Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой заключается в продувке жидкого чугуна кислородом, подводимым к металлу сверху через сопла водоохлаждаемой фурмы. При этом выгорают примеси чугуна - углерод, кремний, марганец, сера, фосфор и т.д.
Длительность плавки составляет всего 35-55 минут. Но за это сравнительно небольшое время необходимо не только уменьшить содержание углерода в металлическом расплаве примерно в 50 раз, но и удалить из него вредные примеси, в первую очередь довести содержание серы и фосфора до уровня, не превышающего допускаемое содержание этих элементов в готовой продукции. Поэтому возможность получения качественной конвертерной стали в значительной мере определяется быстротой наведения шлака, физико-химическими свойствами его и степенью их стабильности, что в свою очередь зависит от состава, количества и порядка ввода шихтовых материалов в плавильный объем конвертора.
Шихтовые материалы, применяемые для выплавки стали, должны быть сухими, взвешенными и тщательно подготовленными для ввода в ванну. Они состоят из двух основных частей: металлической и неметаллической.
Металлическая часть шихты, применяемой для выплавки стали, образуется из передельного жидкого чугуна и стального лома.
Жидкий чугун перед заливкой в конвертер необходимо обработать на установке десульфурации чугуна, что позволяет уменьшить содержание серы в два-три раза. Также в передельном чугуне должно находиться не более 0,65% Si и 0,2% Mn.
Количество стального лома в составе металлической части шихты целесообразно сохранять на уровне 22-25% от ее массы. Качество лома значительно влияет на производительность печи, содержание в стали примесей и выход жидкого металла. Использование оборотного лома, свободного от нежелательных примесей, гарантирует получение плавки с химическим составом, соответствующим требованиям стандарта.
Неметаллическую часть шихты составляют известь, плавиковый шпат, железная руда (агломерат, окатыши). Скорость и степень, растворения извести в шлаке, качество шлака контролируются при производстве стали многими параметрами.
Высокая температура ванны в начале продувки и высокая степень обезуглероживания, обеспечивающие интенсивное перемешивание расплава, существенно усиливают шлакообразование.
Увеличение содержания в шлаке двуокиси кремния сверх оптимальных значений (~20%) весьма отрицательно сказывавается на растворении извести: ее куски покрываются оболочкой ортосиликата кальция (2CaO·SiО2), препятствующей проникновению внутрь их растворителей. Оптимальным для чугуна является содержание кремния, удовлетворяющее отношению Mn/Si = 0,9÷1,2. Фактическое содержание Si в чугуне ЧерМК 0,6-0,9%, а Mn~0,2%, что отрицательно сказывается на шлакообразовании.
Шихтовые материалы загружают в конвертер только в том случае, когда он по своим техническим данным готов к выплавке 
. После заливки чугуна конвертер устанавливают вертикально, опускают фурму и начинают продувку ванны кислородом. Кислород чистотой не менее 99,5% включают при входе фурмы в горловину конвертера. Если через 20 сек после подачи кислорода плавка не «зажглась», операцию повторяют. Устойчивое «зажигание» плавки дает основание к опусканию «юбки» на конвертер с системой отвода газов без дожигания. Одновременно плавно опускают фурму до 2,5-3,0 м над уровнем спокойной ванны. По истечении 3-4 мин фурму опускают до 1,5-1,7 м над уровнем ванны до окончания продувки. Изменение положения фурмы над условным уровнем спокойного металла при продувке ванны ускоряет процесс образования шлака.[4]
Интенсивность продувки - важнейший параметр работы конвертера. При производстве автомобильной стали целесообразно применять интенсивность продувки ванны в пределах 6-7м3/(т·мин) кислорода.
В месте контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо: 2[Fе] + {О2} =2(FеО), поскольку концентрация железа в ванне во много раз выше концентрации других элементов. Образующиеся при этом окислы железа, растворяясь в металле, передают кислород примесям ванны, окисляя их по реакциям (или непосредственно передают кислород примесям):
(FеО) + [Мn] = (МnО) + [Fе];
2(FеО) + [ Si] = (SiО2) + 2[Fе];
[FеО] = [Fе] + [O];
[С] + [О] = {СО};
[Мn] + [О] = (МnО) и др.
В течение первой половины процесса продувки начинается одновременное окисление кремния, марганца и углерода, причем весь кремний и большая часть марганца выгорают в первые минуты продувки. Быстрое окисление этих элементов объясняется их высоким сродством к кислороду при сравнительно низких температурах (ниже 1450- 1500° С). Но уже после 2-5 мин продувки практически весь вводимый в ванну кислород расходуется на окисление углерода.
Во второй половине продувки при повышении температуры металла и в результате возрастания сродства углерода к кислороду происходит частичное восстановление марганца из шлака углеродом:
(МnО) + [С] = [Мn] + {СО}- Q.
А реакция окисления кремния в кислородном конвертере является необратимой, поскольку образующаяся окись кремния связывается в основном шлаке в прочное соединение (СаО)2· SiO2.
Углерод в кислородном конвертере окисляется преимущественно до СО; до СО2 окисляется менее 10% С, содержащегося в чугуне.
Благоприятные условия в кислородном конвертере для удаления фосфора следующие: раннее шлакообразование; интенсивное перемешивание металла и шлака; возможность получения шлаков с высокой окисленностью и основностью, что необходимо для успешного протекания реакции дефосфорации:
2 [Р] + 5 (FеО) + 4 (СаО) = (СаО)4 ∙ Р2O5 + 5Fе + Q.
Удаление фосфора из металла начинается уже с первых минут продувки, что объясняется быстрым формированием железистого шлака в высокотемпературной реакционной зоне. Поскольку реакция удаления фосфора сопровождается выделением тепла, дефосфорация наиболее интенсивно протекает в первой половине продувки при сравнительно низкой температуре металла.
Десульфурация главным образом происходит на установке десульфурации чугуна. В конвертерной плавке десульфурация получает ограниченное развитие. Слабое развитие десульфурации объясняется также тем, что шлаки высокой основности (более 2,5) получаются лишь во второй половине продувки.
Тепло при конвертерной плавке в основном выделяется вследствие окисления углерода и кремния. В течение первой половины процесса продувки в результате окисления кремния выделяется 60-65% химического тепла, развивающегося в расплаве. В результате окисления углерода выделяется 40-45% тепла, возникающего за все время продувки ванны; остальное вносит окисление марганца и железа. Роль кремния, в тепловом балансе плавки возрастает в случае увеличенного расхода металлолома, который, охлаждая расплав, сдерживает окисление углерода.
Основным фактором, влияющим на содержание азота в кислородно-конвертерной стали, является концентрация азота в дутье. В случае применения кислорода чистотой не ниже 99,5% содержание азота в металле к концу его продувки снижается до 0,005-0,004%. Содержание азота в дутье часто превышает допустимую норму.
Окисленность конвертерной стали зависит главным образом от содержания углерода в металле к окончанию продувки ванны. По мере снижения его реакция обезуглероживания металла приближается к равновесию. В связи с этим дальнейшее удаление из металла углерода, когда содержание его достигает 0,10-0,08%, сопряжено с резким увеличением окисленности как шлака, так и металла (система металл - шлак по распределению кислорода близка в этом периоде продувки ванны к равновесию). В конвертерном металле, содержащем 0,07-0,05 углерода, находится 0,040-0,075% кислорода.
Необходимо избегать применения додувок, которые увеличивают окисленность металла на 10-15%, а также высокого положения фурм и низкого давления кислорода. Подъем фурмы в середине плавки для улучшения шлака допускается. Однако категорически запрещается это делать на заключительном этапе выплавки стали, в течение последних 3-4 мин продувки. Окончание продувки плавки проводится в следующем порядке: поднимается фурма, выключается кислород, поднимается «юбка». Это позволяет предотвратить насыщение расплава азотом в конце продувки и получать низкое содержание его на повалке: от 0,0014 до 0,0036%. Затем осуществляются плавная повалка конвертера со спуском шлака и отбор проб для определения содержания в шлаке CaO, SiО2, FeO, MnO и MgO, а в металле - С, Mn, S и Р. При производстве данной стали основность конечного шлака должна быть 2,8-4,0, а содержание серы и фосфора в металле не более 0,012%. Температуру металла при выпуске из конвертора рекомендуется поддерживать на уровне 1650-1700° С.
Внепечная обработка