2. Производство стали

2.1. Производство стали в конвертерах

2.1.1. Бессемеровский и томасовский процессы

По этому способу передел чугуна в сталь проводится путем продувания воздуха через расплавленный горячий чугун. Процесс протекает без затраты топлива за счет тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления кремния, марганца и других элементов.

Процесс проводится в аппарате, который называется по фами­лии изобретателя конвертером Бессемера.

Рис. 3. Конвертер Бессемера:

1 – цапфы; 2 – отверстие горловины; 3 – корпус; 4 – футеровка;

5 – сопла;6 – отъемное днище; 7 – воздушная коробка;

8 – сжатый воздух; 9 – чугун

Он представляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые подается в аппарат воздух. Аппарат работает периодически. Повернув аппарат в горизонтальное положение, заливают чугун и подают воздух. В конвертер заливают бессемеровский чугун (< 0,06 % P; < 0,06 % S; 0,7…1,25 % Si) при температуре 1250…1300 ºС. Затем поворачивают аппарат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются железо, кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем. Пламя постепенно сменяется бурым дымом. Начинается горение железа. Это указывает, что период интен­сивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха прекращают, переводят конвер­тер в горизонтальное положе­ние и вносят раскислители.

Процесс Бессемера обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 мин), поэтому производитель­ность аппарата велика. Для проведения процесса не тре­буется расходовать топливо или электрическую энергию. Но этим способом можно переделы­вать в сталь не все, а только отдельные сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском про­цессе окисляется и теряется (велик «угар» железа).

Плавка в томасовском конвертере проводится следующим образом. В конвертер загружают известь для образования основного шлака. Затем заливают томасовский чугун (1,6…2,0 % P; < 0,08 % S; 0,2…0,6 % Si), имеющий температуру 1200…1250 ºC, и ведут продувку воздухом. Во время продувки окисляются углерод, марганец и кремний. В образующийся основной шлак удаляются фосфор и сера. Продувку заканчивают, когда содержание фосфора в металле снизится до 0,05…0,07 %. После этого металл выпускают в ковш, куда вводят раскислители.

Рассмотренным процессам присущ большой недостаток – повышенное содержание азота в стали, вызванное тем, что азот воздушного дутья раство­ряется в металле. По этой причине бессемеровская и томасовская сталь обладают повышенной хрупкостью и склонностью к старению. Для получения стали с пониженным содержанием азота были разработаны способы продувки снизу парокислородной смесью, смесью кислорода и углекислого газа, а также продувка дутьем, обогащенным кислородом.

Однако бессемеровский и томасовский процессы и их разновидности были вытеснены кислородно-конвертерными процессами с верхней и нижней подачей дутья.

Значительным усовершенст­вованием в производстве стали в конвертерах Бессемера явля­ется применение для продувки вместо воздуха смеси его с чис­тым кислородом (обогащенного воздуха), что позволяет получать стали более высокого качества.

Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в металл сверху. Количество воздуха, необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 м³.

В настоящее время работают конвертеры емкостью от 20 до 450 т, продолжительность плавки в которых составляет 30…50 мин.

Успех кислородно-конвертерного способа заключается в возможности переработки чугуна практически любого состава, использованием металлолома от 10 до 30 %, возможность выплавки широкого сортамента сталей, включая легированные, высокой производительностью, малыми затратами на строительство, большой гибкостью и качеством продукции.