Спосіб та конвертер для виплавки сталі

Винахід відноситься до чорної металургії, зокрема до способів продувки киснем збоку чавунів при переробці їх у сталь та к конвертерним агрегатам з комбінованим верхньо-бічним або верхньо-донно-бічним підведенням дуття до рідкої ванни. Відомий спосіб та пристрій для підігрівання ванни у рафініровочній печі (заявка Японії №6099735, кл. С21С5/28, 1994). Згідно даному способу у шар шлаку у рафініровочній печі під кутом до радіуса її перерізу через бокові фурми вдувають окислювальний газ, спалюючи газоподібний оксид вуглецю, що утворюється у ванні та спливає у шлак. За рахунок тепла, що виділяється при спалюванні, нагрівають шлак та одночасно обертають його, завдяки чому відбувається і підігрівання ванни. Піч містить бокові фурми для допалювання, які установлені в стінці на рівні шару шлаку над поверхнею ванни під визначеними кутами між віссю фурми та лінією, що з'єднує точку установки фурми з центром печі у горизонтальному перерізі, причому вісі фурм нахилені і у вертикальній площині. Відомий спосіб і сталеплавильна піч для підігрівання ванни в процесі рафінування або плавки (заявка Японії №6099736, кл. С21С5/28, 1994), згідно яким у шарі шлаку допалюють оксид вуглецю і за рахунок тепла, що виділяється при цьому, нагрівають шлак. В процесі перемішування та циркуляції шлаку розплав підігрівається за рахунок теплообміну із шлаком, при цьому у стінці сталеплавильної печі по меншій мірі в двох місцях на рівні шару шлаку точечно-симетрично відносно центру печі установлені дві фурми, що нахилені відповідно донизу і догори під визначеними кутами до горизонталі. Відомий спосіб відновної плавки (заявка Японії №6102808, кл.С21В13/10, 1994), згідно якому до розплаву, що знаходиться у рафініровочній печі, завантажують залізну руду і вугілля, а через донні фурми до ванни вдувають кисень, ініціїруючи первинне горіння. Одночасно через боковую фурму, що розташована у стінці печі над поверхнею ванни, вдувають кисень, формуючи зону вторинного горіння над поверхнею, а через боковую фурму, яка розташована під рівнем ванни поблизу її поверхні, вдувають газ, за допомогою якого створюють потік крапель рідкого заліза та шлаку. Вадами зазначених винаходів виявляються: значне переокислення шлаку і відповідно підвищена окисленість металу, що виплавляється; невелика міра перемішування ванни в наслідку розташування фурм напроти одна однієї; низька стійкість футерівки агрегатів в районі розташування бокових фурм (навколофурменої зони футерівки) із-за прямого впливу кисневих струменів, металу і шлаку на зазначені зони. Відомий спосіб виплавки сталі (патент США №4497656, кл. С21С7/00, 1985), згідно якому для поліпшення теплового балансу плавки передбачено допалювання CO до CО2 в порожнині конвертера шляхом подачі О2 через бокові фурми, що розташовані над поверхнею ванни. Також відомий спосіб виготовлення сталі методом відновної плавки (заявка Японії №5086447, кл. С21В13/10, 1993), згідно якому конвертер обладнаний верхньою фурмою для вдування кисню, а у стінці конвертера безпосередньо під рівнем рідкої ванни установлюють декілька фурм для вдування газу так, що вісі фурм нахилені по відношенню до вертикальної осі конвертера і, вдуваючи кисень через ці фурми, здувають краплі шлаку і розплаву у напрямку до зони дії струменя кисню з верхньої фурми та одночасно обертають ванну. Відомий конвертер з високою інтенсивністю нагрівання ванни і мірою допалювання відхідних газів (заявка Японії №2133508, кл. С21С5/30, 5/42, 1990), в якому є бокові фурми, що установлені в стінці циліндричної частини конвертера. Вадою останніх трьох винаходів виявляється дуже низька стійкість навколофурмених зон футерівки із-за високотемпературного агресивного впливу на них кисневих струменів допалювання, металу і шлаку. Крім того, другий із зазначених винаходів характеризується значною складністю конструкції агрегату. Також відомий конвертер, який забезпечений фурмою для інжекції палива, і спосіб, що дозволяє збільшити витрату брухту в конвертері (заявка Франції №2557889, кл. С21С5/42, 1985), в верхній (конусній) частині якого для подачі палива в порожнину агрегату установлена одна або декілька спеціальних фурм, що закріплені жорстко або вводяться під час роботи. Вадою цієї конструкції агрегату є низька стійкість футеровки верхньої частини конвертера в результаті її розпалу при горінні вводжуваного палива. Найбільш близькими до описуємого винаходу за технічною суттю і досягаємим результатом виявляються наступні технічні рішення: 1. Конвертер, в якому запобігається прогар кладки стінки внаслідок допалювання газів (заявка Японії №6019097, кл. С21С5/42, 1994), що містить розташовані в нижній частиш горловини спеціальні фурми, які установлені на певній відстані від днища і під визначеним кутом до горизонталі. Вадою даної конструкції