ВВЕДЕНИЕ

Кислородно-конвертерный процесс, благодаря высоким технико-экономическим показателям, занимает ведущее место в современном сталеплавильном производстве. В настоящее время в кислородных конвертерах выплавляют больше 65% производимой в мире стали.

Поставленные XXVII съездом КПСС задачи по техническому перевооружению черной металлургии и повышению качества продукции будут решены, в частности, в результате дальнейшего расширения и совершенствования кислородно-конвертерного производства стали. Намечено существенное увеличение объема выплавки стали в кислородных конвертерах, строительство новых конвертерных цехов. Важной задачей является также внедрение прогрессивных вариантов технологии плавки и широкое использование в конвертерных цехах методов внепечной обработки, позволяющих значительно повысить качество металла и расширить сортамент выплавляемых в конвертерах сталей.

Конвертерный (бессемеровский) процесс был первым в истории металлургии способом массового производства жидкой стали. Возникновение конвертерного процесса имело исключительно важное значение для развития техники, поскольку существовавшие до этого малопроизводительные пудлинговый и тигельный процессы не могли удовлетворить потребности развивающегося машиностроения. Пудлинговая печь имела садку (вместимость) 250—500 кг (редко до 1 т) и позволяла получать до 15 т стали за сутки в тестообразном (полутвердом) состоянии; тигельным процессом получали жидкую сталь в огнеупорных тиглях вместимостью до 35 кг.

Сущность процесса, предложенного и разработанного в 1856—1860 гг. в Англии Г. Бессемером, заключалась в том, что залитый в плавильный агрегат с кислой футеровкой (конвертер) чугун продували снизу воздухом. Кислород воздуха окислял примеси чугуна, в результате этого чугун превращался в сталь. Тепло, выделявшееся при реакциях окисления, обеспечивало нагрев стали до температуры ~1600 °С. В 1878г. С. Томасом был предложен способ изготовления основной (доломитовой) футеровки конвертеров. Так возник томасовский процесс переработки высокофосфористых (1,6—2,0% Р) чугунов в конвертерах с основной футеровкой.

Бессемеровский и томасовский процессы получили широкое распространение. Продолжительность бессемеровской плавки составляла 20—30 мин при вместимости конвертера до 35 т, продолжительность томасовской плавки — 20—40 мин при вместимости конвертера <70 т. Оба процесса имели значительный недостаток — выплавляемая сталь содержала большое количество (0,01—0,025 %) азота. Это объяснялось тем, что азот воздушного дутья растворялся в металле. Для получения стали с более низким содержанием азота в 1950—1965 гг. были разработаны и в ряде стран применялись разновидности этих процессов, предусматривавшие продувку снизу воздухом, обогащенным кислородом, парокислородной смесью и смесью кислорода с углекислым газом СО₂. В период 1955—1975 гг. бессемеровский и томасовский процессы и их разновидности были вытеснены разработанными к этому времени процессами с продувкой чистым кислородом сверху и через дно. Последний бессемеровский цех в СССР был остановлен в 1983 г.

Метод продувки жидкого чугуна кислородом сверху был впервые предложен и опробован в СССР в 1933 г. инж. Н. И. Мозговым. В дальнейшем в СССР и ряде других стран проводили исследования по разработке технологии нового процесса. В СССР эксперименты в 1936 г. проводили в АН УССР; в 1939 г. были продолжены на заводе «Станкоконструкция» (г. Москва) и в 1942 г. на Косогорском металлургическом заводе; в 1945— 1953 гг. — в ЦНИИ ЧМ, на заводах «Динамо», Мытищенском машиностроительном, Енакиевском и Ново-Тульском металлургических. В 1954—1955 гг. на Ново-Тульском металлургическом заводе в 10-т конвертере проведена окончательная доработка технологии выплавки стали с продувкой кислородом сверху.

В промышленном масштабе кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой был осуществлен впервые в 1952—1953 гг. в Австрии на заводах в гг. Линце и Донавице, в связи с чем за рубежом этот процесс получил название процесса ЛД. В СССР промышленное производство стали этим способом было начато в 1956 г. на металлургическом заводе им. Петровского (г. Днепропетровск) в переоборудованных для продувки кислородом сверху 20-т бессемеровских конвертерах и в 1957 г. в 35-т переоборудованных бессемеровских конвертерах металлургического завода «Криворожсталь». В период 1963—1969 гг. были построены кислородно-конвертерные цехи с 100—130-т конвертерами на Нижне-Тагильском комбинате (1963 г.), заводе им. Ильича (1964 г.), Криворожском (1965 г.), Новолипецком (1966 г.), Челябинском (1969 г.), Западно-Сибирском (1968 г.) и Енакиевском (1968г.) металлургических заводах. С 1970г. в СССР сооружают кислородно-конвертерные цехи с большегрузными конвертерами. В 1970 г. был построен цех с 250-т конвертерами на Карагандинском, в 1974 г.— с 300-т конвертерами на Новолипецком, в 1974 г.— с 300-т конвертерами на Западно-Сибирском металлургических комбинатах, в 1977 г.— с 350-т конвертерами на металлургическом комбинате «Азовсталь», в 1980 г.— с 350-т конвертерами на Череповецком металлургическом комбинате и в 1983 г.—с 250-т конвертерами на металлургическом комбинате им. Ф. Э. Дзержинского.

