Основные металлургические технологии

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В КОНВЕРТЕРАХ

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ

Конвертерный процесс возник в сере­дине XIX в. Существовавшие в то вре­мя способы производства стали (пуд­линговый и тигельный) не могли уже в достаточной мере удовлетворить воз­росшие потребности в металле, свя­занные с увеличением масштабов же­лезнодорожного строительства, судо­строения, машиностроения, развити­ем военной техники и т. п. В 1856г. английский механик Генри Бессемер предложил новый способ передела чу­гуна в сталь.

15.1.1. Бессемеровский процесс. 12февраля 1856г. Г.Бессемер подал заявку на получение патента. В заявке указывалось, что, если в достаточных количествах вводить в металл атмос­ферный воздух или кислород, он вызы­вает интенсивное окисление примесей жидкого металла и либо поддерживает температуру последнего, либо повы­шает ее, и состав металла, остающегося в жидком состоянии, меняется от чугу­на до стали или ковкого железа без зат­рат горючего. К 1860 г. Бессемер закон­чил разработку конструкции агрегата, предназначенного для продувки чугу­на, предложив вращающийся вокруг горизонтальной оси аппарат (назван­ный им конвертером^), состоящий из металлического кожуха, футерованно­го изнутри. С тех пор прошло более 100 лет, однако конструкция конверте­ра не изменилась. Изменялись лишь способы изготовления кожуха, его форма и размеры, состав и методы из­готовления огнеупорной футеровки, соотношения высоты и диаметра кон­вертера. Предложенный Бессемером метод получил название бессемеровс­кого процесса, а предложенный имагрегат — бессемеровского конвертера.

¹ От англ, converter—преобразователь.

Бессемеровский конвертер (рис. 15.1) состоит из корпуса, горловины и дни­ща. Конвертер футеруют динасовым кирпичом или огнеупорной массой, состоящей из кварца в смеси с огне­упорной глиной. Примерный состав огнеупорной футеровки следующий, %: SiO₂ 90, А1₂О₃ 8,5, СаО + MgO 1. Днище конвертера футеруют тем же материа­лом. В днище вставляют ряд фурм (обычно фурмы изготавливают из ша­мота); в каждой фурме имеется не­сколько каналов (сопел) для подачи воздуха. К днищу снизу примыкает воздушная коробка, в которую из воз­духодувки по соединительному прово­ду подают сжатый воздух.

Опыт показал, что объем конверте­ра должен быть примерно в 10 раз больше объема, занимаемого ванной металла и шлака; в этом случае при кипении металла брызги не вылетают из полости конвертера. Тогда общий объем конвертера

V_К = (8 - 12)V_М

где V_M — объем жидкого металла.

Отношение объема конвертера к его садке колеблется в пределах от 1 до 1,6м³/т. Диаметр цилиндрической части конвертера обычно принима­ют в соответствии с соотношением D=(0,57+0,67) M, а высоту H - из соотношения

H/D=1,75 + 2,0,

здесь М— масса садки, т; H—расстояние по перпендикуляру от центра горловины до днища.

Глубина ванны залитого жидкого чугуна в спокойном состоянии обыч­но составляет 350-450 мм. При такой глубине ванны достаточно иметь дав­ление в воздушной коробке 200— 250 кПа.

Рис. 15.1.Бессемеровский конвертер ем­костью 35т:

/ — днище; 2—корпус; 3— шлем; 4— воздушная коробка

При меньшем давлении ме­талл может залить фурмы, при боль­шем — возможны выбросы металла. Площадь сечения сопел составляет 0,15-0,25м²Д садки, число сопел — до 300. Размещение сопел в днище должно быть таким, чтобы при на­клонном положении конвертера все количество металла и шлака вмеща­лось в агрегате, не заливая их.

По окончании заливки чугуна по­дают дутье и конвертер устанавливают в вертикальное положение (рис. 15.2). Начинается процесс окисления при­месей чугуна. Обычно бессемеровская плавка делится на два периода. В тече­ние первого (период шлакообразования) интенсивно окисляются примеси, имеющие наибольшее химическое сродство к кислороду: Si, Mn и в ка­който мере Fe. Образующийся шлак содержит SiO₂, MnO, FeO. Вследствие относительно низких температур пер­вого периода углерод почти не окис­ляется. Поскольку общая масса жид­кого металла в результате окисления Si, Mn и Fe уменьшается, относитель­ное содержание углерода в ванне мо­жет немного увеличиться.

