Кислородно-конвертерный процесс

Кислородно-конвертерный процесс — это технологический метод переработки жидкого чугуна в сталь путём продувки его технически чистым кислородом в конвертере. Относится к классу конвертерных процессов, является основным способом массового производства стали в современной чёрной металлургии, обеспечивая до 70 % мирового объёма выплавки стали.

История

Предпосылки возникновения

До середины XX века основными способами производства стали были мартеновский процесс (в регенеративных печах) и бессемеровский процесс (продувка воздухом снизу). Бессемеровский процесс имел существенный недостаток: содержащийся в воздухе азот, не участвуя в окислении, насыщал металл, ухудшая его механические свойства. Попытки использовать чистый кислород долгое время сдерживались отсутствием огнеупорных материалов, способных выдерживать высокие температуры (до 2500 °C) в зоне продувки.

Разработка технологии

Технология кислородно-конвертерного процесса была впервые реализована в промышленных масштабах в 1952 году на заводе компании Voestalpine в австрийском городе Линц. Процесс получил название LD-процесс (по первым буквам городов Линц и Донавиц). Ключевым достижением стала разработка водоохлаждаемой фурмы, обеспечивающей подачу кислорода сверху, а также использование огнеупорной футеровки на основе магнезита и доломита.

Распространение

В 1950–1960-х годах кислородно-конвертерный процесс быстро вытеснил мартеновский и бессемеровский в большинстве промышленно развитых стран. В СССР первая крупная кислородно-конвертерная установка была введена в эксплуатацию в 1965 году на Новолипецком металлургическом комбинате. К концу XX века процесс стал доминирующим в мировой металлургии, в значительной степени вытеснив мартеновское производство.

Технологическая схема

Исходные материалы

Основным сырьём служит жидкий чугун (обычно 70–85 % от общей массы шихты), получаемый в доменной печи. В качестве охладителей и легирующих добавок используются металлический лом (скрап), руда, окалина, известь (CaO), плавиковый шпат (CaF₂) и ферросплавы.

Устройство конвертера

Конвертер представляет собой стальной корпус грушевидной или цилиндрической формы, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Ёмкость современных конвертеров варьируется от 50 до 400 тонн. Основное оборудование включает:

• Фурма — водоохлаждаемая труба с медным наконечником, через которую подаётся кислород под давлением 0,8–1,5 МПа.
• Газоотводящий тракт — система улавливания и очистки конвертерных газов (CO, CO₂, N₂).
• Поворотный механизм — позволяет наклонять конвертер для заливки чугуна, отбора проб и слива стали.

Последовательность операций

1. Загрузка — в наклонённый конвертер загружают металлолом (скрап) и заливают жидкий чугун.
2. Продувка — фурму опускают в горловину конвертера на 1–2 метра над поверхностью металла, подают кислород. Время продувки составляет 15–25 минут.
3. Шлакообразование — одновременно с кислородом подаётся известь для формирования шлака, который связывает примеси (кремний, марганец, фосфор, серу).
4. Отбор проб — после продувки конвертер наклоняют, отбирают пробу металла для химического анализа.
5. Раскисление и легирование — в сталь вводят ферросплавы (FeSi, FeMn, Al) для связывания растворённого кислорода и придания заданного химического состава.
6. Слив стали — готовую сталь сливают в сталеразливочный ковш через летку в днище конвертера.

Физико-химические основы

Окислительные реакции

При продувке кислородом (O₂) в жидком чугуне последовательно окисляются примеси:

• Кремний: Si + O₂ → SiO₂ (выделяется значительное тепло, ускоряя процесс)
• Марганец: 2Mn + O₂ → 2MnO
• Углерод: 2C + O₂ → 2CO (основная реакция обезуглероживания; угарный газ CO отводится и может использоваться как топливо)
• Фосфор: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ (связывается известью в шлак)
• Сера: FeS + CaO → CaS + FeO (переходит в шлак)

Тепловой баланс

Процесс является экзотермическим: тепло выделяется при окислении кремния, марганца и углерода. Температура ванны повышается с 1250–1350 °C (температура залитого чугуна) до 1550–1650 °C (температура готовой стали). Для регулирования теплового режима добавляют металлолом или руду.

