Различия двух способов
Вышеупомянутое производство подразделяется на бессемеровский и томасовский процессы. Различия между ними в основных составляющих футеровках конвертеров.
Бессемеровский путь выплавки стали позволяет использовать низкое содержание фосфора и серы. При томасовском способе, наоборот, чугун переплавляется посредством высокого содержания фосфора.
Суть кислородно-конвертерного производства заключается в выплавке стали посредством футеровки и продувки кислородом из жидкой чугунной основы. В обязательном порядке для этого используется водоохлаждающая форма.
Водоохлаждающая форма
В агрегатах кислород подается снизу. Этот метод наиболее распространен в России. Хотя в зарубежных странах нередко применяется и комбинированный способ продувки. В металлургии кислородно-конвертерный метод выплавки признан практически одним из самых эффективных по нескольким параметрам:
- Воспроизведение одного сталеплавильного агрегата превышает в мощности иные способы в несколько тон.
- В большегрузных конвертерах воспроизведение достигает порядка 500 тонн за 1 час.
- Затратные средства значительно ниже, чем при ином производстве.
- Довольно экономное обустройство любого цеха, даже в независимости от мощности плавильных агрегатов.
- Простота процесса состоит в автоматизации метода выплавки стали.
Благодаря тому, что используется чистый кислород, сталь, получаемая на выходе, не имеет высокого содержания азота. Это позволяет использовать материал в широких спектрах малой промышленности
Важно и то, что сравнительная безопасность для здоровья, позволяет задействовать специалистов среднего звена
Возможность предоставить работу большему количеству населения
Технология
Бессемерование – процесс плавки чугуна, который позволяет получить сталь относительно высокого качества. Следует отметить, что подобная технология на сегодняшний день применяется крайне редко. Это связано с появлением довольно большого количества современных технологий, которые позволяют получить более качественную сталь за меньшие сроки.
Весь бессемеровский процесс производства стали можно разделить на несколько основных этапов:
- Выполняется заливка чугуна в конвертор через горловину. Важным моментом назовем то, что в подобном положении устройство должно находится в горизонтальном положении, так как есть вероятность заливки сопла металлом. Сопла необходимы для того, чтобы продувать шихту. Именно окисление примесей и их вывод в качестве шлаков позволяет получать сталь повышенного качества.
- Следующий этап заключается в пуске дутья и переворачивании конвертора в вертикальное положение.
- Для того чтобы обеспечить окисление вредных примесей и излишков углерода проводится продувка металла воздухом. На данном этапе происходит образование шлака, с которым и уходят ненужные химические вещества.
- После достаточно длительного периода продувки конвертор снова переворачивается в горизонтальное положение, прекращается продувка расплавленного металла.
- Выполняется слив расплавленного металла в ковш и его раскисление путем добавления специальных веществ.
На момент начала продувки состава происходит активное окисление марганца и кремния. На первоначальной стадии углерод практически не окисляется. Это связано с тем, что данный компонент реагирует исключительно на воздействие высоких температур. Кроме этого, на процесс окисления примесей оказывает влияние термодинамические факторы, которые определяют активность переноса кислорода к местам протекания бессемеровского процесса.
Рассматривая данную технологию отметим нижеприведенные моменты:
- На первом этапе происходит образование большого количества различных шлаков, который в составе имеет высокую концентрацию кремнезема. Временной интервал протекания первого этапа составляет 2-5 минут.
- На втором этапе бессемеровского процесса производства обеспечиваются наиболее благоприятные условия для окисления углерода. Примером можно назвать повышение рабочей температуры примерно до 2000 градусов Цельсия. Протяженность данного этапа составляет примерной 13 минут. В конце этого этапа температура понижается примерно до отметки 1600 градусов Цельсия.
- Добиться высокого качества стали можно различными методами бессемерования. Все зависит от особенностей состава применяемого лома, концентрации крема в составе.
- Для того чтобы исключить вероятность возникновения процесса передувки металла активная подача воздуха прекращается уже на втором этапе.
- Только на третьем этапе можно отметить активное окисление железа, что становится причиной выделения бурого дыма. Данный этап начинается на тот момент, когда концентрация углерода меньше 0,1%.
Как ранее было отмечено, бессемеровский метод изготовления стали получил большое распространение по причине высокой производительности. В литейных цехах довольно часто устанавливается оборудование, которое имеет садку около 35 тонн.
