Výroba měničů

Výroba konvertorů  je výroba oceli v konvertorových jednotkách pro tavení oceli foukáním tekutého železa vzduchem nebo kyslíkem. K přeměně litiny na ocel dochází oxidací nečistot obsažených v litině ( křemík , mangan , uhlík atd.) kyslíkem a jejich následným odstraněním z taveniny. Teplo uvolněné během oxidačního procesu zvyšuje teplotu taveniny na požadovanou teplotu pro tavení oceli, to znamená, že konvertor nepotřebuje k provozu palivo. Na počátku 21. století se více než 60 % oceli ve světě vyrábí konvertorovou metodou [1] .

Procesy

Klasifikace procesů převodníku

Hlavními klasifikačními metodami jsou způsob přívodu, složení tryskacího a dalších činidel, složení vyzdívky, způsob přivádění dodatečného tepla do konvertoru. Podle způsobu dodávání výbuchu se procesy dělí do tří skupin:

• s očistou zespodu;
• s očistou shora;
• s kombinovaným čištěním.

Bessemerův a Thomasův proces patří do skupiny procesů s foukáním zdola. V těchto procesech se jako dmychadlo používá vzduch, vzduch obohacený kyslíkem a směs páry a kyslíku. Proces BOF a proces Caldo patří do skupiny špičkových procesů. Procesy Bessemer a Thomas ustupují špičkovým procesům.

Podle způsobu přivádění dodatečného tepla do konvertoru se rozlišují následující procesy:

• se spalováním dalšího paliva během proplachování;
• s dodatečným dohořením oxidu uhelnatého na oxid uhelnatý v dutině konvertoru;
• s předehříváním kovového odpadu v konvertoru;
• se spalováním přídavného paliva a dodatečným spalováním oxidu uhelnatého na oxid uhelnatý během odkalování;
• s předehříváním kovového odpadu před čištěním a spalováním dalšího paliva během procesu čištění;
• s předehříváním kovového šrotu před čištěním a dopalováním plynů během čištění;
• s předehřevem kovového odpadu před foukáním, spalováním přídavného paliva a dohoříváním oxidu uhelnatého na oxid uhličitý při foukání [2] .

Bessemerův proces

První hromadnou výrobu tekuté oceli objevil anglický vynálezce Henry Bessemer v roce 1856 . Před Bessemerem roztavená ocel neexistovala: nebylo možné dosáhnout teploty nad 1500 °, což je nutné k roztavení kovu s nižším obsahem uhlíku než litina. Ocel se získávala pudlováním a kováním v kladivech .

Proplachování taveniny v Bessemerově konvertoru se provádí atmosférickým vzduchem. Dusík v něm obsažený odvádí značnou část užitečného reakčního tepla, čímž zabraňuje vnášení velkého množství šrotu do taveniny a částečně přechází jako nečistota do výsledné oceli. Hlavní nevýhodou procesu je nízká kvalita kovu v důsledku škodlivých nečistot ( fosfor a síra ), které se při foukání neodstraňují. Tavení Bessemerovy litiny vyžaduje velmi čisté sirné a fosforové železné rudy, jejichž přírodní zásoby jsou omezené.

Thomas Process

Angličan Sidney Gilchrist Thomas v roce 1878 použil hlavní obložení místo kyselého dinasového obložení Bessemerova konvertoru a navrhl použití vápna k vázání fosforu . Thomasův proces umožnil zpracovávat litiny s vysokým obsahem fosforu a rozšířil se v zemích, kde železné rudy většiny ložisek obsahují hodně fosforu ( Belgie , Lucembursko atd.). Thomasova ocel však byla nekvalitní.

