Кислородный конвертер

Кислородный конвертер — это металлургический агрегат (сосуд грушевидной формы) для передела жидкого чугуна в сталь путём продувки его технически чистым кислородом (содержание O₂ более 99,5 %) через водоохлаждаемую фурму. Процесс, реализуемый в конвертере, называется кислородно-конвертерным (или LD-процессом, от названия австрийских городов Линц и Донавиц, где он был впервые внедрён в промышленном масштабе). Кислородный конвертер является основным агрегатом современной бессемеровской стали, обеспечивая высокую производительность и возможность получения стали широкого марочного сортамента.

История

Предпосылки и изобретение

До середины XX века основными способами производства стали были мартеновский процесс и бессемеровский (с продувкой воздухом). Бессемеровский метод имел существенный недостаток: азот воздуха, растворяясь в металле, ухудшал его механические свойства (вызывал «старение» и хрупкость). В 1856 году Генри Бессемер запатентовал способ продувки чугуна воздухом, но лишь в 1940-х годах учёные и инженеры начали эксперименты с использованием чистого кислорода.

В 1948 году в Австрии, на заводе в городе Линц, была проведена первая промышленная плавка с продувкой жидкого чугуна кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму. Этот метод, названный LD-процессом, позволил избежать насыщения стали азотом и значительно повысить качество продукта. В 1952 году в Линце и в 1953 году в Донавице были запущены первые промышленные конвертеры. В СССР первая плавка в кислородном конвертере была проведена в 1956 году на заводе «Криворожсталь» (ныне — АрселорМиттал Кривой Рог, Украина). В 1958 году вступил в строй первый советский конвертерный цех на Нижнетагильском металлургическом комбинате.

Развитие и совершенствование

В 1960–1970-х годах кислородно-конвертерный процесс вытеснил мартеновский в большинстве стран мира благодаря более высокой производительности (плавка длится 30–50 минут против 6–12 часов в мартене) и меньшим капитальным затратам. В 1970-х годах появились конвертеры с донной продувкой (процесс Q-BOP) и комбинированной продувкой (сверху и снизу). В 1980-х годах началось внедрение систем автоматического управления процессом, что позволило повысить точность попадания в заданный химический состав и снизить расход материалов.

Устройство и принцип работы

Конструкция

Кислородный конвертер представляет собой стальной сварной корпус, футерованный изнутри огнеупорными материалами (обычно периклазоуглеродистыми или доломитовыми кирпичами). Основные элементы:

• Корпус — грушевидной формы (сужение вверху и внизу, расширение посередине), что обеспечивает интенсивное перемешивание металла и шлака при продувке.
• Горловина — верхняя часть, через которую загружают лом и заливают чугун, а также отводят отходящие газы.
• Днище — нижняя часть, которая может быть съёмной для обслуживания и замены фурм (в конвертерах с донной продувкой).
• Опорный пояс — кольцо, на котором конвертер крепится к цапфам для поворота.
• Механизм поворота — электромеханический или гидравлический привод, позволяющий наклонять конвертер для заливки чугуна, слива стали и шлака.
• Фурма — водоохлаждаемая труба с соплами на конце, через которую подаётся кислород. В современных конвертерах фурма может перемещаться вертикально.

Принцип действия

Процесс плавки состоит из нескольких этапов:

1. Загрузка шихты: в конвертер загружают металлолом (скрап) и заливают жидкий чугун (температура 1250–1400 °C). Соотношение: 70–80 % чугуна и 20–30 % лома.
2. Продувка: фурму опускают в горловину, и через неё подают кислород под давлением 10–15 атм. Кислород взаимодействует с углеродом, кремнием, марганцем и фосфором, растворёнными в чугуне. Основные реакции:

• C + ½ O₂ → CO (выделяется угарный газ)
• Si + O₂ → SiO₂ (образует шлак)
• 2P + 5/2 O₂ → P₂O₅ (связывается известью в шлак)
• Fe + ½ O₂ → FeO (часть железа окисляется, но затем восстанавливается углеродом)

1. Шлакообразование: для удаления серы и фосфора в конвертер добавляют известь (CaO) и плавиковый шпат (CaF₂). Образующийся шлак всплывает на поверхность.
2. Окончание продувки: когда содержание углерода в металле достигает заданного значения (обычно 0,05–0,8 %), продувку прекращают. Температура стали в конце плавки — 1600–1700 °C.
3. Слив стали: конвертер наклоняют, и сталь через лётку (отверстие в горловине) сливают в сталеразливочный ковш. В ковше проводят раскисление (добавление алюминия, ферросилиция) и легирование.
4. Слив шлака: после слива стали конвертер наклоняют в другую сторону, и шлак сливают в шлаковую чашу.