Бессемеровский метод выплавки стали
Сегодня бессемеровский метод производства стали практически не применяется, что связано с низким качеством получаемого металла и его достаточно высокой стоимостью.
Источник
Томасовский способ
Томасовский способ – продувка через жидкий металл воздуха, но футеровка основная и благодаря этому становится возможным удаление фосфора. Футеровка доломитовая (МgO, СаО). Применяется для переплавки в стали чугунов марок Т-1 и Т-2, содержащих повышенный % фосфора до 2,2% и серы.
В томасовском конвертере процессы окисления протекают в такой же последовательности, как и в бессемеровском, за исключением того, что в третьем периоде идет бурное окисление фосфора, за счет чего резко повышается температура стали и сталь становится более качественной и пластичной.
Для удаления Р и S в конвертер загружается 12-14% от веса заливаемого чугуна – известняк СаСО3:
Р2О5(СаО)4 – очень прочное соединение и ценное удобрение для сельского хозяйства.
– FeS + СаО → СаS + FeО, где СаS – непрочное соединение, поэтому вводят Mn:
СаS + MnO → MnS + СаО, где MnS – не переходит в ванну, если остается, то это более тугоплавкое соединение нежели FeS + Fe (tплавл. ≈ 988°С).
В настоящее время томасовский способ в нашей стране почти не применяется, так как высокофосфористых и высокосернистых руд у нас мало.
Рассмотренные конвертерные способы выплавки стали имеют следующие преимущества:
- Высокая производительность (время плавки 20-30 мин.).
- Простота конструкций печей (конвертеров) и следовательно малые капитальные затраты.
- Малые эксплуатационные затраты.
- Не требуется при плавке специально вводить тепло, так как оно получается в конвертерах за счет реакций окисления примесей.
- Значительный угар железа (до 13%).
- Невозможность переплавлять в больших количествах скрап (металлический лом).
- Более низкое качество стали (главный недостаток конвертирования) – например, за счет продувки воздухом в стали увеличивается содержание азота (до 0,025-0,048%), которое заметно снижает качество стали.
- Из-за непродолжительности процесса невозможно в конвертерах выплавлять стали сложного химического состава, а из-за невысоких температур (наибольшая tплавл. = 1600°С) невозможно добавлять тугоплавкие легирующие компоненты (W, Mo, Nb и т.д.).
Таким образом до настоящего времени конвертерное производство стали было ограничено из-за вышеизложенных недостатков. В конвертерах выплавлялись лишь простые углеродистые стали обыкновенного качества.
Устаревание [ править ]
В США коммерческое производство стали с использованием этого метода было прекращено в 1968 году. Его заменили такие процессы, как процесс с использованием основного кислорода (Линца-Донавица) , который позволил лучше контролировать химический состав конечного продукта. Бессемеровский процесс был настолько быстрым (10–20 минут для плавки), что оставлял мало времени для химического анализа или корректировки легирующих элементов в стали. Бессемеровские конвертеры не удаляли фосфор эффективно из расплавленной стали; по мере удорожания руд с низким содержанием фосфора увеличивались затраты на переработку. Процесс позволял загружать только ограниченное количество стального лома , что еще больше увеличивало затраты, особенно когда лом был недорогим. Использование электродуговой печи технология выгодно конкурировала с бессемеровским процессом, что привело к его устареванию.
Производство стали с использованием основного кислорода – это, по сути, усовершенствованная версия процесса Бессемера (обезуглероживание путем выдувания кислорода в виде газа в тепло, а не сжигания избыточного углерода путем добавления в тепло веществ, переносящих кислород). Преимущества чистого кислорода взрыва над дутьем было известно Генри Bessemer, [ править ] , но технология 19-го века была не достаточно развито , чтобы позволить для производства большого количеств чистого кислорода , необходимых , чтобы сделать его экономичным.
Опорные кольца и цапфа
Конвертер располагается на роликовых подшипниках, которые фиксируются на станине. Конструкция может быть и стационарной, но это встречается редко. Обычно на этапах проектирования определяется возможность транспортировки или перемещения агрегата в тех или иных условиях. Именно за эти функции отвечает оснастка в виде опорных колец и цапфы. Группа подшипников обеспечивает возможность кручения оборудования вокруг оси цапф. Прежние модели конвертеров предполагали совмещение несущей оснастки и корпуса плавильного оборудования, но из-за воздействия высоких температур и деформации вспомогательных материалов это конструкционное решение было заменено более сложной, но надежной и долговечной схемой взаимодействия функционального блока и емкости.
