LD-процесс

LD-процесс (от англ. Linz-Donawitz, также известный как кислородно-конвертерный процесс, основной кислородный процесс) — это технология передела жидкого чугуна в сталь путём продувки его кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму в конвертере с основной футеровкой. Является основным промышленным способом производства стали в мире, вытеснив мартеновский процесс и томасовский процесс.

История

Предпосылки создания

К середине XX века основными способами производства стали были мартеновский процесс (использовавший подогрев шихты регенеративными печами) и бессемеровский/томасовский процессы (продувка воздухом снизу). Последние имели существенный недостаток: азот воздуха, проходя через расплав, насыщал сталь, делая её хрупкой и снижая качество. Попытки использовать чистый кислород для продувки предпринимались с 1920-х годов, но технические трудности (высокая температура реакции, разрушавшая фурму и футеровку) долгое время не позволяли реализовать процесс в промышленных масштабах.

Разработка и внедрение

В 1949 году на австрийских металлургических заводах в городах Линц и Донавиц (Linz-Donawitz) инженеры под руководством доктора Теодора Зюсса (Theodor Suess) и инженера Роберта Дюррера (Robert Durrer) разработали технологию подачи кислорода сверху через водоохлаждаемую фурму. Первый промышленный конвертер был запущен в Линце в 1952 году, а в Донавице — в 1953 году. Процесс получил название по первым буквам городов.

Распространение

LD-процесс быстро доказал свою эффективность: высокая производительность (плавка длилась 30-40 минут против 6-12 часов в мартеновской печи), лучшее качество стали по сравнению с бессемеровской и возможность переработки чугуна с любым содержанием фосфора (при использовании основной футеровки). К 1970-м годам он стал доминирующим в мировой металлургии. В СССР первый конвертер был запущен в 1956 году на Криворожском металлургическом заводе (ныне Украина). В России крупнейшие конвертерные цеха работают на Череповецком (Северсталь), Магнитогорском (ММК) и Новолипецком (НЛМК) металлургических комбинатах.

Устройство и принцип действия

Конвертер

Основной агрегат — конвертер, представляющий собой грушевидный (или цилиндрический) стальной корпус, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Основные элементы:

• Корпус — сварная или клёпаная стальная оболочка.
• Футеровка — основной (доломитовый или магнезитовый) огнеупорный слой, устойчивый к воздействию основных шлаков.
• Горловина — верхняя часть, через которую загружают лом, заливают чугун и сливают шлак.
• Лётка — отверстие в нижней части для выпуска готовой стали.
• Опорное кольцо — конструкция, позволяющая поворачивать конвертер вокруг горизонтальной оси.
• Привод — механизм для наклона конвертера (для заливки, слива, скачивания шлака).

Фурма

Водоохлаждаемая медная трубка, опускаемая в горловину конвертера. Через сопла на конце фурмы подаётся кислород высокой чистоты (99,5% и выше) под давлением 10-15 атмосфер. Фурма может перемещаться вертикально, регулируя расстояние до поверхности расплава. Охлаждение осуществляется циркулирующей водой.

Технологический цикл

1. Загрузка шихты: В конвертер загружают металлический лом (обычно 20-30% от массы шихты) и заливают жидкий чугун (температура 1250-1400°C).
2. Продувка: Фурму опускают в горловину, и начинается подача кислорода. Струя кислорода проникает в расплав, вызывая интенсивное окисление примесей (углерода, кремния, марганца, фосфора, серы). Реакции экзотермичны, температура ванны поднимается до 1600-1700°C.
3. Шлакообразование: Для связывания оксидов (SiO₂, P₂O₅) в конвертер добавляют флюсы (известь, плавиковый шпат). Образуется жидкий шлак, который всплывает на поверхность.
4. Отбор проб и корректировка: В процессе продувки отбирают пробы металла и шлака, анализируют химический состав. При необходимости проводят дополнительную продувку или добавку легирующих элементов.
5. Выпуск стали: По окончании продувки конвертер наклоняют, и сталь через лётку сливают в сталеразливочный ковш.
6. Слив шлака: После выпуска стали конвертер наклоняют в другую сторону, сливая шлак в шлаковую чашу.
7. Осмотр и ремонт: Футеровку осматривают, при необходимости ремонтируют торкретированием (напылением огнеупорной массы).

Химизм процесса

Основные реакции, протекающие в конвертере:

• Окисление углерода: 2C + O₂ → 2CO (образуется угарный газ, который дожигается над ванной или отводится как топливо).
• Окисление кремния: Si + O₂ → SiO₂ (связывается известью в силикаты кальция).
• Окисление марганца: 2Mn + O₂ → 2MnO (переходит в шлак).
• Окисление фосфора: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ (связывается известью в фосфаты кальция).
• Десульфурация: S + CaO → CaS + O (сера переходит в шлак в виде сульфида кальция).

