Эволюция конвертерного производства стали: от зарождения к современной практике

Конвертерное производство стали (Basic Oxygen Steelmaking — BOS) — это процесс получения стали путем продувки чистого кислорода (O₂) в ванну жидкого металла, находящуюся в сосуде, известном как конвертер основного кислородного производства (Basic Oxygen Furnace — BOF), LD-конвертер или просто конвертер.

Исторические корни сталеварения

История сталеварения началась в XIX веке, когда Реомюр (Франция) в 1772 г., Келли (США) в 1850 г. и Бессемер (Великобритания) в 1856 г. открыли способы улучшения чугуна путем контроля углеродного состава железных сплавов, которые таким образом стали настоящими сталями. В то время как Реомюр, химик, двигался научным любопытством, Келли и Бессемер, будучи инженерами, отвечали на потребность в больших объемах и лучших качествах стали, которую создала промышленная революция с ее ткацкими станками, паровыми машинами, механизмами и железными дорогами. Это зародило диалектическую связь между наукой и технологией, и были изобретены базовые концепции очистки чугуна путем окисления углерода (C) в жидкой ванне.

Это стало радикальным изменением по сравнению с газо-твердыми реакциями в шахтных печах — предшественниках доменных печей, которые восстанавливали железную руду углем, — или от пудлинга железа, представлявшего собой технологию ковки и очистки в твердом состоянии, не имеющей аналогов в настоящее время. Интенсивность инноваций во второй половине XIX века была впечатляющей и привела к смене парадигмы. Сталеварение в конвертере Бессемера появилось в 1856 г., мартеновская печь, способная плавка лома в дополнение к очистке чугуна, была открыта всего через девять лет после конвертера Бессемера — в 1865 г., а основной конвертер Томаса — через двенадцать лет позже, в 1877 г. Конвертер Томаса использовал воздух для очистки жидкого металла.

От конвертера Бессемера к кислородному производству

Воздушно-продуваемый конвертер, изобретенный Бессемером в 1856 г., считается первым современным процессом сталеварения. В 1877 г. был разработан процесс Томаса — модификация процесса Бессемера, позволяющая обрабатывать жидкое железо с высоким содержанием фосфора. В процессе Томаса фосфор (P) окислялся в так называемом «допродуве» после удаления большей части углерода из ванны. Мартеновский процесс, также называемый процессом Сименса-Мартина (SM), развивался почти одновременно с процессом Томаса. Мартеновский процесс использовал регенеративный теплообмен для предварительного нагрева воздуха в горелке и позволял генерировать достаточно тепла для плавки и очистки твердого стального лома и чугуна в ревербераторной печи. К 1950-м годам, когда на горизонте появилось кислородное конвертерное производство, сталеварение основывалось преимущественно на мартеновской технологии. Чугун и лом заряжали в большие горизонтальные печи, где горелки обеспечивали энергию для плавки лома. Кислородные (O₂) ланзы использовались для повышения эффективности горелок и удаления углерода (C) и кремния (Si) из чугуна. Мартеновский процесс был аллотермическим, поэтому внешняя энергия должна была поступать в печь. Типичные циклы «выплавка-выплавка» составляли восемь часов для объемов 200–250 тонн жидкой стали.

Следующим крупным инновационным шагом в сталеварении, последовавшим за изобретением электроэнергии, стал процесс электродуговой печи (ЭДП). ЭДП был внедрен Эролем в Ла-Праз около 1900 г. в алпийских долинах близ источников новой энергии, поскольку в то время передача электроэнергии на большие расстояния еще не была осуществима. Технология ЭДП базировалась на использовании энергии-заменителя угля и плавке лома в еще больших количествах, чем в мартеновской печи. Процесс ЭДП был признан заложившим основы экономики переработки.

Зарождение идеи кислородного конвертерного производства

Концепция BOS восходит к 1856 г., когда Генри Бессемер запатентовал процесс сталеварения с продувкой кислорода для декарборизации жидкого железа (британский патент № 2207). В то время не существовало метода поставки необходимого количества кислорода. Коммерческие объемы O₂ были недоступны или слишком дороги, поэтому изобретение Бессемера осталось только на бумаге. Сталеварение путем продувки чистого кислорода стало практикуемым в 1928 г., когда компания Linde разработала метод (процесс Линде-Франкеля) для поставки чистого O₂ в больших количествах. Благодаря успеху процесса Линде-Франкеля O₂ также стал гораздо дешевле, так что оба предварительных условия (наличие больших объемов и дешевизны кислорода) для внедрения процесса BOS были выполнены.