При окислении Mn, Fe, и особенно Si, температура ванны резко возраста­ет (до 1600-1650 °С) и начинается вто­рой период (период кипения или пламе­ни), во время которого окисляется уг­лерод. Начало второго периода может быть достаточно точно зафиксировано визуально: как только начинает окис­ляться углерод, из ванны выделяется большое количество образующегося СО. Монооксид углерода, взаимодей­ствуя с кислородом воздуха, окисляет­ся до СО₂ (по реакции 2СО + О₂ = 2СО₂), и над горловиной конвертера появляется яркое белое пламя.

При высокой температуре металла и шлака процесс окисления углерода протекает очень интенсивно: углерод окисляется не только кислородом ду­тья, но частично и кислородом, содер­жащимся в оксидах железа шлака. Со-

Рис. 15.3.Изменение состава металла, шлака

и отходящих газов при продувке чугуна

в бессемеровском конвертере

держание оксидов железа в шлаке при интенсивном обезуглероживании по­нижается (рис. 15.3). При интенсив­ном окислении из шлака может вос­станавливаться не только железо, но и марганец. Поскольку шлак бессеме­ровской плавки состоит практически из SiO₂, MnO и FeO, восстановление из шлака железа и марганца вызывает увеличение содержания SiO₂ в шлаке.

Продолжительность операции про­дувки составляет 10-12 мин. В момент уменьшения содержания углерода до 0,1—0,2% интенсивность его окисле­ния заметно снижается, выделение и догорание СО прекращаются и при 0,1 % С в металле пламя падает. Паде­ние языка пламени свидетельствует об окончании второго периода плавки. Если в этот момент продувку не пре­кратить, то начнется третий период (период дыма). Поскольку почти все со­ставляющие чугуна (Si, Мп, С) к концу второго периода окислились и осталось только железо, то при продолжении продувки выгорают остатки углерода и марганца и интенсивно окисляется же­лезо; при этом выделяется бурый дым, который состоит из оксидов железа, уносимых отходящими газами.

Состав отходящих газов по ходу плавки изменяется: в первый период они состоят в основном из азота (кис­лород воздуха окисляет железо и его примеси и находится в ванне в виде SiO₂, MnO, FeO); во второй период газы состоят из N₂, CO и СО₂, а в тре­тий — в основном из N₂ (кислород расходуется на окисление железа). В бессемеровском процессе характер протекания основных периодов плав­ки и даже последовательность выгора­ния примесей зависят от состава про­дуваемого чугуна и его температуры, а также от организации работы (чем чаще плавки следуют одна за другой, тем лучше сохраняется тепло, аккуму­лированное футеровкой конвертера). Основное количество тепла, необхо­димое для плавки, выделяется в бессе­меровском процессе при окислении кремния. Большое значение имеет также степень нагрева жидкого чугу­на. По содержанию кремния бессеме­ровские чугуны делят на три группы:

1) нормальные (1,0-1,5 % Si); 2) хими­чески холодные (< 1 % Si); 3) химичес­ки горячие (> 1,5 % Si). В соответствии со степенью нагрева различают чугу­ны: 1) нормальные (1250-1350 °С);

2) физически холодные (< 1250 °С);

3) физически горячие (> 1350 °С). Ре­гулируя отношение таких факторов, как химический состав и температура чугуна, добиваются получения требуе­мого теплового баланса. Примером может служить так называемое русское бессемерование, при котором недоста­ток химического тепла при использо­вании малокремнистого чугуна ком­пенсировался избытком физического тепла (дополнительным подогревом этого чугуна в отражательной печи). При нормальном тепловом балансе тепла экзотермических реакций окис­ления примесей достаточно для подо­грева металла до необходимой темпе­ратуры (- 1600 °С) и компенсации потерь тепла на нагрев кладки и в окру­жающую среду.

Таким образом, бессемеровский процесс протекает без расхода топлива и без подачи тепла извне, что является достоинством бессемеровского про­цесса. Основным недостатком являет­ся то, что тепла экзотермических ре­акций окисления примесей достаточ­но только на нагрев заливаемого чугу­на, избытка тепла для переплава металлического лома нет; кроме того, для нормального проведения опера­ции требуется использование чугуна строго определенных состава и темпе­ратуры. Поскольку футеровка конвер­тера кислая и шлак соответственно тоже кислый (основная составляющая SiO₂), удалять серу и фосфор при бес­семеровском процессе невозможно, поэтому бессемеровский чугун должен содержать минимальное количество серы (<0,06%) и фосфора (<0,07%). Высокие требования к составу шихты также являются существенным недо­статком бессемеровского процесса.

