Бессемерование

Бессемерование

БЕССЕМЕРОВАНИЕ, процесс продувки расплавленного чугуна воздухом для получения ковкого металла (стали) в жидком состоянии путем выжигания примесей. Нужное количество тепла развивается в самом процессе горением железа и его примесей - кремния, марганца и углерода. Для достижения высокой конечной температуры около 1600°, как показали новейшие наблюдения, главное значение имеет содержание кремния. Количество его может меняться, смотря по той скорости, с которой хотят вести процесс продувки; обычно содержание кремния устанавливается не менее 1,25 и не выше 1,75%. Лишь при плохой организации работы (значительные простои и вызываемое этим излишнее охлаждение огнеупорной массы рабочего пространства, в котором ведется продувка) может потребоваться более высокое содержание кремния. Марганец является желательной примесью железа, и в чугуне для продувки его стараются иметь около 1,5%. Сера и фосфор - вредные элементы, не удаляемые из металла продувкой; содержание их не должно превосходить 0,10% и фактически часто бывает более низким (0,06—0,04% серы и 0,08—0,06% фосфора). Что касается углерода, то содержание его регулируется условиями доменной плавки, изменяясь в довольно тесных пределах, и не может быть устанавливаемо по желанию; оно колеблется в среднем около 3,75%.

В приводимой ниже таблице даются типичные анализы чугунов некоторых заводов.

Типичные анализы чугунов некоторых заводов

Об изменении состава чугуна и получаемого при продувке шлака дает понятие помещаемая ниже таблица с данными, относящимися к типичной американской операции, в которой продувался сплав чугуна с мягким скрапом, чем и объясняется низкое начальное содержание углерода.

Об изменении состава чугуна и получаемого при продувке шлака дает понятие помещаемая ниже таблица с данными, относящимися к типичной американской операции, в которой продувался сплав чугуна с мягким скрапом

Как видно из таблицы, вредные примеси сера и фосфор - не удаляются из металла в шлак в процессе продувки, что служит характерной особенностью бессемерования. Конечный состав металла и шлака был получен введением в конвертер для раскисления и обуглероживания около 11% зеркального чугуна, содержавшего только 15% Mn. В настоящее время употребляют сплав, содержащий 20—22% Mn, к которому еще добавляют ферроманган с 80% Mn, но продувку не ведут почти до полного выгорания углерода, т. к. это дает слишком окисленный благодаря низкой концентрации углерода продукт. Содержание кислорода в продутой стали может доходить (исследование Г. Вейнберга на Дружковском заводе) до 0,35%; после раскисления оно понижается до 0,02—0,03%, что дает «здоровую», т. е. не красноломкую сталь. Выгорание примесей железа во время продувки идет по нижеследующим термохимическим уравнениям:

Выгорание примесей железа во время продувки идет по нижеследующим термохимическим уравнениям

Выгорание примесей железа во время продувки идет по нижеследующим термохимическим уравнениям

Если продуваемый металл не нагрет чрезмерно, то реакции идут по общему закону так, что первыми оказываются реакции, наиболее нагревающие ванну (первые 5 одновременно и отчасти 6-я); они дают в результате шлак (MnSiO3+FeSiO3) и газы (N2 воздуха и отчасти СО2); наоборот, 7-я и 8-я реакции начинаются тогда, когда металл будет разогрет выделенным первыми 6-ю реакциями теплом; 7-я и 8-я реакции дают газ - окись углерода и азот дутья - и уменьшают все шлаки вследствие обратного восстановления железа из шлака. При высокой температуре конца процесса выгорание углерода не согревает или почти не согревает металла (продукты горения углерода - окись углерода и азот - уносят с собой почти столько тепла, сколько его дает процесс горения). Кремний, выгорающий с самого начала продувки, энергично нагревает ванну, т. к. 1% его вызывает повышение температуры металла приблизительно на 200° (если считать, что образующийся кремнезем соединяется с закисью железа, получаемой при одновременном окислении железа). Выгорание углерода, начинающееся после того, как кремний согреет ванну (что требует от 3 до 5 мин.), сопровождается появлением длинного и блестящего пламени окиси углерода. Полное выгорание углерода должно было бы сопровождаться погасанием пламени, но продувку не доводят до этого: ее обыкновенно останавливают, когда пламя только что начинает сокращаться; тем не менее, железо всегда оказывается слегка окисленным, и его приходится затем улучшать прибавкой раскислителей.