V roce 1864 vyvinul francouzský metalurg P. Martin postup výroby oceli v otevřené peci. Na rozdíl od konvertorových metod výroby oceli se proces v otevřené nístěji vyznačoval nízkými nároky na chemické složení výchozího materiálu a umožňoval přetavit velké množství ocelového šrotu; kvalita oceli z otevřené nístěje byla vyšší než kvalita konvertorové oceli. Je však třeba poznamenat, že doba tavení v otevřené nístějové peci je mnohem delší než v konvertoru. Otevřená nístějová pec vyžaduje vnější ohřev v průběhu celé tavby, přičemž konvertor se zahřívá sám. Výsledkem je, že metoda otevřeného nístěje je nakonec nahrazena metodou konvertoru. Jedinou výhodou oceli tavené v otevřené nístějové peci oproti konvertorové peci je její velký sortiment, přičemž pro zvýšení počtu jakostí konvertorové oceli se používá zařízení pro konečnou úpravu oceli.

V polovině 20. století bylo asi 80 % veškeré oceli vyrobené na světě vyrobeno metodou otevřené nístěje. Ale právě v tomto období začalo rychlé oživení výroby konvertorů, spojené s používáním čištění čistým kyslíkem.

BOF proces

 Výroba konvertorové oceli

Vynálezce procesu, Henry Bessemer, obdržel první patent na výbuch kyslíku. Testování nápadu však na dlouhou dobu brzdila nedostatečná tonáž produkce kyslíku. Teprve na počátku třicátých let se průmyslový kyslík stal dostupným ve velkém množství díky vytvoření kryogenních závodů na zkapalňování vzduchu a jeho destilaci na frakce. První předválečné pokusy s foukáním železa kyslíkem byly prováděny v malých naběračkách o kapacitě jedné tuny. V letech 1933-1936, s podáním a pod vedením inženýra N. I. Mozgovoy , v Kyjevské bolševické továrně, bylo zjevně provedeno první tavení ve světě s použitím kyslíkového proplachu [3] . Paralelně probíhaly experimenty Roberta Durrera v Německu.

Všeobecné vytěsňování otevřené nístějové pece výrobou kyslíkových konvertorů začalo až po skončení druhé světové války , s implementací předválečného vývoje v kryogenní technologii, projektováním a výstavbou velmi velkých kyslíkových zařízení v metalurgických závodech, které zajišťovalo nejen proplachování konvertorů, ale i obohacování vysokopecního výbuchu kyslíkem. V roce 1952 v Linci (Rakousko) zahájila provoz v závodě VÖEST AG první dílna na výrobu kyslíkových konvertorů na světě . V roce 1966 byla v Lipeckém metalurgickém závodě spuštěna provozovna kyslíkových konvertorů , ve které se poprvé na světě veškerá vyrobená ocel odlévala na zařízení pro plynulé lití . Od té doby se hlavním směrem rozvoje výroby oceli stala kombinace výroby základního kyslíku s kontinuálním litím [4] .

Současně byly vyvinuty metody pro expresní kontrolu parametrů tavení: ve srovnání s tavením konvertorového konvertoru na otevřeném ohni je velmi krátkodobá (desítky minut) a vyžaduje pečlivé sledování obsahu uhlíku, teploty taveniny a výfuku. plyny atd., aby se včas zastavilo foukání. Zdokonalení automatizace, laboratorního vybavení a měřicích přístrojů bylo stejnou nezbytnou podmínkou pro tavení vysoce kvalitní konvertorové oceli a také získání potřebného množství kyslíku. Kov získaný procesem kyslíkového konvertoru se stal kvalitou ekvivalentní oceli s otevřenou nístějí , cena oceli se snížila o 20–25 % a produktivita se zvýšila o 25–30 %.

K dnešnímu dni existují tři hlavní režimy provozu kyslíkového konvertoru: s úplným dodatečným spalováním oxidu uhelnatého, s částečným a bez dodatečného spalování CO.

Existuje mnoho druhů základního kyslíkového procesu určeného k výrobě oceli požadované kvality z litiny různého složení: nízký a vysoký obsah fosforu, křemík a nízký obsah křemíku, mangan a vysoký obsah manganu atd. (čistota nejméně 99,5 %, zbývajících 0,5 % - dusík , argon , krypton).

Na počátku rozvoje výroby kyslíkových konvertorů byla životnost výstelky nízká (200–250 tavenin) a doba výměny výstelky poměrně dlouhá. Za tohoto stavu byl jeden z měničů instalovaných v dílně neustále v opravě. V budoucnu se prodloužila doba provozu konvertoru před výměnou obložení (na ZSMK tak bylo experimentálně dosaženo 2500 taveb ), zkrátila se doba výměny obložení a dílny byly plně vytíženy [5] .

