Бессемеровский процесс производства стали

Особенности процесса производства стали

В производстве чугуна и стали применяются разные технологии, несмотря на достаточно близкий химический состав и некоторые физико-механические свойства. Отличия заключаются в том, что сталь содержит меньшее количество вредных примесей и углерода, за счет чего достигаются высокие эксплуатационные качества. В процессе плавки все примеси и лишний углерод, который становится причиной повышения хрупкости материала, уходят в шлаки. Технология производства стали предусматривает принудительное окисление основных элементов за счет взаимодействия железа с кислородом.

Выплавка стали в электропечи

Рассматривая процесс производства углеродистой и других видов стали, следует выделить несколько основных этапов процесса:

1. Расплавление породы. Сырье, которое используется для производства металла, называют шихтой. На данном этапе при окислении железа происходит раскисление и примесей. Уделяется много внимания тому, чтобы происходило уменьшение концентрации вредных примесей, к которым можно отнести фосфор. Для обеспечения наиболее подходящих условий для окисления вредных примесей изначально выдерживается относительно невысокая температура. Формирование железного шлака происходит за счет добавления железной руды. После выделения вредных примесей на поверхности сплава они удаляются, проводится добавление новой порции оксида кальция.
2. Кипение полученной массы. Ванны расплавленного металла после предварительного этапа очистки состава нагреваются до высокой температуры, сплав начинает кипеть. За счет кипения углерод, находящийся в составе, начинает активно окисляться. Как ранее было отмечено, чугун отличается от стали слишком высокой концентрацией углерода, за счет чего материал становится хрупким и приобретает другие свойства. Решить подобную проблему можно путем вдувания чистого кислорода, за счет чего процесс окисления будет проходить с большой скоростью. При кипении образуются пузырьки оксида углерода, к которым также прилипают другие примеси, за счет чего происходит очистка состава. На данной стадии производства с состава удаляется сера, относящаяся к вредным примесям.
3. Раскисление состава. С одной стороны, добавление в состав кислорода обеспечивает удаление вредных примесей, с другой, приводит к ухудшению основных эксплуатационных качеств. Именно поэтому зачастую для очистки состава от вредных примесей проводится диффузионное раскисление, которое основано на введении специального расплавленного металла. В этом материале содержатся вещества, которые оказывают примерно такое же воздействие на расплавленный сплав, как и кислород.

Кроме этого, в зависимости от особенностей применяемой технологии могут быть получены материалы двух типов:

1. Спокойные, которые прошли процесс раскисления до конца.
2. Полуспокойные, которые имеют состояние, находящееся между спокойными и кипящими сталями.

При производстве материала в состав могут добавляться чистые металлы и ферросплавы. За счет этого получаются легированные составы, которые обладают своими определенными свойствами.

Условия прекращения процесса

Вследствие кратковременности бессемеровского процесса (около 15 мин.) весьма трудно определить момент прекращения продувки на заданном содержании углерода в стали. Примерно до 40-х годов XX века бессемеровский процесс обычно заканчивался на пониженном (против заданного) содержании в стали углерода; сталь затем дополнительно науглероживали в ковше. Продувка приводила к повышению содержания в металле остаточного кислорода, а следовательно, к увеличению расхода ферросплавов — раскислителей; в результате повышалось также содержание в стали неметаллических включений. Впоследствии на агрегатах были установлены приборы для непрерывного определения по спектру вырывающегося из горловины конвертера пламени содержания в металле углерода (а также температуры); это позволило автоматически точно определять момент требуемого окончания продувки, с получением стали заданного состава. Для достижения этой цели стали применяться и другие способы, например, кратковременная остановка продувки для взятия пробы на углерод. Температура металла при выпуске составляет около 1600 °C. Выход годных слитков (см. Бессемеровская сталь) к весу залитого в конвертер чугуна колеблется в пределах 88—90 %, поднимаясь до 91—92 % при добавке в конвертер руды.

