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. Однако разработка способов донной продувки металла кислородом продолжалась, поскольку широкое промышленное применение процесса с верхней подачей дутья выявило его серьезные недостатки, к которым прежде всего относятся:
1 Высокие потери железа с отходящими газами, шлаком, выбросами и выносами.
2 Неполное и непостоянное от плавки к плавке усвоение вдуваемого кислорода ванной.
3 Большая дополнительная высота, требующаяся для размещения кислородных фурм.
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 впоследствии 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); неполное сгорание углеводородов (CH4+1/2O2= CO+2{H2}- Q.
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 %).
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). Расход природного газа составляет 6—8, пропана около 3,5 % от расхода кислорода.
Устройство конвертера
Конвертеры для донной кислородной продувки имеют отъемное днище, а в остальном схожи с конвертерами, применяемыми при верхней продувке кислородом. В днище в зависимости от емкости конвертера устанавливают от 7 до 22 фурм. Каждая фурма состоит из двух концентрически расположенных труб; по средней трубе из нержавеющей стали или меди с внутренним диаметром 24—50 мм подают кислород, внешняя труба из нержавеющей стали образует кольцевой зазор толщиной 0,5—2 мм вокруг наружной. Через зазор подается защитная среда — газообразные или жидкие углеводороды.
Технология плавки – отличительные особенности
Шлакообразование при донной подаче дутья и использовании кусковой извести ухудшается вследствие снижения температуры шлака и содержания в нем оксидов железа. Снижение температуры шлака вызвано перенесением высокотемпературной реакционной зоны из верхних горизонтов ванны в объем металла. В этих условиях температура шлака близка к температуре металла, которая в первой половине плавки < 1500°С.
Уменьшение содержания оксидов железа связано с интенсификацией перемешивания металла и шлака и более восстановительным характером газовой фазы (содержание СО2 в газовой фазе при верхнем дутье - 10 %, а при донной не более 3-4%). В этих концентрация оксидов железа обычно не превышает 5-6% (при верхней продувке 15-20%).
Поэтому нормальная выплавка углеродистой стали в конвертерах с донной подачей кислорода возможна только при использовании порошкообразной извести, вдувая ее также снизу в струе кислорода. В этом случае создаются благоприятные условия для шлакообразования, особенно в начальной стадии этого процесса.