Конвертерный способ выплавки стали¶

Конвертерный способ выплавки стали — это технологический процесс получения стали из жидкого чугуна путём продувки его кислородом или воздухом в специальном агрегате — конвертере. Относится к основным способам передела чугуна в сталь, наряду с мартеновским (в значительной степени вытеснен) и электросталеплавильным. Отличается высокой скоростью, производительностью и относительно низкой себестоимостью.

¶История

Первые попытки передела чугуна в сталь с использованием продувки воздухом предпринимались в XVIII веке, но практическая реализация стала возможна лишь в середине XIX века. В 1856 году английский изобретатель Генри Бессемер запатентовал способ получения стали в конвертере с кислой футеровкой (динасовый кирпич) и продувкой воздухом через дно. Процесс получил название бессемеровский. Однако он имел серьёзный недостаток: не удалял фосфор и серу, что ограничивало применение руд с высоким содержанием этих элементов.

В 1878 году Сидни Томас и Перси Гилкрист разработали способ с основной футеровкой (доломит, магнезит), позволяющий связывать фосфор в шлак. Этот процесс, названный томасовским, стал основным для переработки фосфористых чугунов, распространённых в Европе.

В середине XX века, с развитием промышленного получения кислорода, начался переход к кислородно-конвертерному процессу. В 1952 году в австрийском городе Линц был запущен первый промышленный конвертер с верхней кислородной продувкой (процесс LD — Linz-Donawitz). Этот метод быстро вытеснил бессемеровский и томасовский, а также мартеновский процесс, благодаря более высокому качеству стали, большей производительности и возможности переработки чугунов любого состава.

¶Классификация конвертерных процессов

Конвертерные способы классифицируются по нескольким признакам.

¶По типу футеровки

Кислый процесс (бессемеровский): футеровка из динаса (кремнезём). Не удаляет фосфор и серу. Применялся для чугунов с низким содержанием фосфора. В настоящее время практически не используется.
Основной процесс (томасовский, кислородно-конвертерный): футеровка из доломита, магнезита или хромомагнезита. Позволяет связывать фосфор и серу в шлак. Является основным в современной металлургии.

¶По способу подачи дутья

С донной продувкой (бессемеровский, томасовский): воздух или кислород подаётся через фурмы в днище конвертера. Обеспечивает хорошее перемешивание ванны, но фурмы быстро изнашиваются.
С верхней продувкой (кислородно-конвертерный процесс LD): кислород подаётся через водоохлаждаемую фурму, опущенную сверху. Наиболее распространённый тип.
С комбинированной продувкой (LBE, K-OBM, KMS): кислород подаётся сверху, а снизу — инертный газ (аргон, азот) или кислород с газом. Улучшает перемешивание, снижает окисление металла и повышает качество стали.

¶По типу дутья

Воздушное дутьё (бессемеровский, томасовский): использует атмосферный воздух. Содержит азот, который ухудшает качество стали (повышает хрупкость).
Кислородное дутьё (кислородно-конвертерный): использует технически чистый кислород (99,5–99,9%). Позволяет получать сталь с низким содержанием газов и неметаллических включений.

¶Устройство конвертера

Современный кислородный конвертер представляет собой стальной корпус грушевидной формы, футерованный изнутри огнеупорным материалом. Основные элементы:

Корпус — сварная или клёпаная стальная оболочка.
Футеровка — многослойная (рабочий слой, арматурный слой, теплоизоляция). Выполняется из магнезитового, доломитового или хромомагнезитового кирпича.
Горловина — верхняя часть, через которую загружают лом, заливают чугун и выпускают сталь.
Лётка — отверстие для выпуска стали (обычно в нижней части корпуса).
Опорное кольцо — массивная конструкция, на которой крепится корпус и которая позволяет поворачивать конвертер.
Механизм поворота — электромеханический или гидравлический привод, обеспечивающий наклон конвертера на 360°.
Фурма — водоохлаждаемая труба с соплом (или соплами) для подачи кислорода. В верхней продувке фурма опускается в горловину.

