> Техника, страница 22 > Бессемерование
Бессемерование
Бессемерование, процесс продувки расплавленного чугуна воздухом для получения ковкого металла (стали) в жидком состоянии путем выжигания примесей. Нужное количество гепла развивается в самом процессе горением железа и его примесей—кремния, марганца и углерода. Для достижения высокой конечной t° ок. 1 600°, как показали новейшие наблюдения, главное значение имеет содержание кремния. Количество его может меняться, смотря по той скорости, с К-рой 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 к-ром ведется продувка) может потребоваться более высокое содержание кремния. Марганец является желательной примесью железа, и в чугуне для продувки его стараются иметь ок. 1,5%. Сера и фос-ф о р—вредные элементы, не удаляемые из металла продувкой; содержание их не должно превосходить 0,10% и фактически часто бывает более низким (0,00—0,04% S и от 0,08 до 0,06% Р). Содержание С регулируется условиями доменной плавки в довольно тесных пределах (в среднем около 3,75%) и не может быть устанавливаемо но желанию.
В приводимой ниже таблице даются типичные анализы чугунов нек-рых заводов.
| Чугуны заводов | с | Si | МП | Р | S |
| Jones Eaushlin
(США). Edsar Thomson |
4,0 | 0,95 | 0,40 | 0,085 | 0,035 |
| (США).
Barrow Haematite Со. |
„ | 1,20 | 0.62 | o.os | 0,03 |
| (Англия). | 3.4 | 2.41 | 0,41 | 0,06 | 0.06 |
| Bhu navon (Англия). | 3 6 | 2.5 | 1.0 | 0,0:5 | 0,02 |
| Петровский (СССР). Александровский | — | 1.5 | 1.5 | 0,07 | 0,05 |
| (СССР).
Шведский древесно- |
- | 1,5 | 1,3 | 0.08 | 0,05 |
| угольный.
Малого Оессемерова- |
4.38 | 1,21 | 2.97 | 0.027 | 0,005 |
| ВИЯ (коксовый). | 3.53 | 2,21 | 0.61 | 0,057 | 0.037 |
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.
Как видно из таблицы, вредные примеси—сера и фосфор—не удаляются из металла в шлак в процессе продувки, что служит характерной особенностью Б. Конечный состав металла и шлака был получен введением в конвертер для раскисления и обуглероживания около 11% зеркального чугуна, содержавшего только 15% Мп. В настоящее время употребляют сплав, содержащий 20—22% Мп, к которому еще добавляют ферроманган с 80% Мп, но продувку не ведут почти до полного выгорания углерода, так как это дает слишком окисленный благодаря низкой концентрации углерода продукт. Содержание кислорода в продутой стали может доходить (исследование Г. Вейнберга на Дружковском заводе) до ‘•,35%; после раскисления содержание кислорода понижается до 0,02 — 0,03%, что дает «здоровую», то есть не красноломкую сталь. Выгорание примесей железа во время продувки идет по нижеследующим термохимия, уравнениям:
1) Si+0,=Sio, +196 «о cal (6 138са1 наед-цу О)
2) Mn + 0=MnO + 90 760 » (5 673 » » » »)
3) Fe+0=FeO + 66 713 » (1170 » » » »)
1) MnO + SiO.-MnSiOH- 7 725 »
5) FeO + SiO,«FeSiO, + 5 905 cal
6) С + 0,=С0, + 97 650 » (3 052 cal на ед-цу О)
7) С + 0=СО + 29 430 » (1 839. » » .)