Классификация и разновидности

По способу подачи кислорода

• LD-процесс (верхняя продувка) — кислород подаётся через водоохлаждаемую фурму сверху. Наиболее распространённый вариант.
• LBE-процесс (комбинированная продувка) — кислород подаётся сверху, а снизу через пористые блоки в днище подаётся инертный газ (аргон, азот) для перемешивания ванны. Позволяет улучшить качество стали.
• OBM-процесс (донная продувка) — кислород подаётся через сопла в днище конвертера, защищённые углеводородным топливом (природным газом или мазутом) для предотвращения перегрева.

По типу футеровки

• Основная футеровка — из доломита или магнезита (CaO-MgO). Обеспечивает удаление фосфора и серы в шлак.
• Кислая футеровка — из динаса (SiO₂). Используется редко, в основном для переработки чугунов с низким содержанием фосфора.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность: время плавки 30–45 минут (включая вспомогательные операции), что значительно быстрее мартеновского процесса (6–12 часов).
• Возможность получения широкого сортамента сталей: от рядовых углеродистых до низколегированных.
• Относительно низкие капитальные затраты по сравнению с электросталеплавильным производством.
• Высокий выход годного металла (до 90–92 %).
• Возможность утилизации конвертерного газа (CO) как топлива.

Недостатки

• Ограниченная возможность использования металлолома (не более 25–30 % от шихты).
• Высокий угар металла (до 1–2 % железа переходит в шлак).
• Выбросы оксидов азота (NOₓ) и пыли, требующие мощных систем газоочистки.
• Необходимость предварительной десульфурации чугуна для получения стали с низким содержанием серы.

Применение

Кислородно-конвертерный процесс используется для производства:

• Конструкционных сталей — для строительства, мостостроения, машиностроения.
• Трубных сталей — для магистральных газо- и нефтепроводов.
• Листового проката — для автомобильной промышленности, судостроения.
• Рельсовых сталей — для железнодорожного транспорта.
• Сортового проката — арматура, балки, швеллеры.

В России крупнейшие производители, использующие кислородно-конвертерный процесс: Новолипецкий металлургический комбинат (НЛМК), Магнитогорский металлургический комбинат (ММК), «Северсталь» (Череповец), Западно-Сибирский металлургический комбинат (ЕВРАЗ ЗСМК).

Экологические аспекты

Основные экологические проблемы процесса связаны с выбросами в атмосферу:

• Пыль — содержит оксиды железа, кремния, марганца; улавливается электрофильтрами и рукавными фильтрами (степень очистки до 99,9 %).
• Конвертерные газы — содержат до 70 % CO; после очистки используются как топливо в энергетических установках комбината.
• Оксиды азота — образуются при высоких температурах; снижаются применением ступенчатой продувки и рециркуляции газов.
• Шлак — утилизируется в дорожном строительстве, производстве цемента, как удобрение (фосфорсодержащий шлак).

Интересные факты

• Первый в мире конвертер для LD-процесса имел ёмкость всего 15 тонн. Современные конвертеры достигают 400 тонн.
• В 1960-х годах в СССР была разработана собственная конструкция конвертера с донной продувкой кислородом, защищённым паром (процесс «КМ-К»).
• Конвертерный газ с содержанием CO до 70 % после очистки может использоваться как синтез-газ для химической промышленности.
• Скорость обезуглероживания в кислородном конвертере в 10–15 раз выше, чем в мартеновской печи.

Источники

• Металлургия стали: учебник для вузов / под ред. В. А. Кудрина. — М.: Металлургия, 1989.
• Кислородно-конвертерный процесс / А. М. Поживанов, В. И. Балтизманский. — Киев: Наукова думка, 1985.
• Современные технологии производства стали / Б. В. Линчевский. — М.: МИСиС, 2010.
• Технология конструкционных материалов / под ред. А. М. Дальского. — М.: Машиностроение, 2005.
• Steelmaking: Theory and Practice / A. Ghosh, A. Chatterjee. — CRC Press, 2008.