Кислородно конвертерный способ получения стали

Чтобы получить сталь высокого качества с минимальными затратами, кислородно-конвертерный метод остается одним из самых эффективных решений. Он позволяет перерабатывать чугун в сталь за 20–30 минут, снижая содержание углерода до нужного уровня. Технология основана на продувке жидкого чугуна кислородом под давлением, что ускоряет окисление примесей без дополнительного нагрева.

Основное преимущество метода – его экономичность. Расход кислорода составляет около 50–60 м³ на тонну металла, а температура в конвертере достигает 1600–1650°C. Это исключает необходимость использования топлива, в отличие от мартеновских печей. Кроме того, процесс легко автоматизируется, что снижает влияние человеческого фактора на результат.

Однако для стабильного выхода качественной стали важно контролировать состав шихты. Оптимальное соотношение чугуна и лома – 70:30, а содержание фосфора и серы не должно превышать 0,1%. Если примесей больше, потребуется дополнительная обработка шлаком. Современные конвертеры оснащаются системами непрерывного мониторинга, что минимизирует риск брака.

Развитие метода идет в сторону увеличения объема конвертеров до 400 тонн и применения донной продувки аргоном. Это улучшает однородность стали и сокращает потери металла. Для предприятий, стремящихся к высокой производительности, кислородно-конвертерный способ – оптимальный выбор.

Принцип работы конвертера и подача кислорода

Кислородно-конвертерный процесс основан на продувке жидкого чугуна техническим кислородом через фурму. Скорость подачи кислорода достигает 300–350 м³/мин при давлении 0,8–1,2 МПа.

Этапы продувки

• Начальная фаза: Кислород окисляет кремний и марганец, образуя шлак. Температура металла повышается до 1450–1500°C.
• Основная фаза: Интенсивное окисление углерода. Содержание углерода в металле снижается с 4% до 0,05–0,1% за 12–15 минут.
• Завершающая фаза: Корректировка состава стали и шлака. Добавляют ферросплавы для легирования.

Конструкция конвертера

• Футеровка выполняется из смолодоломитового кирпича, устойчивого к температуре до 1600°C.
• Угол наклона конвертера при загрузке лома – 45°, при сливе стали – до 90°.

Оптимальная высота расположения фурмы над уровнем металла – 1,2–1,5 м. Отклонение приводит к перерасходу кислорода или неполному окислению примесей.

Подготовка шихтовых материалов и их загрузка

Перед загрузкой в конвертер проверьте состав шихты: доля чугуна должна составлять 70–85%, остальное – стальной лом. Чугун должен содержать 0,3–1,2% кремния и не более 0,15% серы. Лом предварительно очистите от неметаллических включений и рассортируйте по маркам.

Контроль размеров и влажности

Оптимальный размер кусков лома – 300–800 мм. Более крупные фрагменты замедляют плавку, а мелкие ухудшают газопроницаемость шихты. Проверьте влажность материалов: содержание воды не должно превышать 0,5%. Для удаления влаги используйте продувку горячим воздухом при 150–200°C.

Загружайте шихту в конвертер в строгой последовательности: сначала 60% лома, затем чугун, оставшийся лом. Это предотвращает повреждение футеровки при заливке жидкого чугуна. Температура чугуна при загрузке – 1250–1350°C. После заполнения конвертера выдержите паузу 2–3 минуты для равномерного прогрева материалов.

Автоматизация загрузки

Для точного дозирования применяйте весовые бункеры с погрешностью не более ±0,5%. Современные системы автоматики регулируют скорость подачи лома, синхронизируя её с наклоном конвертера. Контролируйте уровень загрузки датчиками: заполнение не должно превышать 85% объёма рабочей камеры.

После каждой плавки проверяйте состояние загрузочного устройства. Износ направляющих лотков более 3 мм увеличивает потери металла и требует замены элементов.

Контроль температуры и химического состава металла

Для точного контроля температуры в конвертере используйте инфракрасные пирометры и термопары типа B или S. Оптимальный диапазон – 1600–1650°C. При превышении 1680°C возрастает риск перегрева футеровки.

Химический состав контролируйте каждые 5–7 минут с помощью спектрометра прямого чтения. Основные параметры:

Углерод: 0,02–0,06% в готовой стали. При продувке кислородом снижайте содержание до 0,01% перед раскислением.

Фосфор: не более 0,015%. Для удаления поддерживайте основность шлака (CaO/SiO₂) на уровне 2,8–3,2.

Сера: до 0,025%. Добавляйте известь (8–12 кг/т металла) и магний (0,5–1,2 кг/т) при необходимости.

Автоматизированные системы регулировки подачи кислорода (например, динамические модели Lance Height Control) сокращают отклонения по углероду на 30%.

Для оперативной корректировки состава подготовьте ферросплавы с точностью дозировки ±0,5 кг/т. Марганец и кремний вводите после окончания продувки.

Обработка шлака и удаление вредных примесей

Шлак, образующийся при кислородно-конвертерном производстве стали, содержит до 20% оксидов железа и другие ценные компоненты. Чтобы снизить потери металла, шлак обрабатывают сразу после выпуска из конвертера. Наиболее эффективный метод – грануляция водой, которая превращает расплав в мелкие частицы, пригодные для дальнейшего использования.

Технологии переработки шлака

Для извлечения железа применяют магнитную сепарацию. Шлак дробят, затем пропускают через магнитные барабаны, которые улавливают частицы металла. Выход железа достигает 90%, а очищенный шлак используют в дорожном строительстве или производстве цемента.

Если шлак содержит фосфор или серу, добавляют флюсы – известь или доломит. Они связывают вредные примеси в устойчивые соединения, которые затем удаляют при отстаивании. Оптимальное соотношение флюса к шлаку – 1:10.

Контроль вредных выбросов

При обработке шлака выделяются газы, включая сернистый ангидрид. Чтобы нейтрализовать их, устанавливают скрубберы с известковым раствором. Концентрация SO₂ на выходе не превышает 50 мг/м³, что соответствует экологическим нормам.

Для улавливания пыли используют рукавные фильтры с температурой работы до 250°C. Их КПД достигает 99%, а собранную пыль возвращают в производственный цикл.

Особенности раскисления стали в конвертере

Раскисление стали в кислородно-конвертерном процессе требует точного контроля содержания кислорода для минимизации вредных примесей. Основные методы включают осаждающее, диффузионное и комбинированное раскисление.

Выбор раскислителей

Для осаждающего раскисления применяют ферросплавы (FeSi, FeMn, Al), которые связывают кислород в прочные оксиды. Алюминий наиболее эффективен – его расход составляет 0,5–1,5 кг/т стали. При диффузионном методе используют углерод или кокс, что снижает содержание кислорода без образования тугоплавких включений.

Контроль параметров

Температура металла должна находиться в диапазоне 1600–1650°C для оптимального протекания реакций. Содержание углерода в готовой стали регулируют в пределах 0,02–0,06%, а остаточного кислорода – не более 0,003%. Скорость продувки инертным газом (Ar, N₂) поддерживают на уровне 0,5–1,5 м³/мин для гомогенизации состава.

Комбинированный метод совмещает преимущества осаждающего и диффузионного раскисления: сначала вводят ферросилиций (0,8–1,2 кг/т), затем проводят кратковременную продувку аргоном для удаления продуктов реакции.

Технологические преимущества и ограничения метода

Кислородно-конвертерный метод обеспечивает высокую скорость выплавки стали – цикл занимает 30–50 минут, что в 3–5 раз быстрее мартеновского способа.

Основные преимущества:

• Снижение себестоимости на 15–20% за счет отказа от внешнего топлива – тепло выделяется при окислении примесей.
• Гибкость в использовании сырья: допустимо применение чугуна с содержанием фосфора до 2% и лома до 30% от шихты.
• Автоматизация процесса – современные конвертеры управляются через АСУ ТП с точностью дозировки кислорода ±1%.

Ограничения метода:

• Требовательность к составу шихты – содержание серы выше 0.05% требует дополнительной десульфурации.
• Ограниченный срок службы футеровки – 800–1500 плавок для магнезитохромитовых огнеупоров.
• Сложность обработки высокофосфористых чугунов (более 2% P) без предварительного обесфосфоривания.

Для минимизации потерь металла со шлаком рекомендуется применять двухстадийное продувание с промежуточным сливом шлака.