Классификация

Кислородные конвертеры классифицируют по нескольким признакам:

По способу подвода дутья

• С верхней продувкой (LD-процесс) — кислород подаётся сверху через водоохлаждаемую фурму. Наиболее распространённый тип (около 70 % мирового производства конвертерной стали).
• С донной продувкой (Q-BOP, LWS) — кислород подаётся через фурмы, встроенные в днище. Обеспечивает лучшее перемешивание и меньшее окисление железа, но требует более сложной конструкции днища.
• С комбинированной продувкой (K-OBM, KMS) — кислород подаётся и сверху, и снизу. Позволяет регулировать тепловой баланс и повышать долю лома в шихте.

По ёмкости

• Малые — до 50 тонн (используются на мини-заводах и для спецсталей).
• Средние — 50–150 тонн (наиболее распространённые на современных комбинатах).
• Крупные — 150–400 тонн (на крупных интегрированных заводах, например, в Китае и России). Самые большие конвертеры в мире имеют ёмкость до 450 тонн (например, на заводе «Пусан» в Южной Корее).

По типу футеровки

• Основные — с магнезитовой или доломитовой футеровкой (используются для передела чугуна с высоким содержанием фосфора).
• Кислые — с динасовой футеровкой (применяются редко, для выплавки стали с низким содержанием серы).

Технологические особенности

Тепловой баланс

Процесс является экзотермическим: тепло выделяется за счёт окисления углерода, кремния и других элементов. Избыток тепла может быть использован для плавления дополнительного лома (до 25–30 % от массы шихты). Для регулирования температуры в конвертер добавляют охладители (лом, руду, окалину) или нагреватели (кокс, уголь).

Десульфурация и дефосфорация

Сера и фосфор — вредные примеси в стали. Для их удаления в конвертер добавляют известь и плавиковый шпат. Фосфор окисляется и связывается в шлак при низких температурах (1400–1500 °C), а сера удаляется в шлак при высоких температурах (1600–1700 °C). Для глубокой десульфурации (до 0,005 % S) применяют внепечную обработку (например, продувку аргоном или обработку синтетическим шлаком).

Экологические аспекты

При продувке образуется большое количество отходящих газов (CO, CO₂, NOₓ). Современные конвертеры оснащаются системами газоочистки (электрофильтры, рукавные фильтры) и системами дожигания CO до CO₂. Улавливаемый газ может использоваться как топливо (конвертерный газ с теплотой сгорания 8–10 МДж/м³). Шлак конвертерного производства используется в строительстве (дорожные покрытия, цемент) и в сельском хозяйстве (известкование почв).

Применение и значение

Кислородный конвертер является основным агрегатом для производства стали в мире. В 2023 году на кислородно-конвертерный процесс приходилось около 70 % мирового производства стали (примерно 1,3 млрд тонн). Остальное приходится на электродуговые печи (EAF) и мартеновские печи (последние — в основном в России и на Украине).

Основные области применения конвертерной стали:

• Строительство — арматура, балки, листовой прокат (мосты, здания, трубопроводы).
• Автомобилестроение — кузовные панели, рамы, детали подвески.
• Машиностроение — корпуса, валы, шестерни.
• Судостроение — корпусная сталь, листы для обшивки.
• Энергетика — трубы для нефте- и газопроводов, элементы котлов.

Современные тенденции

В XXI веке развитие кислородно-конвертерного процесса направлено на:

• Повышение доли лома — до 30–40 % за счёт подогрева лома перед загрузкой или использования комбинированной продувки.
• Снижение выбросов CO₂ — за счёт использования водорода в качестве восстановителя (проект HYBRIT в Швеции) и улавливания углерода (CCS).
• Автоматизация и цифровизация — внедрение систем машинного зрения, нейросетей и роботизированных комплексов для управления процессом.
• Использование альтернативных энергоносителей — например, замена природного газа на биогаз или водород для подогрева шихты.

Источники

1. Кудрин В. А. Теория и технология производства стали. — М.: Металлургия, 2003.
2. Смирнов А. Н., Куберский С. В., Шаповалов В. П. Кислородно-конвертерный процесс. — Донецк: ДонНТУ, 2008.
3. World Steel Association — Steel Statistical Yearbook 2023.
4. B. Deo, R. Boom — Fundamentals of Steelmaking Metallurgy. — Prentice Hall, 1993.
5. ГОСТ Р 53673-2009 — Конвертеры кислородные. Общие технические условия.