Конвертерний спосіб отримання сталі, здійснюваний в автогеном режимі (без витрат сторонніх джерел теплової енергії) шляхом продувки повітря через розплавлений чавун, був запропонований і вперше здійснений англійцем Бессемером, в честь якого процес був названий бесемерівський або Бессемерованіе. Тому способу розплавлений чавун продувається в сталевий реторти, футерованной кислим (дінассовим) вогнетривкою цеглою. Конвертор має вертикальне робоче простір циліндричної форми. У нижній частині його встановлено знімне, легко замінні днище з фурмами для вдування повітря. А верхня частина забезпечена конусоподібної горловиною. Місткість сучасних бессемерівських конвертерів досягає 400 тонн.
Вертикальний конвертер під час проведення процесу може нахилятися, що забезпечує виконання всіх необхідних технологічних операцій: заливку вихідного чавуну, продування розплаву повітрям, взяття проб, слив готової продукції і т.д. Всі ці операції, за винятком продувки розплаву, здійснюється через горловину, яка служить також для видалення з конвертера технологічних газів. При продувки розплавленого чавуну, який пронизує струменями дуття знизу вгору, кисень окисляє домішки чавуну (Si, Mn, З). При їх окисленні виділяється значна кількість теплоти, достатню не тільки для підтримки розплавів в рідко текучому стані але їх розігріву до 1600 º С перед зливом з конвертера.
Основними недоліками бесемерівського процесу є невисока якість одержуваної стали, збагачуване під час продувки азотом, і неможливістю видалення цим способом найбільш шкідливих домішок - фосфору і сірки. Для виплавки бесемерівського чавуну необхідно дуже чисті за змістом цих домішок руди запаси яких обмежені. У 1878 році С.Томас замість кислої футеровки застосував основну, а для зв'язування фосфору запропонував використовувати вапно. Томасівський процес значно розширив можливості конвертерного способу отримання сталі. Однак і томасовський процес зберіг високу насиченість одержуваної стали азотом. Крім того, томасівських сталь має підвищену крихкістю і схильність до старіння, сто обмежує область її застосування.
Бесемерівський і томасовський процеси проіснували приблизно до середини поточного сторіччя. На зміну цим двом способам виробництво сталі прийшов новий прогресивний процес, який отримав назву киснево-конвертерного (за кордоном процес LD). У промисловому масштабі вперше був здійснений в 1952-1953 році в Австрії. Характерними особливостями нового процесу є використання для окислення домішок технологічного кисню і подача його переважно на поверхню розплаву зверху за допомогою вертикальних дуттєвих сопел (фурм). До теперішнього часу киснево-конвертерний процес набув чільне місце серед існуючих способів масового виробництва сталі у всіх країнах світу. Виключно велике практичне значення цього процесу пояснюється придатністю його для переробки чавунів практично будь-якого складу і металобрухту в кількостях до 30% від маси чавуну, можливістю отримання широкого сортаменту сталей. Включаючи легованих, високою продуктивністю, великою гнучкістю технології та високою якістю збирання врожаю.
В даний час киснево-конвертерних цехах застосовують конвертери місткістю від 20 до 450 тонн. Конвертери цього типу мають грушоподібної форми і обладнаної концентрической горловиною і глухим днищем. Центральне розташування горловини створює найкраща умова для введення в порожнину конвертера вертикальної кисневоїфурми, відведення газів, заливки чавуну і заливки брухту і флюсів. Приблизно в середній частині корпусу кисневого конвертера по висоті закріплені горизонтальні цапфи, що забезпечує опору конвертера і його обертання по осі цапф на 360 º з частотою обертання 0,01 до 2 хв¯¹ .На невеликих конвертерах зусилля обертання передається від приводу на одну цапфу, в великі конвертери місткістю понад 200 т обладнані двостороннім приводом, що має по два двигуна, на кожну цапфу. Футеровка сталеплавильних кисневих конвертерів виконується з зі спокійної або магнезітохромітового цегли.
Кисень до розплаву підводиться за допомогою вертикальної водоохлаждаемой фурми, що має звичайно три - чотири сопла. Фурма вводиться в конвертер через горловину, розташовуючись нижнім кінцем на відстані 1-3 м від поверхні розплаву і забезпечуючи тим самим при тиску дуття 0,9-1,4 МПа підведення окислювача до поверхні розплаву. Довжина фурми в сучасному 300-т конвертері досягає 27м. Мідний водоохолоджуваний наконечник дутьевой фурми витримує від 70 до 300 плавок.
Робота кисневого конвертера здійснюється в періодичному режимі. Процес починається з завалювання сталевого брухту в нахилений конвертер. Далі заливають рідкий чавун, конвертер встановлюють у вертикальне положення, вводять в нього фурму і включають подачу кисню чистотою ≥ 99,5%. Одночасно з початком продувки завантажують першу порцію флюсів і залізної руди. Іншу частину цих матеріалів подають в процесі продувки однією або декількома порціями.
