Кислородный конвертер представляет собой агрегат циклического действия, предназначенный для переработки жидкого чугуна в сталь путем продувки расплава технически чистым кислородом. Основным физико-химическим процессом является экзотермическое окисление примесей (углерода, кремния, марганца, фосфора) без подвода внешнего тепла. Конструкция агрегата оптимизирована для обеспечения высоких скоростей массообмена и теплообмена в зоне взаимодействия струй кислорода с металлом.
Технологический сосуд имеет грушевидную или цилиндрическую форму с коническим горлом. Корпус изготавливается из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. Внутренняя полость футеруется огнеупорными материалами. Основные требования к корпусу: герметичность и устойчивость к деформациям при температурах до 1700 °C. Конструкция включает опорное кольцо и цапфы, обеспечивающие поворот конвертера на 360°.
Устройство огнеупорной футеровки и система охлаждения горловины кислородного конвертера
Футеровка конвертера является многослойной. Арматурный (теплоизоляционный) слой выполняется из шамотного или высокоглиноземистого кирпича. Рабочий слой формуется из периклазоуглеродистых (MgO-C) или доломитовых огнеупоров. Толщина рабочей футеровки варьируется от 300 до 800 мм в зависимости от зоны конвертера (дно, цилиндрическая часть, горловина). Стойкость рабочего слоя составляет от 800 до 5000 плавок.
Горловина конвертера подвергается интенсивному тепловому воздействию и истиранию при загрузке лома и заливке чугуна. Для защиты металлического корпуса применяется система водяного охлаждения. Верхняя часть горловины выполняется в виде съемного кессона или имеет приварные трубы с циркулирующей технической водой. Расход теплоносителя регулируется автоматически для предотвращения перегрева и образования настылей.
Днище конвертера может быть цельным или отъемным. В современных агрегатах применяются комбинированные футеровки с магнезиальным кирпичом. Для продувки инертным газом через днище в некоторых конструкциях предусмотрены пористые блоки. Зона шлакового пояса испытывает наибольшее химическое воздействие от оксидов железа и кальция, поэтому здесь применяются огнеупоры с повышенным содержанием углерода (до 18-20 %).
Опорное кольцо конвертера представляет собой мощную металлоконструкцию коробчатого сечения. Кольцо воспринимает массу корпуса, футеровки и металла. Крепление корпуса к кольцу выполняется с помощью системы цапф и пружинных подвесок. Термокомпенсаторы зазоров позволяют компенсировать тепловые расширения корпуса относительно рамы.
Конструкция кислородной фурмы и механизмы поворота конвертера
Кислородная фурма является ключевым рабочим органом. Она представляет собой водоохлаждаемую трубу с соплом Лаваля на конце. Фурма перемещается в вертикальной плоскости приводом с гидравлическим или электрическим механизмом. Конструкция фурмы включает три концентрические трубы: подвод кислорода, подвод и отвод охлаждающей воды. Сопло обеспечивает скорость кислорода на срезе до 500 м/с и 2,5 Маха.
Многосопловые фурмы (3-8 сопел) обеспечивают равномерное распределение окислителя по ванне. Угол наклона сопел относительно оси варьируется от 10 до 20 градусов для создания вращательного момента и улучшения перемешивания. Давление кислорода перед фурмой составляет от 0,8 до 1,5 МПа. Расход кислорода регулируется с точностью до 5% в зависимости от мощности конвертера.
Привод поворота конвертера состоит из двух электродвигателей (основного и резервного), редуктора и системы шестерен, входящих в зацепление с цапфами. Скорость вращения составляет от 0,01 до 1,5 об/мин. Остановка конвертера в заданном положении осуществляется с точностью до 0,5 градуса. Механизм поворота оснащается противовесом для уравновешивания момента опрокидывания.
Гидравлическая система управления фурмой включает насосы высокого давления, распределительную аппаратуру и гидроцилиндры. Скорость вертикального перемещения фурмы достигает 0,5 м/с. В аварийных ситуациях предусмотрен механизм быстрого подъема фурмы из конвертера. Датчики контроля массы и угла наклона обеспечивают синхронизацию перемещений.
Технические характеристики и кинетика процессов в рабочем пространстве
Типовые геометрические параметры конвертера: высота от 8 до 12 метров, внутренний диаметр от 4 до 8 метров. Полезный объем конвертера определяется как отношение рабочего пространства к массе плавки. Коэффициент использования объема составляет от 0,6 до 0,9 м³/т. Емкость агрегатов варьируется от 60 до 400 тонн. В мировой практике распространены конвертеры на 180-300 тонн.
