Производство стали в конвертерах с основной футеровкой (томасовский процесс)
Способ получения стали в конвертере с основной футеровкой появился вследствие необходимости переработки высокофосфористых чугунов, которые получаются из фосфористых руд, достаточно распространенных по земной коре. В России имеются большие запасы таких руд (Керченское месторождение).
Для перевода в шлак фосфора в виде P2O5, образующегося за счет окисления кислородом воздуха при продувке чугуна, футеровку конвертера изготовляют из основных огнеупорных материалов. Стены конвертера выкладывают из магнезитового кирпича, а днище футеруют смесью доломита с каменноугольной смолой. В качестве флюса для образования шлака применяют свежеобожженную известь в кусках с минимальным содержанием кислотных окислов SiO2 и Аl2O3.
В томасовском чугуне содержание кремния желательно иметь не более 0,5%, так как повышенное содержание его в чугуне приводит к увеличению расхода флюсов на нейтрализацию кремнезема.
Процесс плавки стали в томасовском конвертере ведут следующим образом: в конвертер сначала загружают известь, затем заливают чугун, пускают дутье и поворачивают конвертер в вертикальное положение.
По закону действующих масс в первую очередь будет окисляться железо по реакции
Образующаяся закись железа растворяется в металле и окисляет примеси. Процесс плавки разделяется на отдельные периоды.
Первый период плавки характеризуется окислением кремния и марганца. Образующийся кремнезем SiO2 связывается с окисью кальция по реакции
и переходит в шлак.
Закись марганца (MnO) и часть закиси железа (FeO) также переходят в шлак. В этот период металл нагревается. Когда металл нагревается, начинается второй период, который характеризуется интенсивным выгоранием углерода по реакции
Содержание углерода снижается до минимальных пределов и металл охлаждается. После этого наступает третий период, который характеризуется окислением фосфора и повышением температуры металла.
В третий период идут следующие основные реакции:
При окислении фосфора и связывании его окислов выделяется значительное количество тепла и металл быстро нагревается. Образующийся фосфат кальция переходит в шлак.
После окисления фосфора и перевода его в шлак, конвертер поворачивают в горизонтальное положение, отключают дутье и сливают шлак. Сливание шлака является обязательной операцией. Фосфор и закись железа из шлака могут переходить в металл.
После того как шлак слит, металл раскисляют или раскисляют и науглероживают. При томасовском процессе имеет место некоторое удаление серы в шлак за счет реакций
Сернистый марганец, всплывая на поверхность металла, на границе металл — шлак вступает во взаимодействие с CaO по реакции
В шлаке имеется повышенное содержание закиси железа и закиси марганца, поэтому эти реакции имеют обратимый характер, вследствие чего используют чугун с малым содержанием серы. После раскисления, или раскисления и науглероживания сталь из конвертера выпускают в ковш и из ковша разливают в изложницы на слитки.
Сталь, выплавленную в конвертере с основной футеровкой, применяют для проката листового железа, проволоки и сортового железа. После добавки углерода и марганца из этой стали прокатывают рельсы для узкой колеи.
Шлаки при томасовском процессе получают с содержанием фосфора до 10%. Их используют для получения минерального удобрения или как флюс при доменной плавке при получении высокофосфористых чугунов.
Процесс продувки чугуна в конвертерах имеет ряд преимуществ перед другими процессами получения стали, а именно: высокую производительность конвертеров, простоту устройства их, небольшие капитальные расходы и не требует расхода топлива и энергии для нагрева металла.