Конвертерное производство стали

Загрузка кислородного конвертера на сталелитейном заводе ThyssenKrupp в Дуйсбурге (Германия)

Производство стали с кислородным конвертером ( BOS , BOP , BOF или OSM ), также известное как производство стали в Линце-Донавитце или кислородно-конвертерный процесс , — метод первичной выплавки стали , при котором из расплавленного чугуна, богатого углеродом, перерабатывают сталь . Продувка кислородом расплавленного чугуна снижает содержание углерода в сплаве и превращает его в низкоуглеродистую сталь . Этот процесс известен как основной , поскольку добавляются флюсы оксида кальция или доломита , которые являются химическими основаниями , чтобы способствовать удалению примесей и защитить футеровку конвертера.

Этот процесс был изобретен в 1948 году швейцарским инженером Робертом Дюррером и коммерциализирован в 1952–1953 годах австрийскими сталелитейными компаниями VOEST и ÖAMG . Конвертер LD, названный в честь австрийских городов Линц и Донавитц (район Леобен ), представляет собой усовершенствованную версию бессемеровского конвертера , в которой продувка воздуха заменена продувкой кислородом. Это снизило капитальные затраты заводов и время плавки, повысило производительность труда. Между 1920 и 2000 годами потребность в рабочей силе в промышленности снизилась в 1000 раз, с более чем 3 человеко-часов на метрическую тонну до всего лишь 0,003. К 2000 году на конвертерные печи приходилось 60% мирового производства стали.

Современные печи смогут принять загрузку железа до 400 тонн. и превратить ее в сталь менее чем за 40 минут по сравнению с 10–12 часами в мартеновской печи .

История

Основной кислородный процесс развивался за пределами традиционной среды «большой стали». Он был разработан и усовершенствован одним человеком, швейцарским инженером Робертом Дюррером , и коммерциализирован двумя небольшими сталелитейными компаниями в оккупированной союзниками Австрии , которая еще не оправилась от разрушений Второй мировой войны .

В 1856 году Генри Бессемер запатентовал процесс производства стали, включающий продувку кислородом для обезуглероживания расплавленного железа (патент Великобритании № 2207). В течение почти 100 лет коммерческие количества кислорода были недоступны или были слишком дорогими, и в сталелитейном производстве использовалась продувка воздухом. Во время Второй мировой войны немецкие (Карл Валериан Шварц), бельгийские ( Джон Майлз ) и швейцарские ( Дюррер и Генрих Хайльбрюгге) инженеры предложили свои варианты кислородно-дутой выплавки стали, но только Дюррер и Хайльбрюгге довели ее до массового производства.

В 1943 году Дюррер, бывший профессор Берлинского технологического института , вернулся в Швейцарию и занял место в совете директоров Roll AG , крупнейшего сталелитейного завода страны. В 1947 году он приобрел в США первый небольшой экспериментальный конвертер массой 2,5 тонны, и 3 апреля 1948 года новый конвертер произвел первую сталь. Новый процесс позволяет легко перерабатывать большие объемы металлолома, используя при этом лишь небольшую долю первичного металла. Летом 1948 года Roll AG и две австрийские государственные компании, VÖEST и ÖAMG, согласились коммерциализировать процесс Дюррера.

К июню 1949 года компания VÖEST разработала адаптацию процесса Дюррера, известную как процесс LD (Линц-Донавиц). В декабре 1949 года VÖEST и ÖAMG решили построить свои первые 30-тонные кислородные конвертеры. Введены в эксплуатацию в ноябре 1952 г. (VÖEST в Линце) и мае 1953 г. (ÖAMG, Donawitz). и временно стал ведущим мировым производителем стали, что вызвало всплеск исследований, связанных со сталью. К 1963 году преобразователь VÖEST посетили тридцать четыре тысячи бизнесменов и инженеров. Процесс LD сократил время обработки и капитальные затраты на тонну стали, что способствовало конкурентному преимуществу австрийской стали. В конечном итоге компания VÖEST приобрела права на продажу новой технологии. Ошибки руководства VÖEST и ÖAMG при лицензировании своей технологии сделали невозможным контроль над ее внедрением в Японии . К концу 1950-х годов австрийцы потеряли конкурентное преимущество.