8) C + FeO=CO + Fo - 37 283 »
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 (MnSi03H-FeSi03) и газы (N, воздуха и отчасти С02); 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 темп-ре конца процесса выгорание углерода не согревает или почти не согревает металла (продукты горения углерода—окпсь 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 t° 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 м.), 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 (смотрите); он имеет огнеупорные стенки из кремнистой массы (с незначительной добавкой глины), почему конвертер называется кислым и самый процесс продувки — кислым. Впоследствии (ο-Ι 879 года, то есть через 24 года со времени изобретения Б.) стали делать продувку в основном конвертере (с огнеупорными стенками из доломита) с добавкой извести (смотрите То-масироваиие). Б. ведется часто с массой металла, не превосходящей 15 m (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) возможно достигнуть громадной производительности, работая без перерыве в; когда один конвертер наклоняется, другой поднимается, а дутье подается непрерывно, так что каждые 8—10 минут продувается садка в 10—15 m (американский метод работы).
| Время от начала | дутья | Конечный | |||||
| Составные части | 0Ό’ | 2Ό" | 320" | бЗ" | 88· | 9Ί0" | состав |
| Металл
Углерод .. |
2.98 | 2,94 | 2.71 | 1,72 | 0,53 | 0.04 | 0,45 |
| Кремний .. | 0.94 | 0,63 | 0,33 | одз | о.оз | 0.02 | 0,038 |
| Марга ец.. | 0.-13 | 0,69 | 0,04 | 0.03 | 0.01 | 0.01 | 1.15 |
| Фосфор.. | 0,10 | 0.101 | 0,И6 | 0.К6 | 0,107 | 0.108 | 0,109 |
| Сера.. | 0,06 | 0,06 | 0,06 | 0,С6 | 0,06 | 0.06 | 0.059 |
| Шлак | |||||||
| Кремнезем. | — | 42.4 | 5%3 | 62.5 | 63 6 | — | 62.2 |
| Глинозем.. | — | 5.6 | 5.1 | 4,1 | 3.0 | — | 2,8 |
| Закись железа. | — | 40.3 | 31.2 | 21.3 | 21.4 | — | 17.4 |
| Окись ». | — | 4.3 | 1.0 | 1.9 | 2.6 | — | 2.9 |
| Закись марганца. | — | 6.5 | 7.9 | 8.8 | 8.9 | — | 13.7 |
| Окись кальция. | — | 1.2 | 0,9 | 0.9 | 0.9 | — | 0.9 |
| ·> магния. | — | 0.4 | 0,3 | 0.3 | 0,4 | — | 0.3 |
| Фосфор.. | — | 0.008 | 0,008 | 0,01 | о.ом | — | 0.010 |
| Сера.. | 0,009 | 0,009 | 0,014 | 0.018 | 0,010 | ||
Изобретенное η Англии Б. было прежде всего практически разработано и с успехом применено в Швеции, где с течением времени выработалось особое видоизменение процесса—ш в е д с к о е Б., вызванное к жизни местными специальными условиями: работой на древесноугольном малокремнистом чугуне, получавшемся небольшими количествами и в силу этого продувавшемся малыми садками (2—4 тонн) при сравнительно низкой I. Это вынуждало вести продувку очень быстро (5—6 м.)· В А н г л и и 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—дли того, чтобы «понизить жар операции». При большом количестве обрезков и незначительной производительности з-дов, такая работа считалась выгодной, хотя благодаря ручной работе загрузки длительность простоев была равна и даже превосходила продолжительность работ], i дутья (20—25 метров простоев и 15—20 метров 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 Б., 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 минут и непрерывной работой дутья, то есть без простоев между отдельными операциями. Такая работа, помимо большей производительности, дает и сбережение металла, так как увеличивает выход годных слитков, уменьшая угар. В тех случаях, когда (по отсутствию доменных печей на з-де) чугун переплавлялся в вагранке (смотрите) и имелся дешев],iit 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 но только содержание кремния, но и углерода, сокращало длительность продувки и уменьшало угар. В России при работе на мало-кремнистых древесноугольных чугуиах был разработан новый прием работы—р у с с к о е Б., характеризующееся перегревом ч у-гуна (в вагранках—на Обуховском з-де, по инициативе Д. К. Чернова, и в газовых пламенных печах на Нижне-Салдинском з-до, К. Поленовым). Более высокая (° 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 мало кремнистым чугуном идет гораздо удобнее («гладко», то есть без неполадок), чем с кремнистым, но холодш,:м; металл получается нормальной темп-ры 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 этом случае начиналось одновременно с началом продувки) в стали оставалось довольно значительное количество кремния. Такое ведение процесса, получившее название немецкого, 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 ок. I1/»—2 тонн) 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 3*/з раза больше тепла, чем при горении в окись углерода. Отсюда следует, что I 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 1° стали, получаемой при боковом дутье, не подлежит сомнению, но объяснение этого факта сгоранием углерода в СО. долгое время оспаривалось даже авторитетными металлургами. Б настоящее время мы располагаем большим числом анализов газов, взятых из полости конвертера, и ими вопрос решается категорически. Б следующей таблице указано содержание свободного Ог, СО, и СО (объёмные %) в газах конвертеров, работающих с боковым дутьем и обыкновенным.