За, время существования кислородно-конвертерного процесса было разработано значительное число его разновидностей. Начиная с 1958 г., применяют разработанный металлургами Франции, Бельгии и Люксембурга процесс переработки фосфористых чугунов с вдуванием порошкообразной извести в струе кислорода (процесс ЛД-АЦ или ОЛП). Непродолжительное время существовал разработанный в 1952 г. в ФРГ роторный процесс: плавка во вращающейся цилиндрической печи с вдуванием кислорода через две фурмы; одну из них погружали в металл, через вторую подавали кислород для дожигания оксида СО, выделяющегося из ванны. Опытная роторная печь эксплуатировалась на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате. Около двух десятилетий в ряде стран применяли разработанный в 1954 г. в Швеции процесс Кадло — плавку в наклоненном под углом 17—20° к горизонту вращающемся конвертере с подачей .кислорода через фурму, расположенную над ванной под углом 18—26° к ее поверхности. Вследствие сложности эксплуатации оборудования и низких стойкости футеровки конвертера и других показателей «плавки процессы Калдо и роторный в настоящее время не используются.

Длительное время в СССР и за рубежом вели разработку метода вдувания чистого кислорода через дно конвертера (см. п. 9.1), что привело к созданию применяемого в настоящее время процесса с донной продувкой кислородом. В промышленном масштабе этот процесс был впервые осуществлен в ФРГ в 1967 г.

С 1975—1978 гг. широкое распространение получают процессы комбинированной продувки в кислородных конвертерах, т. е. процессы, предусматривающие продувку кислородом через фурму сверху в сочетании с вдуванием через дно различными способами тех или иных газов (нейтральных, кислорода и др.). Многочисленные разновидности этих процессов разработаны во многих странах Западной Европы, США, Японии и в СССР. Технология комбинированной продувки, позволяя сочетать преимущества способов продувки сверху и через дно, обеспечивает повышение многих показателей конвертерной плавки и поэтому получает все более широкое распространение.

Соотношение между значениями некоторых единиц измерения

Единицы СИ

Старые единицы

Старые единицы

Единицы СИ

Длина

1м 1м 1м 1м

1 мкм (10^-6) 1 мк (микрон) 1 мк (микрон) 1 мкм

1м 10¹⁰ А^о (ангстрем) 1 А (ангстрем) 10^-10м

Масса^*

1 кг 1кг 1 кг 1 кг

1 кг 10^-3 т 1 т 10³ т

*Допускается применение единицы тонна (т).

Сила

1 Н 0,102 кгс, кГ 1 кгс, кГ 9,807 Н

1 Н 0,102*10^-3 тс, Т 1 тс, Т 9,807*10³ Н

1 Н 10⁵ дин 1 дин 10^-5 Н

Давление

1 Па (Н/м²) 0,102*10^-5 кгс/см² 1 кгс/см² или 9,807*10⁴ Па

или 1 атм. технич. 1 атм. технич. или ~ 0,1 МПа

1 Па 9,87*10^-6 атм. физ. 1 атм. физ. 1,013*10⁵ Па

1 Па 10^-5 бар 1 бар. 10⁵ Па или 0,1

1 Па 7,33*10^-3 мм. рт. ст. 1 мм. рт. ст. МПа 1,333*10²

1 Па 0,102 мм. вод. ст. 1 мм. вод. ст. Па 9,807 Па

Работа, энергия, количество тепла

1 Дж 0,102 кгс*м 1 кгс*м 9,807 Дж

1 Дж 0,239 кал 1 кал 4,187 Дж

1 Дж 10⁷ эрг 1 эрг 10^-7 Дж

1 Дж 0,278*10^-6 кВт*ч 1 кВт*ч 3,6*10⁶ Дж

Мощность

1 Вт (Дж/с) 1,36*10^-3 л.с. 1 л.с. 735, 5 Вт

1 Вт 0,239 кал/с 1 кал/с 4,187 Вт

1 Вт 0,102 кгс*м/с 1 кгс*м/с 9,807 Вт

1 Вт 10⁷ эрг/с 1 эрг/с 10^-7 Вт

Удельная теплоемкость

1 Дж/(кг*К) 0,239*10^-3 кал/(г*^оС) 1 кал/(г*^оС) 4,187*10³ Дж (кг*К)

Коэффициент теплоотдачи (теплопередачи)

1 Вт/(м²*К) 0,239*10^-4 кал/(с*см²*^оС) 1 кал/(с*см²*^оС) 4,187*10⁴ Вт/(м²*К)

