Производство стали в конвертерах

1. Сущность конвертерного производства стали
В настоящее время конвертерное производство является основным производителем стали: около 70 % всей выплавляемой в мире стали приходится на долю конвертерного металла.
Предшественниками современного конвертерного процесса, называемого кислородно-конвертерным были бессемеровский и томасовский способы конвертирования. В настоящее время эти способы практически не используются.
В основу конвертерного производства положена обработка жидкого чугуна газообразным окислителем, при этом извне дополнительный подвод тепла не производится, и процесс осуществляется за счет химического тепла экзотермических реакций окисления примесей и физического тепла чугуна.
Благодаря использованию для продувки чистого кислорода, кислородно-конвертерная сталь содержит азота не более, чем мартеновская и по качеству не уступает мартеновской. Тепла, которое выделяется при окислении составляющих чугуна с избытком хватает для нагрева стали до температуры выпуска и позволяет использовать до 24-28% лома в шихте.
Конвертерный способ включает несколько разновидностей
- конвертерные процессы с донным воздушным дутьем (бессемеровский и томасовский процессы);
- кислородно-конвертерный процесс с продувкой кислородом сверху и снизу.
Бессемеровский и томасовский процессы отличаются составом футеровки конвертора.
Бессемеровский процесс (кислая футеровка конвертора) разработан англичанином Г. Бессемером в 1856-1869 гг. и позволяет перерабатывать чугун с низким содержанием фосфора и серы и достаточным количеством кремния. Плавка в бессемеровском конвертере проводится следующим образом. В конвертер заливают бессемеровский чугун (0,7-1,25 % Si; <0,06 % P; <0,06 % S) при температуре 1250 – 1300 °C и продувают его воздухом. За время продувки окисляются углерод, кремний и марганец чугуна и из образующихся оксидов формируется кислый шлак. После того, как углерод окислился до заданного содержания, продувку заканчивают. Металл сливают через горловину в ковш, одновременно раскисляя его. Поскольку шлак кислый при плавке не удаляются сера и фосфор.
Томасовский процесс (основная футеровка конвертера) был предложен С. Томасом в 1878 г. для переработки чугуна с высоким содержанием фосфора. 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 °C, 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 раство-ряется 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 дутьём, обогащенным кислородом.
Однако бессемеровский и томасовский процессы и их разновидности были вытеснены кислородно-конвертерными процессами с верхней и нижней подачей дутья.
Кислородно-конвертерный процесс – процесс выплавки стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. В России используют в основном конвертеры с подачей кислорода сверху.
2 Устройство кислородного конвертора

Кислородный конвертер представляет собой поворачивающий на цапфах сосуд грушевидной формы (рис. 1) футерованный изнутри и снабженный леткой для выпуска стали и отверстием сверху для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода конвертерных газов, заливки чугуна, завалки лома, шлакообразующих материалов и слива шлака. Емкость существующих конвертеров составляет от 10 до 400 т.