Конвертер бессемера

Несмотря на преимущества бессемеровского процесса по сравнению с пудлингованием, бессемерование стало внедряться в металлургическое производство лишь с 70-х годов XIX в., т. е. спустя 20 лет после изобретения. Это объяснялось рядом причин: во-первых, в 50-х годах потребности тяжелой промышленности в металле были ограничены; во-вторых, капиталисты, вложившие большие средства в пудлинговые установки, боролись против введения нового способа получения стали; в-третьих, само бессемерование еще не было настолько усовершенствовано, чтобы занять доминирующее положение в металлургии.

Бессемер потратил много упорного труда, внедряя свое изобретение в металлургическое производство. В 1858 г. он построил завод в Шеффильде — центре металлургического производства Англии — со специальной целью распространить новый способ получения стали среди шеффильдских фабрикантов.Всемирная выставка в Лондоне в 1862 г. принесла Бессемеру полный успех. Перед посетителями было продемонстрировано большое разнообразие изготовляемых из бессемеровского металла предметов, а также высокие свойства нового металла.

К середине 90-х годов XIX в. бессемеровский процесс прочно вошел в металлургию. В процессе эксплуатации бессемеровские конвертеры были значительно усовершенствованы. На крупных металлургических заводах производительность конвертеров с 1870 по 1903 г. увеличилась в 62,5 раза.

В России первые заводские опыты получения стали новым способом были произведены еще в 1856-1857 гг. Однако внедрение бессемеровского процесса в промышленных масштабах началось лишь с 1872 г. на Обуховском заводе и с 1875 г. на Нижне-Салдинском заводе. Здесь под руководством инженера-металлурга К. П. Поленова был создан новый, так называемый «русский» вариант бессемерования. Сущность русского процесса бессемерования состояла в том, что в конвертер поступал уже сильно перегретый в отражательной печи чугун, и поэтому первый период английского процесса бессемерования — горение кремния и получение шлака — здесь или отсутствовал или был крайне ограничен. Нагрев чугуна до высокой температуры заменял первый период процесса и поэтому вел к ликвидации необходимости в искусственном увеличении содержания кремния в чугуне.

Этим и объясняется большое распространение русского варианта бессемерования при переделе уральских древесноугольных малокремнистых чугунов.

Вообще в разных странах и даже в одной и той же стране бессемеровский процесс осуществлялся по разным схемам. Кроме русского способа бессемерования известны английский, шведский, немецкий и другие способы. Та или иная схема бессемеровского процесса применялась в зависимости от качества руд, использовавшихся для выплавки чугуна.

При перепечатке материалов нашего марочника сталей и сплавов указывайте ссылку, пожалуйста. Получить код нашей ссылки

Кислородный конвертор

Кислородный конвертор ( рис. IV) представляет собою аппарат, выполненный из стальных листов, сваренных между собой, и выложенный изнутри огнеупорным кирпичом.
 

Кислородный конвертор с боковой продувкой футеруют перикла-зо-шпинелидным кирпичом. Для охлаждения фурмы одновременно с кислородом ( 99 2 – 99 5 % 02, давление 1 – 1 2 МПа) подают под избыточным давлением 0 8 МПа воду: примерно 1 – 2 л / мин. Фурменное отверстие набивают массой, состоящей из молотого магнезита с добавкой 10 % жидкого стекла. Фурменную зону ремонтируют через 14 – 17 плавок, а всю футеровку – через 250 – 300 плавок.
 

Кислородные конверторы оснащены автоматическими системами регулирования и контроля процесса. В них выплавляют как углеродистую, так и легированную сталь.
 

Применяют кислородные конверторы емкостью 2 – 20 т преимущественно в дуплекс-процессе: вагранки горячего ( реже холодного) дутья – кислородный конвертор. Емкость ковертора определяется из расчета 1 м3 на 1 т жидкого металла.
 

Устройство кислородного конвертора ( рис. 6) отличается от бессемеровского и томасовского. Кислород вдувают в конвертор сверху через горловину ( под давлением до 12 ат) вертикальной водоохлаждае-мой медной фурмы 2 на зеркало жидкого металла, которая выше уровня металла на 1500 – 3000 мм. Выпуск готовой стали производят через верхнее выпускное отверстие. Вследствие того что в конверторе развивается высокая температура, возможно вводить не только жидкий чугун, но и до 30 % железного скрапа, железную руду. Для удаления вредных примесей ( серы и фосфора) в конвертор добавляют известь, обычно после разогрева металла кислородом.
 

