Взрывы при кислородно-конвертерной выплавке стали

Разновидности и причины взрывов

Наибольшее количество стали выплавляется мартеновским способом. В бывшем СССР этим способом в 1961 г. было выплавлено 85% всей стали.

Сравнительно новым прогрессивным способом является выплавка стали в конвертерах с кислородным дутьем. Этот способ уже завоевал признание и в настоящее время как у нас, так я за границей производится значительное количество кислородно-конвертерной стали. Главнейшим преимуществом производства стали кислородно-конвертерным способом является:

1. Высокая производительность. Часовая производительность конвертера емкостью 70—80 т достигает часовой производительности мартеновской печи садкой 400 г.

2. Более высокая производительность труда рабочих. В конвертерном цехе производительность труда в 1,5 раза выше, чем в мартеновском такой же мощности.

3. Капиталовложения при строительстве конвертерного цеха на 25% ниже, чем при сооружении мартеновского цеха такой же мощности.

4. Себестоимость конвертерной стали ниже стоимости стали, выплавленной мартеновским способом.

Для получения стали в конвертер заливается передельный чугун. Продувка металла ведется кислородом, который вводится в ванну при помощи водоохлаждаемой фурмы, опускающейся сверху (рис. 12).

Рис. 12. Схема установки конвертера: 1 — конвертер; 2 — кессон; 3 — подвод кислорода к фурме и в ванну

Образующиеся при продувках газы выходят из конвертера через горловину и отводятся в специальный уловитель — кессон 2, который для защиты от воздействий высоких температур выложен холодильными плитами, охлаждаемыми водой. По окончании продувки конвертер поворачивается вокруг своей горизонтальной оси и металл после раскисления и небольшой выдержки сливается в ковш для разливки по изложницам.

Основное отличие получения стали конвертерным способом заключается в том, что для нагрева жидкого чугуна, залитого в «грушу» конвертера, до требующейся высокой температуры нет необходимости сжигать топливо. Необходимое тепло получается в результате выгорания примесей в составе чугуна, т. е. от реакций окисления, в первую очередь, кремния и марганца, идущих с выделением большого количества тепла.

Взрывы в конвертерных цехах происходят сравнительно редко, но в связи с большой емкостью современных конвертеров и особенностью взрывов они имеют большую разрушительную силу и опасны для обслуживающего персонала.

Основными видами взрывов в конвертерах являются:

1. Взрывы при контактах металла с водой или влажными материалами.

2. Взрывы, вызываемые бурным протеканием химических реакций во время продувки, раскисления, и при разливке стали.

Рассмотрим один случай взрыва, происшедший в конвертере. На одном металлургическом заводе произошел взрыв в конвертере емкостью 45 т. До взрыва вследствие неполадок около одного часа конвертер с продутым, но не раскисленным мягким металлом стоял в положении продувки. Взрыв произошел во время начала поворота конвертера для раскисления и слива плавки в ковш. Взрывом было оторвано днище конвертера, выброшен металл, повреждена горловина и кессон конвертера. По словам обслуживающего персонала во время вынужденного простоя в конвертер попадала вода из трубок поврежденных холодильников кессона.

Предполагали, что взрыв в конвертере могли вызвать три причины:

1) мгновенное образование большого количества пара от испаряющейся воды, попавшей в конвертер;

2) образование взрывоопасной смеси, состоящей из водорода, выделяющегося в результате реакции в конвертере и смешения его с воздухом;

3) бурное протекание химических реакций, возникших внутри объема металла вследствие нарушения равновесного состояния металла и шлака.

Рассмотрим, какие из этих причин могли вызвать взрыв и причинить такие большие повреждения конструкциям конвертера и какие имели место в действительности.

Взрыв в конвертере и давление пара. На рис. 12 приведен схематически вид конвертера современной конструкции.

Если по словам обслуживающего персонала в конвертер поступала вода из поврежденных холодильников в небольших количествах, то вся она испарялась и пар уходил через горловину и кессон в атмосферу. Испарение небольшого количества воды не могло создать опасного для конструкций давления в полости конвертера.

Если течь в холодильниках была большая и воды в конвертер поступало много, то она не успевала вся переходить в пар — часть ее испарялась, а сравнительно большая часть покрывала шлак некоторым слоем и оставалась в жидком виде.

Расчеты показывают, что для разрыва кожуха конвертера необходимо было создать внутри его давление равное 7—8 ата или в доли секунды заполнить свободный объем конвертера паром, вес которого

где v = 35,4 свободный объем конвертера, м3;

у = 4,122 кГ/м3 — удельный вес пара при 8 ата. Совершенно невероятно, чтобы в доли секунды, в течение которых происходит взрыв, в конвертере могло испариться 145 кг воды и создать давление пара 8 кГ/см2 при наличии свободного выхода для пара через горловину диаметром 2,5 м. Как известно из физико-химических свойств воды, при атмосферном давлении она испаряется медленно и, пока не перейдет в пар последняя капля, температура ее не поднимается выше 100°.

Пар мог бы вызвать в конвертере взрыв в двух случаях: 1) если бы давление его поднялось в закрытой полости конвертера до размеров, превышающих прочность стальных конструкций; 2) если бы кипение воды происходило под значительным давлением и оно быстро понизилось до атмосферного; тогда вода оказалась бы перегретой и «мгновенно» со взрывом весь ее объем перешел бы в пар.

В конвертере оба эти условия полностью отсутствовали и не могли возникнуть и, следовательно, катастрофа была вызвана не давлением пара.

Образование взрывоопасной смеси. В конвертере возможно образование взрывоопасной смеси, состоящей из воздуха и водорода, выделяющегося вследствие реакций

Такая смесь очень взрывоопасна — ее нижний предел изрываемомти при нормальных условиях 4,1% водорода в смеси.

Воспламенение смеси может произойти от искр, вырывающихся из шлака или раскаленных стенок кладки.

Горение водорода в смеси с воздухом происходит по реакции

Количество молей в левой части равенства, вступивших в реакцию,

п = 2 + 1+3,27 = 6,27 молей.

В правой части образовались продукты горения при теоретическом количестве воздуха

т = 2 + 3,27 = 5,27 молей. Давление взрыва такой смеси найдем по ф-ле (2):

где Рвзр и Р0 — давления при взрыве и начальное, ат; Твзр и Т0 — температуры взрыва, определяемые расчетом, и начальной смеси, °К; п и m — количества молей смеси до взрыва и продуктов горения. В свободном пространстве конвертера над металлом нет чистого воздуха — здесь находится смесь пара с воздухом и взрывная смесь могла образоваться лишь в зоне выхода газов из горловины в кессон, где происходит подсос чистого воздуха через зазоры с боков.

Независимо от того, где произойдет взрыв, как видно из расчета, сила взрыва получается большая и, судя по составам продуктов горения и взрывной смеси, такие взрывы вполне возможны в конвертерах.