блумы и слябы идут в другие прокатные цехи, где на специальных прокатных станах из них делают, как говорят металлурги, профили, или профильный металл, то есть заготовки определенной толщины, формы, профиля.