Кислородно-конвертерный цех

Кислородно-конвертерный цех — это производственное подразделение металлургического завода, в котором осуществляется передел жидкого чугуна в сталь в кислородных конвертерах. Кислородно-конвертерный цех (ККЦ) является основным звеном в технологии получения стали из чугуна с использованием кислородного дутья, что обеспечивает высокую производительность и относительно низкую себестоимость продукции.

История

Предпосылки появления

До середины XX века основным способом производства стали из чугуна был мартеновский процесс, который отличался длительностью плавки (до 8-12 часов) и значительным расходом топлива. Попытки интенсифицировать процесс за счёт продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом предпринимались с конца XIX века, но сталкивались с проблемами: кислород, подаваемый через фурмы, вызывал локальный перегрев и разрушение футеровки, а также приводил к выбросам металла.

Разработка технологии

Ключевой прорыв произошёл в 1940-х — 1950-х годах. В 1948 году в Австрии на заводе в Линце (VÖEST) была впервые опробована технология продувки жидкого чугуна кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму. Процесс получил название LD (Linz-Donawitz). Первый промышленный конвертер был запущен в 1952 году. В 1953 году аналогичный процесс был внедрён на заводе в Донавице.

Развитие в СССР и России

В СССР строительство первых кислородно-конвертерных цехов началось в 1960-х годах. Первый конвертер был введён в эксплуатацию в 1964 году на Криворожском металлургическом заводе (Украина). В РСФСР крупные ККЦ были построены на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК, 1966 год), на Череповецком металлургическом комбинате (Северсталь, 1970-е годы), на Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК, 1970-е годы) и на Западно-Сибирском металлургическом комбинате (ЗСМК, ныне ЕВРАЗ ЗСМК, 1970-е годы). К концу 1980-х годов кислородно-конвертерный способ стал доминирующим в отечественной металлургии, вытеснив мартеновский процесс.

Технологический процесс

Основные стадии

Производство стали в кислородно-конвертерном цехе включает несколько последовательных операций:

1. Загрузка шихты: В конвертер заливают жидкий чугун (до 70-80% от массы шихты) и загружают металлический лом (скрап). Для формирования шлака добавляют известь, плавиковый шпат, боксит.
2. Продувка кислородом: В конвертер опускают водоохлаждаемую фурму, через которую под давлением подаётся технически чистый кислород (99,5-99,9% O₂). Кислород вдувается в расплав на глубину 0,5-1,5 метра. Процесс длится 15-25 минут.
3. Шлакообразование: В ходе продувки кислород окисляет примеси чугуна (углерод, кремний, марганец, фосфор, серу). Оксиды этих элементов, взаимодействуя с известью, образуют шлак. Углерод окисляется до CO и CO₂, которые выделяются в виде пузырей, создавая интенсивное перемешивание ванны.
4. Отбор пробы и замер температуры: После окончания продувки отбирают пробу металла и измеряют его температуру (обычно 1600-1650 °C). При необходимости корректируют химический состав.
5. Выпуск стали: Конвертер наклоняют, и сталь через выпускное отверстие (лётку) сливают в сталеразливочный ковш. Шлак, оставшийся в конвертере, сливают в шлаковую чашу.
6. Внепечная обработка: Сталь из ковша может быть направлена на установки внепечной обработки (десульфурация, дегазация, легирование) для получения заданных свойств.
7. Разливка: Готовая сталь разливается на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) или в изложницы.

Химические реакции

Основные реакции, протекающие в конвертере:

• Окисление углерода: 2C + O₂ → 2CO (основной источник тепла и газообразных продуктов)
• Окисление кремния: Si + O₂ → SiO₂ (переходит в шлак)
• Окисление марганца: 2Mn + O₂ → 2MnO (переходит в шлак)
• Окисление фосфора: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ (связывается известью в шлак)
• Десульфурация (частичная): FeS + CaO → CaS + FeO (сера переходит в шлак)

Устройство и оборудование

Конвертер

Основной агрегат — кислородный конвертер. Он представляет собой грушевидный стальной корпус, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом (магнезитовым, хромомагнезитовым). Конвертер устанавливается на опорных кольцах и может поворачиваться вокруг горизонтальной оси с помощью механизма наклона. Ёмкость конвертеров варьируется от 50 до 400 тонн стали.

