История развития процессов выплавки стали, протекающих с использованием дутья воздуха и других газов

   Патент  от 23 марта 1866 года излагал тот же способ применительно к переработке отходов бессемеровского производства в виде скрапа. Этим он помог, в дальнейшем решить очень острую для того времени проблему, о которой с тревогой и надеждой писали в технической периодике: "Что делать со старыми бессемеровскими стальными рельсами? Если железные можно было перекатать, то эти нельзя! В одной Англии их в 1867 году положено 30 млн. пуд. Скоро наступит время для перемены их вследствие изнашивания. На помощь является знаменитое изобретение Мартена - его сталеплавильная печь". Возможность переработки скопившегося к тому времени бессемеровского скрапа и другого лома во многом способствовала распространению мартеновского процесса.

   25 июля 1867 года П. Мартен взял  патент, в котором указывает на  применение зеркального чугуна в целях обуглероживания и получения стали определенных свойств. [3]

   Успех первых плавок позволил П. Мартену сразу наладить производство литой стали в промышленном масштабе. На заводе Сирейль работали попеременно три печи емкостью по 2-3 тонны.

   Мартеновский  процесс получил с самого начала благоприятные условия для развития: цены на скрап в 60-70-х годах были невысоки ввиду трудности его  использования. Мартеновский процесс  не конкурировал с бессемеровским, а как бы дополнял его, перерабатывая  стальные отходы бессемеровского производства, скопившиеся в больших количествах на заводах. Оборудование в мартеновском цехе стоило много дешевле, чем в бессемеровском, так как мартеновская фабрика того времени имела весьма примитивное оборудование. По этим причинам, несмотря на несовершенство первых мартеновских печей и большой расход топлива, скрап-процесс считался экономически выгодным.

   Мартеновский  процесс, введенный в 1864 году, быстро распространялся по металлургическим, заводам разных стран.

Рис 3 Устройство мартеновской печи:

1 — рабочее  пространство; 2 — свод; 3 — подина; 4 — сталевыпускное отверстие; 5 —  отверстие для спуска шлака; 6 — завалочные окна; 7 — передняя  стенка; 8 — задняя стенка; 9 —  головки; 10 — вертикальные каналы; 11 — шлаковик; 12 — регенераторы: 13 — насадка регенераторов; 14 — борова; 15 — рабочая площадка. 

   В первой половине XX века мартеновский процесс занял господствующее положение в мировом производстве стали. До середины нашего века около 80-85% всей стали в мире производилось мартеновским процессом. Пре обладание мартеновского процесса в мировой металлургии было вызвано рядом его преимуществ по сравнению с другими. В мартеновской печи можно использовать большое количество старого лома и возможна работа на любом чугуне. Здесь годилось самое разнообразное сырье, в то время как в конверторном процессе имелись определенные ограничения в химсоставе исходных материалов. Успеху мартеновского процесса способствовала также его разносторонность, пригодность к выплавке самых разнообразных марок стали - от обычной углеродистой до сложнолегированной. Этому помогла основная футеровка, предложенная Томасом.

   Уже в первые пять лет после введения мартеновского и бессемеровского  производств мировой выпуск стали  увеличился на 60%. [4]

Появление и развитие кислородно-конверторного способа производства стали.

   О целесообразности использования кислорода  при производстве стали в конвертерах  указывал ещё в 1876 русский металлург  Д. К. Чернов.

   Разумеется, были причины, по которым освоение этой технологии затянулось так надолго. Необходимо было накопить общие знания о процессе рафинирования горячего металла. Кислород в больших количествах  стал доступен только после 1928 г., когда  был открыт процесс Linde-Frankl. В то время такие компоненты, необходимые для успешной реализации в промышленных масштабах процесса выплавки стали, как высококачественные огнеупоры и средства автоматизации еще не были достижимы.

   Впервые в мировой практике продувка чугуна кислородом была осуществлена инж. Н. И. Мозговым на машиностроительном заводе «Большевик» в г. Киеве в 1933 году. В период 1937 – 39 гг. в АН УССР была проведена серия опытов по продувке кислородом чугуна в ковшах с целью снижения содержания кремния, марганца и углерода. [5, c. 19]

   В 1939—41 на Московском заводе станкоконструкций  проводились опыты по продувке чугуна сверху кислородом в 1,5-т ковше и  выплавлялась сталь для фасонного  литья.

