Кислородный конвертер: устройство и технология выплавки стали

В процессах получения высокопрочных сталей важную роль играют операции легирования и модификации базового состава. Основу подобных процедур составляют техники добавления металлических примесей разного свойства, но и газо-воздушная регуляция оказывает немаловажное значение. Именно на эту технологическую операцию ориентируется работа кислородного конвертера, который широко используется в металлургии при получении сплавов стали в больших объемах.

Конструкция конвертера

Оборудование представляет собой грушевидный сосуд, обеспеченный внутренней футеровкой и леткой для выпуска продуктов плавки. В верхней части конструкции предусмотрено отверстие с горловиной для подачи фурмы, лома, расплавленного чугуна, легирующих смесей и отвода газа. Тоннаж варьируется от 50 до 400 т. В качестве материалов для изготовления конструкции применяется листовая или сварная сталь средней толщиной порядка 50-70 мм. Типовое устройство кислородного конвертера предусматривает возможность отсоединения днища – это модификации с донной продувкой газо-воздушными смесями. Среди вспомогательных и функциональных элементов агрегата можно выделить электродвигатель, трубопроводную инфраструктуру для циркуляции потоков кислорода, опорные подшипники, демпферную платформу и опорную станину для монтажа конструкции.

Опорные кольца и цапфа

Конвертер располагается на роликовых подшипниках, которые фиксируются на станине. Конструкция может быть и стационарной, но это встречается редко. Обычно на этапах проектирования определяется возможность транспортировки или перемещения агрегата в тех или иных условиях. Именно за эти функции отвечает оснастка в виде опорных колец и цапфы. Группа подшипников обеспечивает возможность кручения оборудования вокруг оси цапф. Прежние модели конвертеров предполагали совмещение несущей оснастки и корпуса плавильного оборудования, но из-за воздействия высоких температур и деформации вспомогательных материалов это конструкционное решение было заменено более сложной, но надежной и долговечной схемой взаимодействия функционального блока и емкости.

Современный кислородный конвертер, в частности, обеспечивается отдельным опорным кольцом, в структуру которого также вводятся цапфы и закрепленный кожух. Технологический промежуток между кожухом и опорной базой предотвращает негативное температурное воздействие на чувствительные элементы подвесок и передвижных механизмов. Непосредственно система фиксации конвертера реализуется за счет упоров. Само же опорное кольцо представляет собой несущее устройство, сформированное двумя полукольцами и цапфовыми плитами, закрепленными в узлах стыковки.

Поворотный механизм

Электропривод обеспечивает возможность поворота конвертера на 360°. Средняя скорость вращения составляет 0,1-1 м/мин. Сама по себе эта функция требуется не всегда – в зависимости от организации технологических операций в ходе рабочего процесса. Например, поворот может потребоваться для ориентации горловины прямо к точке подачи лома, заливки чугуна, слива стали и т. д. Функционал поворотного механизма может быть разным. Бывают и односторонние, и двухсторонние системы. Как правило, кислородные конвертеры грузоподъемностью до 200 т предполагают поворот лишь в одну сторону. Связано это с тем, что в таких конструкциях требуется меньше крутящего момента при наклоне горловины. Чтобы исключить расход лишней энергии при эксплуатации большегрузного оборудования, его обеспечивают механизмом двухстороннего поворота, что компенсирует затраты на манипуляции с горловиной. В структуру системы кручения входит редуктор, электродвигатель и шпиндель. Это традиционная компоновка стационарного привода, закрепленного на бетонной стяжке. Более технологичные навесные механизмы фиксируются на цапфе и приводятся в действие за счет ведомого зубчатого колеса с системой подшипников, которые также через систему валов активизируются электромоторами.

Размеры конвертера

В ходе проектирования параметры конструкции должны рассчитываться исходя из того, какой примерный объем продувки без учета выброса расплава будет производиться. В последние годы разрабатываются агрегаты, принимающие материалы в объеме от 1 до 0,85 м3/т. Также рассчитывается уклон горловины, угол которого в среднем составляет от 20° до 35°. Однако практика эксплуатации таких сооружений показывает, что превышение наклона в 26° ухудшает качество футеровки. По глубине размеры конвертера составляют 1-2 м, но по мере увеличения емкости загрузки и высота конструкции может увеличиваться. Обычные конвертеры глубиной до 1 м могут принимать загрузку не более 50 т. Что касается диаметра, то он в среднем варьируется от 4 до 7 м. Толщина горловины составляет 2-2,5 м.