Температура в зоне реакции достигает 2000-2500°C, что обеспечивает быстрое плавление лома и интенсивное перемешивание ванны за счёт выделяющихся газов.

Классификация и разновидности

По способу подачи кислорода

• LD-процесс (классический): продувка сверху одной фурмой.
• LD-AC (Linz-Donawitz-Arbed-CRM): продувка сверху с использованием извести в виде порошка (для лучшего удаления фосфора).
• LBE (Lance-Bubbling-Equipment): комбинированная продувка — кислород подаётся сверху, а инертный газ (аргон, азот) — через донные пористые блоки, улучшая перемешивание.
• OBM (Oxygen-Bottom-Maxhütte): продувка кислородом снизу через донные фурмы (защищённые углеводородным топливом).

По типу футеровки

• Основная (доломит, магнезит) — для передела чугуна с высоким содержанием фосфора и серы.
• Кислая (динас) — используется редко, для специальных марок стали.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность: время плавки 30-40 минут, конвертер может выдавать до 300-400 тонн стали за цикл.
• Качество стали: низкое содержание газов (кислорода, азота, водорода) по сравнению с мартеновской и бессемеровской сталью.
• Гибкость: возможность переработки чугуна различного состава, добавления до 30% лома.
• Энергоэффективность: используется тепло экзотермических реакций, не требуется внешнего топлива.
• Автоматизация: процесс легко поддаётся автоматическому управлению.

Недостатки

• Высокий расход кислорода: требуется около 50-60 м³ кислорода на тонну стали.
• Износ футеровки: высокая температура и агрессивные шлаки приводят к быстрому износу (срок службы 1000-3000 плавок).
• Образование пыли и газов: выбросы CO, CO₂, оксидов азота требуют мощных газоочистных систем.
• Ограничения по лому: доля лома ограничена тепловым балансом (обычно не более 30%).

Применение

LD-процесс используется для производства широкого спектра марок стали:

• Конструкционные стали (строительство, мосты, трубопроводы).
• Листовой прокат (автомобилестроение, судостроение, авиация).
• Рельсовая сталь (железные дороги).
• Сортовой прокат (арматура, балки, швеллеры).
• Низколегированные стали (с добавлением никеля, хрома, молибдена).
• Углеродистые стали (различного назначения).

В России и мире LD-процесс обеспечивает около 70% всего производства стали. Крупнейшие производители: Китай (Baowu, HBIS), Япония (Nippon Steel, JFE), Индия (Tata Steel), Россия (Северсталь, НЛМК, ММК), Южная Корея (POSCO).

Экологические аспекты

Процесс сопровождается значительными выбросами:

• Газообразные: CO (дожигается до CO₂), CO₂, SO₂, NOx.
• Твёрдые: пыль (оксиды железа, извести, кремнезёма).
• Тепловые: нагрев воды охлаждения, отходящих газов.

Для снижения воздействия применяются:

• Электрофильтры и рукавные фильтры для очистки газов (эффективность до 99,9%).
• Системы дожигания CO (с получением тепловой энергии).
• Оборотное водоснабжение (охлаждение фурмы и корпуса).
• Использование шлаков (в дорожном строительстве, производстве цемента).

Интересные факты

• Первый LD-конвертер в Австрии имел ёмкость всего 30 тонн, современные — до 400 тонн.
• Процесс был разработан в условиях острого дефицита кокса и высококачественного чугуна в послевоенной Европе.
• В СССР долгое время конкуренцию LD-процессу составлял мартеновский процесс, но к 1990-м годам последний был практически полностью вытеснен.
• Крупнейший в мире конвертер (400 тонн) работает на комбинате POSCO в Южной Корее.
• В 2020-х годах активно разрабатываются технологии «зелёной» металлургии, где LD-процесс может быть заменён водородным восстановлением, но пока остаётся основным.

Источники

• Металлургия стали: Учебник / Под ред. В. А. Кривошеина. — М.: Металлургия, 1995.
• Технология производства стали в конвертерах / А. М. Поживанов, В. И. Балтин. — М.: Металлургия, 1988.
• Кислородно-конвертерный процесс: теория и практика / В. И. Явойский, В. А. Кривошеин. — М.: Металлургия, 1979.
• История развития конвертерного производства стали // Сталь. — 2002. — № 5.
• Современное состояние и перспективы развития кислородно-конвертерного процесса // Металлург. — 2018. — № 12.