Загальна характеристика конвертування штейнів
По хімізму реакцій, що протікають в конвертері, процес має явно окислювальний характер, в результаті якого складові штейна, що виявляють спорідненість до кисню, швидко окислюються і видаляються з конвертера у вигляді шлаків, газів або пилу. Найбільш легко і повно при продуванні штейнів видаляються залізо, кобальт, сірка, цинк, свинець і миш'як.
Основний вихідний матеріал для конвертерів - розплавлені штейни, що виходять в результаті рудної плавки мідних, нікелевих або мідно-нікелевих руд. Окрім рідкого штейна, в конвертери завантажують холодні матеріали: штейн, мідь, сплави, руди та кварцові флюси. Паливо або електроенергія при переробці штейнів у конвертері зазвичай не потрібне, тому що необхідне тепло виходить в результаті екзотермічних реакцій окислення заліза та сірки.
Конвертери є основним металургійним агрегатом для переробки штейнів у металургії міді, нікелю та свинцю.
Робота конвертерів складається з комплексу хімічних та фізичних процесів, що протікають у ванні розплавленого штейна, що продувається повітрям. Подібно до шахтних печей основні процеси в конвертері недоступні для безпосереднього спостереження, що значно ускладнює їх вивчення та пізнання.
Загальна картина розвитку та взаємозв'язок основних процесів у конвертері видаються наступним чином. Розплавлений мідний, нікелевий або мідно-нікелевий штейн заливають у конвертер через горловину в кількості 1-2 ковші і продувають повітрям у присутності кварцового флюсу протягом 35-50 хв. Після продування зливають конвертерний шлак, що утворився, заливають нову порцію штейна, завантажують кварц і повторюють продування і т. д. Поступово в конвертері накопичується збагачена маса, що складається з Cu2S або Ni3S2. Для мідного штейну після накопиченнядостатньої кількості CU2S та видалення всього заліза продування триває без флюсів до видалення всієї сірки та отримання чорнової міді. Для нікелевого та мідно-нікелевого штейна процес закінчується отриманням сульфідів Ni3S2 або сплаву Ni3S2 та Cu2S у вигляді файнштейну. Розплавлений штейн, що переробляється, розташовується в нижній частині конвертера, утворюючи ванну загальною глибиною 0,6-1,5 м. На поверхні ванни плавають шматочки кварцового флюсу, а також знаходиться шар утворюється при продуванні рідкого конвертерного шлаку.
Повітря подається у ванну на глибині від її поверхні 05-07 м через спеціальні фурмові отвори. Тиск повітря значно перевершує гідростатичний тиск шару розплавленого штейна, внаслідок чого струмінь повітря проникає в шар штейну на деяку відстань від стіни фурмену. Через велику питому вагу розплавленої штейнової маси (5-7) вона надає повітряному струменю значний пробивний опір, а також виробляє на неї великий гідростатичний тиск, що змушує струмінь повітря незабаром після відриву його від фурми розгортатися догори і спливати на поверхню ванни. Тому при бічному розташуванні фурм, що є у всіх конвертерах кольорової металургії, аерація ванни відбувається на обмеженій ділянці ванни, що прилягає до фурменної стінки. Можна вважати, що ділянка, що активно перемішується повітрям, становить не більше 1/з ширини ванни конвертера, а решта 2/3 ширини ванни безпосередньої продування повітрям не продувається.
Повітряні струмені, що витікають з фурм, мають початкову швидкість 100—150 м/сек. Велика маса щодо холодного повітря, що виходить з фурм безперервними, ще не розбитими на окремі бульбашки потоками, викликає охолодження розплаву, що прилягає до стіни фурмену, і утворенняфурменних настилів у вигляді шкарпеток з вільним проходом, що поступово зменшується. Фурменные настили зменшують перетин фурм і поступово знижують їх пропускну здатність повітрям, що у кінцевому підсумку може призвести до повного припинення надходження повітря конвертер і виходу його з ладу. Для запобігання цьому доводиться періодично пробивати фурми ломками, які механічно збивають настилі, що утворилися, і збільшують перетин для проходу повітря. Повітряний струмінь, проникаючи в масу розплавленого штейна, розбивається на велику кількість дрібних бульбашок, що вступають в активну хімічну взаємодію з сульфідами та металами.
Висока температура ванни (1200-1300 °), розплавлений стан матеріалів, значна поверхня контакту повітря та розплаву дуже інтенсифікують хімічні процеси окислення, які протікають з дуже великими швидкостями. Про велику швидкість хімічних реакцій у конвертері переконливо свідчить те що, що ступінь використання кисню дуття виходить дуже високою, не нижче 90—95%, за час перебування кисню у ванні, вимірюваному десятими частками секунди. Хімічні процеси найактивніше відбуваються на місці ванни, продуваемом повітрям, т. е. біля фурменной стіни. Основними окислювальними процесами в конвертері є реакції окислення заліза і сірки, які забезпечують тепло, необхідне нормального перебігу процесу, без витрати палива й електроенергії.
