1463

В конвертерах применяют кислую и основную футеровку. Тепло, необходимое для нагрева жидкой стали до высоких тем­ ператур, в этих процессах получается за счет химических реак­ ций окисления примесей чугуна.

При этом примеси окисляются кислородом дутья и кислоро­ дом закиси железа, которая растворяется в металле. При окисле­ нии примесей выделяется значительное количество тепла.

Реакции окисления примесей кислородом дутья и их общий тепловой эффект следующие:

Si -f- О2 Si02 20 5J300 кал\

Mn + V2O2 -> МпО + 93 100 кал\

С + 1/2 0 2 СО + 26 570 кал\

С -j- 0 2 —>С02 -}- 97 650 кал\

Fe -p V2 0 2 —>FeO -f- 64 500 кал\

2Р + 5/2 0 2 -> Р20 5 Н- 369 400 кал.

Окисление примесей чугуна кислородом закиси железа (FeO) происходит по следующим реакциям:

Si + 2 FeO -> Si02 + 2Fe + 76 600 кал\

Mn + FeO -> MnO + Fe + 28690 кал;

C 4- FeO -> CO + Fe —37 930 кал;

2P + 5 FeO P20 5 + 5Fe + 46 900 кал.

Из приведенных тепловых реакций следует, что наибольшее количество тепла выделяют кремний, фосфор и марганец. Эти элементы являются при продувке чугуна источником тепла (крем­ ний в кислом, а фосфор в основном конвертере). Недостаток ко­ личества тепла от реакций компенсируется температурой жидко­ го чугуна.

Для получения стали методом продувки применяют два сор­ та чугунов: марки Б1 и Б2 для кислого и Т1 для основного процесса (см. табл.4).

Различие этих чугунов состоит в том, что чугун марки Б1 и Б2 содержит минимальное количество фосфора (0,07%) и серы (0,06%), чугун марки Т1 содержит фосфора 1,6—2,0%, иногда до 2,5%.

В последнее время для продувки чугуна вместо воздуха при­ меняют кислород, повышая тем самым скорость плавки, темпе­ ратуру металла, выход годной стали за счет увеличения добавки твердой шихты и уменьшения химических примесей в чугуне.

Производство стали в конвертере с кислой футеровкой (бессемеровский процесс)

Для бессемеровского процесса конвертер футеруют динасо­ вым кирпичом и кварцевым песком. Хороший динасовый кирпич содержит не менее 94,5% Si02, а поэтому сохраняет высокую прочность при высоких температурах и расплавляется при тем­ пературе 1710° С.

Динасовый кирпич не разъедается кислыми шлаками, поэто­ му в кислом конвертере могут перерабатываться только крем­ нистые чугуны. Воздух, проходящий через жидкий чугун, вносит кислород, который по закону действующих масс взаимодействует

впервую очередь с железом. Поэтому примеси окисляются сразу

вдвух направлениях: проходящим через металл кислородом воздуха и образующейся и растворяющейся в металле закисью железа.

Примеси окисляются в металле в определенной последова­ тельности, которую направляют температурные условия.

Если температура металла недостаточна, в нем окисляются примеси, которые выделяют тепло. Если же чугун перегрет, то протекают те реакции, которые поглощают тепло. Поэтому регу­ лируя температуру металла в конвертере, можно направить ход реакции.

В процессе продувки воздуха через металл различают три характерных периода в кислых конвертерах. Первый период характерен окислением железа, кремния, марганца и образова­ нием шлака, протекающего по реакции:

2Fe + 0 2 -+ 2FeO;

Si + 2 FeO -*■ Si02 + 2Fe;

Mn + FeO MnO + Fe.

Окислы между собой взаимодействуют по реакции MnO + Si02 MnO Si02;

FeO + Si02 -> FeO • Si02

и образуют шлак.

При недостатке Si02 за счет окисления кремния чугуна в шлак переходит кремнезем футеровки конвертера.

