Конвертерный способ получения стали кратко

Разновидности кислородно-конверторного производства стали

Около 70% стали от общего объема мирового производства изготавливается конвертерным способом. До середины прошлого столетия для получения стали применялись бессемеровский и томасовский процессы. Однако в дальнейшем сталь начали производить усовершенствованным кислородно-конвертерным способом. В настоящее время предшественники современного метода практически не применяются.

Суть конвертерного производства

В конвертерном производстве применяются специальные сталеплавильные агрегаты, называемые конвертерами. Производство стали осуществляется путем продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Данный металл содержит различные примеси, в том числе кремний, углерод и марганец. Примеси окисляются под действием кислорода и удаляются из расплава. Основным преимуществом конвертерного способа является то, что для работы сталеплавильного устройства не требуется топливо. Сталь расплавляется под действием тепла, которое выделяют окисляющиеся примеси.

Принцип бессемеровского способа

Впервые массовое получение жидкой стали стало возможным в 1856 году благодаря Г. Бессемеру – изобретателю из Англии. Он придумал, как нагреть металл до температуры, превышающей 1500°С. Именно такая температура необходима для того, чтобы расплавить металл с пониженным содержанием углерода.

Бессемеровский процесс предусматривает продувку расплава атмосферным воздухом. Для этих целей применяются конвертеры, у которых внутренняя часть камеры сгорания защищена динасовым кирпичом. Благодаря такой защите бессемеровский способ называют кислой футеровкой конвертера.

Плавка в бессемеровском сталеплавильном агрегате осуществляется путем заливки чугуна при температуре 1250–1300°С. Следует заметить, что для выплавки бессемеровских чугунов требуются железные руды с низким содержанием серы и фосфора.

Залитый чугун продувают воздухом, в результате чего происходит окисление углерода, марганца и кремния. При окислении образуются оксиды, формирующие кислый шлак. Продувку воздухом заканчивают после того, как углерод окислится до требуемых значений.

Далее металл через горловину сливают в ковш, попутно его окисляя. У такого способа присутствует один существенный недостаток, заключающийся в невысоком качестве конечного продукта, который получается слишком хрупким за счет неполного удаления серы и фосфора.

Принцип томасовского способа

В 1878 году англичанину С.Г. Томасу удалось устранить главный недостаток бессемеровского способа. Кислую футеровку конвертера он заменил основной. Внутренний защитный слой в ванной был выложен смолодоломитовым кирпичом. А чтобы удалить из металла большую часть примесей, он предложил использовать известь, функция которой заключалась в связывании фосфора.

Томасовский процесс позволил перерабатывать чугун с высоким содержанием фосфора. Поэтому наибольшее распространение данный способ получил в странах, где железные руды содержат много фосфора. Во всем остальном метод, изобретенный Томасом, мало чем отличается от предложенного Бессемером:

• и в том, и в другом случае используется сталеплавильный агрегат, в который чугун подается сверху через отверстие в горловине;
• через это же отверстие производится выпуск стали.
• снизу сталеплавильный агрегат снабжен съемным днищем, что позволяет заменять его по мере выработки определенного срока службы;
• дутье в полость сталеплавителя поступает через специальные сопла, расположенные в футеровке днища.

Как уже говорилось выше, слив стали производится через отверстие в горловине. Перевернуть многотонный агрегат позволяют цапфы в цилиндрической части конвертера. При томасовском процессе в сталеплавитель загружают известь, позволяющую получить основной шлак. Далее туда же заливают высокофосфористый чугун, нагретый до 1200–1250°С и подают дутье. При подаче дутья происходит окисление кремния, марганца и углерода. В основной шлак удаляются сера и фосфор. Продувка завершается тогда, когда содержание фосфора снизится до определенных показателей. Окончательным этапом, как и в бессемеровском процессе, является выпуск металла с последующим раскислением.

Принцип работы кислородного конвертера

Впервые кислородное дутье было запатентовано Г. Бессемером. Однако в течение продолжительного времени кислородно-конвертерный процесс не применялся, в связи с отсутствием массового производства кислорода. Первые опыты по продувке кислородом стали возможными в начале сороковых годов прошлого столетия.

Устройство кислородного конвертера осталось прежним:

• камера сгорания изнутри защищена основной футеровкой;
• однако вместо воздуха в нем применяется продувка кислородом;
• подача кислорода осуществляется через водоохлаждаемые сопла.

На территории России применяются сталеплавители с верхней подачей кислорода.

Особенностью конвертерного способа с кислородной продувкой является скоротечность. Весь процесс расплавления металла занимает десятки минут. Однако во время работы требуется тщательно отслеживать содержание в чугуне углерода, температуры его расплава и прочие параметры, чтобы вовремя прекратить продувку.

Процесс сталеплавильного производства упростился, когда кислородные конвертеры оснастили автоматическими системами, усовершенствовали лабораторную технику и измерительные приборы. Усовершенствование кислородно-конвертерного процесса позволило повысить производительность, снизить себестоимость металла и повысить его качество.

Современные кислородные конвертеры могут работать в трех основных режимах:

• с полным дожиганием окиси углерода;
• с частичным дожиганием ОС;
• без дожигания ОС.

Они позволяют производить сталь из чугуна различного состава.

Кислородный конвертер – описание процесса плавки

Кислородный конвертер – это стальной сосуд грушевидной формы. Его внутренняя часть защищена смолодоломитовым (основным) кирпичом. Вместимость сталеплавильного агрегата варьируется от 50 до 350 тонн. Сосуд распложен на цапфах и способен поворачиваться вокруг горизонтальной оси, что позволяет беспрепятственно заливать в него чугун, закладывать другие добавки и сливать металл со шлаком.

Чтобы получить конечный продукт, в конвертер заливается не только чугун, но и закладывают добавки. К ним относятся:

• лом металла;
• шлакообразующие материалы (железная руда, известь, полевой шпат, бокситы).

Конвертерный способ с кислородной продувкой предусматривает заливку в конвертер чугуна, нагретого до 1250–1400°С. Установив конвертер в вертикальное положение, в него подают кислород. Как только началась продувка, в расплавленный чугун вводят остальные компоненты, входящие в состав шлака. Перемешивание чугуна со шлаком осуществляется под действием продувки.

Так как концентрация чугуна гораздо выше, чем примесей, в процессе продувки происходит образование оксида железа, который растворяясь, обогащает металл кислородом. Именно растворенный кислород способствует уменьшению в металле концентрации кремния, углерода и марганца. А когда примеси окисляются, выделяется полезное тепло.

Особенностью основного шлака является большое содержание оксида кальция и оксида железа, которые в начале продувки способствуют удалению фосфора. Если же содержание фосфора превышает требуемый показатель, шлак сливают и наводят новый. Продувку кислородом заканчивают, когда содержание углерода в конечном продукте соответствует определенному параметру. После этого конвертер переворачивают и производят слив стали в ковш, куда добавляют раскислители и другие добавки.

Видео по теме: Основы кислородно конвертерного производства

Источник

Кислородный конвертер

Для производства стали применяют три хорошо отработанных технологических процесса: мартеновский, кислородно-конвертерный, электроплавильный. Согласно статистике наибольшее количество стали в мире выплавляют, используя кислородный конвертер. На него приходится более 70% всей выплавляемой стали.

Основы этого метода были разработаны в начале тридцатых годов двадцатого века. Применять его приступили на австрийских заводах, расположенных в двух городах Линце и Донавице только в пятидесятые годы двадцатого века. В зарубежной технической литературе по металлургии этот способ получения стали именуется буквами ЛД. Это название возникло из первых букв австрийских городов. У наших металлургов он именуется как кислородно-конвертерный.

Разновидности кислородно-конвертерного способа

В кислородных конвертерах технология выплавки происходит по одному из двух хорошо известных способов. Они носят имя своих создателей: томасовский и бессемеровский. Однако современные технологии шагнули далеко вперёд. Так содержание азота в томасовской и бессемеровской стали выше в три раза, чем в конвертерной или мартеновской.

Разница между ними заключается в реализации технологических решений и применяемого огнеупорного материала. В томасовском процессе достаточно сложно производить контроль над протеканием периодов плавки. Бессемеровский процесс позволяет производить продувку воздухом через дно самого конвертера.

По способу организации продувки кислородно-конвертерный процесс бывает: с верхней, нижней или донной, комбинированной продувкой.

