Бессемеровский процесс производства стали

Изобретение бессемеровского способа получения стали

Грандиозное железнодорожное строительство, рост военной промышленности, завершение перехода морского транспорта от деревянных парусных судов к железным и стальным паровым судам, развитие машиностроения — все это требовало, с одной стороны, увеличения количества металла, с другой — улучшения его качества.

Требования, предъявляемые к металлургии тяжелой промышленностью, не могли быть удовлетворены существующими в 60-х годах XIX в. методами получения железа и стали, т. е. кричным переделом чугуна и пудлингованием, так как последние обладали рядом существенных недостатков. Пудлингование было медленным и трудоемким, а следовательно, и дорогим способом передела чугуна в железо. Тигельный способ получения стали также был весьма дорог и, главное, ограничен по своим масштабам.

Задача массового получения стали была разрешена английским изобретателем Генри Бессемером (1813-1898). В 1854 г. Бессемер началработать 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 (Схема конвертера Бессемера).

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.

Практически бессемерование протекает следующим образом. Чугун в том виде, как он выходит из доменной печи, заливается в конвертер (Конвертер — это резервуар (похожий на грушу) 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 в вертикальное положение).

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 строго 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 мин. Для того чтобы получить такое же количество стали, раньше требовалось несколько дней работы пудлинговой печи или две недели работы старого кричного горна.

Конвертер бессемера

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.

Бессемер потратил много упорного труда, внедряя свое изобретение в металлургическое производство. В 1858 г. он построил завод в Шеффильде — центре металлургического производства Англии — со специальной целью распространить новый способ получения стали среди шеффильдских фабрикантов.Всемирная выставка в Лондоне в 1862 г. принесла Бессемеру полный успех. Перед посетителями было продемонстрировано большое разнообразие изготовляемых из бессемеровского металла предметов, а также высокие свойства нового металла.

К середине 90-х годов XIX в. бессемеровский процесс прочно вошел в металлургию. В процессе эксплуатации бессемеровские конвертеры были значительно усовершенствованы. На крупных металлургических заводах производительность конвертеров с 1870 по 1903 г. увеличилась в 62,5 раза.

В России первые заводские опыты получения стали новым способом были произведены еще в 1856-1857 гг. Однако внедрение бессемеровского процесса в промышленных масштабах началось лишь с 1872 г. на Обуховском заводе и с 1875 г. на Нижне-Салдинском заводе. Здесь под руководством инженера-металлурга К. П. Поленова был создан новый, так называемый «русский» вариант бессемерования. Сущность русского процесса бессемерования состояла в том, что в конвертер поступал уже сильно перегретый в отражательной печи чугун, и поэтому первый период английского процесса бессемерования — горение кремния и получение шлака — здесь или отсутствовал или был крайне ограничен. Нагрев чугуна до высокой температуры заменял первый период процесса и поэтому вел к ликвидации необходимости в искусственном увеличении содержания кремния в чугуне.

Этим и объясняется большое распространение русского варианта бессемерования при переделе уральских древесноугольных малокремнистых чугунов.

Вообще в разных странах и даже в одной и той же стране бессемеровский процесс осуществлялся по разным схемам. Кроме русского способа бессемерования известны английский, шведский, немецкий и другие способы. Та или иная схема бессемеровского процесса применялась в зависимости от качества руд, использовавшихся для выплавки чугуна.

При перепечатке материалов нашего марочника сталей и сплавов указывайте ссылку, пожалуйста.
Получить код нашей ссылки

Бессемеровский процесс производства стали

Сталь является распространенным материалом, который обладает высокими эксплуатационными характеристиками. Он встречается в самых различных отраслях промышленности, применяется при изготовлении изделий, предназначенного для быта или других целей существует просто огромное количество различных методов производства стали, каждый обладает своими определенными особенностями.

Бессемеровский процесс производства стали – новая эра в металлургии, которая позволила получить более качественные металлы с высокими эксплуатационными качествами. Рассмотрим особенности бессемеровского процесса производства стали подробнее.