После выгорания кремния и марганца и нагрева металла вы­ деленным ими теплом начнет выгорать углерод. С этого момента наступает второй период, который характерен окислением угле­ рода по реакции:

С + Fe -> СО + Fe.

Эта реакция протекает с поглощением тепла, но металл не охлаждается, так как при окислении железа тепла выделяется больше, чем поглощается.

Выделяющаяся окись углерода создает сильное кипение ме­ талла и при выходе из конвертера в атмосфере воздуха сгорает до образования углекислоты (С02), при этом образуется факел светлого пламени. По мере выгорания углерода пламя начинает уменьшаться и затем полностью исчезает; это показывает, что углерод почти весь выгорел. На этом заканчивается второй период.

В этот момент заканчивают продувку металла, так как при дальнейшей подаче воздуха и наличии малого количества углеро­ да закись железа не будет восстанавливаться и железо будет окисляться в окись железа. Окислы железа выделяются в виде бурого дыма. Окончание продувки металла в конвертере контро­ лируют визуально, по светимости пламени.

В последнее время для окончания продувки металла в кон­ вертере применяют фотоэлектрический контроль. При помощи последнего можно остановить плавку в заданный момент, сохра­ няя необходимое количество примесей в металле. Введение

впрактику этого метода контроля дает экономию ферросплавов

иускоряет плавку.

После прекращения плавки конвертер поворачивают в гори­ зонтальное положение и выключают дутье. Последний третий период состоит в раскислении стали или раскислении и наугле­ роживании. Раскисление производят для удаления из металла кислорода, растворенного в виде закиси железа.

Растворимость закиси железа в металле зависит главным образом от температуры металла и концентрации в нем приме­ сей, способных восстанавливать железо из закиси железа.

Чем выше температура металла, тем больше растворимость закиси железа. При затвердевании жидкого металла закись же­ леза кристаллизуется по границам зерен, в результате чего ме­ талл будет иметь склонность к красноломкости. После продувки при содержании в металле 0,1% углерода остается 0,06—0,09% кислорода.

В качестве раскислителей обычно применяют ферросплавы: ферромарганец, ферросилиций и алюминий в чистом виде. При­ меняют также комплексные раскислители, состоящие из алюми­ ния, марганца и кремния, или алюминия и кремния. Для повыше­ ния содержания углерода в стали одновременно с раскислением производят и науглероживание металла. Для этой цели применя­ ют зеркальный чугун. Науглероживание металла можно произ­ водить коксом, антрацитом и графитом. Но при использовании этих материалов получается сталь неравномерного химического состава.

Продолжительность плавки в конвертере составляет 12— 20 мин.

После раскисления металл из конвертера сливают в разливоч­ ный ковш. Разливку стали из ковша обычно производят сверху, так как в течение суток приходится разливать больше 100 пла­ вок, т. е. 5—6 плавок в час. Бессемеровскую сталь разливают в крупные слитки для обжимных прокатных станов.

Из бессемеровской стали можно изготавливать различный прокат: двутавровые балки, швеллеры, лист для сварных труб, катанку, сортовое железо для строительства, арматурное желе­ зо, автоматную сталь и ряд других сортаментов широкого

потребления.

К недостаткам бессемеровского процесса следует отнести не­ возможность удаления фосфора и серы из металла, повышенный угар железа (8—15%) и насыщение стали азотом и окислами железа, снижающими ее качества.

Получение стали в малых бессемеровских конвертерах

Малым бессемерованием называют способ получения стали путем поверхностной продувки чугуна воздухом в конвертерах садкой 1,0—3,0 т. Основное отличие малого бессемерования от большого состоит в том, что продувают чугун через фурмы, рас­ положенные сбоку. Фурмы в конвертере располагают на такой высоте, чтобы воздух выходил на поверхность или верхние слои ванны металла.

