Производство стали в кислородных конверторах

В производстве стали широко используют кислородно-конвертерные процессы при продувке кислородом сверху и в последние годы – при продувке через днище. Их преимуществами является высокая производительность, которая обеспечивается интенсивностью процессов окисления элементов, а также меньше по сравнению с мартеновскими цехами затраты на строительство. В кислородных конвертерах могут выплавлять как углеродистые, так и легированные стали.
Основным шихтовым материалом кислородно-конвертерного процесса является жидкий передельный чугун, источником тепла при выплавки стали являются химические экзотермические реакции окисления элементов при продувке жидкого чугуна кислородом.
Кислородные конвертеры делятся на стационарные и вращающиеся. В СССР применяют стационарные конверторы с глухим дном и конвертеры с донной продувкой вместимостью от 100 до 400 т.
Стационарный конвертер имеет два бандажа, каждый из которых опирается на два ролика. Горловина конвертера имеет симметричную форму. Внутри стального кожуха конвертеры выкладываются смолодоломитовым кирпичом. Летка предназначена для слива готовой стали и способствует лучшему отделении стали от шлака и уменьшению восстановления фосфора из шлака при сливе.
В конвертер сначала загружают скрап, далее заливают чугун, затем засыпают известь, а также боксит, железную руду и окалину (если нужно), после чего производят продувку, взятие проб, их анализ, а затем слив металла и шлака.
Кислород под давлением 900 – 1000 кПа подается через водоохлаждаемую фурму, часть его проникает в металл, а оставшийся кислород растекается по поверхности ванны. Залитый в конвертер чугун содержит около 93 % железа, поэтому проникающий в чугун кислород преимущественно окисляет железо:
Fe + 1/20₂ → FeO + ∆H.
С началом продувки в конвертере сразу образуются две несмешивающиеся между собой жидкости – металл (плотность 7,8 г/см³) и шлак (плотность около 2,5 г/см³), находящиеся в непосредственном контакте и взаимодействии.
Часть оксида железа остается в металле, часть его переходит в шлак, при этом как в металле, так и в шлаке оксид железа реагирует с другими элементами и соединениями, однако в шлаке и металле распределение оксида железа постоянно при данной температуре; это называется константой распределения L_FeO:
L_FeO= ^{FeO в мет.=} const.
Следовательно, при уменьшении массового содержания FeO в шлаке соответственно уменьшается его массовое содержание и в металле.
Оксид железа, находящийся в металле, вступает во взаимодействие с примесями в чугуне, к которым кислород имеет большое сродство, чем к железу:
2FeO + Si → 2Fe +SiO₂ + ∆H
FeO + Mn → Fe + MnO + ∆H
Фосфор выгорает по реакции:
5FeO + 2P → P₂O₅ + 5Fe + ∆H
Оксид фосфора растворяется в металле и в шлаке со своей константой распределенияL_P O наподобие оксида железа:
L_{P O} =^{P O в мет.} = const
Углерод выгорает по реакции:
FeO + C → Fe + CO - ∆H
Оксид углерода СО пузырьками выходит из жидкой ванны, частично сгорает, реагируя с кислородом, растекающимся по поверхности ванны:
CO + 1/2O₂ → CO₂ + ∆H
Разогрев ванны способствует растворению извести, боксита и оксидов железа, в результате образуется активный основной шлак с избытком свободного оксида кальция, который связывает фосфор в нерастворимое в металле соединение:
P₂O₅ + 4 CaO → (CaO)₄ P₂O₅ + ∆H
При переработке высокофосфористого чугуна, для того чтобы предотвратить обратный переход фосфора из шлака в металл, шлак, обогащенный фосфором, сливают и вновь загружают известь. Фосфористый шлак используют в сельском хозяйстве в качестве удобрения.
Горячий высокоизвестковистый шлак в конвертере дает возможность шлаковать фосфор раньше, чем выгорает углерод. Известь обеспечивает также шлакование серы по реакции:
FeS + CaO → FeO + CaS + ∆H
Эта реакция идет на границе раздела шлак – металл. Перегретый активный основной шлак обеспечивает удаление значительной части серы из металла, в результате чего ее массовое содержание может быть доведено до 0,015%
Увеличение производительности кислородных конвертеров достигается не только путем увеличения вместимости, но также за счет интенсивности продувки при внедрении автоматического управления и контроля плавки и использованием ЭВМ.
В конвертерах с донным дутьем выход стали больше за счет увеличения присадки скрапа по сравнению с конвертерами с верхним дутьем.
За последнее время на металлургических заводах построено несколько крупных кислородно-конвертерных цехов. Строительство таких цехов будет продолжаться, а удельный вес производства стали, в мартеновских печах значительно сократится.