Продувка ведется в сосуде, который Бессемер назвал конвертером; он имеет огнеупорные стенки из кремнистой массы (с незначительной добавкой глины), почему конвертер называется кислым и самый процесс продувки - кислым. Впоследствии (с 1879 г., т. е. через 24 года со времени изобретения бессемерования) стали делать продувку в основном конвертере (с огнеупорными стенками из доломита) с добавкой извести. Бессемерования ведется часто с массой металла, не превосходящей 15 тонн (от 10 до 15), так как и при такой вместимости конвертера, хорошей организации производства и оборудовании его достаточной мощности устройствами как для подачи чугуна и уборки стали, так и для дутья (воздуходувная машина) можно достигнуть громадной производительности, работая без перерывов: когда один конвертер наклоняется, другой поднимается, а дутье подается непрерывно, так что каждые 8—10 минут продувается садка в 10—15 тонн (американский метод работы).

Изобретенное в Англии, бессемерование было, прежде всего, практически разработано и с успехом применено в Швеции, где с течением времени выработалось особое видоизменение процесса - шведское бессемерование, вызванное к жизни местными специальными условиями: работой на древесно-угольном малокремнистом чугуне, получавшемся небольшими количествами и в силу этого продувавшемся малыми садками (2—4 тонн) при сравнительно низкой температуре. Это вынуждало вести продувку очень быстро (5—6 мин.). В Англии работали всегда на горячем коксовом чугуне, содержавшем не менее 2%, обыкновенно 2,5%, кремния; чугун брался сначала из плавильных пламенных печей, затем из вагранок и, наконец, от доменных печей непосредственно или через посредство промежуточного сосуда - миксера. Высокое содержание кремния создавало слишком горячий ход, что принуждало часто останавливать продувку и загружать в конвертер холодный металл - концы и обрезки рельсов, бракованные рельсы - для того, чтобы «понизить жар операции». При большом количестве обрезков и незначительной производительности заводов, такая работа считалась выгодной, хотя благодаря ручной работе загрузки длительность простоев была равна и даже превосходила продолжительность работы дутья (20—25 мин. простоев и 15—20 мин. дутья на одну операцию). Но значительное развитие бессемеровского передела и увеличение производительности отдельных заводов до колоссальных размеров, возможных только в США, создали здесь особое видоизменение процесса - американское бессемерование, отличающееся от классического, или английского, применением чугуна с низким содержанием кремния (1,25—1,50% нормально, а в исключительных случаях - 1% и даже меньше), устранением остановок дутья для загрузки холодного металла, окончанием операций в 8—10 мин. и непрерывной работой дутья, т. е. без простоев между отдельными операциями. Такая работа, помимо большой производительности, дает и сбережение металла, т. к. увеличивает выход годных слитков, уменьшая угар. В тех случаях, когда (по отсутствию доменных печей на заводе) чугун переплавлялся в вагранке и имелся дешевый мягкий металл (концы, обрезки и чистый по отношению к фосфору лом), этот материал тоже переплавлялся американцами в смеси с чугуном, что понижало в металле для продувки не только содержание кремния, но и углерода, сокращало длительность продувки и уменьшало угар. В России при работе на малокремнистых древесно-угольных чугунах был разработан новый прием работы - русское бессемерование, характеризующееся перегревом чугуна (в вагранках - на Обуховском заводе, по инициативе Д. К. Чернова, и в газовых пламенных печах - на Нижне-Салдинском заводе, К. Поленовым). Более высокая температура чугуна меняет ход процесса: горение углерода начинается сразу, незначительное количество кремния (0,7—1%), какое в этом случае достаточно для достижения нормального «жара операции», выгорает гл. обр. в конце продувки. Работа с перегретым малокремнистым чугуном идет гораздо удобнее («гладко», т. е. без неполадок), чем с кремнистым, но холодным; металл получается нормальной температуры и желаемого состава. Перегрев чугуна в вагранках одно время применялся в Германии, но так как содержание кремния в продуваемом чугуне (коксовой плавки) было высокое (не менее 2%), то по окончании выгорания углерода (которое и в том случае начиналось одновременно с началом продувки) в стали оставалось довольно значительное количество кремния. Такое ведение процесса, получившее название н емецкого, вскоре было оставлено, т. к. оно не имело смысла: кремнистый чугун не нуждается в перегреве, а перегретый может (и должен) содержать мало кремния.