В больших конвертерах с продувкой через днище кислород воздуха более полно используется для окисления примесей чу­ гуна, чем при поверхностной продувке. Однако при первом спо­ собе продувки углерод окисляется в основном до окиси углерода, в результате тепловой эффект окисления углерода используется только на 30%. Если такой метод является приемлемым при пе­ реработке в сталь больших масс чугуна, когда относительные потери тепла на 1 тпродуваемого металла не велики, то при ма­ лом бессемеровании они составляют большую величину и за­ трудняют процесс плавки. Для ведения нормального процесса плавки малого бессемерования необходимо более полное исполь­ зование тепла за счет дожиганияСО до С02 над поверхностью ванны. Поэтому в конвертерах с малым объемом подвод дутья осуществляется главным образом сбоку на поверхность или верх­ ние слои ванны.

В некоторых конструкциях конвертеров малого объема для более полного сжигания окиси углерода фурмы располагают в два ряда по высоте конвертера. В данном случае воздух, по­ ступающий через верхний ряд, предназначается для сжигания выделяющейся из ванны окиси углорода.

При поверхностном дутье металл в конвертере перемешивает­ ся не активно, поэтому в верхних слоях происходит большее окис­

ление железа, чем при продувке через дно конвертера. Вследст­ вие этого угар всех элементов больше, он составляет 12—16%.

Для плавки стали в малом конвертере чугун выплавляют обычно в вагранках. Сера и фосфор во время плавки в малом конвертере не удаляются, поэтому исходный чугун должен иметь минимальное содержание этих примесей. Шихтовые материалы, загружаемые в вагранку, состоят из 30—70% стального лома и 70—30% бессемеровского чугуна. Для понижения содержания серы применяют обессеривание жидкого чугуна присадкой в ковш кальцинированной соды или соды и извести, или же ведут плавку в основной вагранке с основными шлаками.

При продувке воздухом рекомендуется следующий состав чу­ гуна: 2,8—3,0% С, 1,2—2,2% Si, 0,7—1,0% Мп, не более 0,08% Р и 0,07%'• S. При продувке кислородом 3,4—3,9% С, *0,8—0,9% Si, 0Д_0,7% Мп, 0,08— 0,07% Р и 0,05—0,06% S.

Жидкий чугун заливают в конвертер, повернутый в горизон­ тальное положение таким образом, чтобы не заливались фур­ менные отверстия. После этого подают дутье, и конвертер уста­ навливают под углом 18—20° так, чтобы воздух нагревался на поверхности металла. Процесс плавки в конвертере протекает при воздушном дутье от 10 до 30 мин., а при кислородном дутье 4—14 мин., и сталь нагревается до 1700° С.

Ход процесса малого бессемерования в основном определяет­ ся физической и химической характеристиками чугуна.

В начале продувки, как при большом бессемеровании, окис­ ляется кремний, марганец и железо, и медленно углерод, шлак получается богатый закисью железа. По мере повышения темпе­ ратуры усиливается окисление углерода и резко повышается в газах содержание С02, так как в полости конвертера происхо­ дит догорание окиси углерода. При дальнейшем повышении тем­ пературы одновременно с окислением углерода начинается энер­ гичное восстановление железа из шлака по реакции FeO + СО—* —►Fe + С02 — Q.

В этот период количество СО в газах настолько возрастает, что кислорода дутья нехватает для сжигания выделяющейся всей окиси углерода над ванной и в выходящих из конвертера га­ зах появляется значительное количество СО, вызывающее рез­ кий п о д ъ е м п л а м е н и над к о н в е р т е р о м . Однако вследствие замедления выделения тепла, повышения температу­ ры и уменьшения концентрации углерода в металле окисление его замедляется и пламя понижается. Понижение температуры и уменьшение концентрации углерода в металле создает благо­ приятные условия для дальнейшего окисления кремния, благо­ даря чему температура опять поднимается, горение углерода усиливается и начинается в т орой п о д ъ е м п л а м е н и , обычно больший, чем первый. Когда почти весь углерод выгорит.

