Изобретателем конвертерного способа получения стали считают англичанина Г. Бессемера, впервые предложившего и осуществившего в 1854 – 1856 гг. получение стали без расхода топлива, путем продувки воздуха через расплавленный чугун. Предложенный им способ производства стали совершенствовался, видоизменялся другими изобретателями и производственными коллективами.
Конвертером (рис. 6.2) принято называть большой стальной сосуд грушевидной формы (реторту), футерованный огнеупором. Вместимость современных конвертеров достигает 250 – 400 т. Конвертер имеет цилиндрическую часть, легко заменяемое днище и конусообразную горловину. Цилиндрическая часть конвертера крепится в литом стальном кольце с двумя цапфами, которыми оно опирается на подшипники двух стоек. Поэтому конвертер может поворачиваться вокруг оси цапф, что необходимо для его обслуживания (заливки исходного чугуна, взятия проб, выливки готовой стали и т.д.).Так возникли и получили применение: томасовский процесс, русский процесс и многие другие. В настоящее время получили широкое распространение конвертерные способы, где для продувки вместо воздуха применяют кислород.
Конвертеры для томасовского и русского процессов принципиально мало отличаются от бессемеровского, хотя и имеют отдельные конструктивные изменения.
Бессемеровский способ имеет два неоспоримых преимущества перед ранее использовавшимися способами получения стали: очень высокую производительность и отсутствие потребности в топливе.
Недостатком бессемеровского процесса является то, что не все чугуны могут перерабатываться этим способом, так как при динасовой футеровке не удается удалить из металла такие вредные примеси, как серу и фосфор, в том случае, если они содержатся в чугуне. Кроме того, получаемая в конвертере сталь хрупка из-за насыщения ее азотом, содержащимся в воздухе.
Бессемеровский процесс в 1878 г. развил английский металлург С. Дж. Томас. Он внедрил в практику футеровку конвертеров доломитом. Такая футеровка позволяла удалять из чугуна фосфор и частично серу.
Томасовский процесс не устранил всех недостатков бессемеровского процесса. Более того, в металле повышенное содержание кислорода и азота и он больше загрязняется шлаковыми включениями, поэтому качество металла при томасовском процессе еще ниже. Футеровка томасовского конвертера редко выдерживает более 400 плавок.
Важным этапом, обеспечившим конвертерному способу получения стали повсеместное широкое применение, явилась замена воздушного дутья кислородным.
В современном конвертерно-кислородном способе получения стали на большинстве заводов используют глуходонные конвертеры (рис. 6.3). Футеруют эти конвертеры обычно смолодоломитовым магнезито-хромитовым кирпичом.
Кислород вдувают в конвертер через вертикальную трубчатую водоохлаждаемую фурму 7, опускаемую в горловину конвертера, но не доходящую до уровня металла на 1200 – 2000 мм.
Таким образом, кислород вдувается не под зеркало металла, а подается к поверхности залитого в конвертер металла.
Однако и при таком способе подвода кислорода процесс идет с большим выделением теплоты, что дает возможность перерабатывать чугуны с различным содержанием примесей, а также вводить в конвертер не только жидкий металл, но и добавлять к нему скрап (металлический лом) и железную руду (количество скрапа до 30 % от массы жидкого металл).
Началом очередного цикла в кислородном конвертере является завалка в него лома и других металлических отходов, а иногда и железной руды. Затем предварительно наклоненный конвертер начинают заливать жидким чугуном. После того как металл займет 1/3 объема конвертера, его ставят в вертикальное положение. После этого загружают известь, необходимую для связывания фосфора, содержащегося в чугуне и ломе.
В конвертер опускают водоохлаждаемую фурму и подают технический кислород. В конвертере начинается интенсивный процесс окисления металла кислородом с выделением теплоты. Окисляются и примеси, но окисление их возможно не только кислородом, но и закисью железа FeO. Все эти реакции протекают в конвертере с кислородным дутьем одновременно, причем последняя реакция способствует лучшему перемешиванию нижних слоев металла.
После 15 – 16-минутной продувки поднимают фурму, наклоняют конвертер, берут пробу металла на экспресс-анализ. Затем скачивают большую часть шлака, на что уходит 7 – 8 мин; за это время экспресс-анализом определяются основные параметры стали и конвертер вновь ставят в вертикальное положение, опускают фурму и вторично продувают кислородом в течение нескольких минут. Время продувки зависит от данных анализа и заданной марки стали.
В это время продолжаются реакции окисления и интенсивно идут реакции шлакообразования. В конце вторичной продувки в конвертер вводят раскислители. Раскисление ведут марганцем и кремнием. Часть раскислителей вводят в конвертер за несколько минут до разливки. Завершается раскисление обычно в разливочном ковше.
Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали в конвертере составляет 50 – 60 м3, что незначительно превышает теоретически необходимое количество.
Затем фурму вновь поднимают, конвертер наклоняют, берут контрольную пробу металла, термопарой измеряют его температуру, после чего сталь выпускают через боковую фурму в разливочный ковш. После слива металла скачивают оставшийся шлак и заделывают выпускное отверстие. Весь технологический цикл плавки занимает 50 – 60 мин, а продолжительность продувки кислородом составляет от 18 до 26 мин.
Hедостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является большое пылеобразование, обусловленное обильным окислением и испарением железа. Это требует обязательного сооружения при конвертерах сложных и дорогих пылеочистительных установок.