Процесс Бессемера: Основной метод производства стали и его влияние на промышленность

Определение и основные концепции

Процесс Бессема — это новаторская технология производства стали, разработанная в середине XIX века, которая произвела революцию в массовом производстве стали. Она предполагает преобразование расплавленного коксового чугуна в сталь путем продувки воздуха через жидкий металл в специально разработанном конвертере. Эта технология главным образом направлена на удаление избыточного углерода и других примесей из чугуна, что способствует получению высококачественной, пластичной стали, пригодной для различных промышленных применений.

Посредством развития как одного из первых методов крупномасштабного производства стали, процесс Бессема стал основой для современного сталеплавильного производства. Он был важным шагом в переходе от кованого железа к стали, обеспечивая быстрое и экономичное изготовление больших количеств стали. Обычно этот процесс следует за первичным выплавлением железа и предшествует вторичной очистке или легированию в общей цепочке производства стали.

Техническое устройство и эксплуатация

Ключевая технология

Основной инженерный принцип процесса Бессема — окисление. Продувка воздуха через расплавленный коксовый чугун способствует окислению примесей таких как углерод, кремний, марганец и фосфор. Эти примеси реагируют с кислородом, образуя газообразные оксиды или шлак, которые затем удаляются из расплава.

Основные технологические компоненты включают конвертер Бессема — сосуд в форме груши с огнеупорным внутренним покрытием и механизмом наклона, и систему трубообразных сопел (туйеров), расположенных в нижней части. Конвертер прикреплен на поворотном основании, что позволяет наклонять его для загрузки, продувки и отжиговых операций. Воздух подается через призматические трубы, соединенные с туйерами, которые равномерно распределяют кислород по всей массе расплавленного металла.

Во время работы конвертер загружают коксовый чугун и, по необходимости, лом стали или железо. После герметизации в газовом режиме, через туйеры под высоким давлением продувается воздух, инициируя быстрые реакции окисления. Продолжительность процесса обычно составляет от 10 до 20 минут, в течение которых температура поддерживается для полного окисления и предотвращения затвердения.

Параметры процесса

Ключевыми переменными являются скорость продувки, чистота кислорода, температура и химический состав исходного чугуна. Типичная скорость продувки составляет от 10 до 20 кубических метров воздуха в минуту, в зависимости от размера конвертера и желаемой скорости реакции.

Поток кислорода влияет на скорость удаления примесей и температурный профиль внутри конвертера. Чрезмерно высокая скорость может вызвать турбулентность и потерю тепла, тогда как недостаточный поток увеличивает время процесса и может привести к неполному декарбурированию.

Контроль температуры критичен; обычно процесс ведется при температуре около 1600–1700°C, чтобы поддерживать расплавленное состояние и обеспечить эффективное окисление. Мониторинг осуществляется термопарами и визуальным осмотром шлака и поверхности металла.

Системы управления используют автоматический контроль продувки, регулируя интенсивность продувки на основе измерений температуры, состава газа и формирования шлака. Современные системы включают датчики и автоматизированное управление для оптимизации работы.

Конфигурация оборудования

Типичный конвертер Бессема имеет высоту около 4–8 метров и диаметр 2–4 метра, изготовлен из огнеупорных материалов, способных выдерживать высокие температуры и агрессивные газы. Конвертер установлен на наклонной стойке, что облегчает загрузку, продувку и отлив.

Вариации конструкции включают открытоукладочный конвертер Бессема, регенеративный конвертер с улучшенными огнеупорными слоями и современную кислородную печь BOF, которая эволюционировала из первоначальной конструкции Бессема для повышения эффективности и экологической безопасности.

Дополнительные системы включают оборудование для подачи сжатого воздуха, механизмы обработки шлака и системы охлаждения огнеупорных покрытий. Некоторые установки оснащены системами предварительного нагрева входящего воздуха для повышения энергетической эффективности.

Химия и металлургия процесса

Химические реакции

Основные химические реакции вовлечены в окисление углерода и других примесей:

• Окисление углерода:
  ( \mathrm{C} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO}_2 \uparrow )
  или частичное окисление до окиси углерода:
  ( 2\mathrm{C} + \mathrm{O}_2 \rightarrow 2\mathrm{CO} )

• Окисление кремния:
  ( \mathrm{Si} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{SiO}_2 ) (шлаковый кремнезем)

• Окисление марганца:
  ( \mathrm{Mn} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{MnO}_2 )

• Фосфор удаляется за счет образования фосфатов в шлаке, часто с помощью добавления флюсов.

Эти реакции являются термодинамически благоприятными при высоких температурах, а их кинетика зависит от парциального давления кислорода и температуры. Образование газов CO и CO₂ обеспечивает удаление примесей, а образование шлака — фиксацию оксидов кремния, марганца и фосфора.

