Способы выплавки стали бессемеровский
Новая эра в металлургии
С развитием машиностроения, железнодорожного и водного вида транспорта стала особенно актуальной разработка новых способов изготовления стали, которые бы заменили старые — кричный, пудлинговый, тигельный.
И такие способы были найдены, и получили название конвертерные. Суть этих процессов состояла в том, что при производстве жидкой стали чугун продували окислительными газами.
Речь пойдет о таком конвертерном процессе, который получил название бессемеровский, в честь автора, изобретателя Генри Бессемера, запатентовавшего в 1856 г. способ, при котором для получения жидкой стали осуществляют продувку чугуна через дно сосуда паром, сжатым воздухом, или смесями из них.
Рис. 1 Сэр Генри Бессемер
Осуществление процесса в стационарном аппарате не давало возможности отключать дутье в процессе плавки и заливки чугуна, поэтому в 60-х гг. 19 в. Бессемером было предложено использование поворачивающегося конвертера, который устранял недостатки данного агрегата.
Конвертер – это сосуд грушевидной формы, с футеровкой динасовым кирпичом, через дно которого расплавленный чугун продувается воздухом, и происходит превращение чугуна в жидкую сталь.
Данный процесс быстро обрел популярность в странах Европы и Америки. В начале 20 века объем выплавки стали таким способом достиг 12,5 млн.т.
Разработанная Бессемером конструкция конвертера показала себя настолько удачно и технологично, что за свою более чем столетнюю историю не претерпела при донном дутье никаких существенных изменений.
Бессемеровский конвертер изображен на рисунке 2.
Рис.2 Бессемеровский конвертер
Конструкция данного конвертера включает в себя корпус (3) (в виде футерованного динасовым кирпичом стального кожуха), днища (2) и воздушной коробки (1). Опирается корпус на металлический пояс (5) – опорное кольцо с двумя цапфами. Цапфы опираются на подшипники, установленные на двух колоннах, располагающихся на фундаментах. В футерованном динасом днище имеются сопла для поступления воздуха из воздушной коробки.
При пребывании конвертера в вертикальном положении воздух через сопла попадает в обрабатываемый чугун. Избыточное (примерно 0,2 МПа) давление сжатого воздуха гораздо больше, чем давление столба жидкого металла, это защищает от заливания им сопел. Особенности формы верхней части корпуса конвертера позволяют увеличивать вместительность ванны, заливать в него чугун и осуществлять дутье в горизонтальном положении.
С помощью горловины (4) заливается чугун, иногда загружается стальной лом или железная руда для охлаждения металла, выливается в конце процесса плавки сталь и шлак, отводя конвертерные газы при продувке.
Подача воздуха начинается после заливки чугуна в момент, когда конвертер поворачивают из горизонтального в вертикальное положение, и прекращается в конце плавки после т.н. повалки (возвращения в горизонтальное положение) конвертера, когда уровень металла становится ниже уровня ближайших к “спине” (в верхней части корпуса конвертера) сопел.
Оптимальный показатель давления дутья равен 0,2 – 0,25 МПа, интенсивность продувки металла воздухом 15-25 м³.
Чугун является исходным материалом, используемым во время бессемеровского процесса. Количество фосфора и серы в чугуне должно быть ограниченным, поскольку из-за того, что футеровка конвертера кислая (динасовая), то и шлак получается кислым, а это лишает возможности выведения фосфора и серы из металла в шлак.
Что касается кремния и марганца, то их оптимальная концентрация в чугуне зависит от теплового баланса плавки и условий службы футеровки. Играет роль не только содержание кремния и марганца, но и отношение этих значений друг к другу – если оно ниже оптимального значения 1,8-2, то полученные марганцовистые шлаки разрушают огнеупоры, а если гораздо выше, то происходит повышение вязкости кремнеземистых шлаков, что приводит к зарастанию футеровки.
В качестве шихтовых материалов пользуются охладителями металла, например стальным ломом, железной рудой, прокатной окалиной, раскислителями и легирующими ферропластами. Серу, фосфор, ржавчину, землю и цветные металлы в стальном ломе стараются сводить до минимума. Оптимальнее всего использовать мелкий лом, который полностью расплавляется до конца продувки. Что касается железной руды как шихтового материала, то она должна быть кусковой и содержать минимум влаги.
Чугун, нагретый до 1250 – 1350 Сº , превращается в жидкую сталь, нагретую уже до 1590-1650 Сº за счет окисления примесей чугуна кислородом поступающего снизу воздуха и выделяемого при этом тепла.
Процесс плавки состоит из таких этапов:
- Заливка чугуна через горловину (при этом важно следить, что конвертер находился в горизонтальном положении и сопла не заливались металлом);
- Пуск дутья и одновременное переведение конвертера в вертикальное положение;
- Продувка металла воздухом (шлакообразование, обезуглероживание, передувка);
- Прекращение дутья и возвращение конвертера в горизонтальное положение (повалка конвертера);
- Слив металла в ковш и его раскисление (или в конвертере, или в ковше).