Современный кислородный конвертер, в частности, обеспечивается отдельным опорным кольцом, в структуру которого также вводятся цапфы и закрепленный кожух. Технологический промежуток между кожухом и опорной базой предотвращает негативное температурное воздействие на чувствительные элементы подвесок и передвижных механизмов. Непосредственно система фиксации конвертера реализуется за счет упоров. Само же опорное кольцо представляет собой несущее устройство, сформированное двумя полукольцами и цапфовыми плитами, закрепленными в узлах стыковки.
Технические подробности
Компоненты преобразователя Бессемера.
При использовании процесса Бессемера для превращения трех-пяти тонн железа в сталь требовалось от 10 до 20 минут – раньше для этого требовалось как минимум целый день нагревания, перемешивания и повторного нагрева.
Окисление
Продувка воздуха через расплавленный чугун вводит в расплав кислород, что приводит к окислению и удалению примесей, содержащихся в чугуне, таких как кремний , марганец и углерод в форме оксидов . Эти оксиды либо улетучиваются в виде газа, либо образуют твердый шлак . Огнеупорная футеровка конвертера также играет роль в конверсии – глиняная футеровка используется, когда в сырье мало фосфора – это известно как кислотный бессемеровский процесс. При высоком содержании фосфора в процессе обработки щелочного бессемеровского известняка используют доломит или иногда магнезит . Они также известны как преобразователи Гилкриста-Томаса в честь их изобретателей Перси Гилкриста и Сидни Гилкриста Томаса. Чтобы получить сталь с желаемыми свойствами, после удаления примесей в жидкую сталь можно добавлять добавки, такие как spiegeleisen (ферромарганцевый сплав).
Управление процессом
Когда требуемая сталь была сформирована, ее разливали в ковши, а затем пересылали в изложницы, а более легкий шлак оставляли. Процесс преобразования, называемый «ударом», длился примерно 20 минут. В течение этого периода о ходе окисления примесей судили по появлению пламени, выходящего из устья конвертера. Современное использование фотоэлектрических методов регистрации характеристик пламени в значительной степени помогло воздуходувке контролировать качество конечного продукта. После удара жидкий металл повторно науглероживался до желаемой точки и добавлялись другие легирующие материалы, в зависимости от желаемого продукта.
Конвертер Бессемера может обрабатывать «тепло» (партию горячего металла) от 5 до 30 тонн за раз. Как правило, они работали парами, в одну продували, а в другую наполняли или пробивали.
Процессы-предшественники
Конвертер Бессемера на заводе Högbo Bruk , Sandviken .
К началу 19 века процесс лужения был широко распространен. До тех пор, пока технический прогресс не позволил работать при более высоких температурах, нельзя было полностью удалить примеси шлака , но отражательная печь позволяла нагревать железо, не помещая его непосредственно в огонь, обеспечивая некоторую степень защиты от примесей источника топлива. . Таким образом, с появлением этой технологии уголь стал заменять древесный уголь в качестве топлива. Бессемеровский процесс позволил производить сталь без топлива, используя примеси железа для создания необходимого тепла. Это резко снизило затраты на производство стали, но сырье с необходимыми характеристиками было бы трудно найти.
«Основной» против кислотного бессемеровского процесса
Сидни Гилкрист Томас , лондонец, отец валлийский, был промышленным химиком, который решил заняться проблемой фосфора в железе, что привело к производству стали низкого качества. Полагая, что он нашел решение, он связался со своим двоюродным братом Перси Гилкристом , химиком на металлургическом заводе в Блэнавоне . Тогдашний менеджер Эдвард Мартин предложил Сиднейскому оборудованию для крупномасштабных испытаний и помог ему оформить патент, который был получен в мае 1878 года. Изобретение Сидни Гилкриста Томаса заключалось в использовании доломитовой, а иногда и известняковой футеровки для конвертера Бессемера, а не глины, и он стал известен как «основной» бессемеровский, а не «кислотный» бессемеровский процесс. Дополнительным преимуществом было то, что в результате этих процессов в конвертере образовывалось больше шлака, который можно было рекуперировать и очень выгодно использовать в качестве фосфорного удобрения.
