§ 17. Производство стали методом продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом в конвертерах

Для производства стали методом продувки чугуна воздухом и кислоро­- дом используют жидкий чугун непосредственно из доменных печей или металлоприемников.

Тепло, необходимое для нагрева жидкой стали до высоких темпера­тур, в этих процессах получается за счет химических реакций окисления примесей чугуна (Mn, Si, P, С).

При окислении примесей кислородом выделяется значительное коли­чество тепла, которое и нагревает металл.

Наибольшее количество тепла выделяют при окислении кремний, фос­фор и марганец. Эти элементы используются при продувке чугуна как источник тепла (кремний в кислом, а фосфор в основном конвертере).

Конвертеры (фиг. 16) для продувки чугуна на сталь имеют грушевид­ную форму. Кожух 1 конвертера склепан или сварен из листовой стали.

Фиг. 16. Конвертер для продувки чугуна в сталь

По размерам и объему конвертеры с основной футеровкой несколько 'больше, чем конвертеры с кислой футеровкой, так как в первых значи­тельная часть рабочего пространства занята шлаком. Емкость современ­ных кислых конвертеров достигает 10—20 т, основных 25—30 т. На фиг. 16 представлена конструкция основного конвертера емкостью 30 т. Кожух 1 конвертера опоясан литым кольцом 2, к которому прикреплены две цапфы 3. Цапфы покоятся в подшипниках, установленных на опорах 4. Воздух по колену 5 поступает в пустотелую цапфу 3, проходит в колено 6 и попадает в воздушную коробку 7. Конвертер имеет днище 8 с отверстиями для подвода воздуха из воздушной коробки к жидкому металлу. На другой цапфе закреплено зубчатое колесо 9, служащее для поворота конвертера во время наполнения его чугуном и в момент выпуска стали и шлака. Зуб­чатое колесо'9 соединено с зубчатой рейкой 10, которая связана с гидравли­ческим цилиндром //. Для удобства обслуживания конвертера во время плавки устроена площадка 12.

Футеровка 15 кислых конвертеров выдерживает 1000—3000 плавок; •основная футеровка разрушается быстрее — после 350—400 плавок. Днища конвертеров разрушаются очень быстро: кислые после 20—30 плавок, •основные после 40—75 плавок; их приходится часто менять, поэтому кон­структивно днища выполняют сменными. Для того чтобы облегчить труд и ускорить смену днища, применяют специальную тележку 13 с гидравли­ческим подъемником. Тележку перекатывают по рельсовому пути.

Для наполнения конвертера металлом его поворачивают в горизон­тальное положение и наливают жидкий чугун через горловину 14 с таким расчетом, чтобы не заливались отверстия для подачи воздуха в днище. При загрузке основного конвертера в него перед заливкой чугуна загру­жают окись кальция СаО до 14% веса металла. После заливки жидкого чугуна пускают дутье и поворачивают конвертер в вертикальное положе­ние С этого момента начинается процесс окисления железа, примесей и по­лучения стали. В конце процесса конвертеры снова поворачивают в гори­зонтальное положение, выключают дутье, раскисляют сталь и сливают ее в ковш.

Производство стали в бессемеровском конвертере с кислой футеровкой

Для производства стали в конвертере с кислой футеровкой применяют жидкий чугун марки Б-1 (см. § 13).

Воздух, проходящий через жидкий чугун, вносит кислород, который по закону действующих масс взаимодействует в первую очередь с желе­зом Процесс окисления железа продолжается в течение всего периода плавки, поэтому примеси окисляются сразу в двух направлениях: за счет проходящего через металл кислорода воздуха и за счет образующейся и растворяющейся в металле закиси железа.

В процессе продувки воздуха через металл различают три характер­ных периода плавки в кислых конвертерах.

Первый период характерен окислением железа, кремния, марганца и образованием шлака:

2Fe + 0₂ — 3FeO

Si + 2FeO Si0₂ + 2Fe

Mn + FeO MnO + Fe.

Образующиеся окислы соединяются между собой и оплавленной футе­ровкой:

МnО + Si0₂ MnOSiO ;

FeO +Si0₂ FeOSiO ,

и образуют шлак, который всегда имеет в избытке SiO₂; в противном слу­чае SiO, будет переходить в шлак из стенок конвертера.

Количество выгоревших примесей в зависимости от времени продувки приведено на графике (фиг 17, а), который показывает, что углерод в первом периоде почти не выгорает, так как на реакцию его окисления требуется высокая температура. Только после выгорания кремния и мар­ганца и после нагрева металла за счет выделенного ими тепла начинает выгорать углерод. С этого момента наступает второй период процесса, характеризуемый окислением углерода:

С + FeO СО + Fe.

