Окисление примесей чугуна кислородом подаваемого снизу воздуха и выделяемое при этом тепло обеспечивают превращение чугуна, нагретого до 1250—1350 °С, в жидкую сталь с температурой 1590—1650 0C.
Плавка состоит из следующих этапов: заливки чугуна через горловину (при горизонтальном положении конвертера, чтобы не залить сопла металлом); пуска дутья и одновременного поворота конвертера в вертикальное положение; продувки металла воздухом, состоящей в общем случае из трех периодов (шлакообразования, обезуглероживания, передувки); повалки конвертера (установки его в горизонтальное положение) и прекращения дутья; слива металла в ковш и его раскисления (в конвертере или в ковше).
На рис. 4.2 показано изменение состава металла, шлака, отходящих газов и температуры по ходу нормальной бессемеровской
Рис. 4.2. Ход нормальной бессемеровской плавки:
Тнр — время продувки, мин; Одут — интенсивность подачн кислорода дутья в ванну, м3”(т. мин); Onl и Oc — расход кислорода на окисление шлакообразующих элементов (Si, Mn, Fe) и углерода, м3/(т-мин); tM и ^llllts — температура металла и ликвидуса, °С; I. II, III — периоды продувки ванны
Плавки, проведенной практически без присадок материалов, корректирующих нагрев ванны. При обычной плавке с оптимальной температурой футеровки в начале продувки (около IOOO0C) и чугуна (около 13000C), нормальным его составом тепло, выделяемое в процессе окисления примесей, обеспечивает необходимую температуру готовой жидкой стали (около 16000C).
В первом периоде продувки интенсивно окисляются кремний и марганец и сравнительно медленно (или практически не окисляется) углерод. Это обусловлено тем, что при низких температурах и соответствующих концентрациях элементов в металле максимальная работа реакции окисления углерода значительно меньше, чем реакций окисления кремния и марганца. На интенсивность и последовательность окисления примесей металла влияют не только термодинамические факторы, но и факторы массопереноса кислорода к местам протекания реакции, скорость которого в первом периоде относительно мала на поверхности раздела металл — пузырьки СО. В начале процесса окисленное в первичных реакционных зонах (вблизи струй воздуха) железо не полностью восстанавливается во вторичных зонах, так как при низких температурах скорость массопереноса кислорода и вторичных реакций несколько отстает от скорости окисления железа в области продувки. По этой причине часть железа необратимо окисляется, и в шлаке увеличивается
Содержание FeO (оно снижается лишь к концу первого периода).
Первый период назван периодом шлакообразования, так как в это время формируется кислый шлак, насыщенный кремнеземом. Длительность периода растет с повышением [Si]чуг и с уменьшением начальной температуры чугуна и составляет 2—5 мин. Вдуваемый в ванну кислород воздуха в основном расходуется на окисление шлакообразующих элементов Si, Mn и Fe (см. рис. 4.2), что обусловливает резкий подъем температуры металла (до 1450— 1500 0C) и его перегрев выше линии ликвидус (до 300 °С).
В первом периоде основной составляющей отходящих газов является азот, так как количество окисленного углерода и образовавшихся СО и CO2 невелико. Большое значение суммы {02 + С02} в отходящих газах (иногда превышает 10 %) свидетельствует о холодном ходе плавки. Эта сумма является своеобразным химическим термометром процесса.
Во втором периоде продувки при температуре металла, превышающей 1400—1450 0C, и соответствующих концентрациях в нем Si, Mn и С создаются благоприятные термодинамические и кинетические условия для преимущественного окисления С. В этом периоде из горловины конвертера вырывается ослепительно яркое пламя (его температура превышает 2000 0C), что обусловлено догоранием СО до CO2 за пределами горловины. В конце периода температура металла близка к 1600 0C. Длительность периода зависит от интенсивности продувки и составляет 8—13 мин.
Как видно из рис. 4.2, на окисление углерода расходуется практически весь кислород вдуваемого в ванну воздуха и часть кислорода ранее накопившейся в шлаке закиси железа (область Oc уходит ниже оси абсцисс, так как Ос>Од). В шлаке увеличивается концентрация SiO2 в результате размыва футеровки. Содержание в шлаке FeO и MnO уменьшается, так как эти окислы разбавляются кремнеземом и расходуются па окисление углерода. В конце периода формируется характерный для бессемеровского процесса конечный шлак следующего состава, %: 50—65 SiO2, 20—25 FeO; 6— 10 MnO; 6—10 других окислов. Количество шлака составляет 6— 8 % от массы металла.
Во втором периоде температура металла повышается медленнее, чем в первом, так как при продувке воздухом количество тепла реакции окисления углерода, идущего на нагрев металла, существенно меньше используемого тепла реакции окисления кремния (на единицу массы окисленного элемента).
Третий период продувки отличается интенсивным, необратимым окислением железа и выделением бурого дыма. Начинается период при [С] менее 0,1 %. В это время резко растут (FeO)1 температура металла и содержание азота в газах и металле, увеличивается окисленность стали.
Продувку заканчивают во втором периоде, так как при передув – ке металла ухудшается его качество (повышаются содержание [О], [N], угар раскислителей и количество неметаллических включений в стали) и снижается выход годного за счет дополнительного угара железа.