В кислородном конвертере всегда ведут основной процесс выплавки стали, повышенную щелочность создают с помощью известняка для удаления фосфора и серы.

Перед плавкой в наклоненный конвертер через горловину загружают скрап и заливают чугун с температурой 1250–1350 °С. Шихта должна занимать 1/5 объема конвертера. После этого конвертер поворачивают в вертикальное положение и внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму 5, через которую подают кислород под высоким давлением. Фурма не доходит до уровня металла на 1, 2–2 м. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают флюсы.

Для снижения содержания в чугуне углерода и примесей осуществляют их окисление. Процессы окисления сопровождаются выделением большого количества тепла, что необходимо для расплавления шихты и нагрева ванны жидкого металла. В этом состоит первый этап плавки.

В первую очередь под действием кислорода начинается интенсивное окисление железа в соответствии с законом действующих масс, так как в чугуне в большом количестве содержится железо и оно взаимодействует с кислородом: Fe + 1/2 О₂ = FeО + 263 кДж

Образовавшийся оксид железа, при высоких температурах процесса, более активно, чем чистый кислород, взаимодействует с примесями чугуна.

На 4–6-й минутах плавки окисляется кремний, восстанавливается железо и выделяется большое количество тепла. С окисления кремния начинается процесс шлакообразования. На 8–10-й минутах плавки начинает окисляться марганец и в виде оксида также удаляется в шлак. Фосфор начинает взаимодействовать с оксидом железа в начальный момент продувки (с 5-й минуты):

2P + 5FeO ↔ 5Fe + P₂O₅ + 225 кДж

Повышенное содержание оксида железа способствует образованию Р₂О₅. Это соединение неустойчивое, и реакция может идти в обе стороны, но присутствующий в печи оксид кальция уже при невысоких температурах связывает Р2О5, переводя его в шлак:

P₂O₅ + 4СаО → (СаО)4P₂O₅ + 128 кДж

Хуже всего при кислородно-конвертерном процессе удаляется сера, присутствующая в чугуне в виде сульфида железа FeS, который начинает взаимодействовать с оксидом кальция даже при низких температурах:

FeS + СаО = FeО + СаS

Но в кислородном конвертере из-за повышенного содержания FeО сера практически не связывается кальцием, так как этот процесс сопровождается образованием FeО, который уже в избытке.

Второй этап выплавки стали – «кипение» металлической ванны начинается при достижении температуры 1450 °С. Это позволяет интенсивно протекать реакции окисления углерода, сопровождающейся поглощением теплоты:

FeО + С = СО + Fe – 154 кДж

Пузырьки окиси углерода выделяются из жидкого металла, вызывая бурное кипение ванны. Оно способствует выравниванию температуры по объему конвертера и частичному удалению в шлак неметаллических включений, прилипающих к пузырькам углерода. При достижении заданного содержания углерода подачу кислорода отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и сталь через летку выливают в ковш.

Третий этап выплавки стали – раскисление в кислородном конвертере не проводится, оно осуществляется в ковше осаждающим методом.

Раскисление заключается в восстановлении оксида железа FeО, растворенного в жидком металле. Кислород, выполнивший свою функцию при удалении примесей из металла, сам является вредной примесью, и его содержание необходимо снизить.

В ковш добавляют ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Они обладают большим сродством к кислороду, чем сталь. Железо восстанавливается, а образующиеся оксиды MnO, SiO₂, Al₂O₃, обладающие меньшей плотностью, уходят в шлак:

FeО + Mn = Fe + MnO + Q

2FeО + Si = 2Fe + SiO₂ + Q

3FeО + 2Al = 3Fe + Al₂O₃ + Q

В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода – кипящие и спокойные. Этим способом трудно получать стали, содержащие высокое количество легкоокисляющихся легирующих элементов, поэтому кислородно-конвертерным способом можно выплавить только низколегированную сталь. Легирующие элементы вводятся в ковш в расплавленном состоянии или в виде твердых ферросплавов.

Кислородно-конвертерный процесс отличается высокой производительностью: выплавка стали в конвертерах вместимостью 50–300 т идет 25–50 мин.

Конвертерная статистика

В Украине в 1956 году на верхнее кислородное дутье был переведен бессемеровский цех на Днепропетровском металлургическом комбинате им. Петровского, а в 1957 г был пущен в эксплуатацию кислородно-конвертерный цех на " Криворожстали". В настоящее время в Украине шесть конвертерных цехов (металлургические комбинаты " Арселор Миттал Кривой Рог", " Азовсталь", им. Ильича и Днепровский, а также Днепропетровский и Енакиевский металлургические заводы), имеющих в своем составе 16 кислородных конвертеров и один конвертер для газокислородного рафинирования (завод " Днепроспецсталь"). Примечательно то, что в большинстве из них разливка стали осуществляется на МНЛЗ (исключение – " Арселор Миттал Кривой Рог" и Днепропетровский металлургический завод).