   В 1944 г. продували чугун кислородом в конвертерах на Мытищинском  машиностроительном заводе «Динамо», а за период 1944 – 52 годы 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, а в 1955 – 1957 гг. введены в строй конвертеры на Днепропетровском и Криворожском металлургических заводах.

     В это же время в 1936-1939 г в немецком городе Оберхаузен, Леллепом проводились эксперименты по продувке снизу, но с добавлением кислорода для лучшего перемешивания ванны. За этой попыткой, предпринятой в однотонном конвертере, последовало повышение интенсивности верхнего дутья.

   В 1948 году Дуррером и Хельбрюгге испытывалась технология верхнего дутья кислородом, поступающим из нижней части боковой стенки конвертера под углом. Эти исследования были выполнены на двухтонном конвертере в Герлафингене (Швейцария). [6, c 70]

   Параллельно велись исследования и на заводе фирмы «Ферейнигте Эстеррейхиш Эйзен унд Штальверке» в Линце (Австрия). Из документов и служебной переписки инженеров завода в Линце следует, что здесь уже использовали кислород для повышения производительности в сталеплавильном цехе. Тренклер 24 ноября 1947 г. писал Хелльбрюгге: «К возможному варианту рафинирования кислородом мы хотели перейти уже давно, но у нас на это не было времени». В 1948 г. в Линце сначала провели опыты по вдуванию кислорода в мартеновскую и дуговую печи. Опыты дали ожидавшееся повышение производительности, но из-за очень сильного износа огнеупорного материала футеровки по экономическим причинам их приостановили.

   Чтобы ознакомиться с результатами опытов Дуррера и Хелльбрюгге, генеральная  дирекция в мае 1949 г. командировала  Тренклера в Герлафинген. В записке от 15 мая 1949 г. Тренклер сделал вывод: «Необходимо изучить продувку передельного чугуна на сталь кислородом также и в Линце».

   Для опытов по способу Дуррера или  по патенту Шварца, чтобы рафинировать сталь глубоким вдуванием кислорода в тигель была организована бригада инженеров. Уже 3 июня 1949 г. они начали опыты в опытном тигле емкостью 2,5 т.

  Краткая хроника опытов по разработке процесса LD в Линце в 1949 г. (опыты в опытном  тигле емкостью 2,5 т) приведена ниже [6, c. 71]:

 Дата                                          Примечания

15 мая Служебная записка Тренклера - необходимо исследовать продувку передельного чугуна кислородом в Линце

3 июня Начало первых опытов: первый опыт — фурма ошлаковалась, второй опыт — фурма разорвалась по сварному шву

9 июня Опыты в технологическом отношении прошли успешно, но металлургические результаты были неудовлетворительными

13 июня После первых опытов бригада решила провести систематизированное исследование отдельных проблемных вопросов — положения фурмы, конструкции фурмы, состава шлака, металлургических реакций, материала футеровки

17 июня Опыты с соплом Лаваля

22 июня Опыты с обычным соплом

25 июня Металлургические результаты (содержания N, Р) очень хорошие; износ футеровки под контролем - это уже можно считать днем рождения процесса LD; всего в опытном тигле емкостью 2,5 т провели 82 испытания

  Опробовали  различные сопла и разные расстояния от сопла до стальной ванны, причем от глубокого вдувания кислорода  в ванну отказались. Успех был  безусловным. Уже через три недели после начала этой серии опытов (25 июня 1949 г.) были получены первые плавки с безупречным химическим составом стали, и в первую очередь с очень низким (и воспроизводимым) содержанием серы и фосфора.

   Для опытов 25 июня 1949 г. выбрали новую футеровку и большее расстояние сопла от жидкой ванны (15 см). Было выяснено, что даже 2 % азота в кислороде для продувки ведут к получению слишком высокого содержания азота в стали, и уже тогда было регламентировано, что для производственной установки степень чистоты кислорода должна быть не менее 98 %. Поэтому дату 25 июня 1949 г. можно рассматривать как день рождения кислородно-конвертерного процесса LD.

   Опыты в 2,5-тонном тигле имели очень  важную показательность и в металлургическом отношении, и в отношении качества стали. Оставшаяся задача состояла в разъяснении вопроса, можно ли и как распространить технологию процесса на более крупные агрегаты в соответствии со служебной запиской Тренклера от 15 мая 1949 г.

   Чтобы выяснить этот вопрос и создать документальную основу для проектирования сталеплавильного цеха с продувкой в конвертере кислородом сверху (что в то время уже было видно на близком плане) на наружной стороне мартеновского цеха того времени соорудили продувочный стенд (рисунок). Он состоял из передвижного чугуновозного ковша емкостью 60 т, футерованного набивным магнезито- доломитом, на который насадили шлем наподобие конвертерного, а также наклонной листовой дымовой трубы, через которую можно было перемещать вертикально вверх и вниз подвижную продувочную фурму, вводя ее в тигель. Такая компоновка оказалась правильной и оправдала себя при производстве 15 т стали.

  Краткая хроника опытов по процессу LD в Линце  в 1949 г. (опыты в 15-тонном полупромышленном тигле) приведена ниже [6, c.72]:

   Дата                    Примечание

18августа Зуэсс (Зюс), Тренклер и Хауттман приняли решение провести опыты в 15-тонном опытном тигле; работа с полупромышленной установкой должна была начаться в январе 1950 г.

Октябрь Идут опыты в 15-тонном полупромышленном тигле; исследуемые параметры — конструкция фурмы, количество введенного кислорода, расход огнеупоров, качество стали, калькуляция издержек

9 декабря После 28 опытных плавок в 15-тонном полупромышленном тигле и представления первых результатов испытания прокатанного металла было принято решение о строительстве кислородно-конвертерного цеха с продувкой сверху; выплавленную марку стали предлагалось назвать LD

19ноября 1950 г .Опыты в 15-тонном полупромышленном тигле после 180 плавок были прекращены

  После преодоления мелких неполадок опыты позволили выполнить также и достаточно точную калькуляцию стоимости полученной стали. Можно было рассчитывать на заметное снижение стоимости выплавляемой стали по сравнению со стоимостью по мартеновскому процессу. Так как результаты эксплуатации и данные о качестве продукта были убедительными, 9 декабря 1949 г. приняли решение строить в Линце сталеплавильный цех LD. Имя стали, изготовленной по способу, разработанному в Линце, приняли LD (L — Линц, D — Duse, сопло).

   Сталеплавильный цех LD в Линце был запроектирован с двумя тиглями (конвертерами) емкостью по 30 т и одним миксером и после стадии проектирования и строительства, продолжавшихся менее 3 лет, вступил в строй 27 ноября 1952 г. как первый кислородно-конвертерный цех LD в мире [8, c 66].

   Примерно  в середине 1949 г. и в Донавице (Австрия), на заводе фирмы «Эстеррей-хиш-Альпине Монтангезелыиафт», начали проводить опыты по рафинированнию передельного чугуна в переделанном разливочном ковше небольшой емкости. В 1950 г. эти опыты продолжили в конвертерах емкостью 5 и 10 т и разработали способ плавки SK в кислородном конвертере (Sauerstoff-Konverter). Между инженерами в Линце и Донавице имелись контакты, и некоторые опыты они проводили вместе. Однако из служебных записок можно сделать вывод, что это сотрудничество ограничивалось только немногими испытаниями и обменом служебными записками. Результаты испытаний привели к строительству сталеплавильного конвертерного цеха SK в Донавице, где первая тонна стали SK была выпущена 22 мая 1953 г.

   Производственная  мощность конверторных цехов на этих двух австрийских заводах определялась свыше 1,2 млн. т слитков в год. В 1953 г. в Австрии было выплавлено более 300 тыс. т кислородно-конверторной стали, что составляло около 22% общего производства стали.

   В 1954 г. в Гамильтоне (Канада) на заводе фирмы «Дофаско» были введены  в эксплуатацию два 35—40-тонных кислородных  конвертора. После установки в 1956 г. на этом заводе третьего-конвертора емкостью 55 т годовая мощность кислородно-конверторного цеха определялась в 860 тыс. т стали. В 1954 г. в Трентоне (США) на заводе «Мак-Лаут стал» был также введен в эксплуатацию кислородно-конверторный цех с четырьмя конверторами садкой 45—60 т.

   Таким образом, к концу 1954 г. в капиталистических  странах уже работало 11 кислородных конверторов, в которых было выплавлено в 1955 г. более 1,5 млн. г стали.

   Первый  кислородно-конвертерный цех в СССР был введён в эксплуатацию в Днепропетровске  на металлургическом заводе им. Петровского в 1956. После началось активное строительство кислородно- конвертерных цехов по всему союзу.