Производство стали в кислородных конвертерах

Сущность процесса

Производство стали

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом. Механические свойства стали гораздо выше, чем у чугуна, что объясняется пониженным содержанием углерода, а также примесей в стали по сравнению с чугуном (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали.

Материал	Состав, %
Углерод	Кремний	Марганец	Фосфор	Сера
Передельный чугун	4,0–4,4	0,75– 1,25	До 1,75	0,15–0,3	0,03– 0,07
Сталь низкоуглеродистая	0,14–0,22	0,12–0,3	0,4–0,65	0,005	0,055

Сущностью любого передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы.

Кислородный конвертер (рис. 3.2) представляет собой агрегат грушевидной формы высотой до 15 м, кожух которого изготовлен из листовой стали толщиной до 110 мм. Внутри конвертер футерован огнеупорным кирпичом. В процессе работы конвертер 2 может поворачиваться на цапфах 1 с помощью поворотного устройства 3 вокруг горизонтальной оси для завалки скрапа, заливки чугуна, разгрузки стали и шлака.

Шихтовыми материалами для кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, скрап и флюсы. В состав флюсов входит известняк, железная руда, боксит Al₂O₃ и плавиковый шпат СаF₃, который применяют для разжижения шлака.

В кислородном конвертере всегда ведут основной процесс выплавки стали, повышенную щелочность создают с помощью известняка для удаления фосфора и серы.

Перед плавкой в наклоненный конвертер через горловину загружают скрап и заливают чугун с температурой 1250–1350 °С. Шихта должна занимать 1/5 объема конвертера. После этого конвертер поворачивают в вертикальное положение и внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму 5, через которую подают кислород под высоким давлением. Фурма не доходит до уровня металла на 1,2–2 м. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают флюсы.

Рис. 3.2. Схема устройства кислородного конвертера и стадии выплавки стали:

I – завалка лома; II – заливка чугуна; III – загрузка флюса; IV – продувка;

V – выпуск стали; VI – слив чугуна; 1 − цапфы; 2 − конвертер; 3 − поворотное устройство; 4 − отверстие для выпуска стали; 5 − фурма

Для снижения содержания в чугуне углерода и примесей осуществляют их окисление. Процессы окисления сопровождаются выделением большого количества тепла, что необходимо для расплавления шихты и нагрева ванны жидкого металла. В этом состоит первый этап плавки.

В первую очередь под действием кислорода начинается интенсивное окисление железа в соответствии с законом действующих масс, так как в чугуне в большом количестве содержится железо и оно взаимодействует с кислородом: Fe + 1/2 О₂ = FeО + 263 кДж

Образовавшийся оксид железа, при высоких температурах процесса, более активно, чем чистый кислород, взаимодействует с примесями чугуна.

На 4–6-й минутах плавки окисляется кремний, восстанавливается железо и выделяется большое количество тепла. С окисления кремния начинается процесс шлакообразования. На 8–10-й минутах плавки начинает окисляться марганец и в виде оксида также удаляется в шлак. Фосфор начинает взаимодействовать с оксидом железа в начальный момент продувки (с 5-й минуты):

2P + 5FeO ↔ 5Fe + P₂O₅ + 225 кДж

Повышенное содержание оксида железа способствует образованию Р₂О₅. Это соединение неустойчивое, и реакция может идти в обе стороны, но присутствующий в печи оксид кальция уже при невысоких температурах связывает Р₂О₅, переводя его в шлак:

P₂O₅ + 4СаО → (СаО)4P₂O₅ + 128 кДж

Хуже всего при кислородно-конвертерном процессе удаляется сера, присутствующая в чугуне в виде сульфида железа FeS, который начинает взаимодействовать с оксидом кальция даже при низких температурах:

FeS + СаО = FeО + СаS

Но в кислородном конвертере из-за повышенного содержания FeО сера практически не связывается кальцием, так как этот процесс сопровождается образованием FeО, который уже в избытке.

Второй этап выплавки стали – «кипение» металлической ванны начинается при достижении температуры 1450 °С. Это позволяет интенсивно протекать реакции окисления углерода, сопровождающейся поглощением теплоты:

FeО + С = СО + Fe – 154 кДж

Пузырьки окиси углерода выделяются из жидкого металла, вызывая бурное кипение ванны. Оно способствует выравниванию температуры по объему конвертера и частичному удалению в шлак неметаллических включений, прилипающих к пузырькам углерода. При достижении заданного содержания углерода подачу кислорода отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и сталь через летку выливают в ковш.

Третий этап выплавки стали – раскисление в кислородном конвертере не проводится, оно осуществляется в ковше осаждающим методом.

Раскисление заключается в восстановлении оксида железа FeО, растворенного в жидком металле. Кислород, выполнивший свою функцию при удалении примесей из металла, сам является вредной примесью, и его содержание необходимо снизить.

В ковш добавляют ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Они обладают бóльшим сродством к кислороду, чем сталь. Железо восстанавливается, а образующиеся оксиды MnO, SiO2, Al2O3, обладающие меньшей плотностью, уходят в шлак:

FeО + Mn = Fe + MnO + Q

2FeО + Si = 2Fe + SiO2 + Q

3FeО + 2Al = 3Fe + Al2O3 + Q

В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода – кипящие и спокойные. Этим способом трудно получать стали, содержащие высокое количество легкоокисляющихся легирующих элементов, поэтому кислородно-конвертерным способом можно выплавить только низколегированную сталь. Легирующие элементы вводятся в ковш в расплавленном состоянии или в виде твердых ферросплавов.

Кислородно-конвертерный процесс отличается высокой производительностью: выплавка стали в конвертерах вместимостью 50–300 т идет 25–50 мин.