Футеровка кислородного конвертера

Обязательная технологическая процедура, в ходе которой внутренние стены конвертера обеспечиваются защитным слоем. При этом надо учитывать, что в отличие от большинства металлургических печей данная конструкция подвергается гораздо более высоким термическим нагрузкам, что обуславливает и особенности выполнения футеровка. Это процедура, предполагающая укладку двух защитных слоев – функционального и армирующего. Непосредственно к поверхности корпуса примыкает пласт защитной арматуры толщиной 100-250 мм. Его задача заключается в снижении теплопотерь и недопущении прогара верхнего слоя. В качестве материала применяется магнезитовый или магнезитохромитовый кирпич, который может служить годами без обновления.

Верхний рабочий слой имеет толщину порядка 500-700 мм и заменяется довольно часто по мере износа. На этом этапе кислородный конвертер обрабатывается безобжиговыми песко- или смоловязанными огнеупорными составами. Основу материала для этого слоя футеровки составляет доломит с добавками магнезита. Стандартный расчет по нагрузке делается исходя из температурного воздействия порядка 100-500 °С.

Торкретирование футеровки

Под агрессивными температурно-химическими воздействиями внутренние поверхности конструкции конвертера быстро утрачивают свои качества – опять же, это касается внешнего износа рабочего слоя термической защиты. В качестве ремонтной операции применяется торкретирование футеровки. Это технология горячего восстановления, при которой с помощью специального оборудования укладывается огнеупорный состав. Его наносят не сплошным способом, а точечно на сильно изношенные участки базовой футеровки. Процедура выполняется на специальных торкрет-машинах, подающих к поврежденному участку водоохлаждаемую фурму с массой из коксовой пыли и магнезитового порошка.

Технологии выплавки

Традиционно выделяют два подхода к реализации кислородно-конвертерного плавления – бессемеровский и томасовский. Однако современные методики отличаются от них низким содержанием азота в печи, что повышает качество рабочего процесса. Выполняется технология по следующим этапам:

• Загрузка лома. Порядка 25-27 % от общей массы шихты загружается в наклоненный конвертер посредством совков.
• Заливка чугуна или стального сплава. Жидкий металл при температуре до 1450 °С ковшами заливается в наклоненный конвертер. Операция продолжается не более 3 мин.
• Продувка. В этой части технология выплавки стали в кислородных конвертерах допускает разные подходы в плане подачи газо-воздушной смеси. Поток может направляться сверху, снизу, донным и комбинированным способами в зависимости от типа конструкции оборудования.
• Получение проб. Выполняется замер температуры, удаляются ненужные примеси, ожидается анализ состава. Если его результаты соответствуют проектным требованиям, плавка выпускается, а если нет – вносятся корректировки.

Плюсы и минусы технологии

Способ ценится за высокую производительность, простые схемы подачи кислорода, конструкционную надежность и относительно низкие расходы в целом на организацию процесса. Что касается недостатков, то к ним, в частности, относятся ограничения в плане добавления шлама и вторсырья. Тот же лом металла с другими включениями может составлять не более 10 %, а это не позволяет в нужной степени модифицировать структуру выплавки. Также при выдувке расходуется большой объем полезного железа.

Применение технологии

Сочетание плюсов и минусов в итоге обусловило и характер применения конвертеров. В частности, металлургические комбинаты выпускают низколегированную, углеродистую и легированную сталь высокого качества, достаточного для применения материала в тяжелой промышленности и строительстве. Получение сталей в кислородном конвертере происходит с легированием и улучшением отдельных свойств, что расширяет сферы применения конечной продукции. Из получаемого сырья изготавливают трубы, проволоку, рельсы, метизы, скобяные изделия и т. д. Технология широко применяется и в цветной металлургии, где при достаточной продувке получают черновую медь.

Заключение

Плавка в конвертерных сооружениях считается морально устаревшей техникой, но ее продолжают использовать по причинам оптимального сочетания производительности и финансовых затрат на обеспечение процесса. В немалой степени востребованности технологии способствуют и конструкционные достоинства применяемого оборудования. Та же возможность прямой загрузки лома металла, шихты, шлама и других отходов, хоть и в ограниченном объеме, расширяет возможности для модификации сплава. Другое дело, что для полноценной эксплуатации крупногабаритных конвертеров с возможностями поворота требуется организация соответствующего помещения на предприятии. Поэтому осуществляют выплавку с кислородной продувкой в больших объемах преимущественно крупные компании.