История изобретения

При развитии машиностроительной, судостроительной промышленности и распространении железной дороги появилась необходимость в появлении более качественной стали. Для этого ранее применяемые технологии изготовления не подходили.

Год изобретения бессемеровского процесса производства стали принято считать 1856. Именно тогда рассматриваемая технология была запатентована автором. Подобное изобретение позволило существенно ускорить развитие машиностроительной промышленности и распространить железную дорогу для транспортировки различных вещей.

Выплавка стали в конверторах

К особенностям изобретения бессемеровского процесса изготовления стали отнесем нижеприведенные моменты:

1. Ранее применяемые методы производства обладали относительно невысоким показателем производительности. Поэтому на заводах не было достаточного количества металла. Тигельный метод был достаточно дорог, а главное, органичен по объему выпуска
2. Бессемер начал работать над улучшением качества получаемого чугуна, которое применялось для изготовления дальнобойного орудия. Получаемые механизмы для дальних выстрелов должны выдерживать длительную эксплуатации.
3. На протяжении длительного периода он разработал довольно большое количество различных технологий, которые позволили повысить качество чугуна и упростить процесс производства металла.
4. До появления бессемеровского процесса производства меиалла в промышленности практически не было плавленой стали, так как разогреть шихту до температуры более 1 500 градусов Цельсия пока не могли.
5. Продувка полученного сплава проводилась атмосферным воздухом. При этом подача воздуха проходит не на протяжении всего периода производства стали.
6. Основной недостаток этой технологии заключается в получении низкокачественного металла. Это связано с тем, что из состава не выводятся достаточное количество серы и фосфора.
7. Достаточно высокая стоимость получаемого металла также является причиной, по которой бессемеровский процесс производства за достаточно длительный период существования практически не изменилась.

Получение стали в конверторе Бессемера

Разработанная технология основана на применении специального конвертора, при помощи которого происходит продувка сырья.

Бессемеровский конвертер

Распространение этой технологии в 20 веке было очень обширным. Она применялась в странах Америки и Европы. Объем выплавки на тот момент составлял примерно 12,5 миллионов тонн стали. Разработанная технология была настолько удачной, что ее на протяжении многих лет оставляли практически неизменной.

Конструкция конвертера бессемера обладает весьма большим количеством особенностей:

1. Устройство представлено корпусом и днищем, а также воздушной коробкой.
2. Корпус устанавливается на металлический пояс, который перераспределяет нагрузку.
3. Днище имеет сопла, через которые может подаваться воздух для обеспечения протекания процесса окисления.

Устанавливаемое оборудование имеет большие размеры и массу, что существенно усложняет установку и фиксацию. Для конвертора требуется надежный фундамент, который сможет выдерживать давление от устройства и шихты в нем. Кроме этого, возникает довольно много трудностей с нагревом среды до температуры выше 1500 градусов Цельсия.

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:

1. 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.
2. Следующий этап заключается в пуске дутья и переворачивании конвертора в вертикальное положение.
3. 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.
4. После достаточно длительного периода продувки конвертор снова переворачивается в горизонтальное положение, прекращается продувка расплавленного металла.
5. 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:

1. 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.
2. 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.
3. Добиться высокого качества стали можно различными методами бессемерования. Все зависит от особенностей состава применяемого лома, концентрации крема в составе.
4. Для того чтобы исключить вероятность возникновения процесса передувки металла активная подача воздуха прекращается уже на втором этапе.
5. 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.

Бессемеровский процесс производства стали

Новая эра в металлургии

С развитием машиностроения, железнодорожного и водного вида транспорта стала особенно актуальной разработка новых способов изготовления стали, которые бы заменили старые – кричный, пудлинговый, тигельный.

И такие способы были найдены, и получили название конвертерные. Суть этих процессов состояла в том, что при производстве жидкой стали чугун продували окислительными газами.

