Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 7 » Кислородный конвертер
16:01
Кислородный конвертер

После восстановления железа в доменной печи, оно имеет много различных примесей, в том числе, большое количество углерода. Если количество углерода не превышает 4%, а количество примесей приемлемое, такой чугун можно использовать для отливки некоторых изделий. В основном, чугун идет на изготовление стали, путем удаления из нее примесей и выжигания лишнего углерода.

В глубокой древности и средневековье, для этой цели, полученную плавкой сталь подвергали проковке на воздухе при температурах красного и оранжевого каления (550-900оС). Это был тяжелый труд, повышающий стоимость стали и снижающий выход до 25-30% от теоретического. Некоторый эффект принесло введение водяных и паровых молотов.

Первые успехи науки и промышленности, позволившие резко улучшить ситуацию, связаны с работами англичан Г. Бессемера и  С. Томаса.

Сущность новшества заключалась в использовании для ведения процесса специальных установок – конвертеров. Конвертер, разработанный Г. Бессемером в 1855 году, представлял собой грушевидную емкость, склепанную из стального листа и футерованную внутри термостойкими кирпичами. В верхней части емкости имелась наклонная горловина с отверстием для загрузки и выгрузки материала. В дне смонтирована сменная часть из обожженного термостойкого материала (обычно, шамот), имеющая некоторое количество отверстий (7-20). Через эти отверстия вдувался подогретый воздух.

В начале процесса, в конвертер заливали чугун из домны и продували воздухом в течение некоторого времени. После выгорания углерода, конвертер наклоняли и выливали сталь в изложницы (формы), в которых она остывала в слитках. Некоторой особенностью конвертера Бессемера является использование кислого теплоизолятора – динаса, на основе диоксида кремния. Динас, в некоторой степени, играл роль катализатора в процессе окисления углерода и других примесей.

Процесс конверсии чугуна в данном аппарате протекает в три этапа. Первый этап заключается в выгорании большей части примесей за счет оксида железа (II). Образующегося в месте контакта расплавленного чугуна с пузырьками воздуха, борботирующегося сквозь него. В ходе этого процесса происходит выброс большого количества мелких малиново-красных искр, богатых примесями. При этом, оксиды некоторых примесей (кремний, бор, мышьяк, селен, марганец и др.) всплывают на поверхность кипящей стали.

После выгорания большей части примесей, происходит активное выгорание углерода, протекающее с поглощением тепла. При этом, оксид железа (II) отдает кислород углероду с образованием оксида углерода. Образующийся оксид углерода выделяется из расплавленного металла и сгорает в атмосферном кислороде. Из жерла конвертера при этом вылетает яркой объемное пламя.

Последний этап конверсии заключается в выжигании большей части оставшегося углерода. Этот этап реализовали только в случае, если следовало получить сталь с низким содержанием углерода, например для прокатки в тонкие листы. В ходе этого процесса происходит сгорание и унос из конвертера некоторого количества железа, которое образует на выходе из жерла мелкие бурые искорки, быстро остывающие на воздухе в виде пыли, они напоминают дым или туман.

Конвертер Бессемера имел ряд преимуществ: простота процесса, небольшие размеры конвертера, высокая производительность. Но, все же, ему были присущи серьезные недостатки, основным из которых являлась невозможность переработки в сталь чугуна с высоким содержанием серы и фосфора. Так как, они плохо удаляются из конвертера с искрами и шлаком, и большой процент их остается в составе стали, сильно ухудшая ее механические свойства.

Для устранения, в первую очередь, этого недостатка в 1878 году С. Томас модернизировал процесс конверсии. Для этого был увеличен объем конвертера (при той же загрузке) и в процесс ввели флюс – известь, выполняющую практически ту же роль, что и в доменной плавке. Материал футеровки заменили на основной огнеупор – доломит.

В таком конвертере происходит сгорание фосфора в токе воздуха, что выделяет дополнительно тепло, а полученный оксид связывается в фосфат кальция, всплывающий на поверхность расплавленной стали. Процесс Томаса протекает практически также как и для Бессемеровского конвертера, но, на последней стадии происходит не столько выгорание железа, сколько образование и всплытие шлака. Эти улучшения позволили повысить выход стали по железу и перерабатывать чугуны любого качества. Как в Бессемеровском, так и в Томасовском процессе, последней стадией конверсии служило раскисление стали, то есть, восстановление примесей оксида железа (II). Для этой цели использовали высокоуглеродистый чугунный сплав с некоторым содержанием марганца и кремния: ферромарганец или ферросилиций.

Кроме вышеописанных конвертеров, 19-й век принес миру Мартеновскую печь, в которой выжигание углерода производилось в закрытой гробоподобной конструкции, имеющей окна для загрузки чугуна и наклонные фурмы для подачи воздуха и природного газа. В мартеновской печи значительно легче поддерживать оптимальный тепловой режим, что позволяет не только перерабатывать жидкий чугун, но и добавлять к нему стальной и чугунный лом и некоторое количество руды. Мартеновские печи эксплуатировались в некоторых отсталых странах до 70-х годов прошлого века.

Конверсия воздухом имела множество недостатков, связанных с трудностями регулирования процесса, пористостью полученного металла, растворенном в металле азотом, неудобствами управления тепловым балансом процесса, очень ограниченны возможности переплавки металлического лома (до 5-8% от массы чугуна) и др.