Рисунок 1 – Устройство кислородного конвертера
Размеры конвертера влияют на показатели процесса и должны обеспечивать продувку без выбросов металла и шлака через горловину. Основные параметры, определяющие возможность работы конвертера без выбросов – это удельный объем и отношение высоты рабочего пространства к его диаметру.
Кожух конвертера выполняют сварным и делают его либо цельносварным, либо с объемным днищем, которое крепится болтами или клиновыми соединениями. Расположение горловины в конвертере симметричное, что позволяет вводить кислородную фурму строго по оси конвертера. При этом обеспечивается равное удаление кислородных струй от стенок конвертера и, тем самым, - равномерный износ футеровки.
Днище конвертера делают сферическим, такая форма облегчает циркуляцию металла и снижает износ футеровки.
Конвертер снабжен механизмом поворота, который обеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360о со скоростью от 0,1 до 1 м/мин.
Поворот конвертера необходим для выполнения технологических операций: заливки чугуна, завалки лома, слива стали и шлака и др., для чего конвертер оснащается специальным приводом.
Футеровку обычно делают двухслойной. Примыкающий к кожуху арматурный слой выполняют из магнезитового или магнезитохромистого кирпича, он не требует замены длительное время. Внутренний или рабочий слой изнашивается значительно быстрее, обычно его изготавливают из смолодоломитовых или смолодоломитомагнезита.
Кислород подают в конвертер через вертикально расположенную водоохлаждаемую фурму, которую вводят в полость конвертера через горловину. Давление перед фурмой составляет 1,0–1,6 МПа. Высоту фурмы над ванной можно изменять по ходу плавки. Поднимают и опускают фурму с помощью специального механизма. На каждом конвертере имеется две кислородные фурмы: одна рабочая, другая – резервная.
3 Технология плавки и физико-химические процессы,
происходящие в кислородных конвертерах
Плавку начинают с загрузки в конвертер лома, которую ведут через горловину завалочными машинами или кранами путем опрокидывания совков с ломом в наклоненный конвертер (рис. 2, а). Затем из заливочного ковша с помощью заливочного крана заливают чугун через горловину в наклоненный конвертер (рис. 2, б). После чего конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение и вводят в полость конвертера кислородную фурму, включая подачу кислорода (рис. 2, в). Затем загружают (рис. 2, г) первую порцию шлакообразующих (известь, плавиковый шпат, железная руда, окатыши, агломерат и др.), оставшееся количество шлакообразующих вводят порциями по ходу плавки.

Рисунок 2 – Технологические операции конвертерной плавки
Сыпучие материалы загружают с помощью автоматизированной системы, состоящей из бункеров для хранения сыпучих, питателей, весов и лотков, по которым материалы ссыпают в горловину конвертера в процессе продувки по специальной программе, задаваемой оператором с пульта управления конвертером.
При продувке кислородную фурму устанавливают в строго определенном положении на расстоянии от 0,8 до 4,0 м от головки фурмы до уровня спокойной ванны. Обычно для ускорения шлакообразования продувку начинают при повышенном положении фурмы, а через 2-4 мин ее опускают до обычного оптимального положения.
За счет вводимого кислорода окисляются примеси чугуна и некоторое количество железа. Из образующихся окислов и загружаемой в конвертер извести и других сыпучих материалов формируется шлак. Основность его по мере растворения извести увеличивается и к концу продувки может достигать 2,5–4,0. В течение всей продувки в шлак из металла удаляются фосфор и частично сера.
Образующиеся при окислении углерода пузырьки СО вспенивают металл и шлак и существенно усиливают циркуляцию шлака и металла, что ускоряет процессы окисления и нагрева металла. Вместе с пузырьками в окиси углерода из металла удаляются растворенные в нем вредные газы (азот и водород).
Выделяющееся при реакциях окисления тепло обеспечивает нагрев металла до требуемой перед выпуском температуры и расплавления стального лома.
Газообразные продукты окисления углерода (80–90 % СО и остальное СО2) покидают конвертер через горловину, образуя высокотемпературный поток отходящих газов, в котором может содержаться до 250 г/м3 мелкозернистых частиц Fe2O3 и извести.
Характерной особенностью плавки в кислородном конвертере является образование под кислородной фурмой высокотемпературной зоны с температурой 2100–2600 оС. Это результат того, что в месте контакта кислородной струи с жидким металлом окисляется много составляющих чугуна и большое количество выделяющегося при этом тепла вызывает перегрев небольшого объема реакционной золы.
Плавку заканчивают при достижении необходимой температуры металла и требуемого содержания фосфора и серы в нем, которое оценивают по результатам экспресс-анализа, отбираемых проб. В случае отклонения от заданных значений проводят операции по исправлению плавки (додувка металла, ввод охладителей или науглероживание металла).
После окончания плавки конвертер наклоняют, выпуская сталь в ковш через летку (рис. 2, д), одновременно вводят в ковш раскислители. При сливе металла часть конвертерного шлака попадает в разливочный ковш, что приводит к развитию процесса рефосфорации (переход фосфора из шлака в металл) и загрязнению стали оксидными включениями. В связи с этим рекомендуется ограничивать количество попадающего в ковш шлака путем своевременного подъема конвертера при начале выхода шлака из металла, проводить загущение шлака путем присадки извести, а также осуществлять отсечку шлака в процессе его выпуска с последующей засыпкой поверхности металла в ковше теплоизолирующими смесями.
Стальной шар–стопор, защищенный огнеупорными материалами, имеет плотность больше чем у шлака и с последующими порциями металла он попадает к летке, перекрывая отверстие и обеспечивая отсечку шлака.
Оставшийся шлак из конвертера через горловину сливают в шлаковую чашу, установленную на шлаковозе (рис. 2, е).
Общая длительность плавки в кислородном конвертере в зависимости от емкости и технологических особенностей составляет от 30 до 50 мин.
4 Преимущества и недостатки конвертерного способа
Приоритетное развитие процесса объясняется прежде всего его существенными технико-экономическими преимуществами в сравнении с другими сталеплавильными процессами:
- высокой производительностью кислородных конвертеров (до 450 т/ч) и мощностью современных конвертерных цехов до 6…8 млн. т стали в год. Передел чугуна в сталь в кислородном конвертере емкостью 300 т составляет в среднем 35 - 40 мин, что обеспечивает очень высокую производительность процесса – 400...500 т/ч стали. Производительность мартеновских печей и электропечей составляет около 80 т/ч. В кислородно-конвертерных цехах выпуск стали на одного работающего на 30...50 % больше, чем в мартеновских цехах;
- высокой технологической гибкостью процесса, т.е. возможностью переработки различных шихтовых материалов и прежде всего чугунов различного химического состава;
- возможностью производства сталей широкого сортамента – от углеродистых обыкновенного качества до качественных, низко- и среднелегированных;
- простотой конструкции агрегатов, низким расходом огнеупорных материалов, относительно невысокой трудоемкостью ремонтов при высокой стойкости огнеупорной футеровки;
- возможностью внедрения систем отвода конвертерных газов без дожигания (снижение капитальных затрат, увеличение интенсивности продувки ванны кислородом и использование отводимого СО в качестве вторичного энергоносителя);
- эффективностью управления процессом (удобен для автоматизации) и обеспечение выпуска металла с минимальным количеством корректировок температуры и химического состава при работе на стабильной металлошихте.
Недостатками процесса являются:
- вдувание большого количества газообразного кислорода от 2,5 до 4,5 м3/(т. мин) в достаточно ограниченный объем металла, что приводит к целому ряду нежелательных последствий – переокислению и перегреву металла в реакционной зоне и, как следствие, к интенсивному испарению железа и необходимости сооружения дорогостоящих систем газоочистки;
- ограничения по количеству перерабатываемого лома в конвертерном процессе вследствие его аутотермичности и напряженности теплового баланса процесса;
- достаточно высокая ресурсо- и особенно энергоемкость процесса;
определенные трудности при выплавке углеродистых сталей (рельсовая, металлокорд, инструментальные и др.) из-за недостатка тепла и трудности остановки продувки при высоком содержании углерода;
- трудность удаления серы по ходу процесса.
Объём полости кислородного конвертера гораздо больше, чем внутренний объём ванны дуговой сталеплавильной печи (ДСП).
В отличие от других сталеплавильных процессов в кислородном конвертере выплавка стали протекает без подвода тепла извне.

Список использованных источников
1. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для вузов / Под ред. М.А. Шатерина. – СПб: Политехника, 2005. – 597 с.
2. Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин [и др.]. – М.: Высшая школа, 2000. – 625 с.
3.Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2003. - 511с.: ил.
4.Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов в 4 ч. Под ред. Д.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г Дубенского. – Тула. Изд-во ТулГУ. – 2007.
5.Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демьянцевич, А.В. Кузин, Д.И. Чашников. – 2-е изд., перер., доп. – М. МИСИС, 1996. – 576с.
6. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов немашиностроительных спец. ВУЗов. – М.: Высшая школа, 1990. – 446с., ил.
7. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для студентов электротехнических и электромеханических спец. ВУЗов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. – М. Высшая школа, 2004. – 518с.: ил.