Конвертерные процессы с донной продувкой кислородом
Первые попытки замены воздушного дутья в бессемеровском и томасовском процессах не дали положительных результатов из-за отсутствия технологии продувки, обеспечивающей высокую стойкость днища конвертеров. Поэтому на смену бессемеровскому и томасовскому процессам пришел кислородно-конвертерный процесс с верхним дутьем. Однако разработка способов донной продувки металла кислородом продолжалась, поскольку широкое промышленное применение процесса с верхней подачей дутья выявило его серьезные недостатки:
1. Высокие потери железа с отходящими газами, шлаком, выбросами и выносами. В результате уменьшается выход годного металла (увеличивается расход металлошихты) и возникают осложнения с очисткой отходящих газов.
2. Неполное и непостоянное от плавки к плавке усвоение вдуваемого кислорода ванной, что повышает стоимость передела и осложняет управление плавкой.
3. Большая дополнительная высота, требующаяся для размещения кислородных фурм. Вследствие этого, во-первых, повышаются капитальные затраты; во-вторых, исключается нормальное размещение конвертеров в существующих мартеновских цехах.
Для исключения указанных недостатков разрабатывались возможности применения донного кислородного дутья. Задача состояла в том, чтобы предотвратить активное взаимодействие струй кислорода с металлом непосредственно у выхода из фурм, т.е. отодвинуть вглубь металла реакционную зону, имеющую очень высокую температуру (>2000°С) и значительное содержание оксидов железа, а поэтому вызывающую интенсивное разрушение (эрозию) днища.
Проводившиеся в ряде стран исследования привели к разработке пригодного для промышленного использования метода введения кислорода снизу в виде струй, окруженных кольцевой защитной оболочкой из углеводородов. Кольцевая оболочка предотвращает контакт кислорода с чугуном у фурм и обеспечивает охлаждение околофурменной зоны.
Охлаждение околофурменной зоны происходит потому, что на выходе из фурмы протекает ряд эндотермических процессов: разложение углеводородов (CН4=С+2Н2-Q); растворение углерода в металле с поглощением тепла (С=[С]-Q). При этом если даже протекает частичное сжигание газа с образованием СО, то и в этом случае наблюдается поглощение тепла, поскольку реакция CH4+1/2O2= CO+2{H2} является эндотермической (Q=100 кДж/моль).
Отвод реакционной зоны вглубь металла происходит потому, что газ, будучи восстановителем, предотвращает окисление железа вдуваемым кислородом непосредственно у фурм.
При таких условиях в нижней части реакционной зоны не развивается очень высокая температура и не образуются оксиды железа, поэтому не наблюдается интенсивного износа фурм и днища уже при расходе топлива ~ 5 % от расхода кислорода (максимальный расход ~ 10 %). При высоком расходе защитного газа может происходить даже зарастание днища у фурм. Такая защита кислородной струи оказалась очень эффективной и позволила повысить стойкость футеровки днища томасовских конвертеров с 50 до 200 и даже 400 плавок.
В качестве источника углеводородов для создания защитной оболочки вокруг кислородной струи в конвертер подают тонкий слой природного газа (его основу составляет метан СН4), пропана (C3H8) и иногда жидкого топлива (сложные углеводороды типа СmНn). При их разложении образуются водород и углерод (например: СН4 = 2Н2 + С, которые частично окисляются и в объеме металла помимо продукта окисления углерода — СО дополнительно появляются Н2, Н2О, СО и CO2. Расход природного газа составляет 6—8, пропана около 3,5 % от расхода кислорода.