Konvertorové zařízení

Konvertory Bessemer a Thomas jsou nádoba hruškovitého tvaru z ocelového plechu s vnitřní výstelkou. Vyzdívka Bessemerova konvertoru je kyselá (dinasová cihla), vyzdívka Tomasovského konvertoru je zásaditá (smolodolomit).

Na horní části zužující se části převodníku - hrdla - je otvor, který slouží k nalití železa a uvolnění oceli. U klasického měniče se spodním proplachem proudí vzduch přiváděný do vzduchového boxu do dutiny měniče přes trysky (průchozí otvory) ve spodním obložení. Tryskání je vzduch přiváděn pod tlakem 0,30-0,35 MPa. Válcová část převodníku je zakryta opěrným kroužkem; jsou na něm připevněny čepy, na kterých se převodník otáčí kolem vodorovné osy.

Odpor dna Bessemerova konvertoru je 15-25 tavenin, poté jsou vyměněny. Odolnost zbytku obložení je vyšší: konvertor Tomas má 250-400 taveb, konvertor Bessemer 1300-2000 taveb. Výstelka konvertoru je tedy chemicky aktivní spotřební materiál, který vyžaduje pravidelnou obnovu.

V moderním základním kyslíkovém konvertoru je proud vzduchu přiváděn přes přívodní trubku shora dolů s několika nadzvukovými Lavalovými tryskami na konci, nasměrovanými téměř v pravém úhlu k povrchu taveniny. Vlastní přívodní trubice zpravidla nepronikne do taveniny. Pro ochranu před postříkáním a výfukovými plyny je hrdlo konvertoru zakryto sestupným zvonem a nahoře jsou také namontována kontrolní zařízení, jako jsou pyrometry a analyzátory plynů . Režim tavení a složení vsázky (procento litiny, šrotu, rudy, složení a množství přidaných feroslitin ) jsou vypočteny počítačem na základě výsledků laboratorních expresních rozborů a aktuálních měření.

Automatizace procesu převodníku

Základní pojmy

Proces konvertoru se vyznačuje vysokým průtokem, který komplikuje proces regulace taveniny. Parametry řízeného procesu jsou rozděleny do čtyř skupin:

• nastavit parametry;
• počáteční parametry;
• parametry, které se mění během čištění;
• finále.

Stanovené parametry v řídicích systémech jsou obvykle určeny jakostí oceli a hmotností odlévaných ingotů. Mezi tyto parametry patří: hmotnost tekuté oceli, složení a teplota kovu, specifikovaná zásaditost finální strusky. Výchozími parametry jsou složení, teplota a hmotnost tekutého železa, dále druh a hmotnost kovového odpadu a sypkých materiálů. S výchozími parametry souvisí také celková hmotnost uhlí pro tavení a celkové množství kyslíku potřebného pro tavicí proces.

Parametry, které se během čištění mění, se nazývají dynamické. Tyto zahrnují:

• poloha kopí;
• minutová a celková spotřeba a tlak kyslíku;
• složení a teplota kovu;
• složení strusky;
• spotřeba, složení, teplota výfukových plynů;
• svítivost svítilny;
• úrověn hluku;
• vibrace měniče a přívodní trubky;
• průtok, tlak a teplota vody pro chlazení trysky;
• doba přidávání sypkých materiálů;
• doba čištění.

Konečné parametry předávají informace o hmotnosti výsledné oceli, složení a teplotě kovu a složení strusky. Úspěšné výsledky kontroly taveniny jsou považovány za shodu konečných a specifikovaných parametrů. Dalšími faktory jsou minimální spotřeba materiálů a doba procesu tavení.

Řídicí systémy pro konvertorový proces

Tavení konvertoru je charakterizováno následujícími řídicími systémy:

• Kontrola parametrů litiny;
• Stanovení hmotnosti vsázkových materiálů a tavicích produktů;
• kontrola kvality vápna;
• Řízení parametrů výbuchu;
• Řízení polohy kyslíkové trysky;
• Kontrola obsahu uhlíku v kovu;
• Kovová regulace teploty;
• Kontrola úrovně vany v proplachu;
• Kontrola strusky.

Automatické řídicí systémy pro technologii tavení

Z hlediska automatického řízení ve výrobě měničů se rozlišují tyto veličiny [6] :

• Hlavní výstupní (řízené) veličiny : hmotnost kovu v procesu a na konci foukání, koncentrace uhlíku, fosforu a síry v lázni během a na konci foukání, teplota kovu v procesu a na konci foukání.
• Doplňkové výstupní hodnoty : hmotnost strusky, teplota strusky, teplota konvertorových plynů, množství konvertorových plynů, složení strusky, složení konvertorových plynů.
• Vstupní řídicí proměnné: hmotnost železa, hmotnost ocelového šrotu, hmotnost rudy v každé porci, hmotnost vápna, hmotnost vápence, doba přivádění sypkých materiálů do konvertoru, spotřeba kyslíku, vzdálenost mezi kyslíkovou přívodní trubicí a destilační lázní úroveň, doba foukání.
• Řízené poruchy: obsah železa křemíku, manganu, síry, fosforu, teplota železa, obsah kyslíku ve výbuchu, časový interval mezi tavbami.
• Nekontrolované rušivé vlivy : obsah uhlíku v litině, složení sypkých materiálů, rozměry a teplota šrotu, hmotnost a složení míchací strusky vstupující do konvertoru.

Typy řízení procesu převodníku

V obecném případě se počítá množství kyslíku potřebného k tavení a množství nečistot, jakož i celkové množství kyslíku. Takové výpočty se obvykle provádějí pro systémy se staticky řízeným tavením konvertoru. Dynamické řízení tavícího procesu se používá jako způsob zvýšení přesnosti řízení, když je potřeba získat ocel daného složení a teploty bez dodatečné operace foukání.

Cílem dynamického řízení je nejen získat specifikované teploty a obsah uhlíku v době, kdy je čištění zastaveno, ale také poskytnout určité trajektorie pro měření teploty kovu a koncentrace uhlíku během tavení. Jak se mění teplota kovu při procesu foukání, závisí na průběhu tvorby strusky a na tom možnosti emisí z konvertoru a stupni odfosfoření a odsíření kovu [6] .

Existují čtyři doby tání v závislosti na dynamice změny teploty spalin [6] :

• Počáteční období (zapálení taveniny) je charakterizováno stálou spotřebou kyslíku a pomalým nárůstem teploty.
• Období nárůstu teploty spalin je charakterizováno automatickou změnou spotřeby kyslíku pro zajištění určité rychlosti nárůstu teploty.
• Období konstantní teploty spalin, během kterého je udržován přibližně konstantní průtok kyslíku.
• Konečné období poklesu teploty spalin, během kterého je průtok kyslíku udržován konstantní.

Viz také

• Konverze (metalurgie)
• otevřená nístějová pec

Poznámky

1. ↑ http://steelcast.ru/ld_process Archivováno 13. července 2015 ve Wayback Machine Výroba oceli v kyslíkovém konvertoru
2. ↑ Starov R. V., Nagorskikh V. A. Výroba oceli v konvertorech (příručka pro pomocníka oceláře) .- K .: Tekhnika, 1987.- 167 s.
3. ↑ http://kpi.ua/ru/928-7-foto Archivní kopie ze dne 17. července 2015 na Wayback Machine Nikolay Illarionovič Mozgovoy - vynikající vynálezce a vědec, absolvent KPI
4. ↑ Konverze
5. ↑ Stěpanov, Igor Germanovič. Organizace výroby. Novokuzněck. 2003 . Staženo 27. února 2018. Archivováno z originálu 27. ledna 2018. (neurčitý)
6. ↑ 1 2 3 Glinkov G. M., Makovsky V. A. ACS TP v metalurgii železa. - 2., přepracované .. - M . : Metalurgie, 1999. - S. 188-189. — 310 s. — ISBN 5-229-01251-X .