Конвертерное производство стали

Задача массового получения стали была решена английским изобретателем Генри Бессемером (1813-1898). В 1854 г. Бессемер начал работать над улучшением качества чугуна, шедшего на изготовление дальнобойных орудий, которые должны были выдерживать большое количество выстрелов. В 1856 г. он получил свой первый патент на усовершенствованный метод передела чугуна. За этим изобретением последовал ряд других изобретений, и в результате Бессемер создал новый способ передела чугуна в ковкое железо и сталь.

Бессемерование чугуна - это процесс передела жидкого чугуна в литую сталь путем продувки сквозь него сжатого воздуха. Продувка производится в специальном резервуаре – конвертере.

Превращение чугуна в сталь в конвертере происходит благодаря окислению углерода и примесей (кремния, марганца), содержащихся в чугуне, кислородом воздуха. Процесс бессемерования происходит без подвода тепла извне и без применения какого-либо горючего материала: тепло, необходимое для процесса, образуется благодаря окислению железа и его примесей.

Бессемерование протекает следующим образом. Жидкий чугун заливается в конвертер - это грушевидный резервуар с отверстиями на дне для подвода воздуха. Он укреплен на двух подвижных опорах, по одной с каждой стороны и поэтому его можно переводить из горизонтального положения в вертикальное.

Наполнив конвертер, его поворачивают в вертикальное положение и через отверстия в дне начинают вдувать воздух, который пузырьками проходит через расплавленный металл. Кислород воздуха при этом приходит в соприкосновение с каждой частицей чугуна и в результате соединяется с углеродом, находящимся в чугуне, совершенно так же, как углерод угля, сгорая, соединяется с кислородом воздуха. Когда процесс закончен, конвертер переводят опять в горизонтальное положение и прекращают вдувание воздуха. После окончания процесса в конвертере образуется железо, в которое затем добавляют определенную дозу примеси, содержащей углерод, поддерживающий дальнейший процесс окисления железа. В результате в конвертере образуется сталь, содержащая требуемый процент углерода.

Процесс бессемеровання протекает чрезвычайно быстро, продолжительность его не превышает 15 минут. Количество перерабатываемого чугуна и пропускная способность конвертера весьма велики: в конвертере 10-15 т чугуна превращается в железо или сталь в течение 10-15 мин. Для того чтобы получить такое же количество стали, раньше требовалось несколько дней работы пудлинговой печи или две недели работы старого кричного горна.

Несмотря на преимущества бессемеровского процесса по сравнению с пудлингованием, бессемерование стало внедряться в металлургическое производство лишь с 70-х годов XIX в., т.е. спустя 20 лет после изобретения. Это объяснялось рядом причин:

-во-первых, в 50-х годах потребности тяжелой промышленности в металле были ограничены;

-во-вторых, капиталисты, вложившие большие средства в пудлинговые установки, боролись против введения нового способа получения стали;

в-третьих, само бессемерование еще не было настолько усовершенствовано, чтобы занять доминирующее положение в металлургии;

-футеровка конвертера была кислой (оксид SiО₂), поэтому невозможно было удалять фосфор и серу.

Кроме того, этим способом можно переделы­вать в сталь только отдельные (малофосфористые) сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском про­цессе окисляется и теряется (велик «угар» железа).

а) бессемеровский процесс; б) томасовский процесс

Рисунок 3 – Получение стали продувкой жидкого чугуна воздухом

Англия благодаря изобретением Бессемера и Сименса упрочила свое положение ведущей промышленности державы. В 1870 году производство стали в Англии превысило 5 млн. тонн и продолжало быстро расти.

Бессемеровскую сталь можно получать только из низкофосфористого чугуна. Если же в чугуне много фосфора, то продукт получается хуже, чем ковкое железо, - он оказывается пористым «красноломким» и «хладноломким» (т.е. хрупким в горячем и в холодном состояниях).

Поэтому бессемеровский процесс распространялся весьма медленно - сначала он был принят в Швеции, затем - в Австрии и только позднее в Англии. Широкому его распространению препятствовало то, что он нуждался в низкофосфористом чугуне. В результате главной проблемой стала очистка чугуна от фосфора.

Среди многих металлургов, которые пытались решить эту проблему, первым достиг успеха Сидней Джилкрист Томас (1850-1885). В основе обоих процессов лежит один и тот же принцип: чугун, из которого получают сталь, очищают, продувая через него воздух.

Сосуд, где протекает реакция, - конвертер - имеет грушевидную форму с открытой горловиной вверху; он укреплен на горизонтальной оси, что позволяет его наклонять. Конвертеры Бессемера и Томаса по внешнему виду одинаковы. Главное различие заключается в том, что бессемеровский конвертер изнутри выложен - кислой (т.е. кислотной по своему химическому характеру) огнеупорной футеровкой и в нем нельзя удалить фосфор из богатого им чугуна в основной шлак (т.е. по своим химическим свойствам подобный основаниям), потому что такой шлак быстро разъедает кислую футеровку.

Томасовский же конвертер имеет основную футеровку, поэтому здесь, добавляя известь, можно получить основной шлак, который хорошо извлекает фосфор из чугуна, а затем и серу, не разрушая основную футеровку.

Так металлурги получили в свое распоряжение два высокопроизводительных процесса, что позволило удовлетворять непрерывно возрастающий в промышленных странах спрос на сталь. Бессемеровский и томасовский конвертеры были необходимы для массового производства стали общего назначения, тогда как высококачественные специальные стали продолжали выплавлять в тиглях.

В первой половине XX века именно мартеновский процесс занял господствующее положение в мировом производстве стали, практически полностью вытеснив бессемеровские и томасовские конвертеры. Конвертерное производство могло бы уйти в историю, если бы не кислородное дутье. Мысль о том, чтобы убрать из воздуха азот, не участвующий в процессе, и продувать чугун одним кислородом, приходила в голову многим металлургам прошлого. Но дешевых способов промышленного получения чистого кислорода тогда еще не придумали. Только в 1930-х годах, когда эта проблема была решена, металлурги смогли использовать кислород в сталеплавильном производстве.