Особенности процесса
Вместе с ними загружаются шлакообразующие вещества: известь и бокситы. Корпус охвачен опорным кольцом, прикрепленным к поворотным цапфам. С их помощью сосуд наклоняется и через это отверстие – летку выливается готовая сталь. Нижняя продувка осуществляется через сквозные отверстия (фурмы), сделанные в днище печи.
Исторически повелось, что используемый везде способ называется томасовским, бессемеровским. В прошлом веке преобладающим стал мартеновский процесс. Нагрев регенератора осуществляется продувкой печных газов, после чего он нагревается холодный воздух, поступающий на расплав.
В современных конструкциях чаще применяют верхний способ, при котором продувка на огромной скорости осуществляется через опускаемые к поверхности металла сопла. В России преимущественно используется именно верхняя продувка печей.
Находясь под струей воздуха, чугун интенсивно окисляется в зоне контакта. Поскольку его концентрация значительно больше других примесей, преимущественно образуется оксид железа. Но он растворяется в шлаке. Поэтому металл обогащается выделяемым кислородом.
Шлак с ним сливается и наводится новый. Производство стали сопровождается экспресс-анализами и контролем текущих изменений приборами контроля, вмонтированных в печь. Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,075%.
Томасовский конвертер
Томасовский процесс (основная футеровка конвертера) был предложен С.Томасом в 1878 г. для переработки чугуна с высоким содержанием фосфора. Бессемеровский и томасовский конвертеры представляют собой сосуд грушевидной формы (рисунок 20), выполненный из стального листа с внутренней футеровкой. Футеровка бессемеровского конвертера кислая (динасовый кирпич), томасовского – основная (смолодоломитовая). Сверху в горловине конвертера имеется отверстие, служащее для заливки чугуна и выпуска стали. Снизу к кожуху крепиться отъемное днище с воздушной коробкой. Дутье, подаваемое в воздушную коробку, поступает в полость конвертера через фурмы (сопла), имеющиеся в футеровке днища. В цилиндри-ческой части конвертера имеются цапфы, на которых он поворачивается вокруг горизонтальной оси. Отъемное днище конвертера позволяет заменять его после выработки срока службы.
Плавка в томасовском конвертере проводится следующим образом. В конвертер загружают известь для образования основного шлака. Затем заливают томасовский чугун (1,6 — 2,0%P; <0,08%S; 0,2 — 0,6%Si), имеющий температуру 1200 – 1250 °C, и ведут продувку воздухом. Во время продувки окисляются углерод, марганец и кремний. В образующийся основной шлак удаляются фосфор и сера. Продувку заканчивают, когда содержание фосфора в металле снизится до 0,05 — 0,07%. После этого металл выпускают в ковш, куда вводят раскислители.
Рассмотренным процессам присущ большой недостаток – повышенное содержание азота в стали, вызванное тем, что азот воздушного дутья раство-ряется в металле. По этой причине бессемеровская и томасовская сталь обладают повышенной хрупкостью и склонностью к старению. Для получения стали с пониженным содержанием азота были разработаны способы продувки снизу парокислородной смесью, смесью кислорода и углекислого газа, а также продувка дутьём, обогащенным кислородом.
Однако бессемеровский и томасовский процессы и их разновидности были вытеснены кислородно-конвертерными процессами с верхней и нижней подачей дутья.
Типы плавильных печей
Процесс Бессемера был запатентован и в течение долгого времени изобретатели искали способы обойти патенты. Однако более 100 патентов принадлежали Генри Бессемеру.
В 1860-х годах на сцене появился конкурент — мартеновский процесс, разработанный главным образом немецким инженером Карлом Вильгельмом Сименсом. Этот процесс превращает железо в сталь в широкой, неглубокой мартеновской печи также называемой газовой печью Сименса, так как она питалась сначала угольным газом, а затем природным газом. В эту печь добавляли кованое железо или оксид железа в расплавленный чугун до тех пор, пока содержание углерода не будет уменьшено путем разбавления и окисления. Используя выхлопные газы для предварительного нагрева воздуха и газа перед сжиганием, печь Сименса может достигать очень высоких температур.
Как и в случае с конвертерами Бессемера, использование других материалов, таких как известняк, в мартеновских печах помогает удалить фосфор из расплавленного металла (модификация, называемая основным мартеновским процессом).
