Взрывы в конвертере
Причинами взрыва в конвертере могут быть: взрывоопасная шихта, влажные шихтовые материалы, передержка жидкого металла в конвертере при непрерывной течи воды из газохода или фурмы, образование в массе заваленного металлолома закрытых полостей из-за кострения, обрыв фурмы в ванну, падение настыли из газохода в конвертер, заливка чугуна на активный окислитель.
Взрыв в конвертере наступает в момент контакта опасного -компонента с жидким металлом и мгновенного испарения влаги (или легкокипящего химического вещества) при несвободном выделении газов и паров. Из-за недостатка времени на свободное расширение в окружающей среде и быстрого нарастания упругости в ограниченном объеме они приобретают огромную ударную и разрушительную силу. Взрыв сопровождается мощным выбросом металла, шлака н газов на рабочие места. Это представляет серьезную опасность для людей и причиняет материальный ущерб производству. Конвертер получает повреждение.
Чтобы не допустить образования очагов сильного газопаровыделения в толще металла, предусматриваются следующие меры предосторожности. Нельзя делать длительный перерыв между окончанием загрузки металлолома и началом заливки чугуна. При передержке в конвертере (более получаса) лом покрывается сплошным слоем окалины, на которую опасно заливать чугун. Кроме того, отдельные его куски свариваются, и в куче лома после заливки чугуна могут образоваться закрытые полости, в которые будут выделяться газы из жидкого металла. По мере постепенного расплавления металлолома упругость газа в закрытых полостях быстро возрастет и выброс газов неизбежен.
Не следует доваливать металлолом в жидкий металл. Каждый кусок лома покрыт пленкой механической влаги. Хотя ее толщина составляет доли миллиметра, суммарная поверхность увлажнения велика. При погружении твердой шихты в жидкий металл некоторая часть влаги испаряется несвободно и происходит сильный выплеск.
Большую опасность представляет обрыв водоохлаждаемой фурмы. Это может произойти при большом ее заметалливании, когда несущий трос из-за чрезмерного подъема, утяжеления или непроходимости фурмы через проем в кессоне обрывается. Аварию можно предотвратить, установив прочные ограничители хода фурмы, своевременно очищая ее от скрапа и тщательно контролируя надежность узла подвески.
Столь же опасно обрушение в конвертер скрапа из газохода. Он образуется в водоохлаждаемой части газового тракта в результате спекания плавильной пыли. Если тонкая вначале корочка скрапа не вываливается во время продувки в конвертер, то в последующих плавках она обрастает металлическими выносами и превращается в объемистую настыль. Заваренная поверхность газохода деформируется и хуже охлаждается водой, циркулирующей в полых стенках кессона и экранирующих трубках камина. В местах перегрева появляются разрывы в швах и неизбежные пропуски воды. Обрушение настыли возможно в любой момент плавки. Если это случается при повалке конвертера, то удар приходится по кожуху. Но скрап из газохода чаще падает через горловину в жидкий металл, что приводит к сильному взрыву.
Нежелательно наличие в конвертере оставшегося от предыдущей плавки переокисленного шлака или пакетированного лома, содержащего масляную стружку. Залив чугуна на такой активный окислитель вызывает мгновенный выброс. Он спровоцирован идеальными условиями развития реакции углерода (отсутствуют ограничения, ослабляющие взаимодействие реагентов). Углерод непрерывно доставляется с чугуном в реакционную зону и вплотную подводится к окислителю на большой поверхности жидкого металла. Огромное количество активных центров газозарождения способствует быстрому образованию в металле пузырьков СО и С02. Газообразные продукты реакции прорываются через массу заливаемого чугуна, увлекая часть его из конвертера.
О характере происшедшей реакции свидетельствует то, что выброшенный на рабочую площадку скрап имеет вид шрапнели. Это означает, что углерод чугуна взаимодействовал с кислородом окислителя рассредоточение, на большой площади реакционной зоны, и оксиды углерода выделялись на многих центрах зарождения пузырей. В каждый из них, как в вакуум, выделились, кроме того, водород и азот. Упругость газов в микрообъеме быстро возросла. В критический миг прорыва наружу пузырек вынес в атмосферу свою металлическую оболочку.
