Конвертерные способы получения стали

Изобретателем конвертерного способа получения стали считают англичанина Г. Бессемера, впервые предложившего и осуществившего в 1854—1856гг. получение стали без расхода топлива, путем продувки воздуха через расплавленный чугун. Предложенный им способ производства стали совершенствовался, видоизменялся другими изоб­ретателями и производственными коллективами. Так возникли и получили применение томасовский процесс, русский процесс и многие другие. В настоящее время получили широкое распространение конвер­терные способы, где для продувки вместо воздуха применяют кислород. Конвертером принято называть большую стальную реторту, футерованную огнеупором. Вместимость современных конвертеров достигает 250…400 т. Конвертер имеет цилиндрическую часть, легко заменяемое днище и конусообразную горловину. Цилиндрическая часть конвертера крепится в литом стальном кольце с двумя цапфами, которыми оно опирается на подшипники двух стоек. Поэтому конвертер может поворачиваться вокруг оси цапф, что необходимо для его обслуживания (заливки исходного чугуна, взятия проб, выпуска готовой стали и т. д.). Конвертеры для томассовского и русского процессов принципиально мало отличаются от бессемеровского, хотя и имеют отдельные конструктивные изменения. Так, например, в ряде литейных цехов нередко применяют конвертеры малой вместимости (1,5…2,5 т) с боковым подводом воздуха. Перед применявшимися ранее способами получения стали бессемеровский способ имел два неоспоримых преимущества — очень высокую производительность, отсутствие потребности в топливе. Недостатком бессемеровского процесса является ограниченная гамма чугунов, которые могут перерабатываться этим способом, так как при динасовой футеровке не удается удалить из металла такие вредные примеси, как серу и фосфор, в том случае, если они содержатся в чугуне. Кроме того, получаемая в конвертере сталь хрупка из-за насыщения ее азотом, содержащимся в воздухе.

Бессемеровский процесс в 1878г. развил английский металлург С. Дж. Томас. Он внедрил в практику футеровку конвертеров доломитом. Такая футеровка позволяла удалять из чугуна фосфор и частично серу.

Томасовский процесс не устранил всех недостатков бессемеровского процесса. Более того, в металле оказалось повышенным содержание кислорода и азота и он больше загрязнен шлаковыми включениями, поэтому качество металла при томасовском процессе было еще ниже. Футеровка томасовского конвертера редко выдерживает более 400 плавок.

Конвертерное производство стали постоянно совершенствовалось. Мастера и инженеры уральских заводов разработали оригинальный способ конвертерной переработки чугунов с пониженным содержанием кремния и около 1,5 % марганца. Этот способ затем нашел последователей на многих западноевропейских заводах и получил название русского бессемерования (русский процесс).

Важным этапом, обеспечившим конвертерному способу повсеместное широкое применение, явилась замена воздушного дутья кислород­ным. Предложения о такой замене поступали давно и возможность применения кислорода для этой цели успешно изучались многими со­ветскими учеными (К. Г. Трубиным, Н. И. Мозговым и др).

В настоящее время имеет место широкое практическое решение этой проблемы.

В ряде стран построены конвертерные цехи, оборудованные 100- и 250-тонными конвертерами, работающими на техническом кислороде.

В современном кислородно-конвертер ном способе получения стали на большинстве заводов используют глуходонные конвертеры 6 (рис. 5.1).

Футеруют эти конвертеры обычно смолодоломитовым или магнезитохромитовым кирпичом. Кислород вдувают в конвертер через вертикальную трубчатую водоохлаждаемую фурму 2, опускаемую в горловину конвертера 3, но не доходящую до уровня металла на 1200—2000 мм.

Таким образом, кислород 5 вдувается не под зеркало металла (как воздух в старых конвертерных процессах), а подается к поверхности залитого в конвертер металла. Однако и при таком способе подвода кислорода процесс идет с большим выделением теплоты, что дает возможность перерабатывать чугуны с различным содержанием примесей, а также вводить в конвертер не только жидкий металл, но и добавлять к нему скрап (металлический лом) и железную руду (количество скрапа до 30 % от массы жидкого металла).

Началом очередного цикла в кислородном конвертере является завалка в него лома и других металлических отходов, а иногда и железной руды. Затем в предварительно наклоненный конвертер начинают заливать жидким чугуном, подвозимым из миксера в чугуновозных ковшах. После того как металл займет ~1/5 объема конвертера, его ставят в вертикальное положение. После этого загружают известь, необходимую для связывания фосфора, содержащегося в чугуне и ломе.

В конвертер опускают водоохлаждаемую фурму и подают техниче­ский кислород. В конвертере начинается интенсивный процесс окисления металла кислородом с выделением теплоты по реакции

 

2[Fе] + О₂ = 2(FеО) + Q

(У металлургов при описании плавки принято химические элементы и соединения, находящиеся в металле, заключать в квадратные скобки, а находящиеся в шлаке — в круглые.)