В отличие от конвертера Бессемера, который производит сталь мартеновский процесс занимает несколько часов и позволяет проводить периодические лабораторные испытания расплавленной стали. Это позволяло изготавливать сталь в точном соответствии с требованиями заказчика по химическому составу и механическим свойствам. Мартеновский процесс позволял производить более крупные партии стали, чем процесс Бессемера, и перерабатывать металлолом. Благодаря этим преимуществам к 1900 году мартеновский процесс в значительной степени вытеснил бессемеровский процесс.
После 1960 года мартеновский процесс, в свою очередь, был заменен основным кислородным процессом, модификацией процесса Бессемера, при производстве стали из железной руды и электродуговой печью при производстве стали из лома.
Массовое производство дешевой стали, ставшее возможным благодаря описанным выше открытиям (и многим другим, не упомянутым выше), произвело революцию в нашем мире.
Рассмотрим краткий и неполный перечень продуктов, ставших возможными (а лучше или более доступными) благодаря истории производства железа и дешевой стали:
железные дороги, нефте-и газопроводы, нефтеперерабатывающие заводы, электростанции, линии электропередач, сборочные линии, небоскребы, лифты, метро, мосты, железобетон, автомобили, грузовики, автобусы, тележки, холодильники, стиральные машины, сушилки для белья, посудомоечные машины, гвозди, винты, болты, гайки, иглы, проволока, часы, консервы, линкоры, авианосцы, нефтяные танкеры, океанские грузовые суда, транспортные контейнеры, краны, бульдозеры, тракторы, сельскохозяйственные орудия, заборы, ножи, вилки, ложки, ножницы, бритвы, хирургические инструменты, шарикоподшипники, турбины, сверла, пилы и всевозможные инструменты.
Упоминания в популярной культуре
Дни и ночи у мартеновских печей Не смыкала наша Родина очей
- Работе сталеваров-мартеновцев посвящён роман В. Ф. Попова «Сталь и шлак» (1948), посвящённый трудовому и патриотическому подвигу донецких металлургов в годы Великой Отечественной войны, получивший Сталинскую премию второй степени (1949), а также роман-продолжение «Закипела сталь» (1955).
- В одном из самых популярных кинофильмов 1950-х годов в кинопрокате СССР «Весна на Заречной улице» один из главных героев фильма — сталевар-мартеновец, ударник труда Александр Савченко (артист Николай Рыбников). В кадрах фильма показана работа мартеновского цеха и мартеновские печи. А в ставшей всенародно любимой популярной песне из фильма есть такие строки:
Когда на улице Заречной В домах погашены огни, Горят мартеновские печи, И день и ночь горят они.
Фрагмент песни «Рабочий Квартал» (музыка и слова Юрия Шевчука):
В рабочем квартале жгут светлые дали В мартеновских лютых печах. Как небо титаны державу держали И носят её на плечах.
Стихотворение Владимира Маяковского «Рассказ Хренова о Кузнецкстрое и о людях Кузнецка»:
Здесь встанут стройки стенами. Гудками, пар, сипи. Мы в сотню солнц мартенами Воспламеним Сибирь.
Фрагмент песни «Уткина Заводь (песня)» (музыка и слова Бориса Гребенщикова)
Ты проходила мимо цеха, там взорвался мартен, Таких штучек не может даже сам Бин Ладен.
Из чего делают сталь?
Сталь — одна из самых востребованных в промышленности. Железо и углерод — основные компоненты для изготовления стали. Железо отвечает за пластичность и вязкость, а углерод — за твердость и прочность.
Получают деформируемый сплав железа, который поддается механической, термической, токарной и фрезерной обработке. Литьем, прессованием, резкой, шлифовкой и сверловкой добиваются нужной формы. Стальные изделия получают с точно выверенными размерами.
Железо и углерод занимают львиную долю от общей массы, но кроме них сталь всегда содержит другие примеси. Чистота по неметаллическим включениям определяет качества стали. Оксиды, сульфиды и вредные примеси делают ее хрупкой и непластичной. Их содержание снижают очисткой или вводят дополнительные компоненты, чтобы добиться нужных физико-химических свойств.
Примеси бывают полезными и вредными. Разделение условное и означает то, что элементы улучшают химический состав стали или ухудшают его свойства. К полезным элементам относятся марганец и кремний. Сера, фосфор, кислород, азот, водород — вредные примеси в составе стали.