1 Вт/(м²*К) 0,86 ккал/ (ч*м²*^оС) 1 ккал/(ч*м²*^оС) 1,163 Вт/(м*К)

Коэффициент теплопроводности

1 Вт/(м*К) 0,239*10^-2 ккал/(с*см*^оС) 1 кал/(с*см*^оС) 4,187*10² Вт/(м*К)

1 Вт/(м*К) 0,86 ккал/ (ч*м*^оС) 1 ккал/ (ч*м*^оС) 1,163 Вт/(м*К)

Вязкость динамическая

1 Па*с (Н*с/м²) 1 кг/(с*м) 1 кг/(с*м) 1 Па*с

1 Па*с 0,102 кгс*с/м² 1 кгс*с/м² 9,807 Па*с

1 Па*с 10 пуаз (Пз) 1 пуаз (Пз) 0,1 Па*с

Вязкость кинематическая

1 м²*с 10⁴ стокс (Ст) 1 стокс (1 Ст) 10^-4 м²*с

Поверхностное натяжение

Н/м (Дж/м²) 10³ эрг/см² 1 эрг/см² 10^-3 Н/м

Температура*

1 К (кельвин) 1^оС 1^оС 1 К

* Наряду с кельвином допускается применение единицы градус Цельсия. Связь между выражением температуры в этих единицах: t = T – 273, где t – температура, ^оС, Т – температура в кельвинах .

1. Некоторые общие сведения о сталях

1.1. Классификация сталей

Стали классифицируют по ряду признаков и свойств.

По способу производства сталь может быть кислородно-конвертерной, мартеновской, электропечной и полученной различными специальными способами — плавкой в вакууме, переплавными процессами (электрошлаковый переплав, различные способы переплава в вакууме) и др.

По назначению (области использования) стали подразделяют на конструкционные, инструментальные, стали со специальными физическими свойствами и стали для сварочных и наплавочных материалов. Конструкционные стали могут быть общего назначения обычного качества; для транспорта; низколегированные для сварных конструкций и арматурные; конструкционные качественные (различного назначения, подшипниковые, автоматные, рессорно-пружинные, теплоустойчивые). Инструментальные стали подразделяют на углеродистые, легированные и быстрорежущие. Стали и сплавы со специальными физическими свойствами подразделяют на электротехнические, коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, с рядом других специальных свойств.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Различие между ними заключается, прежде всего, в допустимом содержании фосфора и серы и иногда в значениях других характеристик (допустимом содержании или размерах неметаллических включений, уровне механических свойств и др.).

Стали обыкновенного качества содержат не более 0,06% S и 0,07% Р, качественные стали — не более 0,045% каждого элемента, высококачественные — не более 0,025% каждого.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые (нелегированные) и легированные. Углеродистые стали делят на три группы: низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25%, среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (от 0,6 до 1,7—2,0% С). Углеродистые стали кроме углерода содержат до 0,4% Si, до 0,8% Мn, а также фосфор и серу в зависимости от группы качества.

Легированные стали кроме обычных для углеродистых сталей примесей (С, Мn, Si, Р, S) содержат один или несколько легирующих элементов (Сr, Ni, Мо, W, Тi, V и др.), вводимых в сталь для придания ей определенных физико-механических свойств; легированными считаются также стали содержащие > 0,5% Si и > 0,8% Mn.

Различают низколегированные стали, которые могут содержать до 2% одного легирующего элемента или несколько легирующих элементов с суммарным содержанием <3,5%; средне-легированные стали с содержанием одного легирующего элемента < 8% или нескольких элементов с суммарным содержанием < 12%; высоколегированные стали с содержанием одного элемента > 8% или нескольких элементов > 12%.

По степени раскисленности стали, разделяют на спокойные, кипящие и полуспокойные. Спокойная сталь полностью раскислена на марганцем, кремнием, алюминием и иногда другими элементами; она затвердевает без выделения газов, спокойно. Кипящая сталь недостаточно раскислена, ее раскисляют только слабым раскислителем (марганцем), при затвердевании в изложнице такая сталь кипит (происходит выделение СО). Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной, ее раскисляют небольшими количествами марганца и кремния. При затвердевании в изложнице такая сталь искрит (слабое кипение, т. е. выделение пузырей СО в течение 10—40 с).

Кипящие стали содержат 0,05—0,27% С; 0,25 – 0,60 % Mn < 0,05 % P и < 0,045 % S; полуспокойные стали содержат 0,05 – 0,3 С; 0,05—0,17% Si; 0,25—0,80% Мn (иногда < 1,7% Мn).

По структуре, зависящей от содержания углерода и легирующих элементов и получаемой нормализацией в стандартных условиях (нагрев образца диаметром 25 мм до 900 °С с выдержкой 30 мин и охлаждением на воздухе), стали разделяют на пять классов: перлитный (структура феррит + цементит), мартенситный, аустенитный, ферритный и карбидный.