конвертера є низька ефективність допалювання відхідних газів в результаті невеликих значень кута нахилу бокових фурм до горизонталі (і відповідно великих значень кута нахилу бокових фурм до вертикальної осі конвертера), а також подача бічного дуття на верхню кисневу фурму і вихід її з ладу в результаті нагрівання факелами допалювання бокових фурм зовнішньої труби верхньої фурми з наступним її прогаром; 2. Спосіб виплавки сталі з підвищеною часткою брухту (заявка Японії №61-221, 322, кл. С21С5/34, 5/04, 1986), згідно якому на бокових стінках конвертера під визначеним кутом до поверхні металевої ванни розташовані фурми, по яким подається кисень для допалювання CO і Н2, що утворюються, а також для перемішування ванни. Тепло шлаку передається металу по межі розподілу фаз. Вада зазначеного способу та конструкції агрегату полягає у дуже низькій стійкості футеровки у районі розташування бокових фурм із-за прямого впливу кисневих струменів, металу і шлаку на зазначені зони. Крім того, міра допалювання горючих складових СО і Н2 конвертерного газу дуже низька в наслідку невеликих значень кута нахилу бокових фурм до горизонталі та, відповідно, великих значень кута нахилу бокових фурм до вертикальної осі конвертера, а також подача бічного дуття на верхню кисневу фурму та вихід її із ладу в наслідку нагрівання факелами допалювання бокових фурм поверхні зовнішньої труби верхньої фурми з наступним її прогаром. Крім того в означених винаходах із-за нераціонального розташування бокових фурм їхні дуттьові струмені не впливають на гідродинаміку ванни, а міра переміщування ванни залежить, головним чином, від інтенсивності верхнього (і нижнього, якщо воно присутнє) дуття. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу виплавки сталі та конструкції конвертера для його здійснення, в яких шляхом раціонального розташування бокових фурм до вертикальної осі конвертера і до горизонтальної площини забезпечується ефективне допалювання відхідних газів в порожнині агрегату та інтенсивне перемішування ванни, при цьому усувається зростання окисленості ванни, агресивний вплив струменів допалювання на верхню фурму і пропал її зовнішньої труби, а також на футерівку конвертера, у тому числі і у зоні розташування бокових фурм. Поставлена задача вирішується тим, що відповідно до способу виплавки сталі, який включає бічну продувку рідкого металу кисневими або паливно-кисневими струменями, згідно винаходу, подачу бічного дуття здійснюють під кутами до вертикальної осі конвертера a і до горизонтальної площини b над зонами переважного виділення CO з ванни - реакційними зонами взаємодії кисневих струменів верхньої фурми з розплавом, а у конвертері для виплавки сталі, який має не менше двох тангенціальне і рівномірно (через 360/n°, де n - кількість бокових фурм) розташованих по колу бокових фурм або у верхній конічній частині конвертера, або на стику верхньої конічної частини конвертера з його циліндричною частиною, таким чином, що поздовжні осі бокових фурм проходять крізь стик верхньої конічної частини конвертера з його циліндричною частиною, згідно винаходу, поздовжні осі бокових фурм розташовані під кутами до вертикальної осі конвертера a і до горизонтальної площини b таким чином, щоб виконувалися умови: ö æ æ Нбф ö R2 + r 2 ÷ ÷, град a = arctgç , град; b = arctgç ÷ ç Н ç ÷ ÷ ç бф R2 + r 2 ø è ø è , де R - радіус робочого простору конвертера, м; r - радіус загальної реакційної зони, що утворюється в Н результаті продувки розплаву верхньою фурмою, м; бф - висота розташування бокової фурми над рівнем спокійної ванни, м; при цьому бокові фурми установлені жорстко (тобто під фіксованими кутами) або рухомо (тобто значення кутів нахилу фурми можна змінювати в процесі конвертування). Розрахунок за зазначеними формулами значень кутів нахилу поздовжніх осей бокових фурм до вертикальної осі конвертера та до горизонтальної площини поясняється ось чим. При продувці розплаву кисневими струменями верхньої фурми у розплаві утворюється заглибення реакційна зона, в основному з якої іде виділення газу, основна складова якого - горючий монооксид вуглецю (СО). Для збільшення теплового балансу конвертерної плавки доцільно використання хімічного тепла відхідного конвертерного газу шляхом допалювання його СО до СО2, що здійснюється подачею додаткових низькошвидкісних струменів до порожнини конвертера, наприклад за допомогою бокових фурм. З метою інтенсифікації процесів, що відбуваються у ванні доцільно поліпшити її перемішування, що можна досягти обертанням ванни навколо вертикальної осі агрегату за рахунок механічної дії на розплав бокових дуттьових потоків. Для досягнення максимальних міри допалювання СО та інтенсивності обертання ванни потоки додаткового дуття слід спрямовувати ближче до зовнішньої межі загальної реакційної зони. З цією метою величини кутів нахилу