1.2.3. Виробництво сталі в кисневих конверторах

Кисневий конвертор складається із сталевого кожуха 2 (рис. 1.2.3), звареного з листа, основної футеровки З та отвору 5 для виливання сталі. Конвертор має Цапфи (на рисунку не показані) з горизонтальною віссю, навколо якої можна його повертати для завантаження скрапу, наливання чавуну, насипання флюсу ¹ залізної руди й виливання сталі та шлаку. Конвертор вміщує від 100 до 400 т рідкого чавуну.

Шихтовими матеріалами для киснево-конверторного процесу служать: РЩкий переробний чавун (понад 70 %), скрап (до 25 %), залізна руда (до 10 %), вапняк СаО, а також плавиковий шпат CaF, — для розрідження шлаку.

Перед витоплюванням конвертор нахиляють для завантаження скрапу. Далі наливають чавун, що має температуру 1300... 1450 °С. Потім конвертор 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 конвертор насипають залізну руду, вапняк і плавиковий шпат. Струмінь кисню проникає вглиб металу й викликає оксидацію. Час продування киснем становить 12...25 хв, а тривалість одного витоплювання — ЗО...55 хв.

Після наливання чавуну починається розтоплювання скрапу, температура в конверторі поступово підвищується за рахунок тепла реакцій оксидації, що викликані 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, то за законом діючих мас, його оксидація йде дуже інтенсивно:

Fe + О, = 2FeO + 527,36 кДж. (1.2.1)

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

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

2FeO + 2P = 5Fe + P,O₅ + 225,94 кДж, (1.2.3)

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

Оксиди SiO, і МпО погано розчиняються в металі і, маючи меншу густину, випливають на його поверхню, утворюючи шлак. Фосфорний ангідрид Р,О₅, вступивши в реакцію з оксидом кальцію СаО, утворює фосфід кальцію, який також переходить у шлак:

Р,О₅ + ЗСаО = (СаО)₃- Р,О₅ + 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 + C = Fe + CO- 153,93 кДж. (1.2.6)

Бульбашки CO, піднімаючись вгору, добре перемішують ванну, вирівню­ють склад і температуру металу та сприяють вилученню газів й неметалевих включень.

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

FeS + СаО - CaS + FeO. (1.2.7)

Наявний у металі вуглець і оксид заліза сприяють перебігу реакції (1.2.6), внаслідок чого в майбутньому злитку 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 і алюмінію. Зовсім дезоксидовані сталі називають спокійни­ми, а частково дезоксидовані — напівспокіпними.

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

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

2FeO + Si - 2Fe + SiO, + 330,50 кДж, (1.2.9)

3FeO + 2A1 - 3Fe + A1,O₃ + 884,00 кДж. (1.2.10)

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

Коли витоплюють леговані сталі, легувальні елементи вводять до їхнього складу у вигляді феростопів або чистих металів. Елементи (Ni, Co, Mo, Cu), Що мають меншу спорідненість з киснем, ніж залізо, можна додати в конвертор під час витоплювання, а більш споріднені — Si, Mn, Al, Cr, V і Ті додають безпосередньо у ківш.

Переваги киснево-конверторного виробництва сталі:

• порівняно низькі капіталовкладення на спорудження киснево-конвер­ торних цехів;

• висока продуктивність;

• отримана сталь не поступається за якістю мартенівській;

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

• не потрібно палива. Недоліки:

• значні втрати металу на вигар;

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

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