пламя падает, горение железа усиливается, что характеризуется выделением бурого дыма. При появлении бурого дыма конвер­ тер поворачивают в горизонтальное положение, сливают шлак и приступают к раскислению металла или раскислению и науг­ лероживанию его. Процесс раскисления и науглероживания ме­ талла производят подобно тому, как и в больших бессемеровских конвертерах.

Сталь в конвертере нагревается до высоких температур (1700° С). При этих температурах сталь имеет хорошую жидкотекучесть, что позволяет отливать фасонные стальные детали с тонкими стенками.

Применение обогащенного кислородом дутья. Во время плав­ ки стали в конвертерах на воздушном дутье, значительное коли­ чество тепла уносится с азотом, так как в составе воздуха на одну молекулу кислорода (Ог) вносится 3,762 молекул N. Азот в окислении элементов не участвует. С увеличением процентно­ го содержания кислорода в дутье уменьшается содержание в нем азота, а следовательно, и уносимого из конвертера тепла. Бла­ годаря этому интенсифицируется процесс и~ представляется воз­ можным вести плавку на низкокремнистых чугунах. При повы­ шенном содержании кремния в чугуне можно использовать в ви­ де добавки значительное количество стального лома. При обогащении дутья кислородом насыщение стали азотом происхо­ дит в меньшей степени и качество ее получается более высокое.

Производство стали в конвертерах с основной футеровкой (томасовский процесс)

Способ получения стали в конвертере с основной футеровкой появился вследствие необходимости переработки высокофосфо­ ристых чугунов, которые получаются из фосфористых руд, доста­ точно распространенных по земной коре. В СССР имеются боль­ шие запасы таких руд (Керченское месторождение).

Для перевода в шлак фосфора в виде Р2О5, образующегося за счет окисления кислородом воздуха при продувке чугуна, фу­ теровку конвертера изготовляют из основных огнеупорных ма­ териалов. Стены конвертера выкладывают из магнезитового кир­ пича, а днище футеруют смесью доломита с каменноугольной смолой. В качестве флюса для образования шлака применяют свежеобожженную известь в кусках с минимальным содержанием кислотных окислов БЮг и AI2O3.

В томасовском чугуне содержание кремния желательно иметь не более 0,5%, так как повышенное содержание его в чу­ гуне приводит к увеличению расхода флюсов на нейтрализацию кремнезема.

Процесс плавки стали в томасовском конвертере ведут сле­ дующим образом: в конвертер сначала загружают известь, затем

заливают чугун, пускают дутье и поворачивают конвертер в вер­ тикальное положение.

По закону действующих масс в первую очередь будет окис­ ляться железо по реакции

Fe -f- V2 0 2 = FeO.

Образующаяся закись железа растворяется в металле и окис­ ляет примеси. Процесс плавки разделяется на отдельные'пе­

риоды.

Первый период плавки характеризуется окислением кремния и марганца. Образующийся кремнезем БЮг связывается с окисью кальция по реакции

2 СаО + Si02 (СаО)2 • Si02

и переходит в шлак.

Закись марганца (МпО) и часть закиси железа (FeO) также переходят в шлак. В этот период металл нагревается. Когда ме­ талл нагревается, начинается второй период, который характери­ зуется интенсивным выгоранием углерода по реакции

С + FeO -> Fe + СО.

Содержание углерода снижается до минимальных пределов и металл охлаждается. После этого наступает третий период, который характеризуется окислением фосфора и повышением температуры металла.

В третий период идут следующие основные реакции:

При окислении фосфора и связывании его окислов выделяет­ ся значительное количество тепла и металл быстро нагревается. Образующийся фосфат кальция переходит в шлак.

После окисления фосфора и перевода его в шлак, конвертер поворачивают в горизонтальное положение, отключают дутье и сливают шлак. Сливание шлака является обязательной опера­ цией. Фосфор и закись железа' из шлака могут переходить в металл.

После того как шлак слит, металл раскисляют или раскисля­ ют и науглероживают. При томасовском процессе имеет место некоторое удаление серы в шлак за счет реакций

FeS + Mn MnS + Fe.