Система подачи кислорода

Включает кислородные фурмы (одну или несколько), которые опускаются в конвертер через горловину. Фурма представляет собой многослойную трубу с внутренним каналом для кислорода и каналами для охлаждающей воды. Давление кислорода — 10-15 атмосфер.

Отделение шихты

Включает бункеры для хранения сыпучих материалов (известь, руда, плавиковый шпат), загрузочные машины для лома, чугуновозные ковши и заливочные краны.

Газоотводящий тракт

Система для отвода и очистки конвертерных газов (CO, CO₂, N₂). Газы отсасываются через газоход, охлаждаются в котле-утилизаторе, очищаются от пыли в электрофильтрах или скрубберах и либо сжигаются на свече, либо направляются на утилизацию (например, для получения пара или электроэнергии).

Вспомогательное оборудование

• Сталеразливочные ковши
• Шлаковые чаши
• Краны мостовые (заливочные, разливочные, ремонтные)
• Установки внепечной обработки стали (УВОС)
• Машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)

Классификация

По способу подачи кислорода

• С верхней подачей (LD-процесс): Кислород подаётся сверху через водоохлаждаемую фурму. Наиболее распространённый тип.
• С донной подачей (OBM/Q-BOP): Кислород подаётся через фурмы, расположенные в днище конвертера. Обеспечивает лучшее перемешивание, но требует защиты фурм от воздействия шлака.
• Комбинированная подача (LD-KG, LBE): Сочетание верхней и донной подачи. Позволяет улучшить качество стали и снизить расход ферросплавов.

По ёмкости

• Малые: до 100 тонн (используются на мини-заводах)
• Средние: 100-250 тонн (наиболее распространены)
• Крупные: 250-400 тонн (на крупных металлургических комбинатах)

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность: Время плавки в конвертере составляет 30-50 минут, что в 10-15 раз быстрее мартеновского процесса.
• Низкая себестоимость: Отсутствие внешнего источника тепла (тепло выделяется за счёт окисления примесей), низкий расход топлива.
• Возможность автоматизации: Процесс хорошо поддаётся контролю и управлению с помощью ЭВМ.
• Высокое качество стали: Возможность получения стали с низким содержанием серы, фосфора, газов.

Недостатки

• Высокий расход кислорода: Требуется мощное кислородное хозяйство.
• Значительное пылеобразование: Конвертерные газы содержат до 100-200 г/м³ пыли, что требует мощных газоочистных установок.
• Ограничения по шихте: Требуется жидкий чугун, использование лома ограничено (до 25-30%).
• Экологические риски: Выбросы CO, CO₂, пыли, шум.

Применение и значение

Кислородно-конвертерные цехи являются основой современной чёрной металлургии. На их долю приходится около 70% мирового производства стали. В России ККЦ работают на всех крупных металлургических комбинатах: НЛМК, Северсталь, ММК, ЕВРАЗ ЗСМК, Уральская сталь и другие. Продукция ККЦ — сталь различных марок — используется в строительстве (арматура, балки, листовой прокат), машиностроении (автомобили, станки, суда), трубной промышленности, энергетике (трубы, опоры ЛЭП) и других отраслях.

Интересные факты

• Первый конвертер в мире был построен Генри Бессемером в 1856 году, но он использовал воздушное дутьё, а не кислород. Кислородный конвертер — это принципиально иная технология, разработанная в XX веке.
• В крупнейших конвертерах (ёмкостью 400 тонн) за одну плавку получают объём стали, достаточный для изготовления, например, 200 легковых автомобилей.
• Для охлаждения фурмы в конвертере используется вода, циркулирующая с высокой скоростью (до 15 м/с). Без этого охлаждения фурма расплавилась бы за несколько секунд.
• Конвертерный газ (CO) после очистки может использоваться как топливо для электростанций или в технологических целях, что повышает энергоэффективность производства.

Источники

• Металлургия стали: учебник для вузов / под ред. В. И. Явойского, В. И. Бойко. — М.: Металлургия, 1987.
• Кудрин В. А. Теория и технология производства стали. — М.: Мир, 2003.
• Технология кислородно-конвертерного производства стали / под ред. В. А. Кудрина. — М.: Металлургия, 1985.
• Материалы сайта ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК).
• Материалы сайта ПАО «Северсталь».
• Материалы сайта ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК).