Металлургические технологии в высокопроизводительном конвертерном цехе

Ю. А. Колесников, Б. А. Буданов, А. М. Столяров  
 
 
 
 
 
 
 
 
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ  
В ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОМ 
КОНВЕРТЕРНОМ ЦЕХЕ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
Под редакцией В. А. Бигеева   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва  Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
1 
 

УДК 669.184 (075) 
ББК 34.327я7 
К60                   
 
 
 
 
Рецензенты: 
 
кафедра металлургии стали и ферросплавов  
ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский  
технологический университет “МИСиС”»; 
заведующий кафедрой профессор, доктор технических наук,  
член-корреспондент РАН К. В. Григорович; 
заместитель начальника научно-технического центра  
ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат»  
кандидат технических наук Б. А. Сарычев 
 
 
 
 
 
Колесников, Ю. А.  
К60 
 
Металлургические технологии в высокопроизводительном 
конвертерном цехе : учебное пособие / Ю. А. Колесников, 
Б. А. Буданов, А. М. Столяров ; под ред. В. А. Бигеева. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. – 380 с.  
 
 
ISBN 978-5-9729-0475-4 
 
Рассмотрены технологии плавки стали в высокопроизводительном кислородно-конвертерном цехе. Представлено основное оборудование и освещены технологии выплавки полупродукта в мощных конвертерах с верхней продувкой кислородом. Раскрыта специфика ковшевой обработки металла на агрегате доводки стали, показана работа 
установок усреднительной и мягкой продувки, агрегата «ковш-печь», 
вакуумных установок порционного и циркуляционного типов. Дана технология непрерывной разливки стали на слябовых МНЛЗ.  
Для студентов металлургических направлений подготовки. 
 
 
УДК 669.184 (075) 
 
ББК 34.327я7 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0475-4 
” Колесников Ю. А., Буданов Б. А., Столяров А. М., 2020 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
.......................................................................................... 8  
 
Краткая история развития металлургических  
технологий производства стали.................................................. 11  
Контрольные вопросы ......................................................... 28 
 
 
РАЗДЕЛ 1 
ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО  
КОНВЕРТЕРНОГО ЦЕХА 
 
Глава 1.1. КОНСТРУКЦИЯ КОНВЕРТЕРА .................................... 29  
1.1.1. Форма рабочего пространства ......................................... 29 
1.1.2. Материалы футеровки ...................................................... 31 
1.1.3. Механизм износа рабочего слоя футеровки 
................... 36 
1.1.4. Неформованные огнеупорные материалы ..................... 40 
1.1.5. Организация работ по изготовлению    
и обслуживанию футеровки 
.............................................. 41 
1.1.6. Обжиг периклазоуглеродистой футеровки  
конвертера ......................................................................... 45 
1.1.7. Горячий ремонт сталевыпускного узла ........................... 46 
1.1.8. Горячие ремонты рабочего слоя 
...................................... 47 
1.1.9. Магнезиальные флюсы 
..................................................... 49 
1.1.10. Корпус конвертера 
........................................................... 51 
1.1.11. Кислородная фурма ........................................................ 57 
1.1.12. Оборудование для транспортирования 
и загрузки сыпучих материалов ....................................... 62 
1.1.13. Системы отвода и очистки  
конвертерных газов 
........................................................... 66 
1.1.14. Вспомогательное оборудование  
конвертерного отделения ................................................. 77 
Контрольные вопросы ................................................................. 83 
Глава 1.2. АГРЕГАТЫ КОВШЕВОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ ......... 85 
1.2.1. Общее устройство агрегатов доводки стали 
и установки усреднительной продувки 
............................ 85 
1.2.2. Устройство двухпозиционного агрегата 
«ковш-печь» № 1 фирмы Fuchs systemtechnik ............... 89 
3 
 

