Общи характеристики на преобразуването на мат
Според химията на реакциите, протичащи в конвертора, процесът е ясно окислителен по природа, в резултат на което матовите компоненти, които проявяват афинитет към кислорода, бързо се окисляват и отстраняват от конвертора под формата на шлака, газове или прах. Желязото, кобалтът, сярата, цинкът, оловото и арсенът се отстраняват най-лесно и напълно при издухване на кейн.
Основният изходен материал за преобразувателите е разтопен камък, получен в резултат на топенето на медни, никелови или медно-никелови руди. В допълнение към течния мат, в преобразуватели се зареждат студени материали: мат, мед, сплави, руди, както и кварцови потоци. Обикновено не се изисква гориво или електричество за обработка на мат в конвертор, тъй като необходимата топлина се получава от екзотермичните окислителни реакции на желязо и сяра.
Конверторите са основното металургично звено за обработка на щейн в металургията на медта, никела и оловото.
Работата на конверторите се състои от комплекс от химични и физични процеси, протичащи във вана от разтопен мат, продухан с въздух. Подобно на шахтовите пещи, основните процеси в конвертора са недостъпни за пряко наблюдение, което значително усложнява тяхното изучаване и познаване.
Общата картина на развитието и връзката на основните процеси в конвертора са представени по следния начин. Разтопен мед, никел или медно-никелов мат се излива в конвертора през гърлото в количество от 1-2 кофа и се продухва с въздух в присъствието на кварцов поток за 35-50 минути. След продухването образуваната конверторна шлака се източва, излива се нова порция щейн, зарежда се кварц и се повтаря продухването и т.н. Постепенно в конвертора се натрупва обогатена маса, състояща се от Cu2S или Ni3S2. За меден мат след натрупванедостатъчен CU2S и отстраняване на цялото желязо, продухването продължава без поток, докато се отстрани цялата сяра и се получи блистерна мед. За никел и медно-никелов мат, процесът завършва с производството на Ni3S2 сулфиди или сплав от Ni3S2 и Cu2S под формата на мат. Обработеният разтопен щейн се намира в долната част на конвертора, образувайки баня с обща дълбочина 0,6–1,5 м. На повърхността на ваната плуват парчета кварцов флюс, а също така има слой течна конверторна шлака, образувана по време на продухване.
Въздухът се подава във ваната на дълбочина 0,5–0,7 m от повърхността й през специални дупки за фурми. Налягането на въздуха значително надвишава хидростатичното налягане на разтопения матов слой, в резултат на което въздушната струя прониква в матовия слой на известно разстояние от стената на фурмата. Поради високото специфично тегло на разтопената матова маса (5–7), тя осигурява на въздушната струя значителна устойчивост на разрушаване и също така създава голямо хидростатично налягане върху нея, което кара въздушната струя да се обърне нагоре и да изплува към повърхността на ваната скоро след като напусне фурмата. Следователно, при страничното разположение на фурмите, което се предлага във всички конвертори на цветната металургия, аерирането на банята се извършва в ограничена зона на банята, съседна на стената на фурмата. Може да се приеме, че площта, активно смесена с въздух, е не повече от 1/3 от ширината на конверторната вана, а останалите 2/3 от широчината на ваната не се продухват чрез директно издухване на въздух.
Изтичащите от фурмите въздушни струи са с начална скорост 100-150 m/s. Голяма маса относително студен въздух, напускащ фурмите в непрекъснати потоци, които все още не са разделени на отделни мехурчета, причинява охлаждане на стопилката в близост до стената на фурмите и образуванетофурми натрупвания под формата на чорапи с постепенно намаляващ свободен проход. Натрупванията на фурмите намаляват напречното сечение на фурмите и постепенно намаляват тяхната пропускателна способност, което в крайна сметка може да доведе до пълно спиране на подаването на въздух към преобразувателя и неговата повреда. За да се предотврати това, е необходимо периодично да се пробиват копията с прекъсвания, които механично събарят образувалите се натрупвания и увеличават сечението за преминаване на въздуха. Въздушната струя, проникваща в масата на разтопения мат, се разпада на голям брой малки мехурчета, които влизат в активно химично взаимодействие със сулфиди и метали.
Високата температура на банята (1200-1300°C), разтопеното състояние на материалите и значителната контактна повърхност между въздуха и стопилката значително интензифицират химичните процеси на окисление, които протичат с много висока скорост. Високата скорост на химичните реакции в конвертора се доказва убедително от факта, че степента на използване на взривния кислород е много висока, не по-ниска от 90-95%, като времето на престой на кислорода във ваната се измерва в десети от секундата. Химическите процеси протичат най-активно в участъка на банята, продухван с въздух, т.е. близо до стената на фурмата. Основните окислителни процеси в конвертора са окислителните реакции на желязото и сярата, които осигуряват необходимата топлина за нормалното протичане на процеса, без разходите за гориво и електроенергия.