В исходном процессе LD кислород продувался поверх расплавленного железа через водоохлаждаемое сопло вертикальной фурмы. В 1960-х годах сталевары внедрили конвертеры с нижним дутьем и разработали продувку инертным газом для перемешивания расплавленного металла и удаления примесей фосфора .

В Советском Союзе экспериментальное производство стали с использованием этого процесса было проведено в 1934 году, но промышленное использование было затруднено из-за отсутствия эффективной технологии производства жидкого кислорода. В 1939 году русский физик Петр Капица усовершенствовал конструкцию центробежного турбодетандера . Этот процесс был использован в 1942–1944 годах. Большинство турбодетандеров, используемых с тех пор в промышленности, были основаны на конструкции Капицы, а центробежные турбодетандеры взяли на себя почти 100% промышленного сжижения газов и, в частности, производства жидкого кислорода для сталеплавильного производства.

Крупные американские производители стали поздно внедрили новую технологию. Первые кислородные конвертеры в США были запущены в конце 1954 года компанией McLouth Steel в Трентоне, штат Мичиган , на долю которой приходилось менее 1% национального рынка стали. US Steel и Bethlehem Steel внедрили кислородный процесс в 1964 году. К 1970 году половина мирового и 80% производства стали в Японии производилась в кислородных конвертерах.

В последней четверти ХХ века использование кислородных конвертеров для производства стали постепенно было заменено электродуговыми печами с использованием лома стали и железа. В Японии доля процесса ЛД снизилась с 80% в 1970 г. до 70% в 2000 г.; мировая доля основного кислородного процесса стабилизировалась на уровне 60%.

Процесс

Принцип преобразователя LD (Линц Донавитц)

Разрез кислородной печи

Внешний вид кислородно-конверторного сталеплавильного завода на металлургическом заводе в Сканторпе (Англия)

Производство стали с кислородным кислородом — это первичный процесс производства стали, в ходе которого расплавленный чугун превращается в сталь путем продувки кислородом через фурму над расплавленным чугуном внутри конвертера. Экзотермическое тепло генерируется в результате реакций окисления во время продувки.

Процесс производства кислородно-конверторной стали выглядит следующим образом:

1. Расплавленный чугун (иногда называемый «горячим металлом») из доменной печи выливается в большой контейнер с огнеупорной футеровкой, называемый ковшом .
2. Металл в ковше направляется непосредственно на кислородно-конверторную выплавку или на стадию предварительной обработки, где сера , кремний и фосфор удаляются перед загрузкой горячего металла в конвертер. При внешней предварительной десульфурационной обработке фурму опускают в расплавленный чугун в ковше и добавляют несколько сотен килограммов порошкообразного магния , а примеси серы восстанавливаются до сульфида магния в ходе бурной экзотермической реакции. Затем сульфид . удаляют Подобные предварительные обработки возможны для внешней декремнизации и внешней дефосфорации с использованием окалины ( оксида железа ) и извести в качестве флюсов . Решение о предварительной обработке зависит от качества чугуна и требуемого конечного качества стали.
3. Заполнение печи ингредиентами называется загрузкой . Процесс BOS является автогенным, т.е. необходимая тепловая энергия вырабатывается в процессе окисления. Для поддержания правильного баланса шихты важно соотношение горячего металла, расплава и холодного лома. Емкость BOS может наклоняться на угол до 360° и наклоняться в сторону удаления шлака для загрузки лома и горячего металла. Судно BOS при необходимости загружается стальным или чугунным ломом (25–30%). Расплавленный чугун из ковша добавляют по мере необходимости для баланса шихты. Типичный химический состав чугуна, загружаемого в резервуар BOS, следующий: 4% C, 0,2–0,8% Si, 0,08–0,18% P и 0,01–0,04% S, все из которых могут окисляться подаваемым кислородом, за исключением серы (которая требует восстановительных условий).
4. Затем сосуд устанавливают вертикально и в него опускают водоохлаждаемую фурму с медным наконечником и 3–7 соплами на расстояние нескольких футов от поверхности ванны и кислород высокой чистоты под давлением 700–1000 кПа (100 кПа). –150 фунтов на квадратный дюйм) вводится со сверхзвуковой скоростью . Копье «продувает» 99%-ный чистый кислород над горячим металлом, воспламеняя углерод, растворенный в стали, с образованием монооксида углерода и диоксида углерода , в результате чего температура повышается примерно до 1700 °C. Это расплавляет лом, снижает содержание углерода в расплавленном чугуне и помогает удалить нежелательные химические элементы . Именно такое использование чистого кислорода (вместо воздуха) улучшает бессемеровский процесс , поскольку азот (нежелательный элемент) и другие газы в воздухе не вступают в реакцию с шихтой и снижают эффективность печи.
5. Флюсы ( оксид кальция или доломит ) подаются в емкость для образования шлака , чтобы поддерживать основность шлака – соотношение оксида кальция и оксида кремния – на уровне, позволяющем свести к минимуму износ огнеупоров и абсорбировать примеси в процессе выплавки стали. При «выдувке» сбивания металла и флюсов в сосуде образуется эмульсия , облегчающая процесс рафинирования. Ближе к концу цикла продувки, который занимает около 20 минут, измеряется температура и отбираются пробы. Типичный химический состав выдувного металла: 0,3–0,9 % C, 0,05–0,1 % Mn, 0,001–0,003 % Si, 0,01–0,03 % S и 0,005–0,03 % P.
6. Емкость BOS наклоняют в сторону шлаковки и сталь через летку выливают в сталековш с основной огнеупорной футеровкой. Этот процесс называется нарезанием стали. Дальнейшее рафинирование стали происходит в печи-ковше путем добавления легирующих материалов для придания ей особых свойств, требуемых заказчиком. Иногда в ковш барботируют аргон или азот , чтобы сплавы смешались правильно.
7. После слива стали из емкости BOS шлак сливается в шлаковые ванны через горловину емкости BOS и сбрасывается.

Варианты

Преобразователи более ранних моделей с двойным дном, которое можно снять и отремонтировать, все еще используются. Современные конвертеры имеют фиксированное дно с заглушками для продувки аргоном. Печь оптимизации энергопотребления (EOF) представляет собой вариант кислородного конвертера, связанный с подогревателем лома, в котором явное тепло отходящих газов используется для предварительного нагрева лома, расположенного над сводом печи.

Копье, используемое для выдувания, претерпело изменения. Безшлаковые фурмы с длинным сужающимся медным наконечником используются во избежание заклинивания фурмы во время продувки. Наконечники фурм дожигания сжигают CO, образующийся при вдувании, в CO ₂ и обеспечивают дополнительное тепло. Для бесшлаковой выпуска применяют дротики, тугоплавкие шары и детекторы шлака. Современные конвертеры полностью автоматизированы, оснащены автоматическими схемами продувки и сложными системами управления.

См. также

• Печь AJAX , мартеновская технология на основе переходного кислорода

Ссылки

Библиография

• МакГэннон, редактор Гарольда Э. (1971). Изготовление, обработка и обработка стали: девятое издание . Питтсбург, Пенсильвания: Сталелитейная корпорация США.
• Смиль, Вацлав (2006). Трансформируя двадцатый век: технические инновации и их последствия, Том 2 . Издательство Оксфордского университета, США. ISBN   0-19-516875-5 .
• Брок, Джеймс В.; Эльзинга, Кеннет Г. (1991). Антимонопольное законодательство, рынок и государство: вклад Уолтера Адамса . Я Шарп. ISBN   0-87332-855-8 .
• Тверазер, Курт (2000). План Маршалла и реконструкция австрийской сталелитейной промышленности 1945–1953 гг . в: Бишоф, Гюнтер и др. (2000). План Маршалла в Австрии . Издатели транзакций . ISBN   0-7658-0679-7 . стр. 290–322.

Внешние ссылки

• Базовый модуль кислородного сталеплавильного производства на сайте Steeluniversity.org, включая полностью интерактивное моделирование (в архиве)
• Базовая модель затрат при кислородном производстве стали, показывающая типичную структуру затрат на жидкую сталь