1.2.3. Устройство двухпозиционного агрегата 
«ковш-печь» № 2 фирмы SMS Mevac 
.............................. 91 
1.2.4. Особенности двухпозиционного агрегата  
«ковш-печь» № 2 фирмы SMS Mevac 
.............................. 93  
1.2.5. Устройство двухпозиционной установки 
электродугового нагрева стали (УЭНС) 
фирмы VAI Fuchs 
............................................................... 97 
1.2.6. Устройство и назначение комбинированной 
установки вакуумирования стали .................................... 98  
1.2.7. Устройство и назначение двухпозиционной 
установки вакуумирования стали (УВС) 
........................ 104 
1.2.8. Назначение двухпозиционной установки 
мягкой продувки (УМП) ................................................... 109 
Контрольные вопросы .................................................................... 109 
Глава 1.3. МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ 
ЗАГОТОВОК 
.................................................................................... 111 
1.3.1. Слябовые МНЛЗ криволинейного типа ......................... 111 
1.3.2. Слябовая МНЛЗ криволинейного типа  
c вертикальным участком ............................................... 131 
Контрольные вопросы ............................................................... 138 
Глава 1.4. ВАРИАНТ КОМПОНОВКИ ОСНОВНОГО 
ОБОРУДОВАНИЯ В ККЦ 
............................................................... 139 
Контрольные вопросы ............................................................... 144 
 
РАЗДЕЛ 2 
ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ 
 
 
Глава 2.1. ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ........................................ 145 
Контрольные вопросы ............................................................... 165 
Глава 2.2. КЛАССИЧЕСКИЙ ВАРИАНТ ТЕХНОЛОГИИ ............ 166 
Контрольные вопросы ............................................................... 174 
Глава 2.3. ВЫПЛАВКА СТАЛИ В КОНВЕРТЕРНОМ  
ЦЕХЕ ПАО «ММК» 
.......................................................................... 175 
Контрольные вопросы ............................................................... 190 
Глава 2.4. ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ КОНВЕРТЕРНЫХ  
ПРОЦЕССОВ ВО ВРЕМЯ ПРОДУВКИ 
......................................... 191 
Контрольные вопросы ............................................................... 206 
4 
 

Глава 2.5. ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ 
ПРОЦЕССОВ ПЕРИОДА ПРОДУВКИ .......................................... 207 
Контрольные вопросы ............................................................... 216 
Глава 2.6. ШЛАКОВЫЙ РЕЖИМ КОНВЕРТЕРНОЙ  
ПЛАВКИ СТАЛИ ............................................................................. 217 
Контрольные вопросы ............................................................... 225 
 
 
РАЗДЕЛ 3 
ТЕХНОЛОГИЯ КОВШЕВОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА 
 
Глава 3.1. КОВШЕВАЯ ОБРАБОТКА ЧУГУНА........................... 226 
3.1.1. Способы ковшевой десульфурации чугуна 
................... 226 
3.1.2. Особенности десульфурации чугуна 
в условиях ККЦ ПАО «ММК» .......................................... 234 
Контрольные вопросы ............................................................... 241 
Глава 3.2. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА 
НА АГРЕГАТЕ ДОВОДКИ СТАЛИ (АДС) 
..................................... 242 
3.2.1. Особенности обработки металла на АДС ..................... 242 
3.2.2. Особенности обработки металла 
на установке мягкой продувки (УМП) ............................ 252 
Контрольные вопросы ............................................................... 254 
Глава 3.3. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА  
НА АГРЕГАТЕ «КОВШ-ПЕЧЬ» (АКП) .......................................... 255 
3.3.1. Особенности обработки металла на АКП ..................... 255 
3.3.2. Особенности десульфурации металла на АКП ............ 256 
3.3.3. Особенности глубокой десульфурации  
металла на АКП 
............................................................... 261 
3.3.4. Доводка металла по химическому составу  
и температуре 
.................................................................. 265 
Контрольные вопросы ............................................................... 271 
Глава 3.4 ТЕХНОЛОГИЯ ВАКУУМИРОВАНИЯ СТАЛИ 
............. 272 
3.4.1. Основные закономерности растворения 
водорода и азота в стали ............................................... 272 
3.4.2. Вакуумное обезуглероживание  
и раскисление металла 
................................................... 275 
3.4.3. Особенности технологии вакуумной  
обработки металла 
.......................................................... 278  
5 
 