В резултат на окисляването на сярата се образува газообразен серен диоксид, който се смесва с азота на въздуха и остатъците от нереагиралия кислород. Получената газова смес изплува на повърхността на ваната в зоната до фурмите и запълва газовия обем на конвертора, от който е под малъкположителното налягане се отстранява през шията.
В резултат на окисляването на желязото се образуват оксиди FeO и Fe304, които са във ваната в течно състояние и се отстраняват от ваната с конверторна шлака.
За разлика от окислителните процеси, протичащи при много благоприятни условия, процесът на образуване на шлака в конвертора протича при много трудни условия, които изключват възможността за получаване на отпадъчна шлака. Процесът на шлакообразуване се затруднява от несъвършения контакт на кварцовия флюс, плаващ по повърхността на ваната, с железните оксиди, образувани в дълбочината на ваната. Смесването на ваната с газови струи предотвратява утаяването на мат от шлака. Лошият контакт на ваната с кварца създава благоприятни условия за преокисляване на получения железен оксид до магнетит, който е много стабилно съединение в конверторни условия, което рязко влошава свойствата на шлаката - вискозитет, специфично тегло и точка на топене. Контактът на кварцовия флюс и ваната е особено влошен с появата на забележим слой шлака, който изолира ваната от потоци. Поради това често се налага спиране на процеса на продухване и източване на получената шлака от конвертора. Поради почти непрекъснатото продухване на банята с въздух, масата от мат и шлака не е в покой, а е подложена на известно смесване, особено в участъците на банята, съседни на стената на фурмата.
В работещ конвертор течните и твърдите материали и продуктите на топене се движат непрекъснато. Основните причини за това движение са динамичното въздействие върху ваната на въздушни струи, изтичащи от фурмите, както и появата на газови мехурчета, засилени от термичното им разширение под въздействието на нагряване поради екзотермично отделяне на топлина. Най-активното движение се случва в частта на банята, прилежаща към стената на фурмата.конвертор. Тук слоят над фурмата на ваната се смесва енергично от газови мехурчета, излизащи с висока скорост. Газовете, излизащи от ваната, увличат масата на стопилката със себе си, което я кара да се издига под формата на изблици и фонтани над огледалото на ваната на височина от 0,5–1,0 m и повече. Повечето от изблиците по време на нормална работа на конвертора се връщат във ваната, без да достигат горната част на зидарията и шията. Известно количество по-малки пръски, поради инерция или поради увличането им от газовия поток, се изнасят от гърловината на конвертора и навлизат в газопроводната система или върху пода на цеха. Тъй като производителността на конверторите по отношение на обработвания мат се определя пряко от количеството въздух, вдухан в тях, те винаги се стремят към подобрено подаване на въздух към конверторите.
С увеличаване на количеството въздух, влизащ през фурмите за единица време, кипенето на ваната в близост до стената на фурмата се увеличава, височината на пръските и фонтаните над огледалото на ваната се увеличава и количеството на пръските, изнесени извън гърлото на конвертора, се увеличава. Ако подаването на въздух към преобразувателя надхвърли определена граница, количеството пръски и пръски от преобразувателя може да стане катастрофално голямо, което ще направи работата на обслужващия персонал опасна, а загубата на мат неприемливо висока. Подаването на такова количество въздух към конвертора е нерационално.
Количеството въздух, поет от преобразувателя, се увеличава с повишаване на температурата на ваната и нейният вискозитет намалява. Колкото по-лоши щейн се обработват в конвертора, толкова повече топлина се отделя поради окисляването на желязото и сярата и толкова по-големи са топлинните резерви на конвертора. Ако не се използва излишната топлина, зидарията на конвертора ще прегрее прекомерно и ще се повреди преждевременно. Следователно, заЗа контролиране на температурата на преобразувателите се използват така наречените студени добавки под формата на натоварване от студен мат, кори, скрап и др., Които консумират излишната топлина за нагряване и топене. Количеството на студените добавки при работа върху лош мат може да достигне до 40-50% от теглото на горещия мат. Най-голямото отделяне на топлина в преобразувателите се получава през тези периоди на тяхната работа, когато ваната съдържа значително количество метален или железен сулфид. За издухване на медни щейни този период се нарича първи период, за медно-никелови и никелови щейни - период на фиксиране на матира. Фабричните измервания показват, че през този период банята и зидарията на конвертора се затоплят активно.
Недостатъци на конверторите: несъвършенство на процеса на образуване на шлака и невъзможност за получаване на отпадъчна шлака; намалено директно възстановяване на метали; сложността на почистването на фурмите; периодичност на процеса и необходимост от чести спирания на конвертора; голям поток от въздух под високо налягане.