Речь пойдет о таком конвертерном процессе, который получил название бессемеровский, в честь автора, изобретателя Генри Бессемера, запатентовавшего в 1856 г. способ, при котором для получения жидкой стали осуществляют продувку чугуна через дно сосуда паром, сжатым воздухом, или смесями из них.

Рис. 1 Сэр Генри Бессемер

Осуществление процесса в стационарном аппарате не давало возможности отключать дутье в процессе плавки и заливки чугуна, поэтому в 60-х гг. 19 в. Бессемером было предложено использование поворачивающегося конвертера, который устранял недостатки данного агрегата.

Конвертер – это сосуд грушевидной формы, с футеровкой динасовым кирпичом, через дно которого расплавленный чугун продувается воздухом, и происходит превращение чугуна в жидкую сталь.

Данный процесс быстро обрел популярность в странах Европы и Америки. В начале 20 века объем выплавки стали таким способом достиг 12,5 млн.т.
Разработанная Бессемером конструкция конвертера показала себя настолько удачно и технологично, что за свою более чем столетнюю историю не претерпела при донном дутье никаких существенных изменений.

Бессемеровский конвертер изображен на рисунке 2.

Рис.2 Бессемеровский конвертер

Конструкция данного конвертера включает в себя корпус (3) (в виде футерованного динасовым кирпичом стального кожуха), днища (2) и воздушной коробки (1). Опирается корпус на металлический пояс (5) – опорное кольцо с двумя цапфами. Цапфы опираются на подшипники, установленные на двух колоннах, располагающихся на фундаментах. В футерованном динасом днище имеются сопла для поступления воздуха из воздушной коробки.

При пребывании конвертера в вертикальном положении воздух через сопла попадает в обрабатываемый чугун. Избыточное (примерно 0,2 МПа) давление сжатого воздуха гораздо больше, чем давление столба жидкого металла, это защищает от заливания им сопел. Особенности формы верхней части корпуса конвертера позволяют увеличивать вместительность ванны, заливать в него чугун и осуществлять дутье в горизонтальном положении.

С помощью горловины (4) заливается чугун, иногда загружается стальной лом или железная руда для охлаждения металла, выливается в конце процесса плавки сталь и шлак, отводя конвертерные газы при продувке.

Подача воздуха начинается после заливки чугуна в момент, когда конвертер поворачивают из горизонтального в вертикальное положение, и прекращается в конце плавки после т.н. повалки (возвращения в горизонтальное положение) конвертера, когда уровень металла становится ниже уровня ближайших к “спине” (в верхней части корпуса конвертера) сопел.

Оптимальный показатель давления дутья равен 0,2 – 0,25 МПа, интенсивность продувки металла воздухом 15-25 м³.
Чугун является исходным материалом, используемым во время бессемеровского процесса. Количество фосфора и серы в чугуне должно быть ограниченным, поскольку из-за того, что футеровка конвертера кислая (динасовая), то и шлак получается кислым, а это лишает возможности выведения фосфора и серы из металла в шлак.

Что касается кремния и марганца, то их оптимальная концентрация в чугуне зависит от теплового баланса плавки и условий службы футеровки. Играет роль не только содержание кремния и марганца, но и отношение этих значений друг к другу – если оно ниже оптимального значения 1,8-2, то полученные марганцовистые шлаки разрушают огнеупоры, а если гораздо выше, то происходит повышение вязкости кремнеземистых шлаков, что приводит к зарастанию футеровки.

В качестве шихтовых материалов пользуются охладителями металла, например стальным ломом, железной рудой, прокатной окалиной, раскислителями и легирующими ферропластами. Серу, фосфор, ржавчину, землю и цветные металлы в стальном ломе стараются сводить до минимума. Оптимальнее всего использовать мелкий лом, который полностью расплавляется до конца продувки. Что касается железной руды как шихтового материала, то она должна быть кусковой и содержать минимум влаги.
Чугун, нагретый до 1250 – 1350 Сº , превращается в жидкую сталь, нагретую уже до 1590-1650 Сº за счет окисления примесей чугуна кислородом поступающего снизу воздуха и выделяемого при этом тепла.

Процесс плавки состоит из таких этапов:

• Заливка чугуна через горловину (при этом важно следить, что конвертер находился в горизонтальном положении и сопла не заливались металлом);
• Пуск дутья и одновременное переведение конвертера в вертикальное положение;
• Продувка металла воздухом (шлакообразование, обезуглероживание, передувка);
• Прекращение дутья и возвращение конвертера в горизонтальное положение (повалка конвертера);
• Слив металла в ковш и его раскисление (или в конвертере, или в ковше).

Изменения, происходящие с составом металла, шлака, отходящих газов и температуры во время нормальной бессемеровской плавки, проводящейся без присадок материалов, регулирующих нагрев ванны, изображены на рис.3.

В первой периоде продувки активно окисляются кремний и марганец и медленно (или почти не окисляется) углерод. Это происходит потому, что под воздействием низких температур и при соответствующих процентных содержаниях элементов в металле максимальная работа реакции окисления углерода гораздо меньше, чем реакций окисления кремния и марганца. На окисление примесей металлов оказывают влияние не только термодинамические факторы, но и факторы переноса массы кислорода к местам протекания реакции.

Первый период – это период шлакообразования, в течение которого формируется кислый шлак с высоким содержанием кремнезема. Временной интервал данного периода растет с повышением кремния и с уменьшением исходной температуры чугуна и длится от 2 до 5 мин.
Во время второго периода создаются благоприятные термодинамические и кинетические условия для окисления углерода. За пределами горловины догорают CO и CO2 и из горловины вырывается ослепительно яркое пламя, с температурой выше 2000 Сº. В конце периода нагрев металла составляет примерно 1600 Сº. Длительность периода определяется интенсивностью продувки и равна 8-13 мин.

Повышение температуры металла во втором периоде происходит не так быстро, как в первом, поскольку при продувке воздухом количество тепла реакции окисления углерода, нагревающего металл, меньше тепла реакции окисления кремния (в расчете на единицу массы окисленного элемента). Чтобы не допустить передувки металла, процесс продувки заканчивают во второй периоде. Передувку стараются не допускать, потому что тогда ухудшается качество металла, повышается концентрация O и N, угар раскислителей, и концентрация неметаллических включений в стали, а также получают меньше выход годного из-за дополнительного угара железа.

Во время третьего периода происходит активное окисление железа и выделение бурого дыма. Начинается этот период, когда углерода меньше 0,1%. В течение этого периода активно растут (FeO), температура металла и концентрация азота в газах и металле, а также повышается окисленность стали.
Могут применяться различные способы бессемерования, в зависимости от футеровки, содержания кремния в обрабатываемом чугуне и нагрева чугуна. Необходимую производительность конвертера и качество стали можно достигнуть путем комбинации большого нагрева чугуна (примерно 1450ºС) и низкого содержания в нем кремния (около 0,7%). Такой вариант лежит в основе трудов ученых Д.К.Чернова и К.П. Поленова.

В крупных бессемеровских цехах обычно устанавливали три конвертера садкой 25-35 т. Производительность цеха, имеющего три таких конвертера, достигала 0,7-0,8 млн.тонн или 1,5-1,6 млн.тонн (в зависимости от садки конвертера) в год, производительность труда рабочего 1200-1800 тонн в год. И хоть данная производительность и выше, чем у мартеновских печей, их все равно стали заменять на мартеновские, по таким причинам, как: малый расход стальных ломов и железной руды, приводящий к повышению себестоимости стали; низкое качество стали из-за повышенного содержания в ней азота, фосфора и серы; узкий диапазон подлежащих к обработке видов чугуна – только с достаточно большой концентрацией кремния в составе и маленькой – фосфора и серы.