Производительность кислородных конверторов очень высока. Практика показала, что один 100-тонный конвертор дает в год столько же стали, сколько 500-тонная мартеновская печь.
 

Устройство кислородного конвертора ( рис. 6) отличается от бессемеровского и томасовского. Кислород вдувают в конвертор сверху через горловину ( под давлением до 12 ат) вертикальной водоохлаждае-мой медной фурмы 2 на зеркало жидкого металла, которая выше уровня металла на 1500 – 3000 мм. Выпуск готовой стали производят через верхнее выпускное отверстие. Вследствие того что в конверторе развивается высокая температура, возможно вводить не только жидкий чугун, но и до 30 % железного скрапа, железную руду. Для удаления вредных примесей ( серы и фосфора) в конвертор добавляют известь, обычно после разогрева металла кислородом.
 

В основных кислородных конверторах за счет введения извести и повышенной основности шлаков достигается снижение содержания в стали фосфора и серы. Продолжительность продувки в 100-тонном конверторе составляет 14 – 18 мин, а общая продолжительность плавки 45 мин. В конце плавки металл доводится до заданного состава, раскисляется и выпускается через боковое отверстие, а шлак – через горловину. В кислородных конверторах получают сталь с низким содержанием азота, серы и фосфора как обыкновенного качества, так и качественную, по своим свойствам не уступающую мартеновской стали. Кроме углеродистых сталей выплавляются низколегированные и в качестве опыта легированные стали.
 

Металл из кислородных конверторов выливают через летку; при этом уменьшается перемешивание металла со шлаком. Рас-кислители вводят в ковш или в струю металла. В ближайшие годы намечено строительство ряда крупных конвертерных цехов с применением кислородного дутья.
 

При сочетании кислородного конвертора с основной мартеновской печью жидкий чугун сначала продувают в конверторе и полученный полупродукт передают в основную мартеновскую печь для удаления серы и фосфора и придания стали заданного химического состава.
 

Получение в мартеновских печах

Если в случае с конвертерным способом изготовления металла предусматривается обеспечение выжига воздушным кислородом, то мартеновский способ требует включения в технологический процесс железных руд и ржавого лома. Из этих материалов образуется кислород оксида железа, который также способствует выгоранию углерода. Сама же печь включает в основу конструкции плавильную ванну, которая закрывается жаропрочной кирпичной стенкой. Также предусматривается несколько камер регенераторов, обеспечивающих предварительный прогрев воздушной массы и газа. Регенерирующие блоки оснащаются специальными насадками, выполненными из огнестойкого кирпича.

Как и конвертеры, мартеновские плавильники функционируют периодически. По мере закладки новых партий шихты, то есть чугунной основы, поэтапно производится и сталь. Получение стали происходит медленно, так как переработка чугуна занимает около 7 ч. Но зато мартены позволяют регулировать химические свойства сплава путем внесения железных добавок в разных пропорциях – для этого используются руда и лом. На завершающей стадии формирования металла работа печи останавливается, шлак сливают, после чего добавляется раскислитель. Кстати, в такой печи можно получать и легированные стали.

Технология

Бессемерование – процесс плавки чугуна, который позволяет получить сталь относительно высокого качества. Следует отметить, что подобная технология на сегодняшний день применяется крайне редко. Это связано с появлением довольно большого количества современных технологий, которые позволяют получить более качественную сталь за меньшие сроки.

Весь бессемеровский процесс производства стали можно разделить на несколько основных этапов:

1. Выполняется заливка чугуна в конвертор через горловину. Важным моментом назовем то, что в подобном положении устройство должно находится в горизонтальном положении, так как есть вероятность заливки сопла металлом. Сопла необходимы для того, чтобы продувать шихту. Именно окисление примесей и их вывод в качестве шлаков позволяет получать сталь повышенного качества.
2. Следующий этап заключается в пуске дутья и переворачивании конвертора в вертикальное положение.
3. Для того чтобы обеспечить окисление вредных примесей и излишков углерода проводится продувка металла воздухом. На данном этапе происходит образование шлака, с которым и уходят ненужные химические вещества.
4. После достаточно длительного периода продувки конвертор снова переворачивается в горизонтальное положение, прекращается продувка расплавленного металла.
5. Выполняется слив расплавленного металла в ковш и его раскисление путем добавления специальных веществ.