Выделяющаяся окись углерода в атмосфере сгорает в углекислоту С0₂.. образуя факел светлого пламени над горловиной, который по мере выгора­ния углерода сокращается. На этом кончается второй период плавки. В указанный момент плавку прекращают, так как при малом количестве углерода закись железа не успевает восстанавливаться и железо будет окисляться дальше в окись железа. Окислы железа выделяются из кон­вертера в виде бурого дыма.

Общая продолжительность продувки в кислом конвертере составляет 8—20 мин. Останавливают плавку следующим образом; конвертер пово­рачивают в горизонтальное положение и выключают дутье. Последний, третий период плавки состоит в раскислении металла. Раскисляют, металл для удаления растворенной в жидкой стали закиси железа FeO Эта примесь вредна, так как понижает механические свойства металла. Окисленный металл во время ковки образует трещины.

Для раскисления металла применяют раскислители. Последние должны соединяться с кислородом, который связан с железом. Обычными, наиболее

Фиг, 17 Графики выгорания примесей при продувке чугуна в конвертерах а — с кислой футеровкой; б — с основной футеровкой

доступными раскислителями являются марганец, кремний, алюминий, углерод. Углерод может раскислять металл при высоких температурах:

FeO + С Fe + СО — 37 930 кал,

так как он потребляет тепло при раскислении; другие раскислители выде­ляют тепло:

FeO + Mn Fe + MnO + 28 690 кал;

2FeO + Si 2Fe + Si0₂ + 76 600 кал;

3FeO + Al 3Fe + A1₂0₃ + 200 410 кал.

Раскислители вводят в металл в виде ферросплавов (ферромарганец, ферросилиций) или в чистом виде (алюминий). Раскислители вводят раз­личными способами в конвертер, в разливочный ковш при разливке

Плавку ведут с окислением всех примесей, но в конце плавки для полу­чения заданного состава стали в нее добавляют расчетное количество ферро­сплавов.

Основной недостаток плавки в конвертере с кислой футеровкой состоит в том, что вредные примеси (фосфор, сера) не удаляются.

Почему не удаляется фосфор из мелалла, достаточно ясно из тех реакций, которые претерпевают фосфор и его соединения. Так, например, нахо­дящийся в металле фосфор может окисляться по реакции

2Р + 5FeO Р₂0₆ + 5Fe + 46 900 кал.

Фосфорный ангидрид, соединяясь с закисью железа, образует соль (FeO)₃P 0₃. Но эта соль разлагается избытком кремнезема Si0₂, который содержится в шлаке и в стенках футеровки. Кремнезем, соединяясь с за­кисью железа, вытесняет фосфорный ангидрид:

(FeO)₃ Р₂0₅ + 3Si0₂ 3FeOSi0₂ + Р₂0₅.

Ангидрид фосфорной кислоты Р₂0₅ будет восстанавливаться углеродом по реакции

Р₂0₅ 4- 5С -* 2Р -f 5CO.

Для удаления фосфора из металла нужно, чтобы шлаки обладали основными свойствами. Для этой цели применяют конвертеры с футеров-, кой из основных материалов.

Производство стали в томасовском конвертере с основной футеровкой

Для плавки стали в конвертере с основной футеровкой используют жидкий чугун марки Т-1 (см. § 13), в котором содержится до 2,2% фосфора.

Футеровку конвертера для проведения основного процесса изготовляют из доломитового кирпича, а днище набивают из смеси доломита и камен­ноугольной смолы. В качестве флюса для образования шлака применяют свежее обожженную известь.

В конвертер загружают известь, заливают чугун, пускают дутье, после чего поворачивают конвертер в вертикальное положение. С этого момента начинают выгорать примеси. В данном процессе при продувке окисляется железо:

2Fe + 0₂ -> 2FeO,

а образующаяся закись железа будет растворяться в металле и окислять' примеси

Процесс плавки разделяется на отдельные периоды; количество выго­ревших примесей во время плавки приведено на графике (фиг. 17, б)

Первый период плавки характеризуется окислением кремния и мар­ганца. Образующийся кремнезем SiO связывается с окисью кальция:

2СаО+ Si0₂ (CaO)₂Si0₂.

Закись марганца МnО и часть закиси железа FeO переходит в шлак. Углерод и фосфор в этот период слабо окисляются.

Когда металл нагреется, начинается второй период, который характе­рен интенсивным выгоранием углерода:

С + FeO Fe + CO.

Когда содержание углерода снизится до десятых долей процента, на­чинается третий период, который характеризуется горением фосфора:

2Р + 5FeO Р₂0₅ + 5Fe + 47 850 кал;

Р₂О_б + 3FeO (FeO)₃P₂0₅ + 52 360 кал;

(FeO)₃P₂0₅ + 4CaO (СаО)₄Р₂О₂ + 3FeO + 108 340 кал.