Одна из отличительных особенностей конвертерного процесса заключается в его высокой интенсивности: периодичность плавки обычно составляет менее 40…45 мин. при массе продукции 100…350 т. Наряду с высокой удельной производительностью широкому и быстрому распространению кислородно-конвертерного процесса способствовала его высокая степень совместимости со способом непрерывной разливки стали. Первый кислородно-конвертерный цех с разливкой всей выплавляемой стали на МНЛЗ был сдан в эксплуатацию на Новолипецком металлургическом комбинате в 1966 году. Видимо, эти конкурентные преимущества и обеспечили весьма быстрое распространение кислородно-конвертерного процесса во всем мире, позволив ему занять доминирующее положение в мировой системе выплавки стали.

В настоящее время в мире эксплуатируется около 280 кислородно-конвертерных цехов, имеющих в своем составе до 700 конвертеров, производящих 65, 5 % от суммарного мирового объема металла (811 млн. т в 2006 году). При этом, только 18 цехов в мире имеют в своем составе сверхкрупные конвертеры емкостью 290…300 т и более. Четыре из них находятся в России (Череповецкий, Магнитогорский, Новолипецкий и Западносибирский меткомбинаты), четыре – в Японии (JFE Steel, заводы Mizushima и Keihin; Nippon Steel, заводы Yawata и Kimitsu), два – в Германии (TKS Thyssen Krupp Stahl и Arcelor Mittal, завод Stahlwerke Bremen), по одному – в Украине(" Азовсталь"), США (Weirton Steel), Южной Корее (Posco), Польше (Arcelor Mittal, завод Huta Katowice), Великобритании (Corus/Tata Steel, завод Scunthorpe), Франции (Arcelor, Fos sur Mer), Индии (компания SAIL, завод Bokaro) и Нидерландах (Corus/Tata Steel, завод Hoogovens Ijmuiden BV). При этом, как показывает практика, конвертерный цех в составе трех 400 тонных конвертеров может обеспечить годовой объем производства на уровне 10 млн. т.

В числе основных производителей стали в кислородных конвертерах следует назвать КНР, Японию, США, Россию, Южную Корею, Бразилию, Украину, Индию и пр. (табл. 1). Обращает на себя внимание тот факт, что 5 ведущих производителей " конвертерщиков" обеспечивают две трети, а 10 ведущих производителей – четыре пятых ее мирового производства. При этом в 2015 году КНР произвела 45 % всей конвертерной стали в мире. Это свидетельствует о том, что для конвертерного способа производства характерна высокая концентрация в небольшом количестве промышленно развитых стран. Причем, доля полученной по такой технологии стали в общем объеме производства в этих странах колеблется весьма существенно: от 43, 1 % (США) и 56, 4 % (Украина) до 87 % (КНР) и 74 % (Япония).

Таблица 1 - Основные показатели производства конвертерной стали в мире в 2005 и 2015 годах.

Между тем, наблюдаемый в последнее десятилетие рост объемов производства конвертерной стали в мире достигнут, главным образом, за счет КНР, в меньшей степени – России, Украины, Японии и Индии. В то же время, годовые объемы ее производства снизились в США (более чем на 10 млн. т) и странах ЕС 15 (на 5, 5 млн. т). Исходя из того факта, что Япония, Россия и Украина известны как ведущие экспортеры металлопродукции на мировом рынке, ситуация на котором весьма сложная, можно предположить, что серьезного прироста объемов такой продукции в США и Европе не будет. Возможно, что в РФ и Украине определенный приток конвертерной стали реален в случае реструктуризации цехов с мартеновскими печами.

Так, в последние два года наиболее значимым инновационным проектом в Украине является реконструкция сталеплавильного производства Алчевского меткомбината. При этом соответствующей программой предполагалось строительство нового кислородно-конвертерного цеха с массой плавки 300 т (генподрядчик – Siemens VAI). Длительность плавки от выпуска до выпуска – 40 минут. Среднесуточная производительность (с учетом общего количества плавок в год и полного рабочего времени): один конвертер (первая очередь) – 29 плавок; два конвертера (полное развитие) – два конвертера (полное развитие) – 58 плавок. Максимально возможная годовая проектная производительность конвертерного цеха составляет 5, 5 млн. т. Кроме того, в состав конвертерного цеха входят двухпозиционный агрегат печь-ковш, вакууматор камерного типа и две двухручьевые слябовые МНЛЗ номинальной мощностью 2, 5 млн. т в год каждая, запущенные в 2014 и 2015 годах соответственно. В проекте конвертерного цеха предусмотрен участок десульфурации чугуна.

Следовательно, основной прогресс в кислородно-конвертерном процессе будет достигаться в части его технологического совершенствования и автоматизации, которые будут обеспечивать дополнительный энерго- и ресурсосберегающий эффект, большую экологическую безопасность при повышении удельной производительности, а также обеспечивать оптимальные экономические показатели.