| Боковое дутье | Обыкновенное дутье | |||||
| от на | от на | |||||
| чала дутья о#(мин.) | со, со | чала дутья (мип.) | о, | со. | со | |
| IV, | 14,0 | 0,9 0,0 | 2 V, | 9,9 | 4,3 | 0,0 |
| 41:, | 12,6 | 1.2 0,0 | в‘. | 1.4 | 12,8 | 1,1 |
| 9‘/, | 3,93 | 3,2 0,0 | », | 0,0 | 1,2 | 23,6 |
| и V, | 0,1 | 10,8. 3,6 | is1/* | 0,0 | 0,7 | 31,6 |
| 15‘/, | 1,0 | 15,4 4,6 | 15 | 0,0 | 1,7 | 23,0 |
Кроме указанных газов, из горла реторты удаляется небольшое количество водорода (0,5—1%); остаток до 100% составляет
1Г>
т. э. гл. II.
азот. Большое количество неиспользованного дутья в газах (судя по содержанию в них О») указывает на недостаточно высокую начальную t° чугуна в обеих операциях, к которым относятся анализы. В обыкновенных конвертерах, то есть с нижним дутьем, угар металла вместе с выбросами его и тем количеством, которое запутывается к 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 до войны 1914—18 гг. достигались в смысле расхода составных частей шихты и выхода стали следующие результаты:
| Заводы | На 1 ч. годной стали | Из 100 ч. заданной шихты | |||
| чугуна | добавочи. | всего | годной стали | угар и скрап | |
| ДпепропетропскиЛ Днепровский. Петровский. | 1,0826
1,0717 1,078 |
0,0631
0,0429 0,0360 |
1,1457
1,1146 1,114 |
87,84
87,54 89,77 |
12,16
12,46 10,33 |
Что касается производительности, то она ни на одном из этих заводов не превосходила 107 000 т, т. к. заказы на рельсы не обеспечивали непрерывной работы бессемеровских заводов. В США 2 конвертера по 10 тонн дают в год до 000 000 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 нанет. 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 (смотрите Толшсироваиие), 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 жел.-дор. 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.
Лит.: Ч с р н о в Д., Спектр, наблюдения над бессемер. процессом, «Горл. Жури.», т. 3, J, стр. 241, СПБ, 187В; его же, Материалы для научения бессемерования, «ЖРМО», сер. 54—90, ’ СПБ. 1915; Г р у м-Г р ж и м a ii л о В. Б., Бессемерование на Пижш-Салдинском заводе, «Горн. Журя.» т. 3, стр. 77, 1889; I! owe II. М., Аппараты бессемеровского пооизводства (русск. лер. И. Вавилова), СПБ, 1898;. Эренперт И., Бессемерование малых насадок в Авесте (Avesla), п Швеции, «Горн. Жури.», т. 3, стр. 71, СПБ, 1884; II о б л ь. Н., Производство стали, выл. I. M., 1922; Д а в ы д о к Ф., Исследование некоторых явлений при бессемеровании с поверхностным дутьем, «ЖРМО», 2, стр. 13, 1910; К а р н а у х о в Μ. М, Металлургия стали, ч. 1 Бессемеровский и томасовский процессы, II., 1923; Г р у м - Г р ж и м а и л о В. Е., Производство стали, стр. 1 —140, М., 1925. М. Павлов.