Podstawowe stalownictwo tlenowe - Basic oxygen steelmaking

Konwerter tlenu ładowany w hucie ThyssenKrupp w Duisburgu

Podstawowa produkcja stali tlenowej ( BOS , BOP , BOF lub OSM ), znana również jako stalownia Linz-Donawitz lub proces konwertora tlenowego, jest metodą pierwotnego wytwarzania stali, w której stopiona surówka bogata w węgiel jest przetwarzana na stal . Przedmuch tlenu przez roztopioną surówkę obniża zawartość węgla w stopie i zamienia go w stal niskowęglową . Proces ten znany jest jako podstawowa , ponieważ strumienie z wapna palonego lub dolomit , które są chemiczne podstawy , dodaje się do promowania usuwania zanieczyszczeń i ochronę błony śluzowej konwertera.

Proces został wynaleziony w 1948 roku przez szwajcarskiego inżyniera Roberta Durrera i skomercjalizowany w latach 1952-1953 przez austriacką firmę stalową VOEST i ÖAMG . Konwerter LD, nazwany na cześć austriackich miast Linz i Donawitz (dzielnica Leoben ) to udoskonalona wersja konwertera Bessemera, w której wdmuchiwanie powietrza zastępuje się wdmuchiwaniem tlenu. Zmniejszyło to koszty kapitałowe zakładów, czas wytopu i zwiększyło wydajność pracy. W latach 1920-2000 zapotrzebowanie na siłę roboczą w branży zmniejszyło się 1000 razy, z ponad trzech roboczogodzin na tonę metryczną do zaledwie 0,003. Większość stali produkowanej na świecie wytwarzana jest przy użyciu podstawowego pieca tlenowego. W 2000 r. odpowiadał za 60% światowej produkcji stali.

Nowoczesne piece pobierają żelazo do 400 ton i przekształcają je w stal w mniej niż 40 minut, w porównaniu do 10-12 godzin w piecu martenowskim .

Historia

Podstawowy proces tlenowy opracowany poza tradycyjnym środowiskiem „wielkiej stali”. Został opracowany i dopracowany przez jednego człowieka, szwajcarskiego inżyniera Roberta Durrera, a skomercjalizowany przez dwie małe firmy stalowe w okupowanej przez aliantów Austrii , która nie podniosła się jeszcze ze zniszczeń podczas II wojny światowej .

W 1856 roku Henry Bessemer opatentował proces produkcji stali obejmujący wdmuchiwanie tlenu w celu dekarbonizacji roztopionego żelaza (patent Wielkiej Brytanii nr 2207). Przez prawie 100 lat komercyjne ilości tlenu nie były dostępne lub były zbyt drogie, a wynalazek pozostawał niewykorzystany. Podczas II wojny światowej inżynierowie niemieccy (Karl Valerian Schwarz), belgijscy (John Miles) i szwajcarscy (Durrer i Heinrich Heilbrugge) zaproponowali swoje wersje wytwarzania stali metodą dmuchanego tlenem, ale tylko Durrer i Heilbrugge wprowadzili ją do masowej produkcji.

W 1943 Durrer, dawniej profesor w Instytucie Technologicznym w Berlinie , powrócił do Szwajcarii i przyjął miejsce w zarządzie Roll AG , największej huty w kraju. W 1947 kupił pierwszy mały 2,5-tonowy eksperymentalny konwerter z USA, a 3 kwietnia 1948 nowy konwerter wyprodukował swoją pierwszą stal. Nowy proces mógłby wygodnie przetwarzać duże ilości złomu przy niewielkiej ilości potrzebnego metalu pierwotnego. Latem 1948 roku Roll AG i dwie austriackie przedsiębiorstwa państwowe, VOEST i ÖAMG, zgodziły się na komercjalizację procesu Durrer.

Do czerwca 1949 r. VOEST opracował adaptację procesu Durrera, znanego jako proces LD (Linz-Donawitz). W grudniu 1949 r. VOEST i ÖAMG zobowiązały się do zbudowania swoich pierwszych 30-tonowych konwerterów tlenu. Uruchomiono je w listopadzie 1952 r. (VOEST w Linz) i maju 1953 r. (ÖAMG, Donawitz) i tymczasowo stały się wiodącą częścią światowego hutnictwa, powodując gwałtowny wzrost badań nad stalą. Do 1963 r. przetwórnię VOEST odwiedziło 34 tysiące biznesmenów i inżynierów. Proces LD skrócił czas przetwarzania i skrócił koszty inwestycyjne na tonę stali, przyczyniając się do przewagi konkurencyjnej stali austriackiej. VOEST ostatecznie nabył prawa do sprzedaży nowej technologii. Błędy popełnione przez VOEST i kierownictwo ÖAMG w licencjonowaniu ich technologii uniemożliwiły kontrolę nad jej przyjęciem w Japonii . Pod koniec lat pięćdziesiątych Austriacy stracili przewagę konkurencyjną.

