Кислородно-конвертерный способ

Кислородно-конвертерный способ — это технология выплавки стали из жидкого чугуна и металлолома в конвертере путём продувки расплава технически чистым кислородом сверху, снизу или комбинированно. Относится к основным процессам чёрной металлургии, обеспечивающим массовое производство стали различных марок. Отличается высокой производительностью, относительно низкой капиталоёмкостью по сравнению с мартеновским способом и возможностью полной автоматизации.

История

Идея использования кислорода для окисления примесей в чугуне возникла ещё в XIX веке. Первые эксперименты по продувке жидкого чугуна воздухом в ёмкостях, напоминающих конвертеры, провёл в 1856 году Генри Бессемер, однако азот воздуха существенно охлаждал расплав и ухудшал качество металла.

Промышленное внедрение кислородного дутья стало возможным после создания в 1920-30-х годах аппаратов для разделения воздуха и получения технически чистого кислорода. В 1949 году в Австрии на заводе «Voest-Alpine» в городе Линц была запущена первая опытная установка, реализовавшая продувку чугуна кислородом через фурму сверху. Процесс получил название LD (Linz-Donawitz) по названиям городов, где он был разработан. Первая промышленная плавка состоялась 27 декабря 1952 года.

В СССР кислородно-конвертерный способ начал внедряться в 1960-х годах. Первый конвертер был введён в строй на Нижнетагильском металлургическом комбинате в 1963 году. К концу 1970-х годов этот метод стал основным в мировой чёрной металлургии, вытеснив мартеновские печи в новых производствах. К началу XXI века доля кислородно-конвертерной стали в мировом производстве составляет около 70–75%.

Технология процесса

Основные принципы

Кислородно-конвертерный процесс основан на экзотермических реакциях окисления углерода, кремния, марганца, фосфора и других элементов, содержащихся в чугуне. Кислород подаётся в расплав, вызывая интенсивное горение примесей. Выделяющееся тепло обеспечивает нагрев металла до температуры, необходимой для рафинирования и раскисления.

Устройство конвертера

Конвертер представляет собой стальной сосуд грушевидной или цилиндрической формы, футерованный изнутри огнеупорными материалами (магнезитовые или доломитовые кирпичи). Конвертер установлен на опорах, позволяющих наклонять его для заливки чугуна, отбора проб и слива стали и шлака.

Основные элементы конвертера:

Верхняя часть (горловина) — для подачи фурмы и отвода газов.
Цилиндрическая часть (корпус) — рабочая зона реакции.
Нижняя часть (днище) — имеет выпускное отверстие для стали и, в некоторых конструкциях, отверстия для донной продувки.
Фурма — водоохлаждаемая медная или стальная трубка с соплом, через которую под давлением подаётся кислород.

Этапы плавки

Загрузка шихты. В конвертер заливают жидкий чугун (температура 1250–1450 °C) и добавляют металлолом (до 25–30% от массы шихты). Для регулировки шлака добавляют известь, плавиковый шпат и другие флюсы.
Продувка. Фурму опускают в конвертер на глубину 1–2 метра от поверхности расплава и начинают подачу кислорода под давлением 0,5–1,5 МПа. Время продувки — 15–25 минут. В этот период происходит интенсивное горение примесей, образуется первичный шлак. Углерод окисляется до CO и CO₂, которые выделяются в виде газов. Чтобы предотвратить выброс сажистых частиц, газы очищают в системах газоочистки.
Контроль и отбор проб. После окончания продувки конвертер наклоняют, отбирают пробу металла и шлака. Температура расплава достигает 1600–1700 °C. При необходимости проводят повторную продувку или корректируют состав.
Раскисление и легирование. В ковш при выпуске стали добавляют раскислители (ферросилиций, алюминий) и легирующие элементы (хром, никель, молибден). Эти компоненты вводят либо непосредственно в конвертер перед выпуском, либо в сталеразливочный ковш.
Выпуск стали. Готовый металл сливают через выпускное отверстие в ковш. Шлак, образующийся на поверхности, оставляют в конвертере для последующего удаления.
Удаление шлака. После выпуска стали конвертер обрабатывают, удаляя остатки шлака, и подготавливают к следующей плавке.