Изменения, происходящие с составом металла, шлака, отходящих газов и температуры во время нормальной бессемеровской плавки, проводящейся без присадок материалов, регулирующих нагрев ванны, изображены на рис.3.
В первой периоде продувки активно окисляются кремний и марганец и медленно (или почти не окисляется) углерод. Это происходит потому, что под воздействием низких температур и при соответствующих процентных содержаниях элементов в металле максимальная работа реакции окисления углерода гораздо меньше, чем реакций окисления кремния и марганца. На окисление примесей металлов оказывают влияние не только термодинамические факторы, но и факторы переноса массы кислорода к местам протекания реакции.
Первый период – это период шлакообразования, в течение которого формируется кислый шлак с высоким содержанием кремнезема. Временной интервал данного периода растет с повышением кремния и с уменьшением исходной температуры чугуна и длится от 2 до 5 мин.
Во время второго периода создаются благоприятные термодинамические и кинетические условия для окисления углерода. За пределами горловины догорают CO и CO2 и из горловины вырывается ослепительно яркое пламя, с температурой выше 2000 Сº. В конце периода нагрев металла составляет примерно 1600 Сº. Длительность периода определяется интенсивностью продувки и равна 8-13 мин.
Повышение температуры металла во втором периоде происходит не так быстро, как в первом, поскольку при продувке воздухом количество тепла реакции окисления углерода, нагревающего металл, меньше тепла реакции окисления кремния (в расчете на единицу массы окисленного элемента). Чтобы не допустить передувки металла, процесс продувки заканчивают во второй периоде. Передувку стараются не допускать, потому что тогда ухудшается качество металла, повышается концентрация O и N, угар раскислителей, и концентрация неметаллических включений в стали, а также получают меньше выход годного из-за дополнительного угара железа.
Во время третьего периода происходит активное окисление железа и выделение бурого дыма. Начинается этот период, когда углерода меньше 0,1%. В течение этого периода активно растут (FeO), температура металла и концентрация азота в газах и металле, а также повышается окисленность стали.
Могут применяться различные способы бессемерования, в зависимости от футеровки, содержания кремния в обрабатываемом чугуне и нагрева чугуна. Необходимую производительность конвертера и качество стали можно достигнуть путем комбинации большого нагрева чугуна (примерно 1450ºС) и низкого содержания в нем кремния (около 0,7%). Такой вариант лежит в основе трудов ученых Д.К.Чернова и К.П. Поленова.
В крупных бессемеровских цехах обычно устанавливали три конвертера садкой 25-35 т. Производительность цеха, имеющего три таких конвертера, достигала 0,7-0,8 млн.тонн или 1,5-1,6 млн.тонн (в зависимости от садки конвертера) в год, производительность труда рабочего 1200-1800 тонн в год. И хоть данная производительность и выше, чем у мартеновских печей, их все равно стали заменять на мартеновские, по таким причинам, как: малый расход стальных ломов и железной руды, приводящий к повышению себестоимости стали; низкое качество стали из-за повышенного содержания в ней азота, фосфора и серы; узкий диапазон подлежащих к обработке видов чугуна – только с достаточно большой концентрацией кремния в составе и маленькой – фосфора и серы.
Александр Рыбаков
Источники использованные при написании статьи:
В.И.Баптизманский, М.Я.Меджибожский, В.Б. Охотский «Конвертерные процессы производства стали»
Источник
Процесс Бессемера при производстве стали
Известно, что при производстве стали важное значение имеет содержание углерода который должен быть на уровне от 0,02 до 2,14 %. Углерод придаёт стали прочность и твёрдость, но с его увеличением снижает пластичность и вязкость.
Массовое производство дешевой стали стало возможным только после внедрения бессемеровского процесса, обеспечивающего необходимое содержание углерода. Бессемерский процесс назван в честь его гениального изобретателя, британского металлурга сэра Генри Бессемера (1813-1898).
Бессемер рассудил, что углерод в расплавленном чугуне легко соединяется с кислородом, поэтому большое содержание воздуха проходящего через расплавленный чугун должен превратить чугун в сталь, уменьшив содержание углерода.
