§ 38. Кислородно-конверторный способ производства стали

Способ производства стали в конверторах путем продувки жидкого чугуна воздухом, паром или их смесью был предложен в 1856 г. английским изобретателем Генри Бессемером. Первый конвертор представлял собой стальной неподвижныйцилиндр, футерованный огнеупорным кирпичом. Жидкий чугун заливался в конвертор сбоку, у дна конвертора находилось сопло, через которое вдувался воздух. Впоследствии Бессемер усовершенствовал конструкцию своего конвертора, сделал его вращающимся, внешний вид и устройство которого без существенных изменений сохранились до наших дней.

Бессемеровский процесс заключается в следующем. В конвертор, находящийся в горизонтальном положении, заливают чугун, затем через фурмы, расположенные в днище конвертора, подают под давлением воздух и ставят конвертор в вертикальное положение. При продувке кислород воздуха окисляет в чугуне вначале железо, кремний и марганец, что сопровождается выделением (большого количества тепла. С повышением температуры металла и шлака начинает окисляться (выгорать) и углерод. По достижении нужного содержания углерода в металлe конвертор снова поворачивают в горизонтальное положение, дутье прекращают, сталь (выливают в ковш и из него в изложницы. Останки шлака выливают в шлаковою. .Время продувки металла в конверторе, в зависимости от садки конвертора, составляет 12-30 мин.

Температура чугуна, заливаемого в конвертор, 1150-1180°С, а температура выпускаемой стали 1550-1600°С. Тепло, необходимое для проведения плавки, выделяется в результате протекания экзотермических реакций в жидком чугуне при его продувке.

После окончания продувки сталь раскисляют зеркальным чугуном, ферромарганцем и ферросилицием. Выход годной стали от массы металлической шихты составляет 89-91%.

Бессемеровский процесс является так называемым кислым, идущим на кислых шлаках, и футеровка конвертора выполняется из кислого огнеупора -динаса. При этом процессе не удаляются фосфор и сера, являющиеся вредными примесями. Кроме того, в результате тесного контакта с воздухом дутья в ней содержится много азота. Это определяет основные недостатки бессемеровской стали - повышенная хрупкость, особенно при низких температурах, и повышенная склонность к старению.

К достоинствам бессемеровского процесса относятся - высокая производительность, простота конструкции конвертора, экономичность процесса передела, отсутствия необходимости применять топливо.

В настоящее время бессемеровская сталь применяется для изготовления рельсов, сортового проката для строительных конструкций, арматуры.

Малое бессемерование -это процесс выплавки стали в кислых конверторах емкостью от 1 до 3 т с боковой подачей дутья.

Сталь, получаемая при этом процессе, обладает хорошими литейными свойствами - малой газонасыщенностью и большой жидкотекучестью.

В последнее время все больше применяется продувка чугуна в малобессемеровских конверторах воздухом, обогащенным кислородом, а также чистым кислородом. Это повышает производительность процесса плавки и увеличивает выход годной стали.

Проблема переработки фосфористых чугунов в конверторах была решена в 1878 г. Сиднеем Томасом путем применения основной футеровки. Томасовский процесс получения стали заключается в том, что высокофосфористый жидкий чугун продувается воздухом в конверторах с основной футеровкой, с применением в качестве шлакообразующего флюса обожженной извести. Источником тепла в томасовском конверторе является главным образом результат реакции окисления фосфора.

Томасовский процесс производства стали отличается от беосемеровского тем, что фосфор переходит в шлак после окисления кремния, марганца и углерода, поэтому при необходимости выплавки стали со значительным содержанием углерода процесс продувки доводят до конца, затем выпускают из конвертора шлак и затем осуществляют науглероживание стали до нужного содержания углерода.

К недостаткам томасовской стали относятся повышенная хладноломкость, склонность к старению, пониженная деформируемость в холодном состоянии, сравнительно плохая электросвариваемость.

За последние годы при томасовском процессе начали применять кислород, парокислородное дутье, дутье из смеси кислорода с углекислым газом (С0₂), что позволяет получать сталь, близкую по качеству к мартеновской. Томасовскую сталь применяют для изготовления сортового проката, проволоки, рельсов, листа и др.

Развитие бессемеровского и томасовского способов производства стали, несмотря на несомненные их достоинства, ограничивается несколько пониженным качеством выплавляемой в конверторах стали. В настоящее время в СССР и за рубежом внедряются новые усовершенствованные способы производства стали в конверторах, из которых наиболее перспективным является кислородно-конверторный процесс с продувкой чугуна технически чистым кислородом сверху.

Этот способ производства стали был впервые предложен в 1933 г. инженером Н. И. Морозовым. Однако промышленное применение этот метод получил в 1952-1053 гг. в Австрии на заводах в Линце и Донавице, который получил название процесса ЛД. В СССР этот метод начал применяться в 1956 г. на заводе им. Петровского и в настоящее время бурно развивается.

Конверторный способ производства стали, как уже отмечалось, обеспечивает высокую производительность и хорошие экономические показатели сталеплавильных цехов. Однако развитие конверторного производства до недавнего времени ограничилось в основном по двум причинам. Во-первых, в конверторном процессе тепло, необходимое для получения стали, выделяется за счет выгорания элементов, содержащихся в чугуне. Поэтому для воздушно-конверторного процесса требовался чугун с определенным содержанием этих элементов. Во-вторых, при этом производстве через слой металла пропускается большое количество воздуха, в результате чего в стали остается азот, понижающий ее качество. Кроме того, при продувке чугуна воздухом значительное количество тепла тратилось на нагрев азота. Осуществляя продувку жидкой ванны в конверторе технически чистым кислородом, отпадает необходимость в нагреве азота. Благодаря этому стало возможным переделывать чугун любого состава и исключить повышенное содержание азота в стали. Металл, выплавленный этим способом, по качеству не редко стоит выше мартеновского и часто не уступает электростали.

Капитальные затраты на строительство кислородно-конверторного цеха составляют примерно только 45% по сравнению с затратами на строительство мартеновского цеха равной производительности. Себестоимость конверторной стали на 1-3% ниже мартеновской, а производительность труда в конверторном цехе на 40% выше, чем в мартеновском цехе.

Таким образом, применение технически чистого кислорода (изобретение академика П. Л. Капища, СССР) создало благоприятные условия для быстрого развития конверторного производства. За последние годы значительное увеличение выплавки стали в СССР происходит преимущественно за счет роста доли стали, выплавляемой в большегрузных конверторах емкостью 100V350 т.