Бессемеровский процесс получения стали

Бессемеровский процесс – это первый промышленный метод выплавки стали, разработанный Генри Бессемером в 1856 году. Его суть заключается в продувке воздухом жидкого чугуна, что позволяет окислить примеси (углерод, кремний, марганец) без дополнительного топлива. Температура плавки достигала 1600°C, а весь цикл занимал всего 20–30 минут – революция для металлургии того времени.

Конвертер Бессемера имел грушевидную форму и был выложен огнеупорным кирпичом. Кислый футеровка (с содержанием кремнезема) использовалась для передела чугуна с низким содержанием фосфора. При продувке воздухом сначала выгорал кремний с выделением тепла, затем углерод – это видно по изменению цвета пламени. Главное преимущество метода – скорость и отсутствие затрат на топливо.

Однако у процесса были серьезные ограничения. Он не удалял фосфор и серу, что требовало тщательного подбора сырья. Бессемеровская сталь содержала до 0.1% азота, что снижало пластичность. Именно эти недостатки привели к замене метода мартеновскими печами и кислородно-конвертерным производством в XX веке. Но для своего времени технология стала прорывом – себестоимость стали упала в 10 раз.

Принцип работы бессемеровского конвертера

Бессемеровский конвертер представляет собой грушевидную стальную ёмкость, футерованную огнеупорным кирпичом. Через отверстия в днище подаётся сжатый воздух под давлением 2–3 атмосферы, который окисляет примеси в чугуне.

Процесс начинается с заливки жидкого чугуна температурой 1250–1300°C. Воздух, проходя через расплав, вызывает интенсивное окисление кремния, марганца и углерода. Выделяющееся тепло поддерживает температуру без дополнительного подогрева.

Первая стадия длится 3–5 минут – окисляется кремний с выделением белого дыма. Вторая фаза (8–12 минут) характеризуется горением углерода с образованием синего пламени. Третья стадия (2–3 минуты) сопровождается появлением бурого дыма из-за окисления железа.

Для получения стали с нужными свойствами после продувки добавляют ферросплавы. Весь цикл занимает 15–20 минут, производительность конвертера достигает 30 тонн за одну плавку.

Ключевое преимущество метода – отсутствие внешнего топлива. Однако он требует чугуна с низким содержанием фосфора и серы (менее 0,07%), что ограничивает применение некоторых руд.

Подготовка чугуна для продувки воздухом

Отберите пробу для экспресс-анализа на содержание серы и фосфора. Если их концентрация превышает 0,05%, проведите предварительное рафинирование в ковше с известью.

Заливайте чугун в конвертер слоем толщиной 1–1,2 м. Избегайте попадания шлака из доменной печи – его количество не должно превышать 3% от массы металла.

Перед началом продувки проверьте состояние футеровки конвертера. Толщина огнеупорного слоя в зоне горловины должна быть не менее 300 мм.

Этапы окисления примесей в процессе продувки

1. Окисление кремния

Первым окисляется кремний – реакция начинается сразу после начала продувки. Температура в конвертере достигает 1400–1500°C, что способствует быстрому образованию SiO₂. Шлак насыщается кремнезёмом, что улучшает последующее удаление фосфора.

2. Выгорание марганца и углерода

Марганец окисляется параллельно с кремнием, но медленнее. Максимальное выделение тепла происходит при окислении углерода – это ключевой этап. Контролируйте скорость продувки: оптимальный расход кислорода 3–4 м³/мин на тонну стали.

Важно: при недостаточной температуре (<1500°C) углерод окисляется неполностью, образуется CO вместо CO₂.

Контроль температуры и состава металла

Измеряйте температуру металла каждые 10–15 минут с помощью оптического пирометра или погружной термопары. Оптимальный диапазон для бессемеровского процесса – 1550–1650°C. При выходе за эти границы снижается качество стали.

Методы контроля температуры

• Используйте пирометры с погрешностью не более ±5°C.
• Проверяйте калибровку термопар перед каждой плавкой.
• Фиксируйте резкие перепады – они могут указывать на неполное окисление примесей.

Анализ состава

Отбирайте пробы металла на этапе продувки воздухом и перед выпуском в ковш. Лабораторный анализ должен включать:

1. Содержание углерода – не более 0,1% для низкоуглеродистой стали.
2. Долю фосфора и серы – ниже 0,05%.
3. Уровень марганца – 0,3–0,5% для повышения прочности.

Корректируйте состав добавлением ферросплавов непосредственно в конвертер. Например, вводите ферромарганец порциями по 2–3 кг на тонну металла при недостатке марганца.

Для быстрого контроля используйте спектрометры прямого чтения. Они определяют состав за 2–3 минуты с точностью до 0,01%.

Особенности раскисления стали после продувки

Раскисление стали после бессемеровского процесса начинают сразу после завершения продувки, пока металл сохраняет высокую температуру. Добавляйте ферромарганец или ферросилиций в ковш, чтобы связать избыточный кислород. Оптимальная дозировка – 0,5–1,5% от массы стали, в зависимости от требуемого содержания углерода и марганца.

Методы раскисления

При осаждающем раскислении вводят алюминий (0,1–0,3 кг/т стали) для образования оксидов, которые удаляются в шлак. Для кипящей стали используйте комбинированный метод: сначала ферросилиций (0,1–0,2%), затем алюминий. Это снижает пористость готового проката.

При диффузионном раскислении добавьте в шлак кокс или ферросилиций (2–4 кг/т). Метод медленнее, но уменьшает включения в металле. Контролируйте вязкость шлака – при высокой текучести процесс ускоряется.

Контроль параметров

Измеряйте температуру стали перед раскислением: перегрев выше 1650°C приводит к потере раскислителей. Проверяйте содержание кислорода пробой на излом или газоанализатором. Для конструкционных сталей допустимый уровень – 0,005–0,015%.

После добавления раскислителей выдерживайте сталь 3–5 минут для завершения реакций. Удаляйте шлак до разливки, чтобы избежать возврата серы и фосфора в металл.

Преимущества и ограничения бессемеровского метода

Основные преимущества

Бессемеровский процесс позволяет быстро перерабатывать чугун в сталь без дополнительного топлива. Воздух, продуваемый через расплав, окисляет примеси, сокращая время производства до 20–30 минут.

Метод экономичен: отсутствие внешнего нагрева снижает расход угля. Это особенно выгодно при массовом производстве низкоуглеродистой стали для строительных конструкций и рельсов.

Главные ограничения

Процесс требует строгого контроля состава чугуна. Высокое содержание фосфора или серы делает металл хрупким. Для таких руд лучше подходят мартеновские или кислородно-конвертерные печи.

Бессемеровская сталь часто содержит больше азота, что повышает риск старения и трещинообразования. Для ответственных деталей (например, мостовых конструкций) рекомендуются другие методы рафинирования.

Совет: используйте бессемеровский метод только для чугуна с низким содержанием вредных примесей (менее 0,05% фосфора). Для контроля качества применяйте спектральный анализ перед загрузкой конвертера.