1.2.3. Виробництво сталі в кисневих конвертерах

Кисневий конвертер складається із сталевого кожуха 2 (рис.1.2.3), звареного з листа, основної футерівки З та отвору 5 для виливання сталі. Конвертер має цапфи (на рисунку не зобра­жені) з горизонтальною віссю, навколо якої можна його повер­тати для завантаження скрапу, наливання чавуну, насипання флюсу й залізної руди й виливання сталі та шлаку. Конвертер вміщує від 100 до 400 т рідкого чавуну.

Шихтовими матеріалами для киснево-конвертерного проце­су служать: рідкий переробний чавун (понад 70 %), скрап (до 25 %), залізна руда (до 10 %), вапно СаО, а також плавиковий шпат CaF₂ — для розрідження шлаку.

Перед плавленням конвертер нахиляють для завантаження скра­пу. Далі наливають чавун, що має температуру 1300...1450 °С. Потім конвертер повертають у вертикальне положення, в нього вставляють водоохолоджувану фурму 4, через яку вдувають

кисень (99,5...99,8 %) під тиском 0,9...1,4 МПа. Водночас у кон­вертер насипають залізну руду, вапно і плавиковий шпат. Стру­мінь кисню проникає вглиб металу й спричинює оксидацію. Час продування киснем становить 12...25 хв, а тривалість одні­єї плавки — 30...55 хв.

Після наливання чавуну починається розплавлювання скра­пу, температура в конвертері поступово підвищується від теплоти реакцій оксидації, що зумовлені вдуванням кисню. Оскільки на початку температура ванни відносно низька, то за принци­пом Ле Шательє активно відбуваються екзотермічні реакції. Внаслідок того, що концентрація заліза у ванні дуже висока, за законом діючих мас його оксидація відбувається дуже інтенсивно:

2Fe + О, = 2FeO + 527,36 кДж. (1.2.1)

Утворений оксид заліза FeO розчиняється у металі й реагує зі спорідненішими з киснем, ніж залізо, елементами — кремні­єм, фосфором і марганцем:

2FeO + Si = 2Fe + Si0₂ + 330,50 кДж, (1.2.2)

5FeO + 2P = 5Fe + P₂0₅ + 225,94 кДж, (1.2.3)

FeO + Mn = Fe + MnO + 122,59 кДж. (1.2.4)

Оксиди Si0₂ і MnO погано розчиняються в металі і, маючи меншу густину, випливають на його поверхню, утворюючи шлак. Фосфорний ангідрид Р₂0_, вступивши в реакцію з окси­дом кальцію СаО, утворює фосфід кальцію, який також пере­ходить у шлак:

Р₂0. + ЗСаО - (СаО)₃-Р,0₅ + 676,72 кДж. (1.2.5)

Вміст фосфору в шлаці швидко зростає, наближаючись до насичення. Щоб продовжити дефосфоризацію, виливають шлак і насипають свіжу порцію СаО. Завдяки реакціям (1.2.1-1.2.5) температура металу помітно підвищується, активізуючи окси­дацію вуглецю:

FeO + С = Fe + CO - 153,93 кДж. (1.2.6) 35

Бульбашки CO, піднімаючись вгору, добре перемішують вміст ванни, вирівнюють склад і температуру металу та сприяють вилученню газів і неметалевих вкраплень.

Збільшення температури ванни помітно поліпшує умови для переведення добре розчинного в металі сульфіду заліза FeS у погано розчинний сульфід кальцію CaS, що переходить у шлак:

FeS + СаО = CaS + FeO. (1.2.7)

Наявні у металі вуглець і оксид заліза сприяють перебігу реакції (1.2.6), внаслідок чого в майбутньому зливку залишаєть­ся безліч порожнин, заповнених CO. Сталь з такими порожни­нами називають киплячою. Ці порожнини можуть спричиняти крихке руйнування при низьких температурах. Щоб зменшити небезпеку такого руйнування, необхідно усунути причину ки­піння сталі шляхом дезоксидації, тобто відновлення FeO до чистого заліза за допомогою марганцю, кремнію та алюмінію. Зовсім дезоксидовані сталі називають спокійними, а частково дезоксидовані — напівспокійними.

Дезоксидацію здійснюють у ковші під час випуску сталі з конвертера в такій послідовності: спочатку феромарганцем, по­тім — феросиліцієм і наприкінці — алюмінієм:

FeO + Mn = Fe + MnO + 122,59 кДж, (1.2.8)

2FeO + Si = 2Fe + Si0₂ + 330,50 кДж, (1.2.9)

3FeO + 2A1 = 3Fe + A1₂0₃ + 884,00 кДж. (1.2.10)

Утворені оксиди марганцю, кремнію й алюмінію виплива­ють на поверхню металу й утворюють шлак.

Коли виплавляють леговані сталі, легувальні елементи вводять до їхнього складу у вигляді феросплавів або чистих металів. Еле­менти (Ni, Co, Mo, Cu), що мають меншу спорідненість з киснем, ніж залізо, можна додати в конвертер під час виплавлення, а спо-рідненіші — Si, Mn, Al, Cr, V і Ті додають безпосередньо у ківш.

Переваги киснево-конвертерного виробництва сталі:

• порівняно низькі капіталовкладення на спорудження кис­нево-конвертерних цехів;

• висока продуктивність;

• отримана сталь за якістю не поступається мартенівській;

• можна переробляти значну кількість (до 25 %) скрапу;

• не потрібно палива. Недоліки:

• значні втрати металу на вигар;

• труднощі, пов'язані з виплавленням сталей, що містять легкооксидівні елементи;

• процес вимагає значної кількості (до 80 %) рідкого чавуну.