И в Европе, и в США эксперименты с O₂ проводились многократно. Среди работавших с высокочистым O₂ был Отто Леллеп, но его концепция «вертикальной продувки O₂ на ванну жидкого железа» оказалась неудачной. По свидетельству Хуберта Хауттмана, участвовавшего в экспериментах Леллепа между 1936 и 1939 гг. в Gutehoffnungshütte, намерением было преобразовать жидкое железо продувкой чистого O₂ через форсунку в дне конвертера. Получаемая таким образом сталь была ужасного качества.

Во время Второй мировой войны инженеры К.В. Шварц (Германия), Джон Майлз (Бельгия), Р. Дюррер (Швейцария) и Хайнрих Хельбрюгге (Германия) предложили свои варианты кислородного сталеварения, но только Дюррер и Хельбрюгге довели их до уровня массового производства.

Карл Валериан Шварц подал патентную заявку в 1939 г. на продувку кислорода в ванну со сверхзвуковой скоростью. Но этот метод также «еще не был способен производить пригодную сталь». Хотя более поздний Линц-Донавицкий (LD) процесс имел сходства с патентом Шварца, его характерные черты отличались (например, «центральная вертикальная продувка»). Несомненно, из-за начала Второй мировой войны технология, описанная в патенте Шварца, не привела к практическим применениям. Также в конце 1930-х годов Роберт Дюррер (Швейцария) начал собственные эксперименты.

Индустриальная апробация и рождение LD-процесса

После войны Хайнрих Хельбрюгге и Роберт Дюррер (технический директор Roll’schen Eisenwerke) продолжили эксперименты в Roll’schen Eisenwerke в швейцарском городе Герлафинген. Фотография первого конвертера с верхним продувом кислорода в Герлафингене показана на рис. 1.

Именно Дюррер заложил базовые теоретические принципы и посоветовал VÖEST продувать O₂ сверху в отдельном сосуде после установления контакта между Герлафингеном и VÖEST для промышленного технического сотрудничества. Серия экспериментов на 2-тонном опытном конвертере началась 3 июня 1949 г. на территории VÖEST. После серии первоначальных неудач команда в Линце достигла прорыва уже 25 июня 1949 г., когда давление O₂ было снижено, а кончик продувочной ланзы отодвинут дальше от ванны, чтобы струя O₂ не проникала так глубоко. С этим прорывом была получена сталь, которую можно было прокаткивать в лист без проблем. Опытный отдел VÖEST изучил эту сталь и дал очень положительную оценку. Это был момент рождения процесса сталеварения в LD-конвертере. Эксперименты продолжались до производства нескольких сотен 2-тонных загрузок, после чего перешли к специально построенному 15-тонному опытному конвертеру, установленному на открытом воздухе. Первая партия была получена 2 октября 1949 г. Новый марка стали подвергалась постоянным металлургическим и другим испытаниям.

Ключевым фактором этой инновации было движение жидкой ванны. До этого считалось невозможным получить достаточное движение ванны без продувки O₂ на большой глубине. Но это движение было достигнуто очень удовлетворительным образом за счет образования CO (угарного газа). Принцип «мягкой продувки» также способствовал образованию FeO, которое в свою очередь всасывало окисленные примеси для формирования шлака. Это помогло в производстве отличной новой марки стали.

Помимо Roll’schen Eisenwerke в Герлафингене и VÖEST, интерес к процессу кислородной продувки или хотя бы кислородной металлургии в целом в мае 1949 г. проявили Mannesmann AG в Дуйсбург-Хуккингене и ÖAMG (Donawitz). Во время экспериментов в Линце и после демонстрации процесса 17 июня 1949 г. был согласован точный раздел труда. VÖEST должна была продолжить работу с чугуном Линца в гораздо более крупной очистной емкости, Mannesmann — экспериментировать с кислородной продувкой томасовской стали, Roll’schen Eisenwerke — изучать использование O₂ в ЭДП, а ÖAMG — проводить испытания с O₂ в низкошахтной доменной печи. Соглашение обязывало всех участников кислородной металлургии «не выпускать никаких заявлений и не передавать никакой информации за пределы своих компаний относительно деталей кислородной очистки, ставших им известными или выводов, к которым они могли прийти во время обсуждений в Линце 17 июня 1949 г.».

На основе соглашения вскоре стало очевидно из экспериментов в Донавице, что использование кислорода в шахтных печах бессмысленно, после чего компания начала исследовать другие подходы. Процесс, разработанный в Донавице для восстановления шлака с высоким содержанием марганца продувкой O₂, привел к осознанию, что только продувочный процесс с чистым O₂ должен рассматриваться для планов расширения и рационализации сталеварения в Донавице. После обширных исследований и успешной разработки на 5-тонном или 10-тонном опытном стенде, с кислородом, поставляемым во время первых тестов из баллонов, соединенных последовательно, руководство компании решило построить новый сталелитейный завод, готовый к эксплуатации через два года. Инженеры Донавицы изначально назвали свой процесс «SK» от немецких инициалов «Sauerstoff Konverter» (Кислородный конвертер). Этот термин помогал различать деятельность VÖEST и ÖAMG в определенной степени.

