Конвертерный способ производства стали

Первые изобретения и жизненный опыт

Первым «коммерчески успешным» изобретением Бессемера стал способ тиснения картона – он получил заказ на 500 листов картона для книжных обложек и на вырученные деньги пытался создать предприятие по его производству. Однако из этой затеи ничего не вышло

Затем Бессемер обратил внимание на то, что гербовые марки легко подделываются, что наносит большой убыток казне. Изобретатель разработал штемпель, который пробивал бумагу, создавая перфорированный рисунок, после чего дальнейшее использование марки становилось невозможным

Бессемеру было предоставлено место «главного надзирателя за гербовыми марками» с приличным жалованием в 600-800 фунтов стерлингов в год.

Карьера изобретателя пошла в гору, он решил жениться. Невеста Генри, Анна Аллен, наделённая несомненными творческими способностями, предложила ставить на штампованную марку дату её использования

Бессемер имел неосторожность рассказать об этом предложении в департаменте, где его с радостью приняли, поскольку этот способ требовал минимальных изменений существующей технологии. Таким образом, новая должность «главного надзирателя» больше не требовалась, и вопрос о вознаграждении Бессемеру был благополучно забыт

Поскольку изобретение не было запатентовано, Бессемеру оставалось лишь махнуть рукой и поместить воспоминания об этом случае в копилку жизненного опыта.

После женитьбы Бессемер работал в отцовской словолитне, занимался гравировкой, разработкой легкоплавких сплавов, усовершенствованием способов литья, созданием новых инструментов, приборов и механизмов.

Область применения конвертерных видов стали

Имеющиеся недостатки несколько ограничивают область применения подобной стали. Из неё производят такие деталей, к которым не предъявляют повышенные технические требования. В кислородных конвертерах получают продукцию трёх видов: углеродистую, легированную и низколегированную сталь. Эти марки используются для изготовления проволоки (катанки), труб небольшого диаметра, отдельных видов рельс.

Специальные изделия активно применяются в строительстве. Практически вся так называемая автоматная сталь изготавливается по конвертерной технологии. Из неё производят большое количество метизной продукции: болты, гайки, шурупы, саморезы, скобы и так далее.

Условия прекращения процесса

Вследствие кратковременности бессемеровского процесса (около 15 мин.) весьма трудно определить момент прекращения продувки на заданном содержании углерода в стали. Примерно до 40-х годов XX века бессемеровский процесс обычно заканчивался на пониженном (против заданного) содержании в стали углерода; сталь затем дополнительно науглероживали в ковше. Продувка приводила к повышению содержания в металле остаточного кислорода, а следовательно, к увеличению расхода ферросплавов — раскислителей; в результате повышалось также содержание в стали неметаллических включений. Впоследствии на агрегатах были установлены приборы для непрерывного определения по спектру вырывающегося из горловины конвертера пламени содержания в металле углерода (а также температуры); это позволило автоматически точно определять момент требуемого окончания продувки, с получением стали заданного состава. Для достижения этой цели стали применяться и другие способы, например, кратковременная остановка продувки для взятия пробы на углерод. Температура металла при выпуске составляет около 1600 °C. Выход годных слитков (см. Бессемеровская сталь) к весу залитого в конвертер чугуна колеблется в пределах 88—90 %, поднимаясь до 91—92 % при добавке в конвертер руды.

Биография

Сын известного типографа и изобретателя Энтони Бессемера. Родился и прожил до 17 лет в Чарлтоне, графство Хартфордшир, в 50 км к северу от Лондона. Кроме него в семье было две сестры и брат.

Под влиянием отца с ранних лет интересовался механикой и металлургией. После окончания народной школы стал работать в мастерской отца. Он не получил университетского образования и все свои знания и умения приобретал путем разносторонней практической деятельности.

В 1834 году женился на Анне Аллен, с которой прожил в любви и согласии всю жизнь.

Бессемер умер 15 марта 1898 года, в Лондоне. Он похоронен в Лондоне на Западном Норвудском кладбище .

Надгробие сэра Генри Бессемера, Западное Норвудское кладбище

Технология

Течение бессемеровского процесса определяется химическим составом и температурой жидкого чугуна (так называемый «бессемеровский чугун»).

Получившиеся при продувке чугуна нелетучие окислы входящих в его состав элементов (SiO₂, MnO, FeO) совместно с компонентами разъедаемой футеровки образуют кислый шлак, содержащий при выплавке низкоуглеродистой стали до 65 % SiO₂. Наличие кислого шлака не даёт возможность удалить из металла присутствующие в нём вредные примеси — в первую очередь фосфор и серу, чем бессемеровский процесс отличается от томасовского процесса. Поэтому чистота в отношении серы и фосфора является непременным требованием к бессемеровским чугунам, а следовательно, и к «бессемеровским» рудам (содержание фосфора в руде не более 0,025—0,030 %).

На нагрев балластного азота, являющегося при бессемеровском процессе основным компонентом дымовых газов, при средней их температуре 1450 °C расходуется около 110 ккал на 1 кг продуваемого чугуна. При полной замене воздуха кислородом кремний перестаёт играть ведущую роль в тепловом балансе бессемеровского процесса. Оказывается возможной продувка химически холодных чугунов, поскольку количество тепла дымовых газов снижается в этом случае примерно с 28 % до 8,5 %. При чисто кислородном дутье содержание в шихте лома, как показывают тепловые расчёты, может быть очень значительным (до 25 %).

Недостаток процесса

Бессемеровский процесс имел недостаток – не удалял фосфор из металла. Фосфор делает сталь чрезмерно хрупкой. Поэтому первоначально бессемеровский процесс можно было использовать только на чугуне, полученном из бесфосфорных руд. Такие запасы руды относительно редки и дороги, поскольку они встречаются лишь в нескольких местах (например, Уэльс и Швеция, где Бессемер получил свою железную руду, и верхний Мичиган).

В 1876 году валлиец Сидней Гилкрист Томас обнаружил, что добавление в конвертор материала, такого как известняк, вытягивает фосфор из чугуна в шлак, который плавает в верхней части конвертера, где его можно снять, в результате чего получается сталь без фосфора. Это называется базовым процессом Бессемера или базовым процессом Томаса.

Это важнейшее открытие означало, что огромные запасы железной руды из многих регионов мира могут быть использованы для производства чугуна для бессемеровских конвертеров, что в свою очередь привело к стремительному росту производства дешевой стали в Европе и США.

Универсальный изобретатель

Изобретения Бессемера касались различных отраслей промышленности и транспорта. Он получил патенты на соединение железнодорожных вагонов гофрированным рукавом («гармоникой») для безопасного перехода, которое вошло в железнодорожную практику много лет спустя, на систему «гидростатического тормоза» железнодорожного состава, когда все колёса поезда тормозятся одновременно давлением воды. Этот способ используется и поныне, только вместо воды применяется воздух.

Наиболее активно Бессемер работал в области сахарного и стекольного производств. Здесь он эффективно применял научный подход, по нескольку лет исследуя свойства материалов и их поведение в производственных процессах. Результатом исследований стали пресс для отжима сока из сахарного тростника, сконструированный таким образом, что не позволял упругому стеблю впитывать сок после снятия давления, и стекольная печь с медленно вращающимися для перемешивания тиглями и «прокатным станом» для производства оконного стекла.

Выксунский ЛП К

Патент на стекольную печь Бессемер продал за 6 тысяч фунтов стерлингов промышленнику Чансу. Однако лишь в конце XIX в. способ непрерывной разливки оконного стекла был применён в производственной практике. Сам принцип непрерывной разливки в охлаждаемые валки предлагался Бессемером позднее и для жидкой стали, однако на практике он был осуществлён лишь в наши дни в составе так называемых литейно-прокатных комплексов (ЛПК). Первый и пока единственный в нашей стране ЛПК был недавно построен на Выксунском металлургическом заводе Объединённой металлургической компании.

Бессемеровская сталь

Бессемеровская сталь вследствие невозможности освобождения от окислов и других вредных примесей ( серы и фосфора) и пузыристости не может применяться для ответственных поковок.
 

Бессемеровская сталь, содержащая окислы, вредные примеси ( сера и фосфор) и большое количество азота, не может применяться для ответственных поковок.
 

Бессемеровская сталь используется для элементов строительных конструкций, те подверженных непосредственному воздействию динамических нагрузок и низких температур. При необходимости сварки бессемеровскую сталь применяют только для малоответствен вых конструкций.
 

Бессемеровская сталь при том же содержании углерода, что и мартеновская, имеет повышенные характеристики прочности ( т и: ), высокое отношение т: в и одновременно обладает большей чувствительностью к хладноломкости и старению. Эти свойства обусловлены специфическими особенностями производства бессемеровской стали, в результате которого эта сталь имеет более высокое, чем в основной мартеновской стали, содержание фосфора, серы и газов, главным образом азота.
 

Бессемеровская сталь с содержанием углерода не более 0 12 % хорошо сваривается, куется и прокатывается в тонкие листы. Ее применяют для производства сварных труб неответственного назначения, болтов, профилей, тонкой жести.
 

Бессемеровская сталь с высоким содержанием азота более чувствительна к коррозионному растрескиванию под напряжением в горячих каустических или нитратных растворах, чем мартеновская сталь.
 

Бессемеровская сталь может иметь нежелательно высокое содержание азота, что делает ее склонной к охрупчиванию при деформационном старении. Содержание фосфора и серы в этой стали также может быть более высоким, чем в мартеновской. Такую сталь применяют для сосудов давления.
 

Бессемеровская сталь обладает повышенной твердостью.
 

Бессемеровские стали не применяются для изготовления труб, ответственных конструкций и инструмента.
 

Томасовские и бессемеровские стали, содержащие значительное количество фосфора и серы, относятся к числу сталей с повышенной хладноломкостью.
 

Бессемеровскую сталь с повышенным содержанием углерода получают двумя способами: прекращением продувки в тот момент, когда металл имеет заданное количество углерода ( плавка с перехватом дутья); добавкой жидкого чугуна к обезуглероженному металлу.
 

Бессемеровскую сталь с повышенным содержанием углерода получают двумя способами: 1) прекращением продувки в тот момент, когда металл имеет заданное количество углерода ( плавка с перехватом дутья); 2) добавкой жидкого чугуна ( к обезуглерожен-ному металлу.
 

Бессемеровскую сталь получают, продувая сжатым воздухом расплавленный доменный чугун, залитый в конверторы ( сосуды грушевидной формы) с динасовой ( кислой) футеровкой.
 

Бессемеровскую сталь применяют для производства рельсов, труб, винтов, шурупов, болтов, проволоки и пр.
 

Бессемеровскую сталь с повышенным содержанием углерода получают двумя способами: прекращением продувки в тот момент, когда металл имеет заданное количество углерода ( плавка с перехватом дутья); добавкой жидкого чугуна к обезуглероженному металлу.
 

Суть бессемеровского процесса

В 1856 году Бессемер сконструировал то, что он называл конвертером, – большой сосуд грушевидной формы с отверстиями внизу, позволяющими впрыскивать сжатый воздух. Бессемер наполнил его расплавленным чугуном, продул сжатый воздух через расплавленный металл и обнаружил, что чугун действительно был очищен от углерода и кремния всего за несколько минут. Более того, вместо того, чтобы застыть от поданного холодного воздуха, металл стал еще горячее и поэтому оставался расплавленным. Последующие эксперименты другого британского изобретателя, Роберта Мушета, показали, что воздушный поток действительно удалял слишком много углерода и оставлял слишком много кислорода в расплавленном металле. Это сделало необходимым добавление соединения железа, углерода и марганца, называемого шпигелейзен (или Шпигель для краткости): марганец удаляет кислород в виде оксида марганца, который переходит в шлак. Дутье воздуха через расплавленный чугун с последующим добавлением небольшого количества расплавленного Шпигеля превращает всю большую массу расплавленного чугуна в сталь всего за несколько минут, без необходимости какого-либо дополнительного топлива.

Бессемеровский процесс позволил уменьшить время и необходимую энергию для лужения и цементации которые проводились до изобретения этой технологии.

Кислородный конвертер – описание процесса плавки

Кислородный конвертер – это стальной сосуд грушевидной формы. Его внутренняя часть защищена смолодоломитовым (основным) кирпичом. Вместимость сталеплавильного агрегата варьируется от 50 до 350 тонн. Сосуд распложен на цапфах и способен поворачиваться вокруг горизонтальной оси, что позволяет беспрепятственно заливать в него чугун, закладывать другие добавки и сливать металл со шлаком.

Чтобы получить конечный продукт, в конвертер заливается не только чугун, но и закладывают добавки. К ним относятся:

• лом металла;
• шлакообразующие материалы (железная руда, известь, полевой шпат, бокситы).

Конвертерный способ с кислородной продувкой предусматривает заливку в конвертер чугуна, нагретого до 1250–1400°С. Установив конвертер в вертикальное положение, в него подают кислород. Как только началась продувка, в расплавленный чугун вводят остальные компоненты, входящие в состав шлака. Перемешивание чугуна со шлаком осуществляется под действием продувки.

Особенностью основного шлака является большое содержание оксида кальция и оксида железа, которые в начале продувки способствуют удалению фосфора. Если же содержание фосфора превышает требуемый показатель, шлак сливают и наводят новый. Продувку кислородом заканчивают, когда содержание углерода в конечном продукте соответствует определенному параметру. После этого конвертер переворачивают и производят слив стали в ковш, куда добавляют раскислители и другие добавки.

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.

Принцип бессемеровского способа

Впервые массовое получение жидкой стали стало возможным в 1856 году благодаря Г. Бессемеру – изобретателю из Англии. Он придумал, как нагреть металл до температуры, превышающей 1500°С. Именно такая температура необходима для того, чтобы расплавить металл с пониженным содержанием углерода.

Схема конвертера и основные периоды плавки

Бессемеровский процесс предусматривает продувку расплава атмосферным воздухом. Для этих целей применяются конвертеры, у которых внутренняя часть камеры сгорания защищена динасовым кирпичом. Благодаря такой защите бессемеровский способ называют кислой футеровкой конвертера.

Плавка в бессемеровском сталеплавильном агрегате осуществляется путем заливки чугуна при температуре 1250–1300°С. Следует заметить, что для выплавки бессемеровских чугунов требуются железные руды с низким содержанием серы и фосфора.

Залитый чугун продувают воздухом, в результате чего происходит окисление углерода, марганца и кремния. При окислении образуются оксиды, формирующие кислый шлак. Продувку воздухом заканчивают после того, как углерод окислится до требуемых значений.

Далее металл через горловину сливают в ковш, попутно его окисляя. У такого способа присутствует один существенный недостаток, заключающийся в невысоком качестве конечного продукта, который получается слишком хрупким за счет неполного удаления серы и фосфора.

Изобретения

Генри Бессемер получил свыше 100 патентов на изобретения в различных областях техники:

• Игольчатый штамп для марок
• Словолитная машина (1838 год)
• Машина для прессования сахарного тростника (1849 год)
• Центробежный насос (1850 год)

• Способ прессовки бархата, при котором тиснения надолго оставались прочными
• Новый способ фабрикации карандашей:вместо распиливания графитных брусков Бессемер предложил прессовать графитный порошок
• Непрерывно действующий тормоз для железных дорог

Устройство и работа бессемеровского конвертера

Работа по улучшению тяжёлого артиллерийского снаряда (1854 год) натолкнула его на поиски более совершенного способа получения литой стали для орудийных стволов.

В том же 1854 году Бессемер запатентовал автоматическую пушку водяного охлаждения под унитарный патрон.

В 1856 году зарегистрировал патент на конвертер для переплавки жидкого чугуна в сталь продувкой воздухом без расхода горючего, который стал основой т. н. бессемеровского процесса (бессемерование).

В 1860 году Бессемер запатентовал поворотный конвертер с подачей воздуха через днище и цапфы, конструкция которого в основном сохранилась до настоящего времени. Бессемер выдвинул идею бесслитковой прокатки стали.

Принцип томасовского способа

В 1878 году англичанину С.Г. Томасу удалось устранить главный недостаток бессемеровского способа. Кислую футеровку конвертера он заменил основной. Внутренний защитный слой в ванной был выложен смолодоломитовым кирпичом. А чтобы удалить из металла большую часть примесей, он предложил использовать известь, функция которой заключалась в связывании фосфора.

Томасовский процесс позволил перерабатывать чугун с высоким содержанием фосфора. Поэтому наибольшее распространение данный способ получил в странах, где железные руды содержат много фосфора. Во всем остальном метод, изобретенный Томасом, мало чем отличается от предложенного Бессемером:

• и в том, и в другом случае используется сталеплавильный агрегат, в который чугун подается сверху через отверстие в горловине;
• через это же отверстие производится выпуск стали.
• снизу сталеплавильный агрегат снабжен съемным днищем, что позволяет заменять его по мере выработки определенного срока службы;
• дутье в полость сталеплавителя поступает через специальные сопла, расположенные в футеровке днища.

Как уже говорилось выше, слив стали производится через отверстие в горловине. Перевернуть многотонный агрегат позволяют цапфы в цилиндрической части конвертера. При томасовском процессе в сталеплавитель загружают известь, позволяющую получить основной шлак. Далее туда же заливают высокофосфористый чугун, нагретый до 1200–1250°С и подают дутье. При подаче дутья происходит окисление кремния, марганца и углерода. В основной шлак удаляются сера и фосфор. Продувка завершается тогда, когда содержание фосфора снизится до определенных показателей. Окончательным этапом, как и в бессемеровском процессе, является выпуск металла с последующим раскислением.

Технология [2]

Течение бессемеровского процесса определяется химическим составом и температурой жидкого чугуна (так называемый «бессемеровский чугун»).

Получившиеся при продувке чугуна нелетучие окислы входящих в его состав элементов (SiO₂, MnO, FeO) совместно с компонентами разъедаемой футеровки образуют кислый шлак, содержащий при выплавке низкоуглеродистой стали до 65 % SiO₂. Наличие кислого шлака не даёт возможность удалить из металла присутствующие в нём вредные примеси — в первую очередь фосфор и серу, чем бессемеровский процесс отличается от томасовского процесса. Поэтому чистота в отношении серы и фосфора является непременным требованием к бессемеровским чугунам, а следовательно, и к «бессемеровским» рудам (содержание фосфора в руде не более 0,025—0,030 %).

На нагрев балластного азота, являющегося при бессемеровском процессе основным компонентом дымовых газов, при средней их температуре 1450 °C расходуется около 110 ккал на 1 кг продуваемого чугуна. При полной замене воздуха кислородом кремний перестаёт играть ведущую роль в тепловом балансе бессемеровского процесса. Оказывается возможной продувка химически холодных чугунов, поскольку количество тепла дымовых газов снижается в этом случае примерно с 28 % до 8,5 %. При чисто кислородном дутье содержание в шихте лома, как показывают тепловые расчёты, может быть очень значительным (до 25 %).