Процеси окислення і шлакоутворення в кисневому конвертері йдуть дуже інтенсивно, чому сприяють високі температури, які в реакційній зоні досягає 2500 ° С і хороша циркуляція металу та його перемішування з шлаком. Окислення домішок чавуну здійснюється в основному через шлакову фазу. Спочатку за законом дії мас окислюється залізо, присутнє в розплаві в найбільшій кількості, по реакції
2Fe + О2 = 2FeО + 539800 кДж
Утворений по цій реакції FeО в результаті інтенсивного масообміну в розплаві переноситься в шлакову фазу і є основним окислювачем домішок. Процес окислення домішок протікає на кордоні розділу метал - шлак по реакціях:
Si + 2FeO = SiO2 + Fe;
Mn + FeO = MnO + Fe;
2Р + 5FeO = Р2О5 + 5Fe;
На ділянках, де швидкість руху газу-окислювача незначні і массообмен ослаблений, можливо пряме окислення вуглецю і домішок киснем дуття, наприклад, по реакціі2С + О2 = 2СО. Виділення СО при окисленні вуглецю у всіх випадках сприяє кращому змішуванню металевої і шлакової фаз.
Окислення всіх домішок чавуну протікає по екзотермічних реакцій з самого початку продувки. Найбільш інтенсивно на початку продувки окислюються кремній і марганець, що пояснюється їх високою спорідненістю до кисню при порівняно низьких температурах. Видалення фосфору сприяє висока концентрація в розплаві FeO. Крім того, швидке окислення фосфору, а також кремнію пояснюється зв'язуванням їх оксидів вапном по реакціях:
SiO2 + 2СаО = 2СаО • SiO 2,
Р2О5 + 4СаО = 4СаО • Р2О5.
У міру протікання процесу конвертації чавуну основностьшлаку безперервно збільшується і в другій половині продувки досягає величини> • 2,5 коли створюються сприятливі умови для видалення з металевого розплаву сірки. Видалення сірки, що міститься в чавуні і сталі, протікає по сумарній реакції
Fe + S + СаО = FeO + CaS.
Весь технологічний цикл в кисневому конвертері займає 50 -60 хв, в тому числі продування киснем 18-30 хв. Після досягнення заданого змісту вуглецю в стали дуття відключають, фурму піднімають, конвертер нахиляють і метал через спеціальну летку виливають в ковш. Після зливу стали з конвертера через горловину зливають шлак. Отриманий в кисневому конвертері метал містить підвищену кількість кисню, що обумовлює необхідність його обов'язкового розкислення. Розкислення проводять добавкою більш активних металів з підвищеною спорідненістю кисню в розливний ківш або жолоб, що транспортує метал в нього з конвертера. Найважливішою перевагою киснево - конвертерного процесу, що виражаються в бурхливому кипіння розплаву при продуванні, високій температурі розплавів і можливості швидкого її регулювання, дозволяють використовувати його для отримання легованих сталей. Основною трудністю при цьому є введенням легкоокисляющихся елементів під час продувки (Cr, Mn, Si). Введення елементів, що володіють меншою спорідненістю до кисню (Ni, Cu, Mo)? Можна проводити в будь-який час плавки. Добавку легко окислюється легуючих елементів проводять часто разом з розкислювачем в сталерозливних ківш після їх попереднього розплавлення в спеціальній печі в формі феросплавів (твердих).
Під час продувки чавуну в конвертері утворюється велика кількість розжарених газів, що відходять з досить високим ступенем запиленості. Велике пилоутворення обумовлено інтенсивним окисленням заліза і його випаровуванням: угар заліза становить 6-7%. Для використання фізичної теплоти газів і очищення їх від пилу за конвертерами встановлюють котли-утилізатори і пилоуловлювальні установки.
Зазначені вище недоліки киснево-конвертерного процесу послужили підставою для подальшого вдосконалення технології та її апаратурного оформлення. В результаті зіставлення достоїнств і недоліків способів виплавки сталі в конвертерах з нижнім (донним) і верхнім дуттям був розроблений комбінований процес, в якому метал обробляється, зверху тільки чистим киснем, а знизу або киснем в кільцевої захисній оболонці з вуглеводнів, або нейтральним газом - азотом або аргоном. Захисна оболонка струменів кисню захищає днище і донні фурми від швидкого руйнування в результаті високотемпературного впливу і інтенсивного барботажа розплаву. Періодичні продування азотом або аргоном знижують окислення шлаку і металу, уповільнюють окислення марганцю, підвищують ступінь видалення фосфору і сірки в газову фазу, що дозволяє скоротити витрату вапна. Зниженню витрати вапна сприяє також можливість її вдування безпосередньо в розплав разом з киснем через донні фурми.