9 декабря 1949 г. тогдашний управляющий директор VÖEST Хайнрих Рихтер-Бром принял рискованное решение о строительстве первого LD-сталелитейного завода. Незадолго до этого и после прояснения вопросов производственных методов для более твердых марок стали, было решено построить LD-завод в Донавице. Первые патенты на процесс поданы в 1950 г.

В ежегодном отчете по НИР и контролю качества за 1951 г. заявлялось: «В отчетном году обширные исследовательские работы посвящены LD-маркам стали, и опубликована публикация. От этого типа стали ожидается большой потенциал в плане качества, и в частности она позволит производить сталь с качественной поверхностью, сочетающейся с хорошей холодной формовочностью. Это особенно важно для производства тонколистовой стали, где до сих пор хорошая холодная формовочность была возможна только при принятии определенных поверхностных дефектов (марки угашенной стали). Но сталь с более высокой пределом текучести также может быть получена крайне выгодно процессом кислородной очистки».

К 1951 г. в Линце стало возможно очищать чугун чистым O₂ в сталеварении в инновационный, операционно надежный процесс для производства качественной стали массового производства. Официальное объявление о новом процессе впервые сделано в декабре 1951 г. на конференции «Очистка стали чистым кислородом» Аврийского общества металлургов в Леобене. На конференции Роберт Дюррер заявил, что два металлургических завода (Линц и Донавиц) развили концепцию продувки высокочистого O₂ в местный чугун до жизнеспособного промышленного процесса и поздравил их с этим большим успехом. С этим объявлением Австрия стала первой страной, производившей сталь в промышленных масштабах из чугуна путем продувки чистого O₂. Поперечное сечение LD-конвертера до и во время продувки O₂ в ванну жидкого металла показано на рис. 2.

27 ноября 1952 г. первый конвертер был введен в эксплуатацию на LD-сталелитейном заводе 1 (рис. 3) в Линце — веха в сталеварении по принципу продувки кислорода. 5 января 1953 г. этот LD-сталелитейный завод, первый в мире, был официально открыт. К 17 июня 1953 г. LD-сталелитейный завод 1 в Линце уже произвел 100 000 тонн LD-стали, а к началу декабря 1953 г. — 250 000 тонн стали. Второй LD-сталелитейный завод начал работу 22 мая 1953 г. в Österreichisch-Alpine Montangesellschaft (ÖAMG) в Донавице. Процесс, доведенный до полной эксплуатационной зрелости, превзошел все ожидания как по качеству производимой стали, так и по экономической эффективности.

Исключительно благоприятные металлургические условия этого процесса давали чугун, свободный от O₂, поэтому деоксидация не требовалась. Сталь была низкогазной, низкоазотистой (N₂), свободной от фосфора (P), серы (S) и нежелательных примесей. По техническим свойствам, особенно холодной формовочности, сталь, произведенная в LD-конвертере, была явно превосходнее стали, произведенной мартеновским процессом. LD-процесс также позволял производить конструкционные марки стали выдающегося качества. Сталь из LD-конвертера давала отличные результаты в сварных конструкциях под очень тяжелыми нагрузками. Широколентяные рулоны стали из LD-конвертера поставлялись в больших объемах на холоднокатные станы как в Германии, так и за рубежом.

Аббревиатура LD для Линц-Донавиц, которая обычайно используется сегодня, официально принята в 1958 г. Название LD выбрано, так как VÖEST в Линце и ÖAMG в Донавице довели его до промышленной зрелости.

Мировое распространение LD-процесса

В августе 1954 г. Dominion Foundries & Steel, Ltd. Канада стала первой корпорацией за пределами Германии, explotирующей LD-сталелитейный завод. У нее было два 60-тонных конвертера. В том же году последовала McLouth Steel Corp. в США, запустившая свой LD-завод с помощью директора завода VÖEST Рудольфа Ринэша. В сентябре 1956 г. третьей компанией за пределами Германии, начавшей LD-эксплуатацию, стала Société des Aciéries de Pompey, Франция, с 15-тонным конвертером. В 1957 г. введено в эксплуатацию пять LD-заводов в ФРГ, Японии, Бразилии и США; в 1958 г. — еще пять; в 1959 г. — два в Руоркле (Индия); в 1960 г. — восемь. В 1960 г. LD-заводов в строительстве было больше, чем построено к тому моменту, в США, Японии, Испании, Португалии, Италии (расширение существующего завода), ФРГ, Бразилии, Англии, Шотландии, Норвегии, Аргентине, Австралии (1961) и Франции.