W pierwotnym procesie LD tlen był wdmuchiwany na wierzch stopionego żelaza przez chłodzoną wodą dyszę pionowej lancy. W latach sześćdziesiątych producenci stali wprowadzili konwertery z dmuchaniem od dołu i wprowadzili nadmuch gazu obojętnego do mieszania stopionego metalu i usuwania zanieczyszczeń fosforowych .

W Związku Radzieckim w 1934 r. przeprowadzono eksperymentalną produkcję stali przy użyciu tego procesu, ale wykorzystanie przemysłowe było utrudnione przez brak wydajnej technologii wytwarzania ciekłego tlenu. W 1939 roku rosyjski fizyk Piotr Kapitsa udoskonalił konstrukcję odśrodkowej rozprężarki turbinowej . Proces został oddany do użytku w latach 1942-1944. Większość turbin rozprężnych stosowanych od tego czasu w przemyśle opierała się na konstrukcji firmy Kapitsa, a turborozprężarki odśrodkowe przejęły prawie 100% przemysłowego skraplania gazów, a w szczególności produkcję ciekłego tlenu do produkcji stali.

Wielcy amerykańscy producenci stali późno przyjęli nową technologię. Pierwsze konwertery tlenowe w USA zostały uruchomione pod koniec 1954 roku przez firmę McLouth Steel w Trenton w stanie Michigan , która stanowiła mniej niż 1% krajowego rynku stali. US Steel i Bethlehem Steel wprowadziły proces tlenowy w 1964 roku. Do 1970 roku połowa światowej i 80% japońskiej produkcji stali była produkowana w konwertorach tlenowych. W ostatniej ćwierci XX wieku do produkcji stali stopniowo zaczęto stosować konwertory tlenowe zasadowe, częściowo zastępowane przez elektryczny piec łukowy wykorzystujący złom stalowy i żelazny. W Japonii udział procesu LD zmniejszył się z 80% w 1970 r. do 70% w 2000 r.; światowy udział podstawowego procesu tlenowego ustabilizował się na poziomie 60%.

Proces

Zasada konwertera LD
Przekrój podstawowego pieca tlenowego
Na zewnątrz stalowni tlenowej w hucie Scunthorpe .

Wytwarzanie stali tlenowej jest podstawowym procesem wytwarzania stali służącym do przekształcania roztopionej surówki w stal poprzez wdmuchiwanie tlenu przez lancę nad roztopioną surówką wewnątrz konwertora. Ciepło egzotermiczne jest generowane przez reakcje utleniania podczas wdmuchiwania.

Podstawowy proces wytwarzania stali tlenowej wygląda następująco:

  1. Stopiona surówka (czasami określana jako „gorący metal”) z wielkiego pieca jest wlewana do dużego, wyłożonego materiałem ogniotrwałym pojemnika zwanego kadzią .
  2. Metal w kadzi jest wysyłany bezpośrednio do produkcji stali tlenowej lub do etapu obróbki wstępnej. Tlen o wysokiej czystości pod ciśnieniem 700-1000 kilopaskali (100-150 psi) jest wprowadzany z prędkością ponaddźwiękową na powierzchnię kąpieli żelaznej przez lancę chłodzoną wodą, która jest zawieszona w naczyniu i utrzymywana kilka stóp nad wanna. Wstępna obróbka surówki wielkopiecowej odbywa się zewnętrznie w celu zmniejszenia zawartości siarki , krzemu i fosforu przed załadowaniem surówki do konwertora. W zewnętrznej obróbce wstępnej odsiarczania, lanca jest zanurzana w stopionym żelazie w kadzi i dodaje się kilkaset kilogramów sproszkowanego magnezu, a zanieczyszczenia siarkowe są redukowane do siarczku magnezu w gwałtownej reakcji egzotermicznej . Siarczek jest następnie grabiony. Podobna obróbka wstępna jest możliwa w przypadku zewnętrznej odsilikonowania i zewnętrznej odfosforowania przy użyciu zgorzeliny walcowniczej (tlenku żelaza) i wapna jako topników. Decyzja o wstępnej obróbce zależy od jakości surówki i wymaganej końcowej jakości stali.
  3. Napełnianie pieca składnikami nazywa się ładowaniem . Proces BOS jest autogeniczny, tzn. w procesie utleniania wytwarzana jest wymagana energia cieplna. Przy zachowaniu odpowiedniego bilansu wsadu ważny jest stosunek gorącego metalu od wytopu do zimnego złomu. Zbiornik BOS może być przechylony do 360° i przechylony w stronę odżużlania w celu załadunku złomu i gorącego metalu. W razie potrzeby zbiornik BOS jest ładowany złomem stalowym lub żelaznym (25%-30%). Stopione żelazo z kadzi jest dodawane zgodnie z wymaganiami dla bilansu ładunku. Typowy skład gorącego metalu wprowadzanego do naczynia BOS to: 4% C, 0,2-0,8% Si, 0,08%-0,18% P i 0,01-0,04% S, z których wszystkie mogą być utlenione przez dostarczony tlen z wyjątkiem siarki (która wymaga warunków redukcyjnych).
  4. Następnie naczynie ustawia się pionowo i zanurza się w nim chłodzoną wodą lancę z miedzianą końcówką z 3–7 dyszami, a tlen o wysokiej czystości jest dostarczany z prędkością ponaddźwiękową. Lanca „dmucha” 99% czystym tlenem na gorący metal, zapalając węgiel rozpuszczony w stali, tworząc tlenek węgla i dwutlenek węgla , powodując wzrost temperatury do około 1700°C. Topi złom, obniża zawartość węgla w stopionym żelazie i pomaga usunąć niepożądane pierwiastki chemiczne . To właśnie zastosowanie czystego tlenu (zamiast powietrza) usprawnia proces Bessemera , ponieważ azot (niepożądany pierwiastek) i inne gazy w powietrzu nie reagują z wsadem i zmniejszają sprawność pieca.
  5. Topniki ( wapno palone lub dolomit ) wprowadzane są do zbiornika tworząc żużel , utrzymujący zasadowość powyżej 3 i absorbujący zanieczyszczenia podczas procesu stalowniczego. Podczas „wydmuchiwania” ubijanie metalu i topników w zbiorniku tworzy emulsję ułatwiającą proces rafinacji. Pod koniec cyklu wdmuchiwania, który trwa około 20 minut, mierzona jest temperatura i pobierane są próbki. Typowy skład chemiczny wdmuchiwanego metalu to 0,3-0,9% C, 0,05-0,1% Mn, 0,001-0,003% Si, 0,01-0,03% S i 0,005-0,03% P.
  6. Naczynie BOS jest przechylane w stronę żużlowej strony i stal jest wlewana przez otwór kranowy do kadzi stalowej z podstawową wyłożeniem ogniotrwałym. Proces ten nazywa się gwintowaniem stali. Stal jest dalej uszlachetniana w piecu kadziowym poprzez dodawanie materiałów stopowych w celu nadania specjalnych właściwości wymaganych przez klienta. Czasami do kadzi wprowadza się bąbelki argonu lub azotu, aby stopy prawidłowo się wymieszały.
  7. Po wylaniu stali ze zbiornika BOS, żużel jest wlewany do kotłów żużlowych przez otwór zbiornika BOS i zrzucany.

Warianty

Wcześniejsze konwertery z fałszywym dnem, które można odłączyć i naprawić, są nadal w użyciu. Nowoczesne konwertery mają stałe dno z zatyczkami do przedmuchiwania argonem. Optymalizacja zużycia energii pieca (EOF) jest wariantem BOF powiązany z podgrzewaczem złomu, w którym ciepło jawne w gazie odlotowym jest używany do wstępnego podgrzewania złomu, znajdujący się nad dachem pieca.

Lanca używana do wdmuchiwania uległa zmianom. Zastosowano lance bezżużlowe z długą, zwężającą się miedzianą końcówką, aby uniknąć zakleszczenia się lancy podczas odmuchiwania. Końcówki lanc dopalających spalają CO wytworzony podczas wdmuchiwania do CO 2 i dostarczają dodatkowe ciepło. Do spustu bez żużla stosuje się strzałki, kulki ogniotrwałe i detektory żużla. Nowoczesne konwertery są w pełni zautomatyzowane, posiadają automatyczne schematy nadmuchu i zaawansowane systemy sterowania.

Zobacz też

  • Piec AJAX , technologia otwartego paleniska na bazie tlenu przejściowego

Bibliografia

Bibliografia

Linki zewnętrzne