15.1.2. Томасовский процесс. Поис­ки методов получения в конвертерах стали с низким содержанием фосфора и серы привели к созданию конверте­ра с основной футеровкой. Автором этого метода принято считать англий­ского металлурга С. Томаса, который в 1878 г. осуществил переплав чугуна в конвертере, футерованном обожжен­ным доломитом. Для получения высо-коосновного шлака в конвертер загру­жали известь Опыт показал, что при наличии основного шлака в конверте­ре можно перерабатывать высокофос­фористый чугун, что имело особое значение для стран Западной Европы, учитывая большие запасы фосфорис­тых железных руд в Эльзасе и Лота­рингии. Способ переработки высоко­фосфористых чугунов путем продувки воздухом в конвертерах с основной футеровкой в большинстве стран по­лучил название томасовского (в Анг­лии способ назывался основным бес­семеровским процессом), а конвертер с основной футеровкой — томасовским конвертером.

Конструкция томасовского кон­вертера аналогична конструкции бес­семеровского; отличие заключается лишь в несколько больших размерах в результате некоторого увеличения вы­соты конвертера (отношение высоты к диаметру H/D=2 — 2,8). Увеличение объема конвертера связано с увеличе­нием количества шлака (в связи с не­обходимостью загружать известь).

Толщина футеровки конвертера 500—700 мм. Материалом футеровки служит намертво обожженный доло­мит с добавкой 6—12% каменноуголь­ной смолы. Чистый доломит (СаСО₃ • MgCO₃) содержит 30,45 % СаО, 21,75 MgO, 47,8% СО₂. Присут­ствие в сыром доломите некоторого количества (< 4 %) таких примесей, как А1₂О₃, Si0₂, Fe₂O₃, считается же­лательным, так как при этом улучша­ется спекаемость зерен огнеупора.

В томасовском процессе в отличие от бессемеровского в конвертер снача­ла загружают известь (расход извести определяется из расчета ошлакования SiO₂ и Р₂О₅, образующихся при про­дувке, и составляет обычно 9—12 % от массы чугуна), а затем заливают чугун. После этого конвертер поворачивают в вертикальное положение и начинают продувку. Как и бессемеровские, тома-совские конвертеры бывают двух ти­пов: эксцентричные с асимметричной горловиной и концентричные с симмет­ричной горловиной. Конвертер с асим­метричной горловиной имеет преиму­щества: удобнее сливать шлак, меньше потери металла при сливе шлака, мень­ше потери металла с выбросами, проще осуществлять отвод конвертерных га­зов. Однако конвертер концентричес­кой формы обеспечивает более высо­кую производительность цеха, так как позволяет проводить необходимые опе­рации (загрузку материалов, заливку чугуна, выпуск металла, скачивание шлака) не с одной, а с двух сторон.

Обычный томасовский процесс протекает в три периода (рис. 15.4). В первый (период начала шлакообразова­ния) происходит окисление Si и Мп. Эти экзотермические реакции окисле­ния приводят к повышению темпера­туры ванны, но к меньшему по срав­нению с бессемеровским процессом, так как томасовский чугун содержит меньшее количество Si (0,2-0,6 %). Чем выше содержание кремния в чу­гуне, тем больше требуется извести для ошлакования образующегося SiO₂.

Рис. 15.4.Изменение состава металла при продувке чугуна в томасовском конвертере

Для ограничения процессов восста­новления кремния из кремнезема же­лезной руды плавку в доменной печи ведут при более низких температурах, чем при выплавке бессемеровского чугуна. Обычная температура тома-совского чугуна -1200 °С, т. е. пример­но на 100 ° С ниже температуры бессе­меровского чугуна. Хорошую жидко-текучесть такого физически холодного чугуна обеспечивает повышенное со­держание в нем фосфора.

Второй период томасовского про­цесса (период окисления углерода, или период кипения) начинается по мере нагрева металла. Перемешивание ван­ны ускоряет процесс шлакообразова­ния: в ванне образуется активный же­лезисто-известковый шлак, обеспечи­вающий наступление третьего перио­да — дефосфорации. Чем раньше сформируется шлак, тем раньше нач­нется окисление фосфора. При окис­лении и ошлаковании фосфора выде­ляется большое количество тепла и температура возрастает до 1600 °С. Если в бессемеровском процессе ос­новным источником тепла является кремний, то в томасовском таким ис­точником тепла является фосфор (табл. 15.1). Для обеспечения нор­мальной работы томасовский чугун должен содержать достаточное коли­чество фосфора (1,6-2,0 %).

