Конвертеры

Кислородные фурмы имеют сложную конструкцию из трех концентрических стальных труб, которые обеспечивают подачу газа и постоянную циркуляцию охлаждающей жидкости. Центральный канал служит для транспортировки технического кислорода под давлением до 1,5 МПа, а внешние полости отводят избыточное тепло от медного наконечника.

Оголовок фурмы оснащают несколькими соплами Лаваля, потому что они позволяют сформировать сверхзвуковые струи газа для глубокого проникновения в толщу расплава. Скорость истечения кислорода часто достигает 500 м/с, поэтому внутри ванны возникают интенсивные турбулентные потоки. Подобная циркуляция металла ускоряет окисление углерода и гарантирует однородность температуры по всей высоте агрегата.

Вода поступает в систему охлаждения под давлением 1,2 МПа и забирает тепло от раскаленных газов, которые окружают фурму в рабочем пространстве. Конструкция наконечника предусматривает установку от 4 до 6 сопел под углом от 15 до 20 градусов к центральной оси. Такое расположение отверстий защищает футеровку стенок от прямого воздействия газового факела и предотвращает преждевременный износ огнеупоров.

Внутреннюю облицовку сталеплавильного агрегата выполняют из магнезиально-периклазовых кирпичей на смоляной или керамической связке. Эти материалы обладают высокой огнеупорностью, до +2000℃, и стойкостью к химическому воздействию основных шлаков.

Футеровку укладывают в несколько слоев, где внешний слой называют арматурным, а внутренний - рабочим. Толщина рабочей футеровки в зоне соприкосновения с расплавом может достигать 800 мм, так как здесь происходит наиболее интенсивный эрозионный износ. Между кирпичами оставляют температурные зазоры, которые компенсируют расширение материала при нагреве и предотвращают разрушение стального корпуса.

Для защиты наиболее нагруженных участков в районе цапф и заливочного носка используют кирпичи с добавлением графита, потому что он снижает смачиваемость поверхности шлаком. Если на предприятии применяют технологию огарков и факельного торкретирования, срок службы футеровки составляет от 3000 до 5000 плавок. При торкретировании на изношенные зоны под давлением наносят мелкозернистый огнеупорный порошок, который спекается с основной кладкой.

Опорное кольцо охватывает корпус конвертера и передает нагрузку от веса агрегата и металла на подшипниковые узлы станины. Вес пустого конвертера емкостью 160 т вместе с футеровкой часто превышает 400 т, поэтому кольцо должно обладать исключительной жесткостью. Его изготавливают в виде полой коробчатой конструкции из толстостенных стальных листов, которые соединяют между собой сваркой или мощными болтами.

Между корпусом конвертера и кольцом предусматривают зазор, который обеспечивает свободную циркуляцию воздуха и компенсирует тепловое расширение сосуда. Если кольцо будет прилегать слишком плотно, температурные напряжения вызовут деформацию металла и заклинивание механизма поворота.

К кольцу крепят две массивные цапфы, которые опираются на роликовые подшипники и позволяют сосуду вращаться вокруг горизонтальной оси. Одна из цапф соединяется с многодвигательным приводом поворота, который обеспечивает наклон агрегата для завалки лома, заливки чугуна и выпуска готовой стали. Внутри полого опорного кольца часто монтируют систему водяного охлаждения для защиты стальных конструкций от теплового излучения.

Механизм поворота конвертера состоит из мощного многоступенчатого редуктора и нескольких электродвигателей, которые установлены на ведомой цапфе опорного кольца. Система обеспечивает вращение сосуда на 360 градусов с регулируемой скоростью, чтобы можно было точно дозировать слив стали и шлака.

Для исключения рывков и ударных нагрузок применяют частотные преобразователи, которые плавно меняют крутящий момент на валах. Если один из двигателей выйдет из строя, оставшиеся агрегаты справятся с нагрузкой и завершат операцию в безопасном режиме. Жесткая фиксация привода на фундаменте защищает механизмы от вибраций, которые возникают при продувке ванны кислородом.

В систему управления включают электромагнитные тормоза, которые надежно удерживают конвертер в любом промежуточном положении при отключении питания. Передаточное число редуктора достигает нескольких тысяч единиц, потому что для поворота такой массы требуется колоссальное усилие. Смазку зубчатых зацеплений проводят централизованные станции, которые подают масло в зоны трения в автоматическом режиме.