В связи с чем, в конце 19-го века был разработан метод конверсии чугуна кислородом (чистота 98-99%). В отличие от предыдущих процессов, при конверсии кислородом, подачу ведут не через отверстия в днище, а через специальную фурму, представляющую собой трубу из высокопрочной стали с двойными стенками. Между стенками циркулирует вода, которая охлаждает фурму и не дает ей расплавиться или обгореть от воздействия с кислородом. Существует даже технология резки металлических конструкций большой толщины при помощи, так называемого, "кислородного копья”. Для этого подают в тонкую трубу из углеродистой стали ток кислорода, а край трубы поджигают, например, в пламени автогена. Горящая металлическая труба развивает высокую температуру, а струя горячего кислорода усиливает режущий эффект. Таким копьем можно резать стальной массив как термитным стержнем или сварочным электродом, не боясь, что канал может забиться или электрод пригорит.

Таким образом, фурма для кислородного конвертера – штука многоразовая. Первоначально, фурмы изготавливали с одним отверстием, сейчас используются фурмы, имеющие до 7 отверстия, расположенных наклонно и имеющих сечение, напоминающее сопло реактивного двигателя. Это сделано для усреднения и нормализации процесса конверсии.

В процессе кислородной конверсии выделяется намного больше тепла, чем при воздушной, что вызывает кипение стали. Для дополнительного удаления вредных примесей и некоторой защиты стали от уноса, в конвертер добавляют старую знакомую известь. К сожалению, в ходе процесса происходит образование на поверхности кусочков извести корки из тугоплавкого силиката кальция, процесс в глубину практически не идет. Для борьбы с этим эффектом, во флюс добавляют присадки, улучшающие растворимость корки за счет образования солевых эвтектик. Одной из наиболее применяемых в промышленности присадок является фторид кальция, также известный как "полевой шпат”. Это та самая соль, из которой впервые был получен электролизом фтор – самый агрессивный элемент в периодической таблице.

Во всех процессах конверсии, флюс добавляют перед заливкой чугуна, если нужно переработать некоторое количество стального или чугунного лома, то его закладывают после флюса, но, до жидкого чугуна. Это делается для более плавного нагрева стенок конвертера и исключения дополнительного химического повреждения футеровки. Несмотря на все меры, футеровку кислородных конвертеров меняют через каждые 10-15 плавок. Что оправдывает научно-изыскательские работы в области термостойких материалов. К сожалению, за последние лет 40, ни каких существенных сдвигов в этой области нет.

Для раскисления стали, с середины прошлого века применяется алюминиевая стружка. В отличие от ферросилиция и аналогичных сплавов, она не приносит в сталь дополнительных вредных примесей, а теплота окисления алюминия дополнительно подогревает массу, что улучшает перемешивание расплава и облегчает всплытие шлака. Сегодня алюминиевое раскисление сталей применяется при получении наиболее качественных из конвертерных сталей.

Для дополнительной интенсификации процесса конверсии, в 1956 году шведский ученый К. Каллинг разработал и предложил процесс ротационной конверсии чугуна. Процесс ведется в наклоненном, вращающемся (2-3 оборота в секунду) вокруг своей оси конвертере, что позволяет улучшить перемешивание, добиться хорошего выхода и высокой скорости процесса. Данное новшество достаточно сложное и затратное решение при реализации на практике для современных конвертеров (полная масса до тысячи тон, загрузка 200-300 тон). Поэтому, широкого внедрения не получило.

На сегодняшний день существуют и более совершенные методы превращения чугуна в высококачественную сталь (в основном на основе электроплавки). Но, кислородный конвертер остается наиболее дешевым и массовым методом, особенно для выпуска конструкционных сталей среднего качества. Кроме того, после конвертера, сталь можно, в случае необходимости, дополнительно очистить более совершенными методами.

Категория: Металлургия | Просмотров: 2446 | Добавил: Chemadm | Теги: кислородная конверсия, конвертер, сталь | Рейтинг: 4.9/28
Всего комментариев: 2
1
1  
Почему при проковке был такой низкий выход, всего 25-30%, на что уходили потери?

0
2  
Полученная при восстановлении сталь имела высокое содержание углерода и вредных примесей. При этом примеси были вкраплены в виде, как шлаковых включений, так и в виде межзерновых прослоек. Длительное прокаливание поковки в печи и ковка на воздухе приводят к некоторому выгоранию углерода. Примеси при этом выдавливаются из межзерновых прослоек и собираются в макрослои структуры, где при деформации металла образуются трещины. При повторном новом нагреве стали и дополнительного сковывания происходит кузнечная сварка всех трещин. Ближе к концу ковки опять образуются трещины. При многократном повторении процесса удавалось выгнать большую часть примесей. Агрегация структурных зерен предотвращалась горячей деформацией при ковке.
Но, процессы длительного нагрева в печи и многократного проковывания приводили к образованию большого количества окалины и искр. Примеси выкрашивались, так же, унося с собой часть металла. После ковки все эти отходы в виде кусочков окалины и остывших искр сметали с пола кузницы и иногда использовали для вторичного восстановления с новой партией руды. Чаще просто выбрасывали.
Большие затраты времени и сил приводили к медленным темпам производства и обуславливали большую разницу в стоимости высококачественных сталей для оружия и низкокачественных сталей для плугов и др. сельскохозяйственного инструмента. Картина изменилась только с внедрением конвертеров и ферросплавов.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]