Удельная интенсивность продувки характеризуется расходом кислорода на тонну садки в единицу времени. Стандартные значения: 3-4 м³/(т·мин). Продолжительность цикла плавки составляет 35-50 минут, из которых 12-20 минут занимает собственно продувка. Общий расход кислорода на тонну стали достигает 50-60 м³. Температура металла на выпуске стабилизируется на уровне 1580-1620 °C.
Кинетика окисления углерода описывается диффузионными уравнениями. Основная масса углерода (до 90%) выгорает в течение первых 8-12 минут продувки. Состав отходящих газов: CO (до 80-85%), CO₂ (10-15%), N₂, H₂ и пары металла. В системе газоотвода предусмотрены котлы-утилизаторы для охлаждения газов с 1600 до 800-1000 °C и очистки от пыли (фильтры, скрубберы).
Формирование шлака начинается с растворения извести в оксидах железа. Основность шлака (CaO/SiO₂) достигает 2,5-4,0 ед. Окисленность шлака (FeO₀₊₁₀) поддерживается в диапазоне 12-20% для экстракции фосфора. Для десульфурации вводятся плавиковый шпат и алюминиевая сечка. Управление шлаковым режимом осуществляется по показателям радиоизотопных датчиков уровня ванны.
Вспомогательные системы и контроль технического состояния
Система дозирования сыпучих материалов включает бункеры, вибропитатели и пневмотранспорт. Известь, доломит, плавиковый шпат, железная руда подаются в конвертер через загрузочное окно. Фракционирование материалов контролируется по гранулометрическому составу (5-50 мм). Нормы расхода извести: 30-60 кг на тонну стали. Загрузка скрапа осуществляется бадьями, масса скрапа составляет 15-25% от веса садки.
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) включает уровни локального регулирования и верхнего контура. Параметры контроля: положение фурмы, расход кислорода, температура металла термопарами погружения, состав шлака лазерными анализаторами. Газоанализаторы отходящих газов (CO, O₂, H₂) управляют режимом дожигания в газоходе. Система видеоконтроля передает изображение факела и ванны на пульт оператора.
Диагностика состояния футеровки производится с помощью лазерного сканирования и тепловизоров. Измерение остаточной толщины огнеупоров выполняется по интенсивности инфракрасного излучения. Предельно допустимая температура металлического кожуха не превышает 350 °C. Ремонт футеровки торкретированием производят после обнаружения критических зон износа. Текущий мониторинг геометрии корпуса выявляет деформации, превышающие 10 мм на текущем технологическом цикле.
Техническое обслуживание включает проверку пневмопривода фурмы, замену сопел после 100-150 плавок, ревизию опорных подшипников цапф каждые 9-12 месяцев. Стойкость водоохлаждаемых кессонов горловины составляет до 2000 плавок. Планово-предупредительные ремонты проводят по жесткому графику, включающему холодные и горячие ремонты огнеупоров. Капитальный ремонт конвертера осуществляют раз в 2-5 лет с заменой металлоконструкций.
Что такое кислородный конвертер и для чего он используется?
Кислородный конвертер — это агрегат для выплавки стали из жидкого чугуна и металлолома. В него подается технически чистый кислород сверху через водоохлаждаемую фурму, что позволяет выжигать примеси (углерод, кремний, марганец) и получать сталь заданного химического состава.
Из каких основных частей состоит корпус конвертера?
Корпус конвертера включает: стальной кожух (броню), внутреннюю огнеупорную футеровку (периклазоуглеродистые кирпичи), горловину (верхняя часть, загружается шихта), цилиндрическую часть (ванна для металла) и днище с отъемным дном и фурмами для продувки снизу (если предусмотрено конструкцией).
Что такое кислородная фурма и как она работает?
Кислородная фурма — это водоохлаждаемая медная трубка с соплами на конце. Она опускается в горловину конвертера на высоту 1-2 метра над уровнем ванны. Через сопла подается сверхзвуковая струя кислорода, которая проникает в расплав, вызывая интенсивное окисление и перемешивание металла со шлаком.
Как осуществляется наклон конвертера для заливки и выпуска?
Конвертер установлен на цапфах (опорных осях) в подшипниках. С помощью двух зубчатых секторов или гидроцилиндров он может поворачиваться на 360°. Для заливки чугуна его наклоняют горизонтально (до 40-45°), после чего возвращают в вертикальное рабочее положение. Для выпуска готовой стали наклоняют в противоположную сторону (до 30-45°).
Какие системы безопасности предусмотрены в конвертере?
Основные системы: система аварийного отключения подачи кислорода при падении давления воды на фурме; система контроля температуры охлаждающей воды; звуковая и световая сигнализация превышения давления газа в полости конвертера; а также система улавливания и очистки конвертерного газа (CO), предотвращающая взрывы.