3.4.4. Особенности проведения вакуумного 
обезуглероживания стали марок 08Ю и IF-006 ............ 280 
3.4.5. Коррекция химического состава металла  
в процессе вакуумирования ........................................... 281 
Контрольные вопросы ............................................................... 283 
 
 
РАЗДЕЛ 4 
ТЕХНОЛОГИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ 
СТАЛИ И КАЧЕСТВО ОТЛИТЫХ СЛЯБОВ 
 
 
Глава 4.1. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ  
В РАЗЛИТОЙ СТАЛИ 
..................................................................... 285 
4.1.1. Затвердевание непрерывнолитого сляба ..................... 285 
4.1.2. Кристаллическая структура слябовой 
заготовки .......................................................................... 288 
4.1.3. Усадочные явления при кристаллизации стали ........... 291 
4.1.4. Ликвация примесей и перераспределение  
неметаллических включений 
.......................................... 292 
Контрольные вопросы ............................................................... 294 
Глава 4.2. ПОДГОТОВКА МНЛЗ К РАЗЛИВКЕ СТАЛИ 
............. 295 
4.2.1. Подготовка и проверка кристаллизатора ...................... 295 
4.2.2. Подготовка зоны вторичного охлаждения 
..................... 296 
4.2.3. Подготовка и ввод затравки 
............................................ 297 
4.2.4. Подготовка промежуточного ковша  
и погружных стаканов 
...................................................... 303 
4.2.5. Операции перед приемом жидкого металла 
................. 305 
4.2.6. Операции после приема жидкого металла ................... 306 
Контрольные вопросы ............................................................... 307 
Глава 4.3. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗЛИВКИ СТАЛИ 
............................ 308 
4.3.1. Технология разливки стали закрытой струей ............... 308 
4.3.2. Особенности технологии разливки стали  
методом «плавка на плавку» 
.......................................... 329 
4.3.3. Мягкое обжатие непрерывнолитого сляба 
.................... 335 
Контрольные вопросы ............................................................... 344 
Глава 4.4. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ 
СЛЯБОВ .......................................................................................... 345 
4.4.1. Поверхностные дефекты ................................................ 345 
6 
 

4.4.2. Внутренние дефекты 
....................................................... 362 
4.4.3. Дефекты формы .............................................................. 371 
Контрольные вопросы ............................................................... 373 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................ 375 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.............................................. 376 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время более 70 % от общего объема мирового производства стали выплавляется в кислородных конвертерах. При этом в сортаменте продукции непрерывно возрастает 
доля высококачественной стали. Высокая производительность 
агрегатов, относительно простая их конструкция, высокий уровень автоматизации процессов, гибкость технологии плавки позволяют в сочетании с ковшевой обработкой и непрерывной разливкой получать сталь требуемого качества и широкого сортамента.  
Прошло более 60 лет с начала промышленного использования кислородно-конвертерного способа производства стали. 
За этот период произошли заметные изменения в конструкции 
агрегатов и технологии выплавки стали. В промышленных масштабах используются различные варианты конвертерных процессов в агрегатах вместимостью до 400 т с удельной интенсивностью продувки от 2 до 5 м3/(тāмин) и более.  
В современных условиях сложилась базовая технология 
кислородно-конвертерного способа производства стали. Она 
включает три составные части: выплавка стали в конвертере из 
предварительно подготовленных шихтовых материалов, основным из которых является жидкий чугун; ковшевая обработка 
жидкого металла газообразными, твердыми материалами и вакуумом; непрерывная разливка на машинах непрерывного литья 
заготовок. При этом выплавка стали в конвертерах сохранила 
свою основу – окислительное рафинирование железоуглеродистого расплава технически чистым кислородом. Во время продувки в конвертерной ванне активно взаимодействуют кислородное дутье, находящиеся там металлические шихтовые материалы, футеровка и дополнительные реагенты в виде кусковых, 
порошковых, газообразных, а иногда и жидких материалов.  
В промышленных масштабах освоены различные варианты подачи кислородного дутья в конвертерную ванну: сверху, снизу, 
сбоку, комбинированно в различных сочетаниях с другими реагентами. 
Накопленный опыт мировых производителей конвертер- 
ной стали позволяет уточнять и развивать знания о механизме 
процессов окислительного рафинирования. Задачей первой части базовой технологии производства стали (выплавки стали в 
конвертере) остается получение жидкого расплава с заданной 
8 
 