Александр Рыбаков
Источники использованные при написании статьи:

В.И.Баптизманский, М.Я.Меджибожский, В.Б. Охотский “Конвертерные процессы производства стали”

Бессемеровский процесс производства стали

Из всех перечисленных способов получения литой стали первым по времени возникновения является .

Этот процесс состоит в том, что через расплавленный чугун продувается воздух с целью выжигания избыточного углерода и других примесей.

В результате получается сталь в расплавленном состоянии, называемая литой сталью.
При плавке этим способом применяется бессемеровский конвертор (рис. 2).

Конвертор представляет грушевидный поворачивающийся сосуд, склепанный из листового железа. Внутренняя футеровка 4 делается из кремнекислых материалов (кварц с глиной — кислая футеровка). Конвертор опирается на две цапфы 2 и может поворачиваться вокруг их оси, принимая разные положения, нужные в процессе работы. Одна из цапф сделана полой, соединена трубой с воздушной коробкой 6, расположенной под дном конвертора и служащей для подвода отверстий 5 сопла, через которые воздух из воздушной коробки продувается под давлением сквозь слой металла, залитого в конвертор. Вторая цапфа служит для поворачивания конвертора и снабжена зубчатым колесом 9, сцепленным с зубчатой
рейкой, которая приводится в движение поршнем воздушного или гидравлического цилиндра.
Расплавленный чугун из доменных печей сливают в миксер (большой ковш), откуда он подается через разливочные ковши и заливается в конвертор, в который впускается воздух под давлением около 2 атм, и конвертор медленно поворачивают в вертикальное положение. Под действием кислорода воздуха окисляется содержащийся в чугуне кремний, а затем марганец, которые переходят в шлак. После этого выгорает углерод, образуя окись углерода, которая, выходя из горловины конвертора и попадая в наружный воздух, горит белым длинным пламенем, образуя факел длиною до 10 м. Наконец пламя спадает и это служит признаком сгорания почти всего углерода, заключающегося в чугуне. Одновременно появляется бурый дым, который дает возможность судить об усиленном сгорании (окислении) железа и об окончании процесса. В результате выгорания примесей, главным образом кремния, температура металла в конверторе сильно повышается (каждый процент содержания кремния при сгорании повышает температуру конвертора на 300°, марганца — на 60°, углерода — на 40°).

Полученный в результате бессемеровского процесса металл почти не содержит углерода, что делает его крайне мягким. Для того чтобы получить металл надлежащего качества, необходимо повысить содержание углерода. С этой целью конвертор приводят опять в горизонтальное положение и загружают в него богатый углеродом зеркальный чугун или ферромарганец. В последнем случае марганец играет роль раскислителя, т. е. кислород воздуха, находящийся в металле, соединяется с марганцем и превращает его в шлак.
О ходе бессемеровского процесса судят по виду спектра пламени, который наблюдают при помощи спектроскопа.

По окончании плавки металл из конвертора выливают в ковш и разливают по чугунным формам — изложницам. Полученные слитки (болванки) подвергают ковке или прокатке для получения профильного материала: листов, полос и т. д.

Вместимость конвертора —15—30 т чугуна; при 40— 50 плавках в сутки производительность составляет 600— 1500 т. Длительность получения из чугуна стали в бессемеровском конверторе составляет 15—20 мин. Для загрузки чугуна и выгрузки стали конвертор может наклоняться, вращаясь на цапфах, как это схематически указано на рисунке 3.

Для бессемеровского процесса годится чугун только определенного состава. Он должен быть сильнокремнистым (кремния 1,5—2 и даже 3%), с минимальным содержанием фосфора (не более 0,05%), так как последний целиком переходит в сталь, придавая металлу хрупкость — хладноломкость.

Воздух, проходя через расплавленный металл, частично окисляет железо, тем самым ухудшая качество приготовляемой стали.

Угар металла при плавке в конверторе составляет 10 — 15%.