3.2. Бесемерівський процес

Садка промислових конвертерів складала 20-35 т і визначала внутрішні розміри конвертера. Вихідними параметрами при розрахунках розмірів агрегату були питомий обсяг порожнини конвертера (0,8-1,2 м3/т) і висота ванни, що дорівнює 0,4-0,6 м.

Товщина робочого шару футеровки із динасової цегли (92-95% Si02) складала 350 мм, стійкість футеровки досягала 800-1000 плавок. Стійкість набивного днища із кварцового і шамотного порошків з вогнетривкою глиною в якості в'яжучого складала 20-30 плавок. Число

фурм, що закладаються у днище при його формуванні, визначали розрахунком, виходячи з необхідної питомої площі перерізу сопел (8-15 см2/т садки).

Окислення домішок у бесемерівській плавці

У зоні дуття, в умовах тісного контакту крапель металу зі струменями окислювального газу, відбуваються переважно процеси окислення заліза. Утворені оксиди частково розчи­няються в металі, збагачуючи його киснем, частково виділяються у шлакову фазу. Пряме окислення (тобто киснем дуття) домішок чавуну — вуглецю, кремнію, марганцю, на думку ряду металургів, розвинене мало.

У зоні циркуляції за рахунок кисню, поглиненого раніше металом, відбуваються вторинні окислювальні процеси:

[Si]+2[0] = (Si02); [Mn] + [О] = (MnO); [С] + [О] = {CO} . (3.1)

Крім того, кремній і марганець частково окислюються на міжфазних межах металу з конвертерним шлаком за реакцією:

[Si] + 2(FeO) = (Si02) + 2 Feж.; [Mn] + (FeO) = (MnO) + Feж. (3.2)

В результаті одночасного окислення кремнію, марганцю і заліза формується шлакова фаза. Дослідження і розрахунки показують, що при звичайних співвідношеннях кремнію і марганцю в бесемерівському чавуні утворюється шлак, насичений кремнеземом. Тому кислі бесемерівські шлаки до кінця продувки залишаються дуже густими, гетерогенними, незважаючи на досить великі концентрації в них оксидів заліза і марганцю (12-18% FeO, 10-15% MnO).

Термохімія окислювальних реакцій, структури теплового балансу плавки

Прибуткова частина теплового балансу бесемерівської плавки складається із фізичного тепла рідкого чавуну і хімічного тепла реакцій окислення його домішок. При виявленні ролі окремих елементів у тепловому балансі слід враховувати тепло, що виноситься азотом дуття і втрачається з продуктами реакцій. З усіх елементів тільки вуглець утворює газо­подібний продукт CO, інші елементи - домішки чавуну утворюють при окисленні конден­совані (рідкі або тверді) продукти, тепло яких залишається у конвертері.

Кількість тепла, що вноситься деякими окислювальними реакціями, представлена в табл. 3.1,з якої видно, що з підвищенням температури ванна одержує від кожної із реакцій все менше тепла. Це пояснюється тим, що азот дуття при підвищених температурах виносить більше тепла, отже, менше його залишається у ванні конвертера.

Таблиця 3.1

Тепло, одержуване бесемерівською ванною при окисленні 1 кг елемента

У розрахунках враховані: тепло, що виноситься азотом повітря, тепло дисоціації вологи дуття, а також надходження тепла реакцій шлакоутворення (утворення силікатів заліза і марганцю).

Реакція окислення вуглецю у ваннах сталеплавильних агрегатів проходить звичайно з утворенням оксиду вуглецю, лише невелика частка вуглецю окислюється до діоксиду С02. Тому теплову роль цього елемента оцінюють по реакції [С] →CO.

Як випливає із табл. 3.1, найзначнішим теплоносієм є кремній. Це — основне «паливо» бесемерівського процесу. Оптимальними, за умовами теплотворення, вважаються чавуни, що містять 0,8-1,2% Si. При вмісті < 0,8% Si чавун називають хімічно холодним, при >1,2% Si — хімічно гарячим.

Визначаючи оптимальний хімічний склад бесемерівського чавуну, необхідно враховувати і технологічні функції елементів, що окислюються. Наприклад, при високому вмісті кремнію і низькому — марганцю виходять дуже в'язкі шлаки, що утворюють стійкі охолоді в конвертері, і навпаки, підвищений вміст марганцю і низький — кремнію приводить до утворення надто рідкорухомого шлаку, що посилює знос кислої футеровки конвертера, сприяє викидам під час продувки. Оптимальним для бесемерівського чавуну вважають співвідношення [%Si]/ [%Мп] = 1,6-2,0.

Приблизні долі участі різних факторів (за розрахунком) у тепловому балансі однієї з бесемерівських плавок наведені в табл. 3.2.

Таблиця 3.2

Розрахунковий тепловий баланс бесемерівської плавки

Як видно з табл. 3.2, фізичне тепло чавуну і тепло окислення його домішок входять у прибуткову частину теплового балансу приблизно однаковими частками. Теплова участь елементів-домішок у нагріванні ванни нерівноцінна: найбільшу частину хімічного тепла міг би вносити вуглець, концентрація якого у чавуні значна. Однак приблизно третина цього тепла втрачається з продуктами реакції СО+С02. Тому основним теплоносієм плавки залишається кремній.

У видатковій частині балансу переважають витрати на нагрівання сталі і втрати з газами, що відходять. Частку теплоти, що витрачається на нагрівання сталі і шлаку, вважають корисною, цією часткою визначається тепловий ККД процесу. У даному випадку він дорівнює 0,01 (58,5 + + 6,3) = 0,648.