Приведем два примера подобных выбросов.
1. В 50-тонном конвертере в опытном порядке обжигали новую смолодоломитовую футеровку способом продувки малой «промывочной» плавки. В конвертер залили из миксера 5 т чугуна, т. е. 10% номинальной садки. Металл продули в течение 8 мин с интенсивностью 150 м3 кислорода в минуту. Затем без очистки конвертера от продуктов обжига футеровки (инструкция этого не требовала) начали заливать чугун на полновесную плавку. Как только струя чугуна из ковша попала в конвертер, произошел выхлоп газов. На рабочую площадку выбросило до 10 т чугуна в виде дроби различной крупности — от 20 мм в диаметре до величины в булавочную головку. Несколько человек получили при этом ожоги. Причина несчастного случая — заливка чугуна на активный окислитель в конвертере. Дутьевой режим в «промывочной» плавке не соответствовал массе садки. Удельная интенсивность подвода кислорода в фурму составила 30 м3/(т*мин) против 3 м3/(т*мин) в нормальной 50-тонной плавке. Кислорода было дано так много, что 5 т чугуна окислились полностью. На дне конвертера остался окисный железистый остаток, который и вызвал выброс в начале последующей плавки.
В дальнейшем технологи цеха отказались от промывочных плавок. Обжиг новой смолодоломитовой футеровки перевели на специальный режим при помощи газовой горелки на ремонтном стенде.
2. Во время заливки чугуна на металлолом в 130-тонный конвертер произошел выброс металла. Два человека получили ожоги. При расследовании несчастного случая выяснилось, что после выпуска предыдущей плавки малоуглеродистой стали конвертер не очистили от шлака. Сливать его было некуда, так как стоявшая под конвертером чаша была переполнена. Чугун начали заливать на оставшийся в конвертере шлак, т. е. на активный жидкий окислитель, что и привело к выбросу. Следовало сменить шлаковую чашу под конвертером, слить в нее оставшийся шлак, а потом уже залить чугун на новую плавку.
Опасные явления в процессе продувки плавки
Нормальный тепловой режим конвертерного процесса предусматривает плавный подъем температуры до достижения требуемого нагрева металла на выпуске плавки (1600—1650°С). Недопустимы резкие колебания температуры, усложняющие управление плавкой и вызывающие нежелательные явления в конвертере. Самый наглядный признак неудовлетворительной организации плавки — выбросы. Механизм выброса заложен, как, указывалось, в температурной кривой процесса (см. рис. 9). Характерный спад кривой t означает замедление нагрева ванны в связи с автоматическим изменением теплового режима процесса при переходе от завершающегося обескремнивания к интенсивно развивающемуся обезуглероживанию и расплавлением в этот период значительной части лома.
Выброс происходит в момент нарушения стабильности процесса. Например, в начальной стадии продувки, когда кремний уже окислился, а углерод еще в полной мере не вступил в реакцию (металл недостаточно нагрет, пет благоприятных условий для зарождения пузырьков СО). Так как реакция по термодинамическим условиям временно приторможена, а интенсивность дутья постоянна, то поступающий в фурму кислород используется одновременно: на окисление углерода и па окисление железа и марганца. Образуется окислительный шлак. Обезуглероживание протекает в ванне неравномерно: и прямым путем — с помощью чистого кислорода в подструйной зоне, и вторичным — кислородом с помощью FeO и МnО через шлак. В этот период неравномерно по межфазной сфере металл — шлак выделяются и газы: появляется зона слабой перемешиваемости жидких фаз (рис. 9). А значит, усиливается диффузия кислорода в металл, создается предстартовая ситуация объемной реакции окисления углерода.
Рис. 9. Продувка конвертерной ванны открытой струей кислорода: 1 — охладитель; 2 — струя кислорода; 3 — перемешивание ванны; 4 — непромешиваемая зона
Когда металл подогреется за счет тепла реакций, то главная из них — окисление углерода — растормозится. В эти секунды концентрация кислорода в металле будет близка к верхнему пределу растворимости его в жидком железе при данной температуре и концентрации свободного FeO в шлаке. Этот уровень превышает нижний предел растворимости кислорода, равновесный с концентрацией активного углерода в стали. Реакция вступает в силу согласно создавшимся термодинамическим условиям. Возникнет мощное вскипание ванны и неизбежный выброс из конвертера.
Чугун из миксера перед заливкой в конвертер должен иметь нормальный химический состав и оптимальную температуру (1300—1350°С), а металлолом — необходимую крупность. Чем быстрее идет продувка (выше интенсивность дутья), тем скорее надо переплавить металлолом, тем больше должна быть его удельная поверхность. Продолжительность переработки лома в конвертере не может превышать 80% периода продувки, чтобы сталевар успел довести плавку до требуемого химического состава и заданной температуры.
Приближенный расчет дает зависимость максимального размера (поперечника) кусков лома от интенсивности дутья (мм)
Для параметра i = 3 м3/(т*мин) поперечник а куска лома не должен превышать 435 мм; при i = 4 м3/(т*мин) — 325 мм.
Чем выше интенсивность дутья, тем менее тяжеловесным должен быть лом, чтобы за короткое время продувки успеть его расплавить и нагреть ванну.
Для утряски лома машинист поста управления прибегает к покачиванию конвертера после полной его загрузки.
Перегрузка плавки ломом, небрежная завалка его в конвертер (кострение), нерациональное соотношение тяжеловесного и легковесного лома, заливка стылого чугуна (с температурой менее 1200°С) приводят к холодному началу плавки, к позднему формированию основного шлака, к запаздыванию реакции обезуглероживания и неравномерному выделению газов из ванны, к созданию условий, порождающих выброс.
Причиной выброса газов, металла и шлака может стать и применение извести-пушонки (гидроксида Са (ОН)2), которая разлагается в конвертере по реакции Са(ОН)2=СаО+Н20—59кДж на 1 кг пушонки (процесс идет с поглощением тепла).
Водяной пар, взаимодействуя с жидким металлом, диссоциирует, и образующийся водород, проникая в пузырьки СО и С02, усиливает вспениваемость шлака.
Особенно важно правильно вести продувку в момент временного замедления нагрева ванны. Здесь надо держать фурму на нижнем допустимом уровне, чтобы усилить прямое окисление углерода и избежать большого обезуглероживания за счет вторичного окисления (через шлак). Чрезмерное форсирование продувки ванны тоже нежелательно, если увеличение потока выделяющихся газов не соответствует пропускной способности газоотводящего тракта. Обогащение металлошлаковой эмульсии газовыми пузырями усилит вспениваемость шлака и вероятность выбросов.
Для сопоставления признаков общности и различия между выбросом и взрывом в плавке примем во внимание их временной фон. Выбросы всегда сопутствуют взрывам, но наблюдаются чаще раздельно, служат показателем неспокойного начала или хода процесса. Случаются выбросы, не имеющие явно выраженного взрывного характера. Горячая масса металла, шлака и газов как бы выстреливается из конвертера в цех.
Внешне подобные то и другое экстремальные явления с мгновенным мощным выдувом части плавки имеют существенные различия:
- взрыв в конвертере происходит практически сразу без какого-либо скрытого периода формирования;
- выброс — следствие неуправляемости процессом в неблагоприятной стадии плавки, результат снижения (или незначительного подъема) температуры и задержки по этой причине обезуглероживания металла. Реакция начинается после подогрева ванны. Выбросу предшествует скрытый период его подготовки.
Исходя из этого можно утверждать, что причиной выбросов из конвертера могут стать такие технологические, организационные (эксплуатационные) и конструктивные факторы:
- при загрузке нарушено соотношение тяжеловесного и легковесного лома;
- перегруз плавки ломом, небрежная его загрузка (кострение);
- неравномерный подвод дутья в ванну; неправильное дозирование и выбор времени загрузки сыпучих;
- конструктивные недостатки и неисправность фурмы;
- несовершенная конструктивная форма рабочей полости конвертера.
Устранение этих факторов обеспечит стабильную и спокойную работу кислородного конвертера.