Первый способ обеспечивает наилучшие условия следующих технологических процессов: подачи в конвертер кислорода для продувки, более эффективный вывод лишних газовых скоплений, удобную заливку жидкого чугуна, дополнительную загрузку металлического лома и других дополнительных материалов.

Конвертеры с нижней продувкой всегда сделаны с меньшим объемом, по сравнению с конвертерами, обладающими верхней продувкой. Для реализации продувки через дно в нижней части конвертера монтируют от семи до двадцати специальных устройств, называемых фурмами. Их количество зависит от объёма конвертера. Монтируют эти устройства в той части дна, которая поднимается над уровнем расплавленного металла в момент наклона конвертера. После освобождения от содержимого осуществляется этап продувки. Существенно повышается скорость движения молекул углерода к поверхности. Это снижает общее содержание химического элемента в расплаве. Таким образом, появляется возможность получать сталь, в которой процент содержания оставшегося углерода очень маленький.

Кроме углерода, удаётся получить лучшее удаление серы. Осуществляя продувку со стороны дна, удаётся повысить на 2% количество получаемого металла.

Последний способ позволяет объединить некоторые достоинства обоих методов и в то же время устранить некоторые имеющиеся недостатки. Продувка мощным потоком кислорода производиться сверху вниз. Снизу вверх производят продувку инертным газом, например аргоном. Иногда для снижения общей стоимости вместо инертных газов применяют азот. Применение комбинированной продувки позволяет добиться следующих положительных показателей:

• увеличить объём выплавляемого металла;
• процент добавляемого металлического лома может быть повышен;
• добиться существенного снижения требуемых ферросплавов;
• уменьшить требуемое количество кислорода для продувки;
• снизить содержания различных газовых примесей, что позволяет повысить качество стали.

Технология кислородно-конвертерного способа

Устройство кислородного конвертера достаточно простое. По внешней форме конвертер выглядит как большой сосуд. Сверху он заканчивается сужающейся горловиной. Такая форма верхней части позволяет обеспечивать благоприятные условия для организации верхней продувочной системы. Вся загрузка компонентов в конвертер осуществляется сверху. Принцип работы кислородного конвертера заключается в следующем: в него заливают расплавленный чугун (он служит топливом для кислородного конвертера), засыпают металлический лом, загружают дополнительные материалы. В центральной части металлического корпуса конвертера располагается механизм поворота. С его помощью происходит наклон конвертера для слива готовой стали. В конвертерах, у которых объём превышает 200 тонн, применяют мощный двухсторонний привод. Для этого используют четыре мощных электрических двигателя, по два с каждой стороны.

При выборе размера верхней горловины учитывают, что целесообразно производить загрузку исходного материала, например стального лома не по частям, а сразу весь объём. Это позволяет сократить общее время, которое требуется на весь технологический процесс. Однако при увеличении размера горловины конвектора начинают увеличиваться общие тепловые потери. Происходит повышение содержания азота. Это происходит за счёт того, что через широкую горловину происходит самопроизвольное подсасывание дополнительного кислорода из окружающего воздуха. Вместе с кислородом попадает и азот. Этот дополнительный азот растворяется в металле и приводит к снижению качества.

Во многих странах наиболее распространёнными являются конвертеры с объёмом от 20 тонн до 450 тонн. Продолжительность конвертерного процесса выплавки стали не превышает 50 минут.

Сохранение надёжности протекания химических реакций при конвертерном процессе выплавки стали происходит благодаря поддержанию температуры более 1400°C. Для обеспечения этих условий металлический корпус конвертера внутри выкладывается огнеупорным материалом (обычно это специальный шамотный или тугоплавкий кирпич). На первом этапе производят загрузку кислородного конвертера. После этого, приступают к подаче кислорода. Требуемое количество подаваемого воздуха для обеспечения одной плавки составляет 350 кубических метров.

Кислород с большой скоростью вступает в химическую реакцию с расплавленным чугуном. Это позволяет удалить избыточный углерод. Присутствующие в металле серу и фосфор одновременно превращают в шлак. Такая технологическая цепочка позволяет остановить плавку в тот момент, когда уровень содержания углерода достигнет заданных технических условий. Это позволяет получать довольно большую номенклатуру углеродистых сталей и добиваться низкого содержания серы, фосфора и других примесей.

Контроль происходящих процессов и качество металла, осуществляют методом периодического отбора проб. Они позволяют определить степень оставшегося в расплаве газообразного углерода. Когда процент содержания углерода достигнет заданного, процесс продувки кислородом останавливают. По завершению технологической цепочки, сталь выливают в специальный ковш. Оставшийся шлак удаляют через специальный слив в конвертере.

Особое внимание уделяется контролю количества и скорости подачи кислорода. Процент содержания кислорода регулируют введением в конвертер охладителей. Функции охладителей могут выполнять: металлолом, железная руда, известняк.

Схема кислородного конвертера

Всё равно в готовой стали всегда сохраняется определённый процент кислорода. Он вступает в реакцию окисления с железом. Таким образом образуется окись железа. Чтобы снизить содержание этой окиси (провести операцию восстановления железа), в ковш добавляют так называемые раскислители. Если процесс так называемого раскисления произошел технологически правильно, в результате остывания отсутствует процесс выделения газов. Такую сталь металлурги называют спокойной. Для получения такой стали, в качестве раскислителей, в расплав добавляют сначала добавки на основе ферромарганца. На конечном этапе добавляют ферросилиций. В конце плавки — обыкновенный алюминий.

Вся технологическая цепочка производства стали подразделяется на следующие этапы:

• окисление присутствующих добавок;
• последовательные химические реакции (сначала окисление кремния; затем марганца, на завершающем этапе углерода);
• дефосфорация;
• десульфурация;
• шлаковое образование;
• процесс общего раскисления.

Если весь кислород не был удалён, продолжается образование окиси железа. Кроме этого, при остывании продолжается химическая реакция взаимодействия углерода и железа. Она приводит к выделению окись углерода. Его интенсивное образование и последующее выделение из расплава хорошо видно визуально. Процесс напоминает закипания воды в чайнике. Подобная сталь на языке профессионалов называется «кипящей». Для устранения этого эффекта в расплав добавляют ферромарганец.

Присутствие в жидком металле растворенных газов, которые не успевают выйти, приводит к образованию пустот. Они серьёзно снижают качество всего полученного металла. Чтобы не допустить таких образований, на этапе плавки, производят специальную дегазацию. Чтобы добиться наилучшего эффекта, эту операцию проводят в специальных вакуумных камерах. Таким образом удаётся существенно повысить плотность и улучшить физико-механические свойства полученной партии металла.

Достоинства и недостатки кислородно-конвертерного способа

К основным достоинствам способа относятся:

• по сравнению с другими процессами выплавки у него более высокая производительность;
• конструктивная схема самого кислородного конвертера достаточно проста (обыкновенный металлический резервуар, то есть корпус, внутри которого находится огнеупорный материал);
• низкая стоимость расходов на огнеупоры;
• невысокая себестоимость получаемой стали;
• низкие капитальные затраты на строительство, даже с учётом добавления стоимости на строительство кислородных станций.

Опыт эксплуатации конвертеров показал, что экономическая эффективность превышает мартеновский способ на 14%, а электроплавильный на 25%.

К наиболее явно выраженным недостаткам относятся:

• необходимость загрузки в конвертер только жидкого чугуна. Добавление и последующая переработка металлического вторсырья возможна только в небольшом количестве (не более 10%);
• на этапе технологической продувки вместе с углеродом выгорает достаточно большое количество полезного железа. Технологические потери могут достигать 15%;
• возникают сложности в организации системы контроля и регулирования конвертерного процесса выплавки стали. Это связано с высокой скорость протекания химических процессов;
• недостаточный контроль не позволяет получать сталь точно заданных технических характеристик.

Область применения конвертерных видов стали

Имеющиеся недостатки несколько ограничивают область применения подобной стали. Из неё производят такие деталей, к которым не предъявляют повышенные технические требования. В кислородных конвертерах получают продукцию трёх видов: углеродистую, легированную и низколегированную сталь. Эти марки используются для изготовления проволоки (катанки), труб небольшого диаметра, отдельных видов рельс.

Специальные изделия активно применяются в строительстве. Практически вся так называемая автоматная сталь изготавливается по конвертерной технологии. Из неё производят большое количество метизной продукции: болты, гайки, шурупы, саморезы, скобы и так далее.

Источник