Металлургические превращения

Во время процесса структура металла меняется с отлиты высокогоуглеродистого чугуна на очищенную сталь с преимущественно ферритной или перлитной микроструктурой. Декарбуризация снижает содержание углерода с примерно 4-5% в чугуне до ниже 1% в стале.

Фазовые превращения включают растворение легирующих элементов и формирование шлаковых фаз. Быстрая окислительная реакция приводит к однородной, улучшенной микроструктуре с повышенной пластичностью и ударной вязкостью. Процесс также снижает остаточные напряжения и пористость, улучшая механические свойства.

Взаимодействия материалов

Взаимодействия между расплавленным металлом, шлаком и огнеупорными покрытиями критически важны. Шлак служит средой для реакций, поглощая оксиды и примеси, однако чрезмерное образование шлака может привести к загрязнению или потере металла.

Огнеупорные материалы, обычно магнец or алунитовые кирпичи, подвержены химической атаке шлаков и высоким температурам, что требует регулярного осмотра и замены. Контроль атмосферы минимизирует окисление огнеупорных покрытий и предотвращает загрязнение.

Механизмы передачи материалов включают диффузию примесей в шлак и коррозию огнеупорных материалов. Контроль состава шлака и температуры помогает снизить нежелательные взаимодействия, сохраняя эффективность процесса и долговечность оборудования.

Течение процесса и интеграция

Входные материалы

Основной входной материал — коксовый чугун с содержанием углерода около 3,5–4,5%, а также металл или лом для корректировки состава. Обычно чугун производится в доменных печах с заданным химическим составом.

Дополнительные материалы включают флюсы, такие как известь или доломит, для инициирования образования шлака и удаления примесей. Качество исходных материалов напрямую влияет на эффективность декарбурирования и качество конечной стали.

Обработка включает плавку, смешивание и предварительный нагрев для обеспечения однородного состава и температуры. Правильная подготовка снижает вариабельность процесса и повышает управляемость.

Последовательность процесса

Производственный цикл начинается с загрузки конвертера коксовым чугуном и металлоломом. Затем конвертер герметизируют и наклоняют в горизонтальное положение для продувки.

Через туйеры подается высокое давление воздуха, инициирующее реакции окисления. Время продувки тщательно контролируется для достижения целевых уровней углерода и примесей, обычно 10–20 минут.

По завершении достигаемой маркировки состава стали конвертер наклоняют обратно в вертикальное положение для отлива. Расплавленная сталь заливается в ковши для вторичной очистки или casting.

Цикл повторяется с последующими загрузками, параметры процесса корректируются на основе качества исходных материалов и желаемых характеристик готового продукта.

Точки интеграции

Процесс Бессема интегрирован в цепочку производства стали после выплавки железа в доменных печах и перед вторичной очисткой или литьем.

На входе качество коксового чугуна влияет на эффективность процесса и свойства стали. В дальнейшем сталь подвергается дополнительным обработкам, таким как легирование, отливка и термообработка.

Буферные системы включают промежуточное хранение расплавленной стали и шлаков, что обеспечивает непрерывную работу и контроль качества.

Потоки материалов и информации управляют через системы автоматизации, обеспечивая синхронизацию между входными и выходными операциями.

Рабочие характеристики и контроль

Параметр производительности	Типичный диапазон	Факторы влияния	Методы контроля
Содержание углерода в стали	0,02% - 1,0%	Качество исходного чугуна, длительность продувки	Анализ химического состава в реальном времени, автоматический контроль продувки
Температура во время продувки	1600°C - 1700°C	Состояние огнеупора, тепловые потери	Мониторинг термопарами, системы предварительного нагрева
Расход кислорода	10 - 20 м³/мин	Размер конвертера, уровень примесей	Датчики потока, автоматическая регулировка
Состав шлака	Переменный, богатый CaO, SiO₂	Добавление флюсов, уровень примесей	Пробоподготовка шлака, химический анализ

Эксплуатационные параметры прямо влияют на качество продукции, включая прочность на растяжение, пластичность и качество поверхности. Поддержание оптимальных условий обеспечивает стабильность свойств стали.

Мониторинг в реальном времени использует газовые анализаторы, датчики температуры и визуальный контроль. Стратегии управления включают регулировку скорости продувки, чистоты кислорода и химии шлака для оптимизации декарбурирования и удаления примесей.

Оптимизация включает моделирование процесса, статистический контроль процессов и обратные связи для повышения эффективности, снижения энергопотребления и улучшения качества стали.

Оборудование и обслуживание

Основные компоненты

Оболочка конвертера изготавливается из огнеупорных высококачественных кирпичей, способных выдерживать экстремальные температуры и агрессивные шлаки. Туйеры выполнены из жаропрочных сплавов или керамики, предназначены для инъекции воздуха под высоким давлением.

