Теория и технология выплавки стали в конвертерах. Курс лекций

 
А. Т. Степанов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ 
ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КОНВЕРТЕРАХ 
 
КУРС ЛЕКЦИЙ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

УДК 669 
ББК 34.327 
С79 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
канд. техн. наук, доцент (ЧГУ) Д. И. Габелая; 
канд. техн. наук, доцент (ЧГУ) М. А. Мащенко  
 
Н а у ч н ы й  р е д а к т о р:  
канд. техн. наук, доцент (ЧГУ) Г. С. Козлов  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Степанов, А. Т.  
С79  
  Теория и технология выплавки стали в конвертерах. Курс лекций : 
учебное пособие / А. Т. Степанов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. - 156 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1775-4 
 
Рассмотрены вопросы истории развития конвертерного производства стали, 
устройство кислородного конвертера, аэродинамика кислородной струи, гидродинамика ванны при продувке сверху; механизм окислительных реакций и лимитирующие 
стадии окислительных процессов при продувке ванны кислородом, роль перемешивания ванны в обменных и окислительных процессах, закономерности шлакообразования 
в кислородных конвертерах и др.  
Для студентов, обучающихся по направлению «Металлургия».  
 
УДК 669 
ББК 34.327 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1775-4 
” Степанов А. Т., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 
 

 
 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие  ..................................................................................................... 5 
 
РАЗДЕЛ I  
Лекция 1. Хронология развития конвертерного производства стали ........... 6 
1.1 Первые конвертерные процессы производства стали 
.............................. 6 
Лекция 2. Основные технологические особенности кислородно- 
конвертерного процесса. Состояние и перспективы развития 
.................... 11 
Лекция 3. Устройство конвертера 
.................................................................. 18 
3.1 Основные размеры рабочего пространства конвертера 
......................... 18 
3.2 Корпус конвертера .................................................................................... 21 
3.3 Опорное кольцо ......................................................................................... 24 
3.4 Опорные узлы конвертера ........................................................................ 28 
3.5 Механизм поворота конвертера 
............................................................... 30 
Лекция 4. Огнеупорные материалы и футеровка конвертера 
...................... 32 
4.1 Огнеупорные материалы для футеровки кислородного  
конвертера 
........................................................................................................ 34 
Лекция 5. Продувочные устройства и аэродинамика  
кислородной струи .......................................................................................... 37 
5.1 Конструкция кислородных фурм 
............................................................. 37 
5.2 Истечение струй кислорода из сопла ...................................................... 40 
5.3 Аэродинамика кислородной струи .......................................................... 46 
Лекция 6. Гидродинамика ванны при продувке сверху ............................... 50 
6.1 Механизм взаимодействия газовой струи с ванной ............................... 50 
6.2 Взаимодействие струи с металлом в реакционной зоне ........................ 54 
6.3 Оценка глубины проникновения струи в ванну ..................................... 57 
Лекция 7. Особенности теплового баланса кислородно-конвертерной 
плавки 
............................................................................................................... 61 
Лекция 8. Температурное поле и изменение температуры ванны  
при продувке кислородом .............................................................................. 68 
Лекция 9. Пыле- и дымовыделение из конвертера ....................................... 77 
Список литературы по разделу I 
.................................................................... 86 
 
 
3 
 

 
РАЗДЕЛ II 
Лекция 1. Механизм окислительных процессов  
при продувке ванны кислородом. Состояние вопроса ................................ 87 
Лекция 2. Лимитирующие стадии окислительных процессов.  
Современные представления о механизме окислительных процессов ...... 95 
Лекция 3. Окисление углерода - главный окислительный процесс  
сталеварения .................................................................................................... 99 
Лекция 4. Окисленность шлака и факторы, ее определяющие. ................ 104 
Лекция 5. Роль перемешивания ванны в обменных  
и окислительных процессах. Особенности перемешивания конвертерной 
ванны при продувке сверху 
.......................................................................... 110 
Лекция 6. Мощность перемешивания конвертерной ванны 
...................... 114 
Лекция 7. Массообменные процессы в конвертерной ванне  
при всплывании пузырей 
.............................................................................. 120 
Лекция 8. Выбросы, выносы и борьба с ними ............................................ 127 
Лекция 9. Закономерности шлакообразования в кислородных  
конвертерах. Механизм и закономерности образования шлака  
и растворения извести. Пути улучшения шлакообразования ................... 134 
Лекция 10. Термодинамика и кинетика реакций в кислородном  
конвертере. Общие основы кинетики окисления примесей.  
Окисление кремния и марганца. Окисление фосфора ............................... 142 
Лекция 11. Удаление серы ............................................................................ 151 
Список литературы по разделу II ................................................................ 153 
 