В настоящее время, когда производство бессемеровской стали сильно сократилось даже в тех странах, где оно получило большое развитие для массового производства рельсов, все более и более развивается т. н. «малое бессемерование» для производства стали на литье. Продувка чугуна в небольших массах (до 3/4 т, но обыкновенно около 11/2—2 т) ведется в конвертерах с верхним или, вернее, боковым дутьем. Выгорание примесей происходит так же, как и в больших конвертерах, но углерод может сгорать (хотя и не полностью) в рабочем пространстве конвертера в углекислоту, выделяя в 31/3 раза больше тепла, чем при горении в окись углерода. Отсюда следует, что температура готовой стали м. б. выше, чем при продувке снизу, когда углерод сгорает только в окись углерода. Действительно, сталь из малых конвертеров с боковым дутьем настолько горяча и жидка, что разливается, не застывая, через малые ковши на самые легковесные изделия. Но окислительная атмосфера в полости конвертера имеет свои неудобства: окисляется больше железа, увеличивается угар и уменьшается выход годного металла. Перерасход чугуна на единицу стали не имеет значения при производстве литья более дорогого, чем слитки для прокатки рельсов. Хотя очень высокая температура стали, получаемой при боковом дутье, не подлежит сомнению, но объяснение этого факта горением углерода в СО2 долгое время оспаривалось даже авторитетными металлургами. В настоящее время мы располагаем большим числом анализов газов, взятых из полости конвертера, и ими вопрос решается категорически. В прилагаемой таблице указано содержание свободного О2, СО2 и СО (объемные %) в газах конвертеров, работающих с боковым дутьем и обыкновенным.

Содержание свободного О2, СО2 и СО (объемные %) в газах конвертеров, работающих с боковым дутьем и обыкновенным

Кроме указанных газов, из горла реторты удаляется небольшое количество водорода (0,5—1%); остаток до 100% составляет азот. Большое количество неиспользованного дутья в газах (судя по содержанию в них О2) указывает на недостаточно высокую начальную температуру чугуна в обеих операциях, к которым относятся анализы. В обыкновенных конвертерах, т. е. с нижним дутьем, угар металла вместе с выбросами его и тем количеством, которое запутывается в шлаке, составляет обыкновенно от 8 до 10% веса взятого чугуна. Смотря по развесу слитков, получается при разливке потеря в скрапе и неполных слитках от 3 до 5%, так что годного металла для прокатки выходит от 87 до 89% (в лучшем случае не более 90%).

На наших южных металлургических заводах в довоенное время достигались в смысле расхода составных частей шихты и выхода стали следующие результаты:

На наших южных металлургических заводах в довоенное время достигались в смысле расхода составных частей шихты и выхода стали следующие результаты

Что касается производительности, то она ни на одном из этих заводов не превосходила 167000 тонн, т. к. заказы на рельсы не обеспечивали непрерывной работы бессемеровских заводов. В США 2 конвертера по 10 тонн дают в год до 600000 тонн бессемеровских слитков.

Изобретение Бессемера открыло собой новую эпоху в железоделательной промышленности, давши средство получать громадное количество стали по дешевой цене; значение его в первые три десятка лет применения было громадно, но с течением времени, по мере развития мартеновского передела рудным процессом, который дает гораздо больший выход годной стали - до 100%, оно постепенно падало и в настоящее время сходит на нет. В Англии, где выплавляется большое количество малофосфористого чугуна (из местных и испанских руд), получается теперь ничтожное количество бессемеровской стали; в США производство бессемеровской стали еще велико по абсолютному количеству, но составляет все же незначительную часть всей изготовляемой стали; во Франции, Бельгии и Германии исключительное развитие получил основной процесс, но для СССР и в настоящее время бессемерование еще имеет большое значение, так как позволяет без дополнительного дорогого и длительного оборудования мартеновскими печами получать на наших старых заводах с бессемеровскими конвертерами нужное количество рельсов для обновления всей железнодорожной сети. На вновь проектируемых заводах, если позволяет содержание фосфора в руде, тоже допускается бессемеровский передел, как требующий меньших капитальных затрат для заданной производительности, меньшего количества строительных материалов для полного оборудования и весьма ограниченного числа квалифицированных рабочих в производстве.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 2 - 1928 г.

Избранное