На момент начала продувки состава происходит активное окисление марганца и кремния. На первоначальной стадии углерод практически не окисляется. Это связано с тем, что данный компонент реагирует исключительно на воздействие высоких температур. Кроме этого, на процесс окисления примесей оказывает влияние термодинамические факторы, которые определяют активность переноса кислорода к местам протекания бессемеровского процесса.

Рассматривая данную технологию отметим нижеприведенные моменты:

1. На первом этапе происходит образование большого количества различных шлаков, который в составе имеет высокую концентрацию кремнезема. Временной интервал протекания первого этапа составляет 2-5 минут.
2. На втором этапе бессемеровского процесса производства обеспечиваются наиболее благоприятные условия для окисления углерода. Примером можно назвать повышение рабочей температуры примерно до 2000 градусов Цельсия. Протяженность данного этапа составляет примерной 13 минут. В конце этого этапа температура понижается примерно до отметки 1600 градусов Цельсия.
3. Добиться высокого качества стали можно различными методами бессемерования. Все зависит от особенностей состава применяемого лома, концентрации крема в составе.
4. Для того чтобы исключить вероятность возникновения процесса передувки металла активная подача воздуха прекращается уже на втором этапе.
5. Только на третьем этапе можно отметить активное окисление железа, что становится причиной выделения бурого дыма. Данный этап начинается на тот момент, когда концентрация углерода меньше 0,1%.

Как ранее было отмечено, бессемеровский метод изготовления стали получил большое распространение по причине высокой производительности. В литейных цехах довольно часто устанавливается оборудование, которое имеет садку около 35 тонн.

Бессемеровский метод выплавки стали

Сегодня бессемеровский метод производства стали практически не применяется, что связано с низким качеством получаемого металла и его достаточно высокой стоимостью.

Технология[править | править код]

Течение бессемеровского процесса определяется химическим составом и температурой жидкого чугуна (так называемый «бессемеровский чугун»).

Получившиеся при продувке чугуна нелетучие окислы входящих в его состав элементов (SiO₂, MnO, FeO) совместно с компонентами разъедаемой футеровки образуют кислый шлак, содержащий при выплавке низкоуглеродистой стали до 65 % SiO₂. Наличие кислого шлака не даёт возможность удалить из металла присутствующие в нём вредные примеси — в первую очередь фосфор и серу, чем бессемеровский процесс отличается от томасовского процесса. Поэтому чистота в отношении серы и фосфора является непременным требованием к бессемеровским чугунам, а следовательно, и к «бессемеровским» рудам (содержание фосфора в руде не более 0,025—0,030 %).

На нагрев балластного азота, являющегося при бессемеровском процессе основным компонентом дымовых газов, при средней их температуре 1450 °C расходуется около 110 ккал на 1 кг продуваемого чугуна. При полной замене воздуха кислородом кремний перестаёт играть ведущую роль в тепловом балансе бессемеровского процесса. Оказывается возможной продувка химически холодных чугунов, поскольку количество тепла дымовых газов снижается в этом случае примерно с 28 % до 8,5 %. При чисто кислородном дутье содержание в шихте лома, как показывают тепловые расчёты, может быть очень значительным (до 25 %).