Окисляются и примеси, но окисление их возможно не только кислородом, но и закисью железа FеО по реакциям:

. [Si] + O₂ = (SiO₂) + Q

. [Мп] + (FеО) = [Fе] + (МпО) + Q

2[Р] + 5(FеО) = 5[Fе] + (Р₂0₅) + Q

2[С] + О₂ = 2СО − Q

 

Все эти реакции протекают в конвертере с кислородным дутьем одновременно, причем последняя реакция способствует лучшему перемешиванию нижних слоёв металла.

После 15…16-минутной продувки поднимают фурму, наклоняют конвертер, берут пробу металла на экспресс-анализ. Затем скачивают большую часть шлака, на что уходит 7…8 мин; за это время экспресс-анализом определяются основные параметры стали и конвертер вновь ставят в вертикальное положение, опускают фурму и вторично продувают кислородом в течение нескольких минут. Время продувки зависит от данных анализа и заданной марки стали.

В это время продолжаются реакции окисления и интенсивно идут реакции шлакообразования

SiO₂ + 2СаО = 2СаО• SiO₂

Р₂O₅ + 4СаО = 4СаО• P₂O₅

В конце вторичной продувки в конвертер вводят раскислители. Раскисление ведут марганцем и кремнием, а точнее их ферросплавами, так как их окислы образуют с окислами железа жидкую шлаковую фазу, помогающую вывести продукты раскисления из металла. Часть раскислителей вводят в конвертер за несколько минут до разливки. | Завершается раскисление обычно в разливочном ковше.

Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали в конвертере составляет 50…60 м³, что незначительно превышает тео­ретически необходимое количество.

Затем фурму вновь поднимают, конвертер наклоняют, берут конт­рольную пробу металла, термопарой измеряют его температуру, после чего сталь выпускают через боковую фурму 1 в разливочный ковш; после слива метал­ла скачивают оставшийся шлак и заделывают вы­пускное отверстие. Весь технологический цикл пла­вки занимает 50…60 мин, а продолжительность про­дувки кислородом состав­ляет от 18 до 26 мин (рис. 5.2).Поворот конвертера, подъем и опускание водоохлаждаемой кислородной фурмы, загрузку сыпучих добавок и некоторые дру­гие технологические опера­ции осуществляют с пуль­та управления, располо­женного на расстоянии нескольких десятков мет­ров от конвертера. Опре­деление продолжительно­сти и режима дутья, вре­мени взятия пробы и дру­гие параметры плавки на ряде заводов определяют с помощью счетно-решаю­щих устройств. Ведутся исследования по полной автоматизации всего кон­вертерного передела.

Порядок окисления при­месей и последовательность технологических операций может существенно изме­няться и отклоняться от вышеизложенного, в зависимости от состава исходных чугунов, ха­рактера флюса и металлических добавок (железная руда, стружка, металлический лом и др.).

Благодаря тому что окисление углерода и фосфора в кислород­ном конвертере идет одновременно, создается возможность остано­вить процесс на заданном содержании углерода и получать в нем довольно широкую гамму углеродистых сталей при достаточно низком к содержании фосфора и серы в металле, которые удаляются в этом в процессе в шлак с помощью извести.

Стали, более чистые по сере и фосфору, в кислородном конвертере удается получить потому, что более горячий ход плавки в таком конвертере позволяет иметь более известковые шлаки. Удаление серы, содержащейся в чугуне и стали, может протекать по следующей схеме:

 

[Fе] + [S] + (СаО) ↔ (FеО) + (СаS)

Чем больше извести в шлаке, тем больше равновесие реакции смещается вправо, т.е. тем больше серы переходит в шлак. Выпуск металла в современном конвертере проводится не через горловину 3, а через верхнюю летку 1, что также предохраняет металл от поглощения азота, так как вся поверхность стали в конвертере в это время закрыта слоем шлака.

Получение стали завершается ее раскислением, так как этот процесс носит окислительный характер, а окисление примесей всегда одновременно ведет к окислению железа и растворению в нем его закиси. В разных способах получения стали раскисление ведется различно.

 

 

Рис.5.2. Получение стали из чугуна в кислородном конвертере:

1 -завалка лома-3мин; 2 - заливка чугуна-5 мин; 3 - загрузка извести-1мин; 4 - продувка (первый период 16 мин, второй- 8 мин); 5 - выпуск стали- 5 мин, 6 - скачка шлака (после первой продувки- 8 мин; после выпуска стали – 3 мин)

 

Недостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является большое пылеобразование, обусловленное обильным окислением и испарением железа. Это требует обязательного сооружения при конвертерах сложных и дорогих пылеочистительных установок.

 

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. В чём преимущество кислородного конвертера перед томассовским и бессемеровским способом получения стали?

2. Недостатки кислородно-конвертерного способа получения стали?

3. Цель и способы раскисления стали?