В результаті окислення сірки утворюється газоподібний сірчистий ангідрид, який змішується з азотом повітряного дуття і залишками кисню, що не прореагував. Газова суміш, що утворилася, спливає на поверхню ванни в районі, що прилягає до фурм, і заповнює газовий об'єм конвертера, з якого вона під невеликим.позитивним тиском видаляється через горловину.
В результаті окислення заліза утворюються оксиди FeO і Fe304, що знаходяться у ванні в рідкому стані і видаляються з ванни з конвертерним шлаком.
На відміну від окислювальних процесів, що протікають у вельми сприятливих умовах, процес шлакоутворення в конвертері відбувається в дуже важких умовах, що виключають можливість одержання відвального шлаку. Процес шлакообразования утрудняється недосконалістю контакту кварцового флюсу, плаваючого лежить на поверхні ванни з окислами заліза, що утворюються в глибині ванни. Перемішування ванни газовими струменями запобігає процесу відстоювання штейна від шлаку. Поганий контакт ванни з кварцом створює сприятливі умови для переокислення закису заліза, що утворюється, до магнетиту, що є в умовах конвертера дуже стійким з'єднанням, що різко погіршує властивості шлаку - в'язкість, питома вага і температуру плавлення. Особливо погіршується контакт кварцового флюсу та ванни з появою помітного шару шлаку, який ізолює ванну від флюсів. Тому доводиться часто припиняти процес продування і зливати з конвертера шлак, що утворився. Внаслідок майже безперервного продування ванни, повітрям маса штейна і шлаку знаходиться не в спокої, а піддається деякому перемішування, особливо в ділянках ванни, що прилягають до стіни фурмену.
У працюючому конвертері безперервно рухаються рідкі та тверді матеріали та продукти плавки. Основними причинами цього руху є динамічний вплив на ванну повітряних струменів, що витікають з фурм, а також сплив газових бульбашок, посилене тепловим розширенням їх під впливом нагріву за рахунок екзотермічних тепловиділень. Найбільш активний рух відбувається у частині ванни, що прилягає до фурменної стінкиконвертер. Тут бурхливо перемішується надфурмовий шар ванни спливаючими з великою швидкістю газовими бульбашками. Гази, що вириваються з ванни, захоплюють із собою масу розплаву, змушуючи її підніматися у вигляді сплесків і фонтанів над дзеркалом ванни на висоту 0,5—1,0 м і вище. Більшість сплесків при нормальній роботі конвертера повертається у ванну, не досягаючи верху кладки та горловини. Деякі дрібніші бризки за інерцією або внаслідок захоплення їх газовим потоком виносять за межі горловини конвертера і потрапляють у газохідну систему або на підлогу цеху. Так як продуктивність конвертерів по перероблюваному штейну прямо визначається кількістю повітря, що вдихається в них, завжди прагнуть до посиленого повітряного живлення конвертерів.
При збільшенні кількості повітря, що надходить через фурми в одиницю часу, бурління ванни біля стіни фурмену посилюється, висота сплесків і фонтанів над дзеркалом ванни зростає і збільшується кількість бризок, що виносяться за межі горловини конвертера. При перевищенні повітряним живленням конвертера деякої граничної кількості повітря викид бризок та сплесків з конвертера може стати катастрофічно більшим, що зробить роботу обслуговуючого персоналу небезпечною, а втрату штейна неприпустимо високою. Подача такої кількості повітря до конвертера нераціональна.
Кількість повітря, яке приймається конвертером, збільшується при підвищенні температури ванни та зниженні її в'язкості. Чим бідніші штейни переробляються в конвертері, тим більша кількість тепла виділяється за рахунок реакцій окислення заліза та сірки і тим більші теплові резерви має конвертер. Якщо не використовувати надлишки тепла, то кладка конвертера буде надмірно перегріватися і передчасно виходити з ладу. Тому длярегулювання температури конвертерів застосовують так звані холодні присадки, у вигляді завантаження холодного штейна, кірка, скрапу та ін, що споживають надлишки тепла на нагрівання та розплавлення. Кількість холодних присадок під час роботи на бідних штейнах може досягати до 40—50% від ваги гарячого штейна. Найбільші тепловиділення в конвертерах відбуваються у періоди їх роботи, коли ванна містить у собі помітну кількість металевого чи сірчистого заліза. Для продування мідних штейнів цей період носить назву першого періоду, для мідно-нікелевих та нікелевих штейнів - періоду набору штейна. Заводські виміри показують, що в цей період ванна та кладка конвертера активно розігріваються.
Недоліки конвертерів: недосконалість процесу шлакоутворення та неможливість отримання відвального шлаку; знижене пряме вилучення металів; трудомісткість прочищення фурм; періодичність процесу та потреба частих зупинок конвертера; велика витрата повітря високого тиску.