 
4 
 

 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ
 
Начиная с 50-х годов ХХ века кислородно-конвертерный процесс получил бурное развитие и в настоящее время стал ведущим способом производства стали в мире. Первые кислородно-конвертерные цеха были введены в эксплуатацию в 1952-1953 гг. в Линце и Донавице (Австрия). В 
СССР первый кислородно-конвертерный цех начал работу в 1956 г. на заводе им. Петровского (г. Днепропетровск).  
Сущность кислородно-конвертерного процесса заключается в сверхбыстром проведении реакций окисления примесей чугуна за счет продувки его чистым кислородом. Выделяемого при этом процессе тепла хватает 
для нагрева металла до 1700-1720 qС и для расплавления до 30  лома, 
выполняющего роль охладителя.  
Курс лекций по дисциплине «Теория и технология выплавки стали в 
конвертерах» посвящен устройству кислородного конвертера и закономерностям продувки расплава кислородом сверху. В учебном пособии 
изучаются вопросы взаимодействия струй кислорода с металлом, влияния 
параметров продувки на мощность перемешивания ванны и на шлакообразование. Подробно разбирается процесс гидродинамики ванны. На основе классических экспериментов объясняется влияние гидродинамики на 
перемешивание металла и все остальные процессы конвертерной плавки. 
Рассматриваются проблемы дымо- и брызгообразования при продувке.  
На основе теоретического материала в лекциях предлагаются и обосновываются практические рекомендации по ведению конвертерной плавки, разбираются конкретные практические ситуации на примере отдельных плавок.  
При написании курса лекций были использованы учебники и моно- 
графии таких отечественных ученых-металлургов, как В. И. Явойский,  
В. И. Баптизманский, С. И.  Филиппов, С. И. Поппель и др.  
5 
 

 
 
РАЗДЕЛ I 
 
 
Лекция 1 
Хронология развития конвертерного производства стали
 
В металлургии железа известно всего несколько основных ви- 
дов сталеплавильных агрегатов: бессемеровский конвертер, томасов- 
ский конвертер, мартеновская печь, кислородный конвертер, электро- 
дуговая печь. Первые агрегаты - конвертеры появились еще в середи- 
не XIX века. Для каждого из агрегатов разработаны технологии вып- 
лавки стали, которые существенно отличаются друг от друга в силу значительных различий в конструкции агрегатов, в составе применяемого чугуна.  
Однако к концу ХХ века бессемеровский конвертер, томасовский  
конвертер и мартеновскую печь прекратили использовать по причине  
малоэффективности, агрегаты не обеспечивали требуемого качества  
стали. В настоящее время самым производительным агрегатом является 
кислородный конвертер и его модификации. Длительность плавки  
в 400-тонном кислородном конвертере составляет всего около 50 мин,  
а длительность плавки в 300-600-тонной мартеновской печи составляет 
около 8 ч.  
По этим причинам большинство сталелитейных компаний в мире используют кислородные конвертеры с верхней продувкой.  
 
1.1. Первые конвертерные процессы производства стали 
Идея Генри Бессемера получить сталь путем продувки жидкого чугуна 
воздухом или другими окислительными газами была впервые реализована 
в 1856 г. В качестве агрегата Бессемер предложил грушеобразную емкость 
с открытой верхней частью - горловиной (см. рис. 1.1).  
С этого момента берет начало история конвертерного процесса.  
Для футеровки конвертера в то время использовались кислые огнеупорные материалы, поэтому бессемеровский процесс называли «кислым». 
Продувка воздухом осуществлялась через фурмы, расположенные в днище конвертера. Однако невозможность переработки чугуна с повышенным содержанием фосфора (а именно такие чугуны в основном выплавля6 
 

 
Лекция 1. Хронология развития конвертерного производства стали 
лись в Центральной Европе) вызвало необходимость поиска другого способа передела.  
 
 
а) 
 
 
б) 
 
Рис. 1.1. Бессемеровский процесс: а) конвертер Бессемера в музее Kelham Island 
(Шеффилд, Англия); б) схема бессемеровского процесса:  
А - общий вид конвертера; В - заливка чугуна; С - продувка чугуна воздухом; 
G - вид на днище сверху; D-Е - слив стали в ковш;  
Н - керамическая фурма; F - разливка стали в изложницы 
7 
 