Условия прекращения процесса

Вследствие кратковременности бессемеровского процесса (около 15 мин.) весьма трудно определить момент прекращения продувки на заданном содержании углерода в стали. Примерно до 40-х годов XX века бессемеровский процесс обычно заканчивался на пониженном (против заданного) содержании в стали углерода; сталь затем дополнительно науглероживали в ковше. Продувка приводила к повышению содержания в металле остаточного кислорода, а следовательно, к увеличению расхода ферросплавов — раскислителей; в результате повышалось также содержание в стали неметаллических включений. Впоследствии на агрегатах были установлены приборы для непрерывного определения по спектру вырывающегося из горловины конвертера пламени содержания в металле углерода (а также температуры); это позволило автоматически точно определять момент требуемого окончания продувки, с получением стали заданного состава. Для достижения этой цели стали применяться и другие способы, например, кратковременная остановка продувки для взятия пробы на углерод. Температура металла при выпуске составляет около 1600 °C. Выход годных слитков (см. Бессемеровская сталь) к весу залитого в конвертер чугуна колеблется в пределах 88—90 %, поднимаясь до 91—92 % при добавке в конвертер руды.

Изобретение бессемеровского способа получения стали

Грандиозное железнодорожное строительство, рост военной промышленности, завершение перехода морского транспорта от деревянных парусных судов к железным и стальным паровым судам, развитие машиностроения — все это требовало, с одной стороны, увеличения количества металла, с другой — улучшения его качества.

Требования, предъявляемые к металлургии тяжелой промышленностью, не могли быть удовлетворены существующими в 60-х годах XIX в. методами получения железа и стали, т. е. кричным переделом чугуна и пудлингованием, так как последние обладали рядом существенных недостатков. Пудлингование было медленным и трудоемким, а следовательно, и дорогим способом передела чугуна в железо. Тигельный способ получения стали также был весьма дорог и, главное, ограничен по своим масштабам.

Задача массового получения стали была разрешена английским изобретателем Генри Бессемером (1813-1898). В 1854 г. Бессемер началработать над улучшением качества чугуна, шедшего на изготовление дальнобойных орудий, которые должны были выдерживать большое количество выстрелов. В 1856 г. он получил свой первый патент на усовершенствованный метод передела чугуна. За этим изобретением последовал ряд других изобретений, и в результате Бессемер создал новый способ передела чугуна в ковкое железо и сталь (Схема конвертера Бессемера).

Бессемерование чугуна — это процесс передела жидкого чугуна в литую сталь путем продувки сквозь него сжатого воздуха. Продувка производится в специальном резервуаре — конвертере. Превращение чугуна в сталь в конвертере происходит благодаря окислению углерода и примесей (кремния, марганца), содержащихся в чугуне, кислородом воздуха. Процесс бессемерования происходит без подвода тепла извне и без применения какого-либо горючего материала: тепло, необходимое для процесса, образуется благодаря окислению железа и его примесей.

Практически бессемерование протекает следующим образом. Чугун в том виде, как он выходит из доменной печи, заливается в конвертер (Конвертер — это резервуар (похожий на грушу) с отверстиями на дне для подвода воздуха. Он укреплен на двух подвижных опорах, по одной с каждой стороны и поэтому его можно переводить из горизонтального в вертикальное положение).

Наполнив конвертер, его поворачивают в вертикальное положение и через отверстия в дне начинают вдувать воздух, который пузырьками проходит через расплавленный металл. Кислород воздуха при этом приходит в соприкосновение с каждой частицей чугуна и в результате соединяется с углеродом, находящимся в чугуне, совершенно так же, как углерод угля, сгорая, соединяется с кислородом воздуха. Когда процесс закончен, конвертер переводят опять в горизонтальное положение и прекращают вдувание воздуха. После окончания процесса в конвертере образуется железо, в которое затем добавляют строго определенную дозу примеси, содержащей углерод, поддерживающий дальнейший процесс окисления железа. В результате в конвертере образуется сталь, содержащая требуемый процент углерода.

Процесс бессемеровання протекает чрезвычайно быстро, продолжительность его не превышает 15 минут. Количество перерабатываемого чугуна и пропускная способность конвертера весьма велики: в конвертере 10-15 т чугуна превращается в железо или сталь в течение 10 мин. Для того чтобы получить такое же количество стали, раньше требовалось несколько дней работы пудлинговой печи или две недели работы старого кричного горна.