Классификация по типу дутья

Верхняя продувка (LD-процесс). Кислород подаётся через фурму сверху. Наиболее распространённый вариант. Характерна высокая скорость окисления и хорошее перемешивание.
Донная продувка (OBM/Q-BOP). Кислород подаётся через специальные сопла в днище конвертера. Позволяет использовать более высокое давление, уменьшить выбросы пыли и улучшить рафинирование.
Комбинированная продувка. Сочетает верхнюю и донную подачу кислорода или инертных газов (например, аргона). Обеспечивает более равномерное перемешивание и снижение содержания азота в стали.

Виды кислородно-конвертерной стали

В зависимости от состава шихты и условий продувки различают:

Низкоуглеродистая сталь (содержание углерода до 0,25%) — для автолиста, труб, проволоки.
Среднеуглеродистая сталь (0,25–0,6% C) — для рельсов, строительных конструкций, осей.
Высокоуглеродистая сталь (более 0,6% C) — для пружин, инструмента.
Легированная сталь — за счет добавок никеля, хрома, молибдена, ванадия получают коррозионностойкие, жаростойкие и другие специальные стали.

Кроме того, при переработке чугуна с повышенным содержанием фосфора (труднопередельные чугуны) применяют двухшлаковый процесс, когда шлак удаляют и формируют новый, что позволяет снизить фосфор до допустимого уровня.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая производительность. Один конвертер может выдавать до 5–6 млн тонн стали в год.
Короткое время цикла. От заливки до выпуска — 30–40 минут, что значительно быстрее мартеновского способа (6–12 часов) и сопоставимо с электродуговыми печами.
Низкие капитальные затраты. Строительство конвертера дешевле возведения мартеновского цеха или электропечной установки аналогичной мощности.
Высокая степень автоматизации. Процесс легко контролируется и регулируется.
Возможность получения стали с низким содержанием газов (кислорода, азота) и серы.

Недостатки

Зависимость от жидкого чугуна. Для получения качественной стали важен стабильный состав чугуна.
Высокий расход кислорода. Требуется развитая инфраструктура по его производству.
Значительное количество отходящих газов. Требуется мощная система газоочистки для соблюдения экологических норм.
Ограниченная гибкость по составу шихты. Содержание металлолома ограничено (обычно не более 30%). Для переработки лома в больших объёмах используют электрические печи.
Высокое потребление огнеупоров. Футеровка конвертера постепенно изнашивается, требуя периодического ремонта через 200–600 плавок.

Применение

Кислородно-конвертерный способ является основным для массового производства конструкционных, низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей. Эти стали широко используются:

в строительстве (арматура, балки, листовой прокат);
в автомобилестроении (кузовные панели, элементы шасси);
в трубной промышленности (газо- и нефтепроводы, трубы общего назначения);
в железнодорожном машиностроении (рельсы, колёса);
в машиностроении (детали машин, крепёж).

Стали, выплавленные в конвертерах, могут быть как углеродистыми, так и легированными, в том числе низколегированными для сварных конструкций и судостроения.

Интересные факты

Первая кислородно-конвертерная плавка в мире прошла в Австрии в 1952 году. Завод в Линце до сих пор работает.
В Китае в 2010-х годах был построен конвертер вместимостью 320 тонн — один из крупнейших в мире.
В России крупнейшие кислородно-конвертерные цеха работают на Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК), Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК) и Череповецком металлургическом комбинате («Северсталь»).
Конвертеры могут быть оснащены системами улавливания отходящего газа (утилизация CO), что позволяет снизить выбросы парниковых газов.

Источники

Василевский П. Ф. и др. «Металлургия стали: кислородно-конвертерный процесс». — М.: Металлургия, 2010.
Кудрявцев В. И., Левин В. И. «Кислородно-конвертерное производство стали». — М.: Металлургия, 1985.
«Технология производства стали в кислородных конвертерах» / под ред. Князева А. Д. — М.: МИР, 2015.
Данные Ассоциации «Русская сталь» (официальный сайт, раздел «Производство стали»).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →