» » Бессемеровский процесс
29.04.2015

Наличие в ряде стран месторождений железных руд с низким содержанием фосфора и серы позволяет получать чугун с малым содержанием этих вредных примесей, который можно перерабатывать продувкой воздухом в конвертерах с кислой футеровкой через днище. Этот процесс называется бессемеровским. Чугун должен содержать достаточное количество кремния для нагрева металла при продувке до температуры выпускаемой стали — 1580—1620°.
Основным источником тепла при бессемеровании сложит тепло следующих реакций:
Бессемеровский процесс

Температурные условия продувки определяются не только содержанием кремния в чугуне, но и темпом работы, влияющим на температуру футеровки, а также температурой заливаемого в конвертер чугуна. Учитывая совокупность этих условий, в конвертер присаживают большее или меньшее количество железной руды (1—3% от веса заливаемого чугуна), являющейся охлаждающим средством. Присадки руды могут быть заменены эквивалентными в тепловом отношении небольшими присадками скрапа или прокатной окалины.
Бессемеровский конвертер (рис. 34) имеет снаружи металлический кожух, изготовленный из стальных листов толщиной 15—25 мм. Средняя часть кожуха цилиндрическая, верхняя часть (шлем) имеет коническую форму и заканчивается более массивной литой частью, которая для облегчения ремонта и футеровки горловины сделана съемной. Нижняя часть кожуха также массивная и служит для крепления днища конвертера. К днищу присоединена воздушная коробка. В бессемеровских конвертерах чаще применяют приставные днища, более удобные для замены.
Цилиндрическая часть кожуха крепится к массивному литому стальному кольцу с цапфами (на рис. 34 не показаны), опирающимися на станины Через одну цапфу (пустотелую) к воздушной коробке подводится дутье от воздуходувки. Привод вращения конвертера гидравлический или электрический с помощью двигателя до 120 квт.
Футеровка конвертера из динасового кирпича толщиной 250—400 мм, а в прилегающем к кожуху слое — из мелкого кирпичного боя толщиной 30—50 мм. Толщина днища 500—700 мм.
Основные типы днищ для бессемеровских конвертеров — набивные и наборные. Наборные днища изготовлены из динасового кирпича. Стойкость таких днищ выше стойкости набивных (более 100 плавок), но стойкость фурм весьма малая (5—10 плавок) вследствие худшего сочленения с ними тела днища. При набивных же днищах фурмы могут служить примерно столько же, сколько и днище (порядка 20—25 плавок), что значительно облегчает эксплуатацию конвертеров. Фурмы для бессемеровских конвертеров изготовлены, как правило, из шамота.
Объем конвертера (1,4—1,8 м3/т металла) рассчитывают исходя из его тоннажа. Внутренний диаметр конвертера является важной характеристикой, так как от нее зависит высота столба продуваемого металла во время плавки. В настоящее время в связи со стремлением улучшить качество металла внутренний диаметр конвертеров рассчитывают, соблюдая приблизительное соотношение
D = 0,62/0,67√Т,

где T — емкость конвертера, г;
D — внутренний диаметр, м.
При более мелкой ванне вследствие меньшего пути дутья через расплав и более низкого давления дутья уменьшается насыщение металла азотом. Живое сечение сопел на 1 т продуваемого чугуна обусловливает ход и интенсивность процесса и может колебаться в пределах 12—18 см2/т (желательно приближение к верхнему пределу).
Стойкость футеровки кислого конвертера составляет 1000 плавок в более На стойкость футеровки влияет состояние образующихся в конвертере шлаков, которое зависит от соотношения содержания кремния и марганца в чугуне При повышенном содержании марганца (до 2%) шлаки получаются жидкими и более агрессивными.
Ход бессемеровского процесса. Поступающий в конвертер с воздушным дутьем (давление 1,5—2,5 ати, скорость 300— 500 м3/мин) кислород в процессе продувки расходуется почти полностью на окисление как примесей чугуна, так и самого железа. Интенсивность окисления отдельных элементов в определенный момент продувки зависит при одинаковом поступлении кислорода от температурных условий, степени сродства примеси к кислороду, содержания окисляющихся элементов, а также (в основном во второй половине продувки) от свойств образующегося в конвертере шлака.
В классическом бессемеровском процессе различают три периода плавки первый — период преимущественного окисления кремния и несколько менее интенсивного окисления марганца, второй — период преимущественного окисления углерода, третий — период преимущественного окисления железа. Эти периоды достаточно резко отличаются друг от друга по внешнему виду происходящих процессов. В первом периоде почти не образуется газообразных продуктов реакций и пламя, выходящее из горловины конвертера, короткое и слабо светящееся. Во втором периоде при интенсивном окислении углерода продукт реакции — окись углерода, догорая на выходе из горловины, дает ослепительно яркое длинное пламя. В третьем периоде длина пламени резко уменьшается и появляется бурый дым вследствие испарения железа и образования его окислов в отходящих газах.
Описанная последовательность окисления элементов при бессемеровании наблюдается лишь при нормальных или низких температурах начала продувки. В ряде вариантов процесса (русский процесс, немецкий процесс), характеризующихся высокой температурой чугуна в начале продувки, окисление углерода начинается сразу после начала продувки и может происходить даже более интенсивно, чем окисление кремния и марганца. Это свидетельствует о весьма сильном влиянии температуры на последовательность и ход окисления примесей при продувке чугуна. Последними исследованиями установлено, что для интенсивного окисления углерода в этих условиях необходима температура ванны приблизительно 1500°. Другим важным фактором, способным изменить соотношение скоростей окисляющихся элементов, является интенсивность питания ванны кислородом.
По мере окисления примесей жидкого чугуна в конвертере условия этих процессов изменяются. При пониженных концентрациях элементов скорость их окисления может определяться не условиями подвода кислорода, а условиями доставки самого окисляющегося элемента к месту реакции. В этом случае на кинетических кривых окисления примесей чугуна наблюдается замедление.
В связи с повышением содержания окислов железа в бессемеровском шлаке во втором периоде продувки кислород, содержащийся в этих окислах начинает, как и кислород дутья, принимать участие в окислительных процессах, в первую очередь в реакции обезуглероживания. При этом содержание закиси железа в шлаке понижается К началу третьего периода содержание окислов железа в шлаке вновь начинает возрастать.
К концу бессемеровской операции создаются условия для быстрого повышения содержания в металле нежелательных примесей — кислорода и азота. Содержание кислорода в металле по ходу продувки определяется в основном содержанием в нем углерода, что иллюстрируется данными приведенными на рис. 24. По мере снижения концентрации углерода в металле содержание кислорода быстро повышается до 0,05 и даже до 0,1%. Одновременно с этим увеличивается содержание азота в ванне в результате повышения температуры металла, а также замедления реакции обезуглероживания и уменьшения количества выделяющейся при этом окиси углерода, которая в некоторой мере может способствовать обратному выделению азота из металла в газовую фазу или препятствовать его поглощению из дутья. Содержание азота в металле к концу бессемерования повышается обычно до 0,012—0,015%, что значительно выше содержания азота в мартеновской стали. Ход изменения содержания примесей металла при продувке в бессемеровском конвертере иллюстрируется рис. 35.
Бессемеровский процесс

Для контроля бессемеровского процесса применяются в основном физико-химические методы, позволяющие по ходу плавки получать прямые или косвенные данные о составе продуваемого металла. Обычные методы химического анализа проб металла в этом случае непригодны из-за малого времени операции. Содержание углерода в металле при плавке на среднеуглеродистую (рельсовую) сталь определяется в течение 1—2 мин. карбометром, действие которого основано на изменении термоэлектродвижущей силы в закаленной пробе металла, отобранной при повалке конвертера, при постоянном перепаде температур в двух точках или на изменении магнитной проницаемости в зависимости от содержания углерода.
Процесс контролируют также, наблюдая изменения спектра пламени, происходящие при изменении состава отходящих газов и связанные, таким образом, с содержанием углерода в металле. Изменение интенсивности излучения позволяет судить о ходе выгорания углерода и приблизительно определять момент окончания плавки. На этом принципе основано действие логоскопа, широко используемого в бессемеровских цехах. Измерение интенсивности излучения в двух различных областях спектра дает возможность по разности или отношению фототоков двух фотоэлементов, реагирующих на разные длины волн, определить момент окончания продувки при нужном содержании углерода в металле, например 0,45—0,75% (так называемый метод W-диаграммы).