Бессемеровский способ

Этот способ предполагает переработку основ, в которых содержится небольшое количество серы и фосфора. Но при этом отмечается и высокое содержание кремния – порядка 2 %. В процессе продувания в первую очередь происходит окисление кремния, что способствует интенсивному выделению тепла. В итоге температура в печи повышается до 1600 °C. Окисление железа происходит также интенсивно по мере сгорания углерода и кремния. При бессемеровском способе процесс получения стали предусматривает полный переход фосфора в сталь. Все реакции в печи идут быстро – в среднем 15 мин. Связано это с тем, что кислород, выдуваемый через чугунную основу, вступает в реакции с соответствующими веществами по всему объему. Готовая же сталь может содержать высокую концентрацию монооксида железа в растворенном виде. Данная особенность относится к минусам процесса, так как общее качество металла понижается. По этой причине технологи рекомендуют перед разливкой раскисливать сплавы при помощи специальных компонентов в виде ферромарганца, ферросилиция или алюминия.

Кислородный конвертер

Кислородные конвертеры футеруют основными огнеупорными материалами в соответствии с характером осуществляемого процесса и свойствами образующихся шлаков.
 

Кислородный конвертер – это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. В процессе работы конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 360 С для завалки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.
 

Кислородный конвертер ( рис. 2.4) – это сосуд фушевидной формы 2, корпус которого сварен из листовой стали толщиной от 50 до 100 мм. Она изготовляется из основных огнеупорных материалов, преимущественно из магнезита и доломита. Конвертер имеет опорный пояс 3 с цапфами, расположенными в подшипниках опор. Для поворота конвертера предусмотрен механизм привода 4, при помощи которого конвертер может поворачиваться в обе стороны на любой угол.
 

Кислородный конвертер является реакторов периодического действия РИС-П.
 

Кислородный конвертер ( рис. 3.28) состоит из корпуса / диаметром до 8 м и днища 4, футерованных огнеупорным кирпичем, опорных подшипников 2, станин 5 и механизма поворота 3, позволяющего поворачивать конвертер на любой угол вокруг горизонтальной оси. Продувка кислородом производится через специальную водоохлаж-даемую фурму, вводимую в горловину конвертера. Наконечник фурмы имеет несколько ( 3 – 4) сопл Лаваля диаметром 30 – 50 мм, обеспечивающих скорость струи с числом Ма 2 при давлении кислорода 1 – 1 4 МПа. Наконечник устанавливается на высоте 1 – 2 м от уровня ванны. Продолжительность продувки составляет 20 – 25 мин. Преимуществом конвертеров является высокая производительность без расхода топлива, недостатком – невозможность использования большого количества скрапа в шихте.
 

Сколько 350-тонных кислородных конвертеров должно быть установлено на заводе, который оборудован 2 доменными печами с полезными объемами 3200 и 3000 м3, если КИПО для первой из них составляет в среднем 0 53, а для второй 0 55, а средняя длительность плавки в конвертере равна соответственно 45 и ПО мин. Выход стали составляет 0 93 массовой доли чугуна.
 

Футеровка кислородных конвертеров выполняется из специального периклазошпинельного или смолодоломитного кирпича.
 

Газы кислородных конвертеров также характеризуются высокими концентрациями оксидов азота.
 

В кислородных конвертерах трудно выплавлять легированные стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы. Поэтому в кислородных конвертерах выплавляют низколегированные стали, содержащие до 2 – 3 % легирующих элементов. Легирующие элементы вводят в ковш, предварительно расплавив их в электропечи, или легирующие ферросплавы вводят в ковш неред выпуском в него стали. Окисление примесей чугуна в кислородном конвертере протекает очень быстро: плавка в конвертерах емкостью 130 – 300 т заканчивается через 25 – 50 мин. Вследствие этого производство стали в пашей стране в основном увеличивается за счет ввода в строй новых кислородно-конвертерных цехов.
 

В кислородных конвертерах освоено производство как углеродистой, так и легированной сталей. Побочным продуктом производства при продувке высокофосфористого чугуна является фосфатшлак, содержащий примерно 20 % Р2О5, который используют как ценное удобрение.
 

