МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ: КОНВЕРТЕРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем
Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье (бессемеровского и томасовского) заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом. Кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь. Тепло, выделяющееся при окислении, обеспечивает нагрев стали до температуры выпуска (~1600°С).
Бессемеровский процесс (в конвертере с кислой футеровкой) был предложен и разработан англичанином Г. Бессемером в 1856г., томасовский (в конвертере с основной футеровкой) С. Томасом в 1878 г.
Устройство конвертера: бессемеровский и томасовский, конвертеры представляют собой сосуд грушевидной формы, выполненный из стального листа с футеровкой изнутри. Футеровка бессемеровского конвертера кислая (динасовый кирпич), томасовского — основная (смолодоломит).
Плавка в бессемеровском конвертере.
В конвертер заливают бессемеровский чугун (0,7-1,25 % Si-0,5-0,8 % Mn; 3,8-4,4 % С; <0,06 % Р; <0,06 % S) при температуре 1250—1300 "С и продувают его воздухом в течение 10— 15 мин. За время продувки окисляются углерод, кремний и марганец чугуна и из образующихся окислов формируется кислый шлак. После того, как углерод окислился до заданного содержания, продувку заканчивают, металл через горловину конвертера сливают в ковш, одновременно раскисляя его.
Общая длительность плавки составляет 20-30 мин; поскольку шлак кислый (55-65 % SiO2; 15-25 % FeO; 15-20 % MnO), при плавке не удаляются сера и фосфор.
Плавка в томасовском конвертере.
В конвертер для образования основного шлака загружают известь (12—18 % от массы металла), заливают томасовский чугун (1,6-2,0 % Р; 0,2-0,6 % Si; 0,8-1,3 % Mn; <0,08 % S; 2,8-3,3 % С), имеющий температуру 1180—1250 °С, и ведут продувку воздухом в течение 16—22 мин. За это время окисляются углерод, марганец и кремний; в формирующийся основной шлак удаляются фосфор и сера. Продувку заканчивают, когда содержание фосфора в металле снизится до 0,05—0,07 %, после чего металл выпускают в ковш, куда вводят раскислители.
Общая длительность плавки составляет 25-40 мин. Состав конечного шлака: 16-24 % P2О5, 42-45 % CaO, 5-10 % SiO2, 8-15 % FeO, 7-10 % MnO; благодаря высокому содержанию P2О5 этот шлак используют в качестве удобрения.
Видоизменения бессемеровского и томасовского процессов
Достоинства бессемеровского и томасовского процессов — высокая производительность, простота устройства конвертера, отсутствие необходимости применять топливо, малый расход огнеупоров и связанные с этим более низкие, чем при мартеновском и электросталеплавильном процессах капитальные затраты и расходы по переделу.
Однако обоим процессам присущ большой недостаток — повышенное содержание азота в стали (0,010—0,025 %), вызываемое тем, что азот воздушного дутья растворяется в металле. По этой причине бессемеровская и томасовская сталь обладают повышенной хрупкостью и склонностью к старению. Для получения стали с пониженным содержанием азота в 1950—65 применялись способы продувки снизу парокислородной смесью и смесью кислорода и углекислого газа, а также метод продувки дутьем, обогащенным кислородом.
Дутье обогащенное кислородом содержит от 30 до 40 % кислорода. При более высоком содержании кислорода, как показал опыт, резко снижается стойкость днищ конвертера, что является следствием возникновения у фурм зон высоких температур из-за протекания экзотермических реакций окисления составляющих чугуна. При воздушном дутье температура у днища была ниже, так как азот, содержащийся в дутье в большом количестве, играл роль охладителя.
Применение обогащенного дутья позволяет сократить длительность продувки (примерно на 30 %), поскольку в этом случае по сравнению с воздушным дутьем возрастает количество кислорода, вводимого в конвертер в единицу времени. Из-за уменьшения количества азота в дутье сокращаются потери тепла с отходящими газами, что позволяет перерабатывать до 10—15 % лома. Выплавляемая сталь содержала 0,006—0,009 % N, т. е. больше чем мартеновская.
Продувка парокислородной смесью позволяет полностью исключить азот из дутья, получать сталь с очень низким содержанием азота (0,001-0,0035 %) и сократить длительность продувки. Пары воды, попадая в конвертер, разлагаются на водород и кислород с поглощением тепла. Обычно применялись смеси, содержавшие около 50 % кислорода и пара, которые в тепловом отношении эквивалентны воздушному дутью. В связи с возможностью насыщения металла водородом метод применялся при выплавке низкоуглеродистых сталей для глубокой вытяжки, в которых водород не опасен, но важно иметь очень низкое содержание азота.
Продувка смесью кислорода и углекислого газа в соотношении 1 : 1 позволяла получать сталь с низким содержанием азота, но из-за высокой стоимости дутья применялась реже, чем другие способы комбинированной продувки снизу.
В период с 1955 по 1975 гг. бессемеровский и томасовский процессы и их разновидности были вытеснены кислородно-конвертерными процессами с верхней и нижней подачей дутья.