Техническое совершенствование процесса

Технические инновации в предшествующих производственных процессах, особенно в очистке и литейных процессах, были необходимы для достижения непрерывного улучшения уровней качества сталей, требуемых для различных применений. В связи с этим в процессе BOS с момента ввода в эксплуатацию первого LD-конвертера в Линце происходило непрерывное обновление.

Исходный LD-процесс состоял в продувке O₂ поверх жидкого железа через водохлаждаемую форсунку вертикальной ланзы. В 1960-е годы сталевары начали работать над конвертерами с нижним продувом и внедрением продувки инертного газа для перемешивания жидкого металла в конвертере и удаления фосфорных примесей.

В начале 1970-х годов дальнейшее развитие BOS-сталеварения произошло с нижней продувкой кислорода через форсунки, защищенные углеводородным газом или мазутом. Получив опыт с этими двумя типами конвертеров, были разработаны сосуды с комбинированным верхним и нижним продувом. В конце 1970-х годов в конвертере BOS-процесса была внедрена смешанная продувка. Большинство конвертеров, используемых в мире сейчас, являются комбинированного типа.

В верхнепродуваемых конвертерах в расплаве при продувке O₂ возникают неоднородности по химическому составу и температуре из-за отсутствия перемешивания в металлической ванне. Существует относительно мертвая зона прямо под полостью струи в конвертере. Необходимость улучшить сталеварочный процесс в верхнепродуваемом конвертере привела к разработке комбинированного продувочного процесса. Первой коммерчески принятой практикой комбинированной продувки был процесс LBE (Lance Bubbling Equilibrium), разработанный ARBE-IRSID. Этот процесс гораздо ближе к процессу BOF, поскольку весь кислород поставляется из верхней ланзы. Комбинированный аспект продувки достигается за счет набора пористых элементов, установленных в дне конвертера, через которые продувается аргон или азот. В процессе LBE азот обычно используется почти исключительно на большей части продувки в диапазоне 3–11 нм³/мин. Однако в последней части продувки, когда всасывание азота может создать проблему, для перемешивания используется аргон. Кроме того, аргон используется почти исключительно как инертный газ для постпродувательного перемешивания, при этом расход увеличивается до 10–17 нм³/мин.

Очистка и использование конвертерного газа

В ранние годы процесса LD-конвертера конвертерный газ полностью сгорал у устья конвертера через открытый кожух, а затем охлаждался в трубе либо косвенно водой, либо испарительной системой охлаждения. В то время на тонну грубой стали производилось около 300 кг пара и 250 нм³ отходящего газа.

Экологические аспекты были серьезным вызовом для конвертерного процесса в момент его промышленного внедрения в 1950-х годах. Мелкодисперсность пыли в конвертерном газе заставила поставщиков процесса разработать новые системы выдепывания. 1 г конвертерной пыли имеет видимую площадь поверхности 300–500 м². Чтобы вообще избежать оптического эффекта «бурых дымов», пыль должна быть удалена из системы до уровня менее 100 мг/м³. Для этого использовались как влажные, так и сухие системы выдепывания. Вызов становился все более возможностью для конвертерного процесса по мере роста экологических требований. И эта возможность помогла в разработке системы восстановления конвертерного газа с подавленным сгоранием. Сегодня экономические и экологические требования диктуют сбор и эффективную переработку энергии конвертерного газа и железосодержащей пыли.

В начале 1960-х годов были разработаны процессы восстановления этого высококалорийного верхового газа конвертера для использования в качестве газифицированного топлива внутри завода. Это достигнуто за счет подавленного сгорания. Оборудование, устанавливаемое над устьем конвертера, выполняет функции охлаждения, очистки и восстановления конвертерного газа с помощью подавленного сгорания. При подавленном сгорании верхового конвертерного газа восстанавливается 70–100 нм³ конвертерного газа на тонну грубой стали с калорийностью 1600–2000 ккал/нм³. Кроме того, при адаптации испарительной системы охлаждения верхового газа производится 80 кг/т грубой стали пара.

В ранние дни сталеварения конвертерным процессом бурые дымы из трубы указывали на работу конвертера. Сегодня, благодаря системе восстановления и очистки конвертерного газа, работа конвертера детектируется только по факелу.

Модернизация оборудования и современное состояние

С 1977 г. внесено ряд улучшений в конструкцию самого конвертерного сосуда, в огнеупорные материалы и практику их применения, в конструкцию кислородной ланзы и донных форсунок, что вносило огромный вклад в повышение эффективности сталеварения и снижение удельного расхода сырья и огнеупоров, все это полезно для продления срока службы печи до нескольких тысяч загрузок.

Сегодня размер конвертера увеличился, доступны крупные конвертеры вместимостью до 350 метрических тонн железа. В 2014 г. из мирового общего объема производства грубой стали 1669 млн т, производство грубой стали процессом BOS составило 1229 млн т, что означает 73,7% от общего мирового объема сталеварения.