Суть бессемеровского процесса
В 1856 году Бессемер сконструировал то, что он называл конвертером, — большой сосуд грушевидной формы с отверстиями внизу, позволяющими впрыскивать сжатый воздух. Бессемер наполнил его расплавленным чугуном, продул сжатый воздух через расплавленный металл и обнаружил, что чугун действительно был очищен от углерода и кремния всего за несколько минут. Более того, вместо того, чтобы застыть от поданного холодного воздуха, металл стал еще горячее и поэтому оставался расплавленным. Последующие эксперименты другого британского изобретателя, Роберта Мушета, показали, что воздушный поток действительно удалял слишком много углерода и оставлял слишком много кислорода в расплавленном металле. Это сделало необходимым добавление соединения железа, углерода и марганца, называемого шпигелейзен (или Шпигель для краткости): марганец удаляет кислород в виде оксида марганца, который переходит в шлак. Дутье воздуха через расплавленный чугун с последующим добавлением небольшого количества расплавленного Шпигеля превращает всю большую массу расплавленного чугуна в сталь всего за несколько минут, без необходимости какого-либо дополнительного топлива.
Бессемеровский процесс позволил уменьшить время и необходимую энергию для лужения и цементации которые проводились до изобретения этой технологии.
Недостаток процесса
Бессемеровский процесс имел недостаток — не удалял фосфор из металла. Фосфор делает сталь чрезмерно хрупкой. Поэтому первоначально бессемеровский процесс можно было использовать только на чугуне, полученном из бесфосфорных руд. Такие запасы руды относительно редки и дороги, поскольку они встречаются лишь в нескольких местах (например, Уэльс и Швеция, где Бессемер получил свою железную руду, и верхний Мичиган).
В 1876 году валлиец Сидней Гилкрист Томас обнаружил, что добавление в конвертор материала, такого как известняк, вытягивает фосфор из чугуна в шлак, который плавает в верхней части конвертера, где его можно снять, в результате чего получается сталь без фосфора. Это называется базовым процессом Бессемера или базовым процессом Томаса.
Это важнейшее открытие означало, что огромные запасы железной руды из многих регионов мира могут быть использованы для производства чугуна для бессемеровских конвертеров, что в свою очередь привело к стремительному росту производства дешевой стали в Европе и США.
В США, например, в 1867 году было изготовлено и продано 460 000 тонн кованых железных рельсов по цене 83 доллара за тонну. К 1884 году железные рельсы практически перестали изготавливаться вообще. Их заменили стальными рельсами при годовом производстве 1 500 000 тонн, продаваемых по цене 32 доллара за тонну. С 1865 по 1905 год средний срок службы рельса увеличился с двух лет до десяти, а вес вагона, который мог выдержать рельс, увеличился с восьми тонн до семидесяти.
Типы плавильных печей
Процесс Бессемера был запатентован и в течение долгого времени изобретатели искали способы обойти патенты. Однако более 100 патентов принадлежали Генри Бессемеру.
В 1860-х годах на сцене появился конкурент — мартеновский процесс, разработанный главным образом немецким инженером Карлом Вильгельмом Сименсом. Этот процесс превращает железо в сталь в широкой, неглубокой мартеновской печи также называемой газовой печью Сименса, так как она питалась сначала угольным газом, а затем природным газом. В эту печь добавляли кованое железо или оксид железа в расплавленный чугун до тех пор, пока содержание углерода не будет уменьшено путем разбавления и окисления. Используя выхлопные газы для предварительного нагрева воздуха и газа перед сжиганием, печь Сименса может достигать очень высоких температур.
Как и в случае с конвертерами Бессемера, использование других материалов, таких как известняк, в мартеновских печах помогает удалить фосфор из расплавленного металла (модификация, называемая основным мартеновским процессом).
В отличие от конвертера Бессемера, который производит сталь мартеновский процесс занимает несколько часов и позволяет проводить периодические лабораторные испытания расплавленной стали. Это позволяло изготавливать сталь в точном соответствии с требованиями заказчика по химическому составу и механическим свойствам. Мартеновский процесс позволял производить более крупные партии стали, чем процесс Бессемера, и перерабатывать металлолом. Благодаря этим преимуществам к 1900 году мартеновский процесс в значительной степени вытеснил бессемеровский процесс.
После 1960 года мартеновский процесс, в свою очередь, был заменен основным кислородным процессом, модификацией процесса Бессемера, при производстве стали из железной руды и электродуговой печью при производстве стали из лома.
Массовое производство дешевой стали, ставшее возможным благодаря описанным выше открытиям (и многим другим, не упомянутым выше), произвело революцию в нашем мире.
железные дороги, нефте-и газопроводы, нефтеперерабатывающие заводы, электростанции, линии электропередач, сборочные линии, небоскребы, лифты, метро, мосты, железобетон, автомобили, грузовики, автобусы, тележки, холодильники, стиральные машины, сушилки для белья, посудомоечные машины, гвозди, винты, болты, гайки, иглы, проволока, часы, консервы, линкоры, авианосцы, нефтяные танкеры, океанские грузовые суда, транспортные контейнеры, краны, бульдозеры, тракторы, сельскохозяйственные орудия, заборы, ножи, вилки, ложки, ножницы, бритвы, хирургические инструменты, шарикоподшипники, турбины, сверла, пилы и всевозможные инструменты.
Источник