Отходящие газы конвертера имеют температуру до +1600℃ и несут в себе огромное количество мелкодисперсной пыли и оксидов углерода. Для их очистки устанавливают мощные комплексы газоочистки, которые включают котлы-утилизаторы, скрубберы Вентури и электрофильтры.

Сначала газ проходит через охладитель, где его температура падает до +200℃ за счет нагрева воды в трубной системе котла. Затем поток попадает в аппараты мокрой очистки, в которых капли воды захватывают частицы пыли и выводят их в виде шлама. Технология позволяет улавливать до 99% вредных выбросов и возвращать тепловую энергию в производственную сеть завода.

Очищенный конвертерный газ содержит до 70% оксида углерода, поэтому его собирают в газгольдеры для последующего использования в качестве топлива. Если система работает без дожигания газов, на выходе устанавливают факельные установки для безопасного сжигания остатков CO. Рукавные фильтры на финальной стадии очистки задерживают мельчайшую взвесь металлической пыли, которую затем брикетируют и возвращают в плавку.

Донные фурмы, или пористые блоки, монтируют в днище конвертера для подачи аргона или азота в нижние слои расплавленного металла. Процесс донного перемешивания значительно ускоряет химические реакции между шлаком и металлом, что позволяет снизить содержание вредных примесей и газов в стали. Пузырьки инертного газа равномерно распределяют температуру и химические элементы по всему объему ванны, когда кислородная струя сверху действует локально.

Подобная технология повышает выход годного металла на 1% за счет уменьшения потерь железа с выносом брызг и шлаком. Струи газа также предотвращают образование холодных зон на дне, где может скапливаться нерасплавленный лом.

Фурмы изготавливают из высокоплотных огнеупоров и заключают в стальные кассеты, которые обеспечивают легкую замену изношенных элементов. Подача газа происходит непрерывно под давлением до 0,8 МПа, чтобы расплав не затек внутрь каналов и не заблокировал проход среды. Расход аргона регулируют программно в зависимости от этапа плавки и требуемой марки стали.

Для контроля параметров плавки без остановки процесса используют автоматизированные замерные устройства, которые называют субфурмами. Это тяжелые водоохлаждаемые штанги, которые вводят в полость конвертера через отверстие в своде прямо во время активной продувки кислородом.

На конце субфурмы закреплен разовый блок датчиков, который замеряет температуру расплава и отбирает пробу металла для экспресс-анализа. Информация поступает на пульт в цифровом формате, поэтому оператор может корректировать расход газов без потери времени. Технология сокращает цикл плавки на 3-5 минут и повышает точность попадания в заданный химический состав.

Система управления субфурмой имеет высокую точность позиционирования, так как датчик должен погрузиться в металл на строго определенную глубину. После завершения замера штанга мгновенно поднимается, а использованный блок датчиков сбрасывается в контейнер для отходов. Полученные данные позволяют автоматике рассчитать точный момент отключения дутья и количество необходимых присадок для раскисления.

Сталевыпускное отверстие, или летка, служит для выпуска готового металла из конвертера в разливочный ковш при наклоне агрегата. Чтобы исключить попадание печного шлака в ковш, его оснащают специальными отсечными клапанами или стопорными дротиками.

Шлак содержит много фосфора и серы, поэтому его проникновение в чистую сталь резко снижает механические свойства будущих изделий. В современных машинах применяют системы пневматической отсечки, которые в момент появления первых порций шлака перекрывают канал мощной струей азота. Датчики на основе электромагнитной индукции фиксируют разницу в проводимости металла и шлака для мгновенного срабатывания автоматики.

Летку изготавливают в виде сменного блока из высококачественного огнеупорного материала, который выдерживает размывающее действие скоростного потока стали. Диаметр канала постепенно увеличивается из-за эрозии, поэтому блок заменяют после выполнения 60-80 плавок. Во время продувки отверстие закрывают огнеупорной массой, которую затем выбивают механическим способом перед сливом.

Шлаковое торкретирование позволяет значительно продлить ресурс внутренней облицовки за счет нанесения слоя вязкого шлака на поверхность кирпичей. После слива стали в конвертере оставляют часть конечного шлака и добавляют в него порцию доломита для повышения вязкости состава. Затем через фурму подают азот под высоким давлением, который разбрызгивает капли шлака по всем стенкам агрегата.

Масса застывает и образует прочный защитный гарнисаж толщиной до 30 мм, который принимает на себя основной износ во время следующей плавки. Этот процесс занимает всего 2-3 минуты, но позволяет увеличить стойкость футеровки в 5 раз.

Автоматика управляет высотой фурмы и давлением газа для равномерного покрытия всех зон, включая труднодоступные участки в районе горловины. Торкретирование проводят после каждого цикла или через одну плавку исходя из фактического состояния огнеупоров. Эта технология почти полностью исключает необходимость проведения длительных горячих ремонтов с использованием заправочных машин.

Стальной кожух конвертера испытывает колоссальные тепловые нагрузки от раскаленной футеровки и брызг металла, поэтому его температура не должна превышать +350℃. При более высоком нагреве прочность стали резко падает и возникают пластические деформации, которые приводят к появлению трещин и нарушению геометрии сосуда.

Для отвода тепла используют воздушные зазоры между корпусом и опорным кольцом, а также принудительный обдув наиболее нагруженных зон вентиляторами. В современных моделях в районе горловины и летки монтируют водяные рубашки или змеевики для интенсивного охлаждения металла. Эти меры предотвращают коробление корпуса и сохраняют герметичность всех технологических отверстий.

Система температурного контроля включает в себя сеть термодатчиков и тепловизионные камеры, которые сканируют поверхность агрегата в режиме реального времени. Если на экране монитора появляется красное пятно, это свидетельствует о критическом износе футеровки и угрозе прогара кожуха. Автоматика выдает сигнал о необходимости немедленной остановки плавки для проведения осмотра и ремонта.

Загрузка стального лома или завалка шихты осуществляется с помощью мощных крановых тележек, которые удерживают огромные совки вместимостью до 60 т. Процесс проводят в самом начале цикла, когда конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета на угол около 45 градусов.

Совок плавно заходит в горловину агрегата, после чего механизм подъема наклоняет емкость для выгрузки металла. Важно укладывать лом равномерно, чтобы тяжелые куски не повредили футеровку днища и стенок при падении. После выгрузки совка конвертер переводят в вертикальное положение для заливки жидкого чугуна из ковша.

Для защиты завалочного крана от пламени и брызг кабину оператора и все механизмы снабжают теплоотражающими экранами. Время загрузки одной порции лома занимает около двух минут, что позволяет поддерживать высокий темп работы цеха. Вес каждой загрузки контролируют электронные весы, потому что соотношение лома и чугуна определяет тепловой баланс всей плавки.

Котлы-утилизаторы выполняют функцию первичного охладителя отходящих газов и одновременно генерируют пар для нужд предприятия. Поверхность котла состоит из сотен стальных трубок, внутри которых циркулирует вода под высоким давлением. Газы из горловины конвертера имеют температуру +1600℃ и передают свою энергию теплоносителю через стенки экранных панелей.

Этот процесс позволяет снизить объем газа и подготовить его к финишной очистке в фильтрах. Полученный пар направляют на турбогенераторы для выработки электричества или используют в вакуумных установках для дегазации стали.

Конструкция котла предусматривает наличие подвижной юбки, которая опускается на горловину и предотвращает подсос наружного воздуха в систему. Это позволяет собирать конвертерный газ с высоким содержанием CO без его дожигания, что повышает ценность топлива. На трубках котла постоянно образуются настыли металла и шлака, поэтому систему оснащают мощными обдувочными устройствами для их удаления.

Геометрия горловины и конусной части конвертера определяет скорость выхода газов и количество выноса капель металла из ванны. Слишком узкое отверстие создает высокое сопротивление потоку, что приводит к перегреву свода и быстрому разрушению огнеупоров горловины. Широкий зев увеличивает потери тепла через излучение и способствует подсосу лишнего воздуха, который окисляет футеровку.

Инженеры рассчитывают профиль конуса таким образом, чтобы обеспечить оптимальный баланс между скоростью продувки и сохранением энергии внутри сосуда. Правильная форма также облегчает процесс завалки крупногабаритного лома без заклинивания кусков в проходе.

В зоне горловины устанавливают специальные защитные кольца из жаропрочного чугуна, которые принимают на себя удары от совков при загрузке. Эти элементы защищают кирпичную кладку от механических повреждений и предотвращают ее выкрашивание. На наклонных стенках конуса часто скапливаются настыли металла, которые сужают проход и требуют регулярной очистки механическим резцом. Современные конструкции предусматривают съемную верхнюю часть для ускорения работ по замене футеровки.