Томасовский процесс имеет такие же недостатки, что и бессемеровский: жесткие требования к составу чугуна, невозможность переработки значи­тельных количеств металлического

Таблица 15.1.Тепловые балансы бессемеров­ского и томасовского процессов (% от итога)

Статья	Процесс
бессеме­ровский	томасов-ский
Приход тепла
Тепло жидкого чугуна	47-49	42-44
Окисление:
углерода	28-30	18-20
кремния и марганца	17-20	7-9
железа	1-2	2-3
фосфора	—	13-18
Шлакообразование	1-2	7-9
Расход тепла
Нагрев:
стали	60-62	52-54
шлака	5-6	18-20
Тепло, уносимое	28-30	22-24
отходящими газами
Разложение влаги дутья	1-1,5	1-1,5
Потери тепла	4-4,4	3-4

Примечание. Общий расход тепла (равен приходу тепла) на 1 т чугуна для бессемеров­ского процесса составляет -2200 МДж, для томасовского -2500 МДж.

лома, невысокое качество получаемо­го металла. В бессемеровском конвер­тере невозможно удалять серу и фос­фор; в томасовском конвертере часть серы в процессе плавки удаляется, од­нако «холодный ход» плавки при вып­лавке томасовского чугуна приводит к получению чугуна, содержащего по­вышенное количество серы (до 0,08 %). Довести содержание серы до низких пределов в процессе плавки не удается. Для улучшения условий уда­ления серы стремятся иметь опреде­ленное количество марганца в тома­совском чугуне (до 1,3 %). Вследствие высокого содержания Р₂О₅ в шлаке томасовского конвертера трудно полу­чить в металле очень низкие концент­рации фосфора (для этого необходимо скачивать шлак). Высокофосфорис­тый томасовский шлак является цен­ным удобрением.

И для бессемеровского, и особенно для томасовского металлов характерно повышенное содержание азота, кото-

рый переходит в металл из продувае­мого через ванну воздуха. Основные недостатки бессемеровского и тома­совского процессов могут быть устра­нены при обогащении дутья кислоро­дом, т. е. путем уменьшения содержа­ния азота, балластного в тепловом от­ношении и вредного в отношении влияния на качество металла.

15.1.3. Продувка чугуна кислородом. Перед второй мировой войной в прак­тику ряда германских заводов вошло некоторое обогащение кислородом дутья томасовских конвертеров. В 1934г. в СССР инж. Н. И. Мозговой провел серию опытов по продувке чу­гуна в ковше технически чистым кис­лородом. Однако только в конце 40-х — начале 50-х годов XX в. интенсивные разработки методов получения в боль­ших масштабах дешевого кислорода обеспечили возможность исследова­ний технологии кислородной конвер­терной плавки при замене воздуха кислородом. В 1945г. на Кузнецком металлургическом комбинате (КМК) под руководством акад. И. П. Бардина и проф. В. В. Кондакова был построен специальный конвертер, на котором была проведена серия опытов по обо­гащению дутья кислородом. Масса садки конвертера составляла 1,6—1,7т. Расплавляющийся в вагранке чугун имел состав, %: С 3,5, Si 0,45-0,75, Мп 0,7-0,9. Продувку чистым кислородом проводили через выполненные из ог­неупорных материалов фурмы сни­зу, через днище. Диаграмма одной из плавок приведена на рис. 15.5. В ре­зультате эксперимента с вдуванием кислорода установлено: 1)скорость

Рис. 15.5.Изменение свойства металла при продувке чугуна снизу кислородом в опыт­ном конвертере КМК

процесса в 2,5—3,5 раза выше, чем при продувке воздухом; 2) можно работать на химически холодных чугунах; 3) получаемая сталь имеет хорошее ка­чество; 4) содержание азота в металле составляет 0,001-0,002 % (в обычной бессемеровской 0,012—0,015 %, в мар­теновской 0,004-0,006 %); 5) обычные фурмы выдерживают всего одну плав­ку. Низкая стойкость обычных фурм при продувке снизу не позволила ис­пользовать этот метод в промышлен­ных масштабах. Широкое распростра­нение конвертерное производство с использованием для продувки металла кислорода получило лишь после раз­работки процесса продувки сверху, через водоохлаждаемую фурму.

