§ 1. Разновидности конвертерных процессов

1. Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем

Первым способом массового производства жидкой стали был бессемеровский процесс (в конвертере с кислой футеровкой), предложенный и разработанный англичанином Г.Бессемером в 1856–1860 гг.; несколько позже – в 1878 г. – С.Томасом был разработан схожий процесс в конвертере с основной футеровкой (томасовский процесс).

Возникновение бессемеровского процесса имело исключительно важное значение для развития техники, поскольку до его появления не существовало способов производства литой стали в больших количествах, а применявшиеся в то время пудлинговый процесс получения железа в тестообразном состоянии и тигельный процесс получения жидкой стали в тиглях емкостью менее 50 кг не могли удовлетворить потребности развивающегося машиностроения.

Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье (бессемеровского и томасовского) заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом; кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь; при томасовс-ком процессе, кроме того, в основной шлак удаляются фосфор и сера. Тепло, выделяющееся при окислении, обеспечивает нагрев стали до температуры выпуска (~ 1600 °С).

Устройство конвертера

Бессемеровский и томасовский конвертеры представляют собой сосуд грушевидной формы (рис. 80), выполненный из стального листа с футеровкой изнутри. Футеровка бессемеровского конвертера кислая (динасовый кирпич), томасовского – основная (смолодоломит).

Сверху в суживающейся части конвертера – горловине – имеется отверстие, служащее для заливки чугуна и выпуска стали. Снизу к кожуху крепится отъемное днище с воздушной коробкой. Дутье, подаваемое в воздушную коробку, поступает в полость конвертера через фурмы (сквозные отверстия), имеющиеся в футеровке днища. Дутьем служит воздух,

253

Рис. 80. Устройство бессемеровского конвертера:

1 – цапфы; 2 – опорное кольцо; 3 – отверстие горловины; 4 – зубчатое колесо; 5 – опорная станина; 6 – днище; 7 – воздушная коробка; 8 – патрубок для подачи дутья; 9 – корпус; 10 – футеровка; 11 – сопла

подаваемый под давлением 0,30–0,35 МПа. Цилиндрическая часть конвертера охвачена опорным кольцом; к нему крепятся цапфы, на которых конвертер поворачивается вокруг горизонтальной оси.

Стойкость днища бессемеровского конвертера составляет 15–25 плавок, томасовского 50–100 плавок, после чего их заменяют. Стойкость остальной футеровки выше: у томасовского конвертера 250–400 плавок, у бессемеровского 1300– 2000 плавок.

Плавка в бессемеровском конвертере

В конвертер заливают бессемеровский чугун (0,7–1,25 % Si; 0,5-0,8 %Мп; 3,8-4,4% С; <0,06%Р; <0,06%S) при температуре 1250–1300 °С и продувают его воздухом в течение 10–15 мин. За время продувки окисляются углерод, кремний и марганец чугуна и из образующихся окислов формируется кислый шлак. После того, как углерод окислился до заданного содержания, продувку заканчивают, металл через горловину конвертера сливают в ковш, одновременно раскисляя его путем добавки в ковш раскислителей.

254

Общая длительность плавки составляет 20–30 мин; поскольку шлак кислый (55-65 % SiO₂; 15-25 % FeO; 15-20% МпО), при плавке не удаляются сера и фосфор.

Плавка в томасовском конвертере

В конвертер для образования основного шлака загружают известь (12–18 % от массы металла), заливают томасовский чугун (1,6-2,0 %Р; 0,2-0,6% Si; 0,8-1,3% Мп; <0,08 % S; 2,8-3,3% С), имеющий температуру 1180-1250 °С, и ведут продувку воздухом в течение 16–22 мин. За это время окисляются углерод, кремний и марганец; из продуктов окисления составляющих чугуна и СаО извести формируется основной шлак и в конце продувки в этот шлак частично удаляются фосфор и сера.

Продувку заканчивают, когда содержание фосфора в металле снизится до 0,05–0,07 %, после чего металл выпускают в ковш, куда вводят раскислители.

Общая длительность плавки составляет 25–40 мин. Состав конечного шлака: 16-24% Р₂О₅, 42-45% СаО, 5-10% SiO₂, 8–15 % FeO, 7–10 % МпО; благодаря высокому содержанию Р₂О₅ этот шлак используют в качестве удобрения.

Видоизменения бессемеровского и томасовского процессов

Достоинства бессемеровского и томасовского процессов – высокая производительность, простота устройства конвертера, отсутствие необходимости применять топливо, малый расход огнеупоров и связанные с этим более низкие, чем при мартеновском и электросталеплавильном процессах, капитальные затраты и расходы по переделу.- Однако обоим процессам был присущ большой недостаток – повышенное содержание азота в стали (0,010–0,025 %), вызываемое тем, что азот воздушного дутья растворяется в металле. По этой причине бессемеровская и томасовская стали обладают повышенной хрупкостью и склонностью к старению.

Для получения стали с пониженным содержанием азота в 1950–1965 гг. были разработаны и находили промышленное применение способы продувки снизу дутьем, обогащенным кислородом (до 30–40 % О₂ в дутье), смесью кислорода и водяного пара в соотношении 1:1 и смесью кислорода и СО₂ в соотношении 1:1.

255

Увеличение содержания кислорода в дутье до 30–40 % (вместо 21 % в воздухе) не решило проблему; выплавляемая сталь содержала 0,006–0,009 % азота, т.е. больше, чем мартеновская. Дальнейшее же увеличение доли кислорода в дутье оказалось неприемлемым, так как вызывало быстрое разрушение футеровки днища из-за его перегрева вблизи фурм вследствие выделения здесь тепла экзотермических реакций окисления составляющих чугуна. При воздушном дутье столь сильного перегрева не было из-за охлаждающего воздействия азота, которого в воздухе больше (79 %), чем в обогащенном дутье.

Способы продувки смесями О₂-СО₂ и О₂-Н₂О_пар обеспечивали низкое содержание азота в стали (0,001–0,0035 %), но из-за высокой стоимости и сложности не нашли широкого применения.

В период с 1955 по 1975 г. бессемеровский и томасовс-кий процессы и их разновидности были вытеснены кислородно-конвертерными процессами с верхней и нижней подачей дутья.