Бессемеровский процесс

Схема конвертера Бессемера
Схема бессемеровского конвертера. Через расплавленный чугун продувают воздух, вызывающий окисление примесей и превращение чугуна в сталь.
Конвертер Бессемера в музее Kelham Island, Шеффилд, Англия

Бессеме́ровский процесс, бессемерование чугуна, производство бессеме́ровской стали — в настоящее время устаревший метод передела жидкого чугуна в сталь путём продувки сквозь него сжатого воздуха, обычного атмосферного или обогащённого кислородом. Процесс был предложен в Англии Генри Бессемером в 1856 году.

Операция продувки производится в бессемеровском конвертере. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению примесей, содержащихся в чугуне, — кремния, марганца и углерода (отчасти также железа) — кислородом воздуха дутья. Несмотря на возрастание (с окислением примесей) температуры плавления металла, он остаётся в жидком состоянии благодаря выделению тепла при реакциях окисления. Термин «бессемеровский процесс» обычно присваивают кислому конвертерному процессу, который ведут в агрегате с кислой футеровкой (кремнистый материал, динас)[1].

Позднее бессемерование стало применяться в цветной металлургии. В частности, в 1866 году русский изобретатель и инженер Василий Александрович Семенников (1831—1898)[2] впервые осуществил бессемерование медного штейна для передела его в черновую медь[3].

Технология

Течение бессемеровского процесса определяется химическим составом и температурой жидкого чугуна (так называемый бессемеровский чугун)[4].

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 возможности 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 %)[4].

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 %)[4].

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.

Малый бессемеровский процесс

Разновидностью бессемеровского процесса является малое бессемерование (малый бессемеровский процесс), проводимое в небольших конвертерах ёмкостью обычно 0,5—4 т, в которых воздух не пронизывает толщу металла, а направляется на его поверхность. При этом получается горячая сталь (1600—1650 °C) с относительно небольшим содержанием азота (примерно до 0,0075 %), используемая главным образом для тонкостенного и мелкого фасонного стального литья; жидкий чугун для малого бессемеровского процесса готовится в вагранках.

В России

Первые в отечественной металлургии опыты по производству стали бессемеровским способом проводились в конце 1860-х годов на Воткинском заводе под руководством А. А. Иоссы. В 1868 году Иосса направил директору Горного департамента В. К. Рашету докладную записку, обосновывая в ней необходимость проведения дополнительных опытов по выплавке стали мартеновским способом. Из-за задержки финансирования эти опыты начались на Воткинском заводе уже после отъезда Иоссы на Пермский сталепушечный завод[5][6][7][8].

Изначально при бессемеровском процессе использовались только высококремнистые чугуны. Чугун с малым содержанием кремния считался непригодным для бессемерования. В начале 1870-х годов почти одновременно металлурги Д. К. Чернов на Обуховском заводе и К. П. Поленов на Нижнесалдинском заводе разработали технологию бессемерования низкокремнистых чугунов, предложив производить их предварительное расплавление и перегрев в вагранке до заливки в конвертор[9][10].

Бессемеровские конверторы работали в России до конца 1990-х годов на Чусовском металлургическом заводе[11].

Примечания

  1. ↑ Бессемер, Генрих // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  2. ↑ Ванюков В. А. Роль русских инженеров в развитии металлургии меди // в кн.: Русские ученые в цветной металлургии. — Москва, 1948.
  3. ↑ Яковлев В. Б. К истории бессемерования штейнов // Вопросы истории естествознания и техники. — 1957. — № 3.
  4. ↑ 1 2 3 Квитко М. П., Афанасьев С. Г. Кислородно-конвертерный процесс. — Москва: Металлургия, 1974. — 343 с.
  5. ↑ Заболоцкий Е. М. Иосса Александр Александрович // Горное ведомство дореволюционной России: Очерк истории: Биографический словарь — М.: Новый хронограф, 2014. — С. 105. — 280 с. — 300 экз. — ISBN 978-5-94881-279-3
  6. ↑ Иосса Александр Александрович / Микитюк В. П. // Уральская историческая энциклопедия : [арх. 20 октября 2021] / глав. ред. В. В. Алексеев. — 2-е изд., перераб. и доп. — Екатеринбург : Издательство Академкнига; УрО РАН, 2000. — С. 232. — 640 с. — 2000 экз. — ISBN 5-93472-019-8.
  7. ↑ Иосса Александр Александрович // Инженеры Урала: Энциклопедия / под ред. Н. И. Данилов — Екатеринбург: Уральский рабочий, 2001. — С. 224. — 696 с. — 3000 экз. — ISBN 5-85383-203-4
  8. ↑ Иосса (Jossa) Александр Александрович // Немцы России : энциклопедия : в 3 т. / пред. редкол. В. Караев — М. : Общественная Академия наук российских немцев, 1999. — Т. 1 : А–И. — С. 820. — 832 с. — 5500 экз. — ISBN 5-93227-002-0.
  9. ↑ П.И. Полухин. Технология металлов и сварка. — М.: Высш. Школа, 1977. — С. 28.
  10. ↑ Жизненный путь и научное творчество Д.К. Чернова. Дата обращения: 21 февраля 2019. Архивировано 21 февраля 2019 года.
  11. ↑ Растворивашаяся целлюлоза. Как подставной инвестор помог выдавить с уральского завода тысячи людей. Архивная копия от 23 февраля 2023 на Wayback Machine Рамблер. 21 сентября 2018 года.

Литература