¶Технология кислородно-конвертерного процесса

Процесс состоит из нескольких стадий:

Загрузка шихты. В конвертер загружают металлический лом (скрап) — обычно 15–30% от массы шихты, затем заливают жидкий чугун (70–85%). Добавляют шлакообразующие материалы (известь, плавиковый шпат) для формирования шлака.
Продувка. Фурму опускают в горловину, и через неё подают кислород под давлением 10–15 атм. Кислород реагирует с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и другими элементами чугуна. Реакции экзотермические, температура в ванне поднимается до 1600–1700 °C. Продувка длится 15–25 минут.
Формирование шлака. Оксиды, образующиеся при окислении примесей (SiO₂, MnO, P₂O₅), связываются с известью, образуя жидкий шлак. Шлак всплывает на поверхность металла.
Раскисление и легирование. После продувки в конвертер вводят раскислители (ферросилиций, алюминий, силикокальций) для связывания растворённого в стали кислорода. При необходимости добавляют легирующие элементы (марганец, хром, никель, ванадий) для получения стали заданного химического состава.
Выпуск стали. Конвертер наклоняют, и сталь через лётку сливают в сталеразливочный ковш. Шлак, как более лёгкий, остаётся в конвертере и удаляется отдельно.
Удаление шлака. Конвертер наклоняют в противоположную сторону, и шлак сливают в шлаковую чашу.

¶Характеристики и особенности

Производительность: один конвертер может выдавать от 50 до 400 тонн стали за плавку. Время цикла — 30–50 минут.
Качество стали: сталь, полученная кислородно-конвертерным способом, отличается низким содержанием газов (азота, водорода) и неметаллических включений. По качеству она близка к электростали, но уступает ей по чистоте.
Энергозатраты: процесс экзотермичен, не требует внешнего источника тепла (кроме подогрева лома). Расход кислорода — 50–60 м³ на тонну стали.
Экология: конвертерное производство сопровождается выбросами пыли, оксидов углерода и серы. Современные конвертеры оснащаются системами газоочистки (электрофильтры, рукавные фильтры) и утилизации отходящих газов.

¶Применение

Кислородно-конвертерным способом выплавляется более 70% всей стали в мире. Он используется для производства широкого сортамента:

Углеродистые стали (обыкновенного качества, качественные, конструкционные).
Низколегированные стали (содержание легирующих элементов до 5%).
Среднелегированные стали (до 10% легирующих элементов).
Некоторые высоколегированные стали (например, нержавеющие) — в ограниченных объёмах, так как конвертерный процесс менее гибок по составу, чем электросталеплавильный.

¶Преимущества и недостатки

Преимущества:

Высокая производительность (короткое время плавки).
Относительно низкая себестоимость (не требует дорогого электроэнергии, как электросталеплавильный процесс).
Возможность переработки чугунов любого состава (с любым содержанием фосфора, серы).
Хорошее качество стали (низкое содержание газов).

Недостатки:

Высокие капитальные затраты на строительство конвертерного цеха.
Ограниченная гибкость по химическому составу (трудно получать стали с очень узкими пределами легирования).
Необходимость в большом количестве лома (для охлаждения ванны).
Экологические проблемы (выбросы пыли, газов, шлака).

¶Интересные факты

Первый в мире кислородный конвертер был построен в 1952 году в Австрии на заводе в Линце. Процесс получил название LD (Linz-Donawitz).
В СССР первый кислородный конвертер был запущен в 1956 году на Нижнетагильском металлургическом комбинате.
Крупнейшие конвертеры в мире имеют ёмкость до 400 тонн. Они установлены на металлургических комбинатах в Китае, Японии, России (например, на Череповецком металлургическом комбинате).
Конвертерный шлак используется в строительстве (как добавка в цемент, для дорожного покрытия) и в сельском хозяйстве (как известковое удобрение).

¶Источники

Металлургия стали: учебник для вузов / под ред. В.А. Кудрина. — М.: Металлургия, 1981.
Кислородно-конвертерный процесс: теория и технология / А.М. Поживанов, В.И. Борисов. — М.: Металлургия, 1987.
Технология производства стали в конвертерах / Ю.А. Шульте, В.М. Костин. — М.: МИСиС, 2005.
Большая советская энциклопедия: статьи «Бессемеровский процесс», «Томасовский процесс», «Конвертерное производство».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →