б) шлакообразование. С первых секунд продувки начинает формироваться основной шлак из продуктов окисления составляющих металла (SiO₂, MnO, FeO, Fe₂O₃) и растворяющейся в них извести (СаО), а также из оксидов, вносимых миксерным шлаком, ржавчиной стального лома и растворяющейся футеровкой. Основность шлака по ходу продувки возрастает по мере растворения извести, достигая 2,7-3,6;

      в) дефосфорация и десульфурация. В образующийся основной шлак удаляется часть содержащихся в шихте вредных примесей – большая часть (до 90%) фосфора и немного (до 30%) серы;

      г) нагрев металла до требуемой перед выпуском температуры (1600 –1660 °С) за счет тепла, выделяющегося при протекании экзотермических реакций окисления составляющих жидкого металла;

      д) расплавление стального лома за счет тепла экзотермических реакций окисления; обычно оно заканчивается в течение первых 2/3 длительности продувки;

      е) побочный и нежелательный процесс испарения железа в подфурменной зоне из-за высоких здесь температур (2000 – 2600 °С) и унос окисляющихся паров отходящими из конвертера газами, что вызывает потери железа и требует очистки конвертерных газов от пыли.

      4. Отбор проб, замер температуры, ожидание анализа, корректировка. Продувку необходимо закончить в тот момент, когда углерод будет окислен до нужного в выплавляемой марке стали содержания; к этому времени металл должен быть нагрет до требуемой температуры, а фосфор и сера удалены до допустимых для данной марки стали пределов.

      Момент окончания продувки, примерно соответствующий требуемому содержанию углерода в металле, определяют по количеству израсходованного кислорода, по длительности продувки, по показаниям ЭВМ. Окончив продувку, из конвертера выводят фурму, а конвертер поворачивают в горизонтальное положение. Через горловину конвертера отбирают пробу металла, посылая ее на анализ, и замеряют температуру   термопарой   погружения   (рис. 10, г).   Если   по   результатам анализа и замера температуры параметры металла соответствуют заданным, плавку выпускают. В случае несоответствия проводят корректирующие операции: при избыточном содержании углерода проводят кратковременную додувку для его окисления; при недостаточной температуре делают додувку при повышенном положении фурмы, что вызывает окисление железа с выделением тепла, нагревающего ванну; при излишне высокой температуре в конвертер вводят охладители – легковесный лом, руду, известняк, известь и т.п., делая выдержку после их ввода в течение 3-4 мин. По окончании корректировочных операций плавку выпускают. На отбор и анализ проб затрачивается 2—3 мин; корректировочные операции вызывают дополнительные простои конвертера и поэтому нежелательны.

      5. Выпуск. Металл выпускают в сталеразливочный ковш через летку без шлака; это достигается благодаря тому, что в наклоненном конвертере, (рис. 10, д) у летки располагается более тяжелый металл, препятствующий попаданию в нее находящегося сверху шлака. Такой выпуск исключает перемешивание металла со шлаком в ковше и переход из шлака в металл фосфора и FeO. Выпуск длится 3-7 мин.

      В процессе выпуска в ковш из бункеров 9 вводят ферросплавы для раскисления и легирования. При этом в старых цехах загружают все ферросплавы так, чтобы обеспечивалось раскисление и получение в стали требуемого содержания вводимых элементов (Мn и Si, а в легированных сталях и других элементов). В конце выпуска в ковш попадает немного (1-2 %) шлака, который предохраняет металл от быстрого охлаждения. В новых цехах, где проводят внепечную обработку, в ковш вводят сплавы, содержащие слабоокисляющиеся элементы (Мn, Сг и иногда Si), после чего ковш транспортируют на установку внепечной обработки, где в процессе усредняющей продувки аргоном вводят элементы, обладающие высоким сродством к кислороду (Si, Al, Ti, Са и др.), что уменьшает их угар. В этом случае в момент слива из конвертера последних порций металла делают "отсечку" шлака, препятствуя попаданию в ковш конвертерного шлака, содержащего фосфор, который может переходить в металл, и оксиды железа, которые будут окислять вводимые в металл в процессе внепечной обработки элементы. В ковше для защиты металла от охлаждения и окисления создают шлаковый покров, загружая, например, гранулированный доменный шлак, вермикулит, известь с плавиковым шпатом.

      6. Слив шлака (рис. 10, е) в шлаковый ковш (чашу) 11 ведут через горловину, наклоняя конвертер в противоположную от летки сторону (слив через летку недопустим, так как шлак будет растворять футеровку летки). Слив шлака длится 2-3 мин. Общая продолжительность плавки в 100-350 тонных конвертерах составляет 40-50 мин.

КОНВЕРТЕРНЫЕ  ПРОЦЕССЫ С ДОННОЙ ПРОДУВКОЙ КИСЛОРОДОМ

      Впервые продувка чугуна в конвертере чистым кислородом, подаваемым через огнеупорные фурмы в днище, была опробована в СССР стране в 1944 г. На опытных плавках футеровка днища конвертера разрушалась за несколько минут в связи с тем, что у фурм возникают зоны высоких (до 2500 °С) температур в результате выделения тепла от реакций окисления составляющих чугуна. Проводившиеся впоследствии исследования привели к разработке метода введения кислорода в виде струй, окруженных кольцевой защитной оболочкой из углеводородов или инертного газа. Оболочка вокруг кислородной струи предотвращает контакт кислорода с чугуном у фурм; смешивание кислорода с чугуном и реакции окисления с выделением тепла происходят на расстоянии от фурм в объеме металла, что исключило перегрев футеровки днища и обеспечило достаточно высокую стойкость днищ. Схема донной продувки кислородом показана на рис. 11.

 Для создания защитной оболочки вокруг кислородной струи подают тонкий слой природного газа (его основу составляет метан СН₄), пропана (С₃Н₈) и иногда жидкого топлива (сложные углеводороды типа С_mН_n). При их разложении образуются водород и углерод (например: СН₄ = 2Н₂ + С), которые частично окисляются, и в объеме металла помимо продукта окисления углерода чугуна – СО дополнительно появляются Н₂, Н₂O, СО и СO₂. Расход природного газа составляет 6-10, пропана около 3,5 % от расхода кислорода.

      Конвертеры  для донной кислородной продувки имеют отъемное днище, а в остальном схожи с конвертерами верхней продувки. Отличие в том, что удельный объем и величина отношения высоты рабочего объема к диаметру  меньше, чем у конвертеров верхнего дутья. Объясняется это тем, что при подаче кислорода снизу через большое число фурм уменьшается вспенивание ванны и вероятность выбросов, а также тем, что увеличение диаметра конвертера позволяет разместить в днище больше донных фурм.

      В днище устанавливают 8-20 фурм. Фурма (рис. 11) выполнена из двух концентрически расположенных труб; по средней трубе из нержавеющей стали или меди с внутренним диаметром 24-50 мм подают кислород, внешняя труба из нержавеющей стали образует кольцевой зазор толщиной 0,5-2 мм вокруг наружной.

      Через зазор подается защитная среда –  газообразные углеводороды, препятствующие контакту кислорода с жидким чугуном вблизи фурм и днища. Трубки, подводящие газы к донным фурмам, проходят через высверленные в цапфах конвертера каналы (см. рис. 7, б); в период продувки через фурмы вдувают кислород и углеводороды, в конце продувки – аргон для удаления из металла водорода и в межпродувочные периоды – азот, чтобы предотвратить засорение фурм и их перегрев.

      Рабочий слой футеровки выкладывают из тех  же огнеупоров, что и у конвертеров верхней продувки, стойкость футеровки составляет 400-900 плавок. Для футеровки днища необходимы более стойкие огнеупоры, лучшие результаты получены при кладке днища из магнезитоуглеродистых кирпичей.

      Одно  из достоинств донной продувки – возможность  выплавки стали с очень низким (до 0,02%) содержанием углерода без  переокисления шлака; при верхней  же продувке окисление углерода до содержаний ниже 0,05% обычно не ведут, так как при этом сильно окисляется железо и велики его потери со шлаком в виде оксидов. Более полное и быстрое окисление углерода при донной продувке объясняется следующим: интенсивное перемешивание, подача дутья через несколько фурм и появление газообразных продуктов диссоциации углеводородов существенно увеличивают поверхность контакта металл-газ, что облегчает образование и выделение пузырьков окиси углерода; газообразные продукты разложения углеводородов разбавляют СО, понижая парциальное давление СО в зоне реакции, что способствует сдвигу равновесия реакции вправо; вследствие интенсивного перемешивания металла и шлака дополнительное количество углерода окисляется за счет реагирования с оксидами железа шлака.

      Другими преимуществами донной продувки по сравнению  с верхней являются: меньшее вспенивание  ванны и отсутствие выбросов; более  низкая окисленность шлака и металла; уменьшение выноса пыли, поскольку  наиболее крупные частицы поглощаются при прохождении через слой металла и шлака; повышение выхода годной стали на 1-1,5 % в связи с отсутствием выбросов и меньшими потерями железа с оксидами шлака и в виде пыли; уменьшение количества окисляющегося при продувке марганца; меньшая высота конвертерной установки в связи с отсутствием вертикально перемещаемых фурм.

      Недостатки  процесса донной продувки: снижение на 2-4 % количества перерабатываемого лома вследствие затрат тепла на разложение углеводородов и уменьшения прихода тепла от окисления железа в шлак; формирование основного шлака и, соответственно, удаление фосфора и серы лишь в конце продувки (этого можно избежать, применяя порошкообразную известь, но требуется сложное оборудование для ее помола и вдувания); необходима дополнительная продувка металла нейтральным газом для удаления водорода и подача газа через фурмы в межпродувочные периоды; сложность конструкции и эксплуатации днища с системой подвода кислорода, углеводородов и нейтральных газов; простои конвертера при смене днищ.

КОНВЕРТЕРНЫЕ  ПРОЦЕССЫ С КОМБИНИРОВАННОЙ ПРОДУВКОЙ

      Комбинированная продувка, т.е. продувка кислородом через  фурму сверху в сочетании с  подачей различных газов через  днище снизу (рис. 7, в) получает все более широкое распространение. Широкое распространение сравнительно недавно возникшего способа продувки объясняется тем, что в рамках одной технологии одновременно реализуются основные преимущества как верхней, так и донной продувки. Основным сохраняемым преимуществом верхней продувки является раннее формирование основного шлака; основным сохраняемым достоинством донной продувки – интенсивное перемешивание ванны, в том числе металла и шлака, в связи с чем понижается их окисленность, улучшаются дефосфорация и десульфурация металла, уменьшается вспенивание ванны, возможно увеличение расхода лома и др.

      Основные  достоинства комбинированной продувки при подаче нейтральных газов через дно в сравнении с верхней продувкой:

      уменьшение  вспенивания ванны и отсутствие выбросов; более низкая окисленность  шлака и металла  в  течение  всей продувки;

      более высокий выход годного металла  из-за уменьшения выбросов и потерь железа со шлаком в виде оксидов;

      более полное удаление в шлак фосфора и  серы, что позволяет снизить расход шлакообразующих; кроме того, улучшается усвоение шлаком извести;

      возможность выплавлять низкоуглеродистую сталь  без получения переокисленного шлака и больших при этом потерь железа;

      некоторое уменьшение количества окисляющегося  при продувке марганца;

      при технологии, предусматривающей дожигание  СО в полости конвертера лучшее усвоение ванной тепла от дожигания СО, что позволяет увеличить расход лома в большей степени, чем при продувке сверху.

      Недостатком процесса считают необходимость  снижения расхода лома (или увеличения расхода чугуна на 5-10 кг/т стали) в связи с тем, что уменьшается приход тепла от окисления железа в шлак и расходуется тепло на нагрев подаваемых в конвертер холодных нейтральных газов.

Список  литературы

1. Материаловедение: учебник / В. А. Струк [и др.].– Мн., 2008.–519 с.
2. Адаскин А. М. Материаловедение(металлообработка).– М., 2003–240 с.
3. Металловедение и технология металлов: учебник / Веселов В. А. [и др.]. – М. 1988 –  512 с.
4. Общая металлургия: учебник для вузов / Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. – М., 2002. – 768 с.