В конвертере с основной футеровкой в третьем периоде за счет тепла окисляющегося фосфора металл быстро нагревается до высоких темпе­ратур.

Получающийся фосфат (CaO)₂P₂O₅ содержится в шлаках, которые используют как минеральное удобрение или как флюс в доменной плавке для введения фосфора в чугун. Из рассмотрения графика фиг. 17, б следует, что плавка в конвертере с основной футеровкой не может быть оста­новлена в любой момент, так как в металле будет находиться фосфор.

Поэтому при основном процессе получают сталь с содержанием углерода примерно 0,1—0,2%. Для получения более твердых сортов металла в эту сталь в конце плавки добавляют необходимое количество ферромар­ганца. Вместе с ферромарганцем в металл вводят углерод, марганец и дру­гие примеси. Увеличение содержания примесей в металле приведено на фиг. 17, б.

В основном процессе плавки создаются условия, благоприятные для частичного удаления серы в шлак. FeS в металле соединяется с Мn, т. е. образуется MnS по реакции

FeS + Mn MnS + Fe.

MnS поднимается в шлак и соединяется с СаО по реакции

MnS + СаО CaS + MnO.

Раскисление стали, выплавленной в основном конвертере, имеет важ­ное значение, так как закись железа в высокоосновном шлаке находится в свободном состоянии. Кроме того, в этом шлаке содержится большое количество фосфора (до 10%). Поэтому для предохранения стали от по­падания в нее закиси железа и фосфора из шлака последний перед рас­кислением скачивают с поверхности металла.

На, поверхность металла забрасывают новый шлак и после этого рас­- кисляют металл. Часть раскислителей загружают в конвертер и часть в разливочный ковш.

Качество стали, выплавленной в конвертере с кислой футеровкой, не­сколько выше качества стали, выплавленной в конвертере с основной футеровкой, так как раскисление кислой стали можно провести более полно. Сталь, выплавленная в конвертере с кислой футеровкой, применяют для изготовления сварных труб, винтов, шурупов, рельсов, проволоки и другого прокатного материала. Сталь, выплавленную в конвертере с основной футеровкой, применяют в виде мягких сортов (кровельное же­лезо, проволока, сортовое железо). После добавки углерода и марганца из этой стали можно прокатывать рельсы.

Процессы продувки чугуна в конвертерах имеют ряд преимуществ перед другими способами плавки стали, как-то: высокая производительность кон­вертеров, простота устройства их, небольшие эксплуатационные расходы; кроме того, не требуется топлива и энергии для нагрева металла и т. д.

Недостатки, этих процессов на воздушном дутье сводятся к тому, что нельзя перерабатывать в значительных количествах лом стали, тре­буется только жидкий чугун, угар металла доходит до 15%, выход стали составляет 85% всего жидкого чугуна, залитого в конвертер, трудно по­лучить точный химический состав металла, трудно регулировать ход пла­вки, металл насыщается газами и др.

При подводе кислорода в конвертер через специальные огнеупорные фурмы сбоку (фиг."18, а) или снизу (фиг. 18, б) они быстро разрушаются. Более рациональным способом является подвод кислорода в конвертер сверху с помощью водоохлаждаемой медной фурмы (фиг. 18, в).

Наконечник фурмы / (фиг. 18, в) изготовляют из чистой красной меди и соединяют со стальными цельнотянутыми трубами, по которым подаются кислород и вода для охлаждения фурмы. Общая длина фурмы более 5 м. Вода для охлаждения подается под давлением 6-7 am при расходе 8— 10 л/сек. Перемещение фурмы вверх и вниз производится при помощи элек­тролебедки 2, а уровень опускания фурмы контролируется рейкой 3.

Наибольшее распространение находят конвертеры с футеровкой из основных материалов, так как в них можно перерабатывать в мягкую сталь передельные мартеновские чугуны с содержанием фосфора 0,2—0,3%. Перед

началом заливки чугуна в конвертер загружают известь (5—8% веса жидкого чугуна в зависимости от содержания кремния в чугуне).

Продувку ведут при давлении кислорода 4—9 am. Фурма во время продувки находится на расстоянии 453-800 мм от уровня стали в конвер­тере. Расход кислорода в зависимости от химического состава чугуна 50 - 60 м³/т.

Фиг. 18. Схема подвода кислорода в конвертер:

а.— сбоку; б — снизу; е — сверху; / — фурма; 2 — электролебедка; 3 — мерная рейка

Выход стали колеблется в пределах 87—92%. Уменьшается угар металла, ускоряется плавка. Стойкость огнеупорной футеровки несколько снижается по сравнению с воздушным дутьем.

При содержании фосфора в исходном чугуне 0,2—0,3% содержание - фосфора в готовой стали составляет 0,016—0,045%, что позволяет при кислородном дутье расширить сырьевую базу для конвертерного способа, производства стали.