Идея продувки металла в конверте­ре кислородом сверху была предложе­на еще в одном из патентов Бессемера. Однако практически она была реали­зована только в конвертерном цехе ав­стрийской компании VOEST в середи­не XX в. (г. Линц, 1952 г., и г. Донавице, 1953 г.). Новый процесс получил несколько названий: 1) LD-процесс (от нем. Linz Dusenferfahren — фур­менный процесс в Линце или по пер­вым буквам названий городов Linz и Donawitz); 2) ВОР-процесс (от англ. Basic Oxygen Process — основной кис­лородный процесс); 3) кислородно-конвертерный процесс. Исходя из теплового баланса кислородно-кон­вертерного процесса, доля металли­ческого лома может составлять 20— 25 % от массы садки.

Последующие годы характеризова­лись появлением ряда разновидностей кислородно- конвертерного процесса. В 1954-1956 гг. на Новотульском ме­таллургическом заводе проведены опыты по продувке чугуна в конвертере снизу через фурмы, в которых по цент­ральной трубе подавали О₂, а по окру­жающей трубку концентрической щели — СО₂ (10-30 % от расхода кис­лорода). В СССР в 1957-1958 гг. В. Г. Фе­дорович, И. И. Кобеза и С. Ф. Карп оп­робовали в лабораторных условиях свой метод плавки, при котором дон­ные воздушные фурмы конвертера были заменены кислородными с газо­вой защитой.

В 1967-1968 гг. в ФР-Г на одном из заводов компании Maxhiitte (Eisen

werk — Gesellschaft Maximilians Hutte) применен метод продувки чугуна в конвертере снизу струями кислорода," окруженными для защиты кольцевыми струями углеводородов. Метод успеш­но прошел заводские испытания. По­лучил широкое распространение метод продувки высокофосфористого чугуна через днище конвертера при помощи фурм, в которых струя кислорода окру­жена «охладителем» — природным га­зом (метаном, пропаном, бутаном и т. д.). Вместе с кислородом в ванну вду­вают тонкоизмельченную известь. Процесс получил название процесс ОВМ (Oxygen, Botton, Maxhutte — кис­лород, днище, Максхютте).

Во Франции применена модифика­ция процесса с донной продувкой, в которой в качестве «защиты» и охла­дителя струи кислорода используется жидкое топливо. Процесс получил на­звание LWS (по первым буквам фирм-разработчиков данного метода: Loire-Creusot, Wendel-Sidelor и Sprunck).

На Витковицком металлургичес­ком комбинате (г. Острава, Чехия) ус­пешно применен процесс, названный авторами Oxyvit (Oxygen + Vitkovice). В Oxyvit-процессе чугун продувают снизу кислородом и порошкообраз­ной известью в защитной рубашке из углеводородов.

В 1971 г. лицензия на метод работы с продувкой снизу была приобретена компанией «United States Steel Corp.» (США), и на экспериментальном кон­вертере компании была проведена се­рия опытных плавок по продувке снизу не фосфористого, а обычного (так на­зываемого мартеновского) чугуна с ос­тановкой продувки на заданном содер­жании углерода. Для предотвращения затекания металла в фурмы по оконча­нии продувки кислородом использо­ван подвод нейтрального газа (N₂, Аг). Разработанный процесс был назван Q-ВОР '. В трояком толковании названия показано, что новый процесс отличает­ся от обычного (с продувкой кислоро­дом сверху) более спокойным ходом плавки, более высокой скоростью ра финирования и металл получается бо­лее высокого качества.

¹ Дополнительный к обозначению ВОР индекс Q от первой буквы англ, слов: quiet (спокойно, спокойный), quick (быстро, быст­рый) и quality (качество, качественный).

В отличие от способа продувки кислородом сверху перечисленные выше способы получили общее назва­ние конвертерных процессов с дон­ным дутьем (донной продувкой). Если кислород и другие газы подают и сверху, и снизу, то процесс называют комбинированным (с комбинирован­ным дутьем).

В настоящее время процесс переде­ла чугуна в сталь в конвертерах явля­ется основным способом получения стали.) Помимо этого применения аг­регаты конвертерного типа использу­ют для производства легированной и высоколегированной сталей путем продувки газовыми смесями разного состава (О₂ + Аг, О₂ + N₂ и др.) полу­продукта, предварительно полученно­го в дуговой печи или в кислородном конвертере. В настоящее время произ­водство стали в мире превысило 800 млн т. Более половины этого ко­личества выплавляется в конвертерах.