бокових фурм a и b повинні строго визначати за зазначеними виразами. Збільшення кута æ æ ö ö arctgç R 2 + r 2 / Нбф ÷ arctgç Нбф / R 2 + r 2 ÷ è è ø і зменшення кута b нижче величини ø призведе до а понад значення зниження ефективності допалювання в результаті подачі струменів бокових фурм за межі реакційної зони, де концентрація CO набагато менша. Крім того, в цьому випадку значно підвищується знос футерівки агрегату в результаті переміщення зон горіння СО до стінок агрегату і розпалу їхнього вогнетривкого матеріалу. Зменшення æ æ ö ö arctgç R 2 + r 2 / Нбф ÷ arctgç Нбф / R 2 + r 2 ÷ è è ø та збільшення кута b понад величину ø кута a нижче значення призведе до зниження обертання ванни із-за зустрічної взаємодії бокових струменів в результаті наближення їх до центру ванни, а також слабкої дії на масу металу, що залишився на периферії ванни. Крім того, в даному випадку струмені дуття допалювання будуть діяти на верхню фурму, що потягне за собою вихід її з ладу в результаті нагрівання факелами допалювання верхньої фурми та прогару її зовнішньої труби. Мала швидкість обертання розплаву навколо вертикальної осі конвертера призведе до перегрівання верхніх шарів розплаву та нерівномірному зносу футерівки агрегату в наслідку градієнта температур за перерізом ванни. В процесі конвертування діаметр загальної реакційної зони може змінюватися, тому більш доцільно виконувати бокові фурми рухомими, тому що це дозволяє змінювати значення їхніх кутів нахилу за ходом конвертерного переділу у відповідності із зміною розміру загальної реакційної зони. Невиконання кожної з наведених вимог негативно позначиться на ефективності допалювання відхідних конвертерних газів, стійкості верхніх фурм і футерівки конвертера, інтенсивності перемішування (швидкості обертання) розплаву. Спосіб виплавки сталі полягає ось у такому. У конвертерний агрегат опускається верхня фурма 1 і починається продувка розплаву 2. При цьому струмені верхнього дуття 3 утворюють у об'ємі ванни реакційну зону 4, до якої тангенціальне спрямовуються струмені бічного дуття 5 для допалювання CO відхідного конвертерного газу та передачі тепла розплаву 2 для його нагрівання. Струмені бічного дуття утворюють на периферії загальної реакційної зони та іншої частини розплаву заглиблення 6, в яких допалюють СО до СО2, і одночасно обертають ванну, завдяки чому відбувається ефективна передача тепла стінкам реакційної зони, рівномірне нагрівання всієї маси рідкого металу та інтенсифікація всіх процесів, що відбуваються у ванні. На фіг.1 схематично зображений конвертер для виплавки сталі, який має дві бокові фурм и 10, кути нахилу яких до вертикальної осі конвертера і до горизонтальної площини (до поверхні ванни) відповідно складають æ æ ö ö a = arctgç R2 + r 2 / Нбф ÷ b = arctgç Нбф / R 2 + r 2 ÷ è è ø і ø .Пунктиром позначений рівень ванни у спокійному стані. Конвертер складається з циліндричної 7 та конічної 8 частин, днища 9, бокових фурм 10, що установлені на стику циліндричної 7 та конічної 8 частин під кутами a і b . У днищі 9 агрегату додатково можуть бути установлені донні фурми. Фіг.2 ілюструє вид зверху конвертера для виплавки сталі на рівні стику циліндричної 7 та конічної 8 частин. Стрілками показаний напрямок обертання розплаву 2. Конвертер працює наступним чином. В ході продувки розплаву верхньою фурмою 1 через бокові фурми 10 подається кисень для допалювання CO відхідного конвертерного газу та закрутки ванни. При цьому значення кутів нахилу бокових фурм 10 до вертикальної осі конвертера a та до горизонтальної площини b знаходяться за наведеними вище виразами і можуть залишатися незмінними (якщо бокові фурми 10 установлені жорстко) або змінюватися за ходом продувки в залежності від розміру загальної реакційної зони 4 (якщо бокові фурми 10 установлені рухомо). Якщо бокові фурми 10 установлені рухомо, то доцільно на протязі кожної наступної плавки змінювати напрямок подачі (то в один, то в інший бік) кисню допалювання через бокові фурми з метою зміни напрямку руху розплаву (за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки). Це дозволить уникнути передчасного зношення футерівки конвертера у місцях розташування бокових фурм та вогнетривів самих дуттьових пристроїв, а також трохи подовжити термін служби всієї футерівки агрегату. Використання запропонованого винаходу дозволить отримати економічний ефект в результаті значного заощадження матеріальних та енергетичних ресурсів шляхом створення оптимальних умов для забезпечення максимальної ефективності використання хімічного тепла відхідного конвертерного газу, інтенсифікації тепло- і масообмінних процесів, що відбуваються у конвертерній ванні, підвищення стійкості верхніх та бокових фурм, а також футерівки конвертерного агрегату, підвищення продуктивності останнього, зниження собівартості конвертерної сталі.