 
Степанов А. Т.        Теория и технология выплавки стали в конвертерах  
В 1878 г. Томас Джилкрист заменил кислую футеровку на основную, 
выполненную из обожженного доломита, и осуществил первый «основной» конвертерный процесс - томасовский. Сущность процесса заключалась в наведении в конвертере «основного» шлака, способного ассимилировать и удерживать фосфор. «Основный» шлак наводили присадками извести.  
Эти конвертерные процессы требовали определенного состава чугуна 
для обеспечения выделения при окислении примесей необходимого для 
нагрева стали количества химического тепла. В качестве основного источника тепла служили содержащиеся в жидком чугуне вещества:  
в бессемеровском процессе - кремний (0,9-1,25 ), в томасовском процессе - фосфор (1,6-2,2 ).  
Однако даже при использовании оптимальных по составу чугунов в 
случае продувки их воздухом тепловой баланс процесса оставался напряженным из-за большого количества балластного газа - азота, уносящего с 
собой значительное количество тепла, что ограничивало количество лома, 
переплавляемого в конвертерах. Кроме того, продувка воздухом приводит 
к повышенному содержанию азота в стали, что сильно снижает ее механические свойства.  
Указанные недостатки были устранены после замены воздушного 
дутья на кислород. Применение кислорода в конвертерном процессе коренным образом изменило его технико-экономические показатели, возможности и перспективы.  
Впервые в мировой практике продувка чугуна кислородом была осуществлена советским инженером Н. И. Мозговым в 1933 г. на машиностроительном заводе «Большевик» в Киеве. В период 1937-1939 гг. в АН 
УССР была проведена серия опытов по продувке кислородом чугуна  
в ковшах с целью снижения содержания кремния, марганца и углерода.  
В 1944 г. продували чугун кислородом в конвертерах на Мытищинском 
машиностроительном заводе «Динамо», а за период 1944-1952 гг. экспериментировали продувку кислородом конвертеров вместимостью до 12,5 т 
различными способами: боковым, донным и подачей сверху. В 1945 г. был 
пущен первый кислородный конвертер на Тульском машиностроительном 
заводе.  
В зарубежной практике начали применять кислород с 1949 г. в конвертерном производстве в Австрии (фирма «Фест»). Промышленный вариант 
кислородно-конвертерного процесса был запатентован и реализован в го8 
 

 
Лекция 1. Хронология развития конвертерного производства стали 
родах Линц и Донавиц, поэтому способ продувки чугуна кислородом 
сверху называют классическим ЛД-процессом, а в отечественной технической литературе часто употребляют название «кислородно-конвертерный 
процесс». С 50-х годов ХХ века кислородно-конвертерный процесс получил бурное развитие и в настоящее время стал ведущим способом производства стали (см. рис. 1.2).  
 
 
                       1860     1880     1900     1920       1940      1960    1980     2000     2020 
Годы 
 
Рис. 1.2. Динамика развития сталеплавильных процессов: 
1 - бессемеровский; 2 - кислый мартеновский; 3 - томасовский;  
4 - основной мартеновский; 5 - электросталеплавильный; 
6 - кислородно-конвертерный 
 
В 2002 г. в мире объем стали, выплавленной кислородноконвертерным способом, составил 541 млн т, в 2007 г. - 659 млн т. Доля 
кислородно-конвертерной стали в мировом производстве стали в 2015 г. 
составила 72,1 , доля электростали - 26,9 , мартеновской - 1 .  
В странах ЕС выплавка стали в 2014 г. составила 169 млн т, из них 60,5  - 
конвертерной. В России объем выплавки стали находится на уровне  
71 млн т.  
Первые кислородно-конвертерные цеха были введены в работу в  
1952-1953 гг. в Австрии (г. Линц и г. Донавиц). В СССР первый кислородно-конвертерный цех был пущен в эксплуатацию в 1956 г.  
9 
 

 
Степанов А. Т.        Теория и технология выплавки стали в конвертерах  
на заводе им. Петровского (г. Днепропетровск) путем замены бессемеровских конвертеров. Емкость первых конвертеров на заводе Петровского составляла 18 т, а к 1966 г. увеличилась до 28 т.  
Цех с бессемеровскими конвертерами Криворожского металлургического завода, разрушенный фашистами, был восстановлен в 1957 г. под 
кислородно-конвертерный цех. Емкость конвертеров составляла 35 т,  
а к 1966 г. была увеличена до 55 т.  
Первый кислородно-конвертерный цех с 130-тонными конвертерами 
по специальной программе института «Стальпроект» был построен на 
Ждановском металлургическом заводе имени Ильича (ныне Мариупольском). В 1966 г. введен в строй кислородно-конвертерный цех Новолипецкого металлургического завода со 100-тонными конвертерами. Началось 
проектирование конвертеров емкостью 200-300 т.  
В 70-е годы прошлого столетия получают распространение новые варианты кислородно-конвертерного процесса - конвертеры с донной продувкой [1] металла кислородом (ЛВС-, ОБМ-, Ку-БОП-процессы),  
отличающиеся применением донных фурм специальной конструкции, 
каждая из которых состоит из двух труб. По центральной медной трубе в 
металл вводится кислород, а по кольцевому каналу подается в качестве 
охладителя какой-либо газ (СО2, природный газ, водяной пар) или жидкое 
топливо - мазут. Новые варианты конвертерного передела с донным дутьем отличаются от кислородно-конвертерного процесса с верхним дутьем 
большими возможностями переработки лома (до 30  и более от массы 
чугуна), большим выходом годного чугуна, спокойным ходом продувки. 
Они имеют и недостаток - относительно невысокую стойкость днища 
конвертера. Однако процесс продувки сверху отличается большей технологической гибкостью, лучшим шлакообразованием, чем конвертерный 
процесс с донной продувкой.  
10