Механизмы наклона включают гидравлические или механические системы, обеспечивающие точное движение. Система продувки включает компрессоры, трубопроводы и регулирующие клапаны для контроля подачи воздуха.

Дополнительное оборудование включает краны для обработки шлака, инструменты для осмотра огнеупорных покрытий и системы охлаждения для обслуживания огнеупорных материалов.

Требования к обслуживанию

Регулярное обслуживание включает инспекцию огнеупорных покрытий на износ и повреждения, замену кирпичей по необходимости и очистку туйеров для предотвращения засорения.

Прогнозное обслуживание использует датчики для мониторинга температуры и износа огнеупоров, что позволяет планировать ремонты заранее. Регулярная калибровка датчиков и систем управления обеспечивает их точность.

Крупные ремонты включают переформовку огнеупорных покрытий, замену изношенных узлов туйеров и обновление аппаратного обеспечения управления. Замена огнеупоров обычно проводится раз в 6–12 месяцев, в зависимости от эксплуатации.

Эксплуатационные проблемы

Распространенные проблемы включают засорение туйеров, деградацию огнеупоров и несогласованность подачи кислорода. Диагностика включает визуальный осмотр, анализ газов и тепловое изображение.

Диагностика износа огнеупоров требует контроля температурных градиентов и поведения шлака. Аварийные меры включают остановку конвертера, охлаждение и ремонт повреждений для предотвращения катастрофических отказов.

Эксплуатационные сложности также связаны с контролем чрезмерных теплопотерь, переносом шлака и обеспечением безопасности при наклоне и отливе.

Качество продукции и дефекты

Качество и характеристика

Ключевые параметры включают химический состав (углерод, марганец, кремний, фосфор), микроструктуру (феррит, перлит, бэйнит) и механические свойства (прочность на растяжение, пластичность).

Исследования включают спектроскопический анализ, металлографию, испытания твердости и ультразвуковую проверку. Стандарты, такие как ASTM или ISO, задают допустимые диапазоны для различных свойств.

Системы классификации качества группируют марки стали по составу, микроструктуре и механической производительности, что помогает определить сферу применения.

Распространенные дефекты

Типичные дефекты включают неравномерное декарбурирование, включения шлака, пористость и окисление поверхности. Они часто возникают из-за неправильного контроля процесса, неполного удаления шлака или повреждения огнеупоров.

Механизмы образования связаны с неполным окислением, контаминацией или колебаниями температуры. Предупреждение включает точное управление параметрами продувки, химией шлака и обслуживанием огнеупоров.

Исправление дефектов осуществляется повторной переработкой, термической обработкой или механической обработкой поверхности для соответствия характеристикам и предотвращения дефектов.

Постоянное улучшение

Оптимизация процесса использует статистический контроль процессов (SPC) для мониторинга ключевых параметров и выявления отклонений. Анализ коренных причин обеспечивает корректирующие действия.

Кейсы демонстрируют улучшения, такие как сокращение времени декарбурирования, оптимизация химии шлака и повышение долговечности огнеупоров, что способствует повышению качества и производительности стали.

Внедрение современных датчиков, автоматизации и аналитики данных поддерживает непрерывное совершенствование процесса и обеспечение качества.

Энергетические и ресурсные аспекты

Энергопотребление

Процесс Бессема требует значительных энергозатрат, в основном в виде энергии на производство сжатого воздуха и нагрев огнеупоров. Типичные показатели потребления — около 1,5–2,5 ГДж на тонну произведенной стали.

Меры повышения энергетической эффективности включают предварительный нагрев входящего воздуха, оптимизацию скорости продувки и восстановление тепла за счет регенеративных систем. Новейшие технологии предполагают использование электрической или гибридной системы подачи кислорода.

Ресурсное потребление

Исходные материалы включают коксовый чугун, флюсы и вспомогательные материалы, такие как огнеупоры. Вода используется для охлаждения и подавления пыли.

Стратегии эффективного использования ресурсов включают повторное использование шлака как заполнитель или сырье, оптимизацию потребления флюсов и минимизацию отходов. Переработка металлургического лома уменьшает потребность в первичных ресурсах.

Техники минимизации отходов включают сбор и повторное использование газов, переработку огнеупорных отходов и системы улавливания пыли для контроля выбросов частиц.

Экологическое влияние

Процесс сопровождается выбросами CO₂, NOₓ, SO₂, а также отходами в виде шлака и пыли. Системы очистки воздуха, такие как электрофильтры и скрубберы, снижают содержание пылевых и газовых загрязнений.

Технологии экологического контроля включают кондиционирование шлака, сбор пыли и рекуперацию отходящего тепла. Соблюдение нормативов, таких как Закон о чистом воздухе и местные стандарты выбросов, обязательно.

Мониторинг осуществляется с помощью непрерывных систем измерения выбросов, отчетности и систем управления окружающей средой для минимизации экологического следа.