Кислородно-конвертерный процесс.
Выплавка стали в кислых конверторах. Процесс был открыт Генри Бессемером в 1855 г и называется бессемеровским. Сущность способа заключается в том, что струя воздуха продувается через расплавленный чугун и окисляет входящие в него примеси С, Mn, Si и частично Fe, которые после окисления переходят в шлак в виде окислов либо удаляются в виде газов. Окислительные реакции сопровождаются выделением значительного количества тепла, что приводит к повышению температуры чугуна от 1300 до 1750°.
Чугун для бессемерования должен содержать значительное количество кремния (1 —1,7%) и марганца (0,8—1,25%), так как металл в конверторе нагревается за счет выгорания этих примесей. Фосфор и сера при бессемеровании не удаляются и являются вредными примесями в получаемой стали. Поэтому в бессемеровском чугуне допускается не более 0,07% Р и 0,06% S. Бессемеровский конвертор представляет собой вращающийся сосуд (рис. 4.2), кожух которого изготовлен из листовой стали толщиной 10—30 мм. Внутренняя полость выложена кислой футеровкой из динасового кирпича или специальной кислой набойкой, содержащей 90—92% Si02 и глину.
Рис. 4.2 Конвертор: а – схема конвертора, б – заливка чугуна, в – продувка чугуна. 1 - воздушная коробка для подачи воздуха (кислорода), 2 – отверстия для вдувания, 3 – кожух, 4 – зубчатая передача, 5 – футеровка, 6 – горловина, 7 – цапфа для поворота конвертора, 8 – воздухопровод.
Применение в конверторном производстве вместо воздуха технически чистого кислорода обеспечивает хорошее качество стали, и дает возможность использовать для переработки чугуны, содержащие меньше кремния и марганца
Производство стали в основном конверторе. При бессемеровском процессе фосфор не удаляется из чугуна. Для удаления фосфора необходимо наличие в конверторе основного шлака (добавка извести). Однако основной шлак недопустим при бессемеровании, так как кислая футеровка вступает в химическую реакцию с известью (СаО) и разрушается. Для удаления фосфора делают в конверторе основную футеровку и присаживают в начале продувки известняк. Переработка чугуна в конверторах с основной футеров кой называется томасовским процессом, по имени С. Г. Томаса, который предложил его использование в 1878 году.
Футеровка основного конвертора делается из доломита (СаСОз • MgCOs), а для получения сильно основного шлака прибавляется в качестве флюса известь. Основная футеровка и известь позволяют перевести окись фосфора в шлак по реакциям (4.11):
2P + 5FeO = P205 + 5Fe;
P205 + 3FeO=(FeO)3•P205; (4.11)
(FeO)3•Р2О5+4 СаО= (СаО)4 • Р205 + 3 FeO.
В томасовском процессе фосфор является главным элементом, при выгорании которого повышается температура металла. Содержание фосфора в чугуне должно быть 1,8—2,25%. В конце томасирования количество фосфора снижается до 0,04—0,05%. Нормальный томасовский чугун содержит приблизительно 3,5% С, до 0,6% Si, 1,5% Мn, 2,0% Р и до 0,08%S. Кремний рассматривается как вредная примесь: он увеличивает количество шлака, разъедает футеровку и обедняет шлак содержанием Р205. Марганец предохраняет железо от выгорания и делает шлак более легкоплавким. Температура плавления томасовского чугуна несколько ниже температуры бессемеровского: в среднем при заливке в конвертор она составляет 1150—1250°.
Преимущества и недостатки конвертирования. К достоинствам методов конвертирования относятся: 1) высокая производительность; 2) незначительные эксплуатационные расходы; 3) отсутствие необходимости в источнике энергии (топливе), так как процессы протекают за счет теплоты выгорания примесей.
Недостатками этих методов являются: 1) невозможность переработки стального лома (скрапа), так как работа идет на жидкой шихте; 2) большая скорость процесса, которая ограничивает возможность управления им, что затрудняет получение стали определенного химического состава; 3) ограничение состава продуваемого чугуна: для бессемерования пригоден чугун с малым содержанием серы и фосфора, а для томасирования — лишь чугун с большим содержанием фосфора; чугуны с промежуточным содержанием фосфора ни тем, ни другим способом перерабатываться не могут; 4) отрицательное влияние газовых включений на физико-механические свойства стали.