температурой и массой, необходимым уровнем концентраций 
фосфора и углерода при минимальных затратах материальных 
и энергетических ресурсов. Последующие стадии производства 
позволяют существенно изменять качество стальных заготовок  
и конечных полуфабрикатов (листового и сортового проката). 
Сущность технологии разнообразных вариантов конвертерных процессов примерно одинакова: в конвертере проводят 
окислительное рафинирование (удаление избытка углерода, 
фосфора и других химических элементов) металлошихты, состоящей из жидкого чугуна (более 70 %), металлического лома, 
скрапа и металлизованного сырья, используя в качестве основного реагента технически чистый кислород. Нагрев металла 
производится, как правило, без подвода тепла из внешних источников за счет физического тепла жидкого чугуна и тепла экзотермических химических реакций. Состав и количество образующегося шлака регулируют различными твердыми материалами, главным из которых является известь. Раскисление, легирование, десульфурацию, дегазацию, очистку металла от неметаллических включений проводят внеагрегатной обработкой металла в сталеразливочном ковше.  
Технология выплавки стали в конвертере определяется 
конкретными условиями ее реализации: конструкция агрегата, 
состав и свойства металлошихты, способ продувки, сортамент 
продукции и др.  
Сочетание конвертеров с установками непрерывной разливки стали существенно повысили выход годного металла и 
производительность труда, снизили расход энергоресурсов. 
Внедрение системы отвода конвертерных газов без дожигания 
снизило капиталовложения в строительство цеха, сняло ограничения относительно вместимости конвертеров и интенсивности 
продувки, дало возможность использовать энергию конвертерных газов. В конвертерах успешно перерабатывают низкомарганцовистые, фосфористые и природнолегированные чугуны.  
Развитию техники и технологии конвертерного производства стали на каждом этапе развития способствовали успехи 
фундаментальных научных исследований и экспериментов в 
области физики, химии, математики, информационных техно- 
логий. В развитие металлургии внесли огромный вклад выдающиеся ученые: М. В. Ломоносов, П. П. Аносов, Д. К. Чернов,  
А. А. Байков, В. Е. Грум-Гржимайло, А. М. Самарин, В. И. Явойский, О. А. Есин, Д. Чипман, В. И. Баптизманский, В. А. Кудрин, 
9 
 

Л. А. Смирнов, Д. Я. Поволоцкий, Г. Н. Еланский, В. Е. Рощин,  
А. Ф. Вишкарев, А. М. Бигеев и многие другие. 
В данном учебном пособии рассмотрены основные металлургические технологии производства стали (выплавка, ковшевая обработка, непрерывная разливка) и технические средства 
для их реализации в  высокопроизводительных конвертерных 
цехах аналогичных по объему производства и сортаменту продукции кислородно-конвертерному цеху (ККЦ) ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Теоретические вопросы 
изложены кратко на основе современных представлений о 
структуре и свойствах веществ в широком диапазоне температур и особенностях пирометаллургических процессов экстракции 
металлов из исходного сырья.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10