Технологічні періоди плавки

Продувку чавуну в конвертері звичайно ділять на три періоди, які відрізняються як за технологічною сутністю, так і за зовнішніми ознаками. Елементи-домішки чавуну окислюються в процесі продувки τпр у певній послідовності (рис. 3.4).

Період продувки І (2,5-3 хв) називають періодом шлакоутворення. Кисень дуття ви­трачається на окислення кремнію, марганцю і заліза, вуглець практично не окислюється. Результатом окислювальних реакцій у першому періоді є утворення кислого шлаку системи

Si02 - MnO - FeO. Зовнішньою ознакою пер­шого періоду є напівпрозоре, з іскрами, по­лум'я над горловиною конвертера.

Після зниження концентрацій кремнію і марганцю в металі і розігріву садки до 1400-1450°С починається період II, для яко­го характерне інтенсивне окислення вугле­цю (період полум'я). Факел полум'я над горловиною швидко подовжується і набуває сліпучо-білого кольору. Це - результат окис­лення CO до С02 на виході з конвертера під дією атмосферного кисню. Тривалість другого періоду звичайно складає 9-12 хв, швидкість окислення вуглецю, як видно із рис. 3.4, залишається протягом усього періоду постійною (0,4-0,5% С/хв).

Кисень дуття, що надходить у конвертерну ванну протягом другого періоду, майже цілком витрачається на окислення вуглецю. При перемішуванні металу зі шлаком у процесі зневуглецьовування беруть участь і оксиди заліза шлаку. Концентрація (FeO) у шлаку залишається в цей період досить низькою (8-10%). У другому періоді продовжується окислення кремнію і марганцю до значень, рівноважних з (FeO). Таким чином, у періоді продувки II вуглець є головним регулятором ступеня окислення металу і шлаку конвертерної ванни.

При зниженні концентрації вуглецю до 0,10-0,12% полум'я над горловиною зникає і настає період продувки III — період диму. У цей період відбувається інтенсивне окислення заліза, що накопичується у шлаку у вигляді (FeO). Частина оксидів заліза виходить в атмосферу, утворюючи бурий дим. У третьому періоді із конвертерної ванни окислюється решта кремнію і марганцю. Якщо продувку закінчують при вмісті вуглецю > 0,15% С, то третій період продувки практично відсутній.

Розкислювання і навуглецьовування

До кінця продувки при зниженні вмісту елементів-домішок, особливо вуглецю, кон­центрація розчиненого кисню досягає 0,04-0,06%, тому плавка завжди закінчується роз­кисленням. Киплячі бесемерівські сталі розкислюють кусковим феромарганцем, який вводиться безпосередньо у конвертер або ківш при зливанні металу. При випуску спокійної сталі у ківш на струмінь металу подають необхідну кількість феросиліцію й алюміній (200-300 г/т).

Після закінчення продувки одержують в основному низьковуглецеву сталь (0,10-0,15% С), тому при виробництві середньовуглецевих сталей, наприклад, рейкової (0,5% С), метал необхідно навуглецьовувати. Для цього іноді застосовують тверді карбюризатори (кокс, антрацит, електродний бій та ін.), але угар вуглецю в цих випадках коливається досить сильно. Кращі результати одержують при використанні рідких фе­росплавів — високовуглецевого феромарганцю або дзеркального чавуну; вони забезпечують стабільне засвоєння вуглецю металом. Для розплавлення цих феросплавів використовують невеликі вагранки або індукційні печі.

Властивості і галузі застосування бесемерівської сталі

Бесемерівська сталь характеризується підвищеним вмістом азоту (0,015-0,025% проти 0,004-0,006% у мартенівській сталі). Джерелом азоту служить повітряне дуття, азот розчиняється у металі при підвищеній температурі і низькому вмісті вуглецю наприкінці продувки. Основним місцем розчинення азоту є зона фурм, де температура, за даними прямих вимірів, досягає 1800-1900°С, що на 200-300°С перевищує середню температуру ванни.

Кислий характер процесу позбавляє металургів можливості видаляти із конвертерної ванни фосфор, тому вміст фосфору у бесемерівській сталі прямо пов'язаний з фосфором чавуну і коливається у відносно широких межах (0,04-0,09%). Сірка також не видаляється із металевого розплаву.

Підвищені вмісти азоту і фосфору є причиною схильності бесемерівського металу до старіння і холодноламкості, тобто крихкості при негативних температурах. Крім того, бесемерівська сталь, у порівнянні з мартенівською, має більш високі межі міцності і текучості й одночасно — знижені пластичність і в'язкість.

Зазначені недоліки обмежували зону застосування бесемерівського металу сортаментами рядової вуглецевої сталі. З неї одержували, в основному, будівельні профілі (балки, швелери, кутки та ін.), арматурний метал, заготовки (штрипси) для зварених труб, катанку та ін. Свого часу бесемерівську сталь широко застосовували для виготовлення залізничних рейок, для яких придатний метал високої міцності і зносостійкості.

Бесемерівський процес спочатку швидко і широко поширився у ряді країн і, зокрема, в Росії. Але на початку XX століття його частка у світовому виробництві сталі знизилась і складала 40%. Неможливість переробки чавуну з підвищеним вмістом фосфору при кислій футеровці конвертера викликала необхідність пошуку іншого способу переділу. Ці пошуки увінчалися успіхом, коли в 1878 р. Джильхрист Томас запропонував основну футеровку конвертера, виконану з випаленого доломіту, і здійснив перший основний конвертерний процес — томасівський.