В кислородных конвертерах трудно выплавлять легированные стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы. Поэтому в кислородных конвертерах выплавляют низколегированные стали, содержащие до 2 – 3 % легирующих элементов. Легирующие элементы вводят в ковш, предварительно расплавив их в электропечи, или легирующие ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в него стали. Окисление примесей чугуна в кислородном конвертере протекает очень быстро: плавка в конвертерах емкостью 130 – 300 т заканчивается через 25 – 50 мин. Вследствие этого производство стали в нашей стране в основном увеличивается за счет ввода в строй новых кислородно-конвертерных цехов.
 

В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.
 

Условия прекращения процесса[править | править код]

Вследствие кратковременности бессемеровского процесса (около 15 мин.) весьма трудно определить момент прекращения продувки на заданном содержании углерода в стали. Примерно до 40-х годов XX века бессемеровский процесс обычно заканчивался на пониженном (против заданного) содержании в стали углерода; сталь затем дополнительно науглероживали в ковше. Продувка приводила к повышению содержания в металле остаточного кислорода, а следовательно, к увеличению расхода ферросплавов — раскислителей; в результате повышалось также содержание в стали неметаллических включений. Впоследствии на агрегатах были установлены приборы для непрерывного определения по спектру вырывающегося из горловины конвертера пламени содержания в металле углерода (а также температуры); это позволило автоматически точно определять момент требуемого окончания продувки, с получением стали заданного состава. Для достижения этой цели стали применяться и другие способы, например, кратковременная остановка продувки для взятия пробы на углерод. Температура металла при выпуске составляет около 1600 °C. Выход годных слитков (см. Бессемеровская сталь) к весу залитого в конвертер чугуна колеблется в пределах 88—90 %, поднимаясь до 91—92 % при добавке в конвертер руды.

Технология [2]

Течение бессемеровского процесса определяется химическим составом и температурой жидкого чугуна (так называемый «бессемеровский чугун»).

Получившиеся при продувке чугуна нелетучие окислы входящих в его состав элементов (SiO₂, MnO, FeO) совместно с компонентами разъедаемой футеровки образуют кислый шлак, содержащий при выплавке низкоуглеродистой стали до 65 % SiO₂. Наличие кислого шлака не даёт возможность удалить из металла присутствующие в нём вредные примеси — в первую очередь фосфор и серу, чем бессемеровский процесс отличается от томасовского процесса. Поэтому чистота в отношении серы и фосфора является непременным требованием к бессемеровским чугунам, а следовательно, и к «бессемеровским» рудам (содержание фосфора в руде не более 0,025—0,030 %).

На нагрев балластного азота, являющегося при бессемеровском процессе основным компонентом дымовых газов, при средней их температуре 1450 °C расходуется около 110 ккал на 1 кг продуваемого чугуна. При полной замене воздуха кислородом кремний перестаёт играть ведущую роль в тепловом балансе бессемеровского процесса. Оказывается возможной продувка химически холодных чугунов, поскольку количество тепла дымовых газов снижается в этом случае примерно с 28 % до 8,5 %. При чисто кислородном дутье содержание в шихте лома, как показывают тепловые расчёты, может быть очень значительным (до 25 %).

Получение в мартеновских печах

Если в случае с конвертерным способом изготовления металла предусматривается обеспечение выжига воздушным кислородом, то мартеновский способ требует включения в технологический процесс железных руд и ржавого лома. Из этих материалов образуется кислород оксида железа, который также способствует выгоранию углерода. Сама же печь включает в основу конструкции плавильную ванну, которая закрывается жаропрочной кирпичной стенкой. Также предусматривается несколько камер регенераторов, обеспечивающих предварительный прогрев воздушной массы и газа. Регенерирующие блоки оснащаются специальными насадками, выполненными из огнестойкого кирпича.

Как и конвертеры, мартеновские плавильники функционируют периодически. По мере закладки новых партий шихты, то есть чугунной основы, поэтапно производится и сталь. Получение стали происходит медленно, так как переработка чугуна занимает около 7 ч. Но зато мартены позволяют регулировать химические свойства сплава путем внесения железных добавок в разных пропорциях – для этого используются руда и лом. На завершающей стадии формирования металла работа печи останавливается, шлак сливают, после чего добавляется раскислитель. Кстати, в такой печи можно получать и легированные стали.

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.

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.