Мартеновский способ получения стали

Мартеновский способ производства стали

Началом осуществления мартеновского процесса считается 1864 г., когда П. Мартен провел на одном из французских заводов первую плавку. Мартеновский процесс ведут на поду пламенной отражательной печи, снабженной регенераторами. В печь загружают шихту, чугун, лом и другие компоненты, которая под воздействием факела сжигаемого топлива плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки с тем, чтобы получить металл нужного состава. Затем готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Мартеновская печь (рисунок 22) имеет рабочее плавильное пространство, ограниченное снизу подиной, сверху сводом, а с боков передней и задней стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Футеровка печи может быть основной или кислой. Если в процессе плавки в шлаке преобладают основные окислы, процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые шлаки, процесс называют кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичом, а кислую – динасовым кирпичом.

В передней стенке печи имеются загрузочные окна для подачи шихты, а в задней – отверстие для выпуска готовой стали. Современные мартеновские печи имеют емкость 200 – 900 тонн жидкой стали.

Принцип работы мартеновской печи представлен на рисунке 22 в положении подачи топлива и воздуха с правой стороны и отвода продуктов сгорания через левые каналы. Проходя через предварительно нагретые насадки регенераторов (воздух через воздушный регенератор, газ через газовый), воздух и газ нагреваются до 1000 – 1200 °C и в нагретом состоянии через головку попадают в печь. При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800 – 1900 °C. Пройдя головку расположенную в противоположной стороне печи, раскаленные продукты сгорания направляются в другую пару насадок регенераторов, отдавая тепло им, и уходят в дымоход.

При такой работе насадки регенераторов правой стороны охлаждаются, а насадки левой стороны нагреваются. В момент когда регенераторы правой стороны не в состоянии нагреть воздух и газ до нужной температуры, происходит автоматическое реверсирование пламени. Холодный воздух и газ направляются через хорошо нагретые левые регенераторы, а продукты сгорания уходят в правую сторону печи, нагревая остывшие правые регенераторы. Таким образом, подающая и отсасывающая головки мартеновской печи периодически изменяют функции при помощи переводных клапанов, а факел сгорающего топлива формируют то слева, то справа, поддерживая максимальную регенерацию тепла и избегая перегрева насадок регенераторов.

Газы из регенератора попадают сначала в шлаковик, а уже потом по вертикальному каналу в головку печи. Шлаковики служат для улавливания плавильной пыли и шлаковых частиц, уносимых продуктами сгорания из рабочего пространства, предохраняя насадки регенератора от засорения. Сечение шлаковиков больше сечения вертикальных каналов. Поэтому при попадании дымовых газов в шлаковики их скорость резко уменьшается и меняется направление движения. Это приводит к тому, что значительная часть плавильной пыли оседают в шлаковиках.
При нагреве поступающих в печь газа и воздуха обеспечивается высокая температура факела (1800 — 1900 °C). Факел нагревает рабочее пространство печи и способствует окислению примесей шихты. Чем выше температура поступающих в печь газа и воздуха, тем выше температура факела и тем лучше работает печь. Однако можно добиться достаточно высокой температуры факела без предварительного подогрева газа и воздуха, обогащая воздух кислородом (вплоть до полной замены воздуха кислородом). Это приводит к уменьшению количества продуктов сгорания и уноса ими тепла и соответственно к повышению температуры. В этом случае регенераторы оказываются ненужными.
Из рабочего пространства печи дымовые газы выходят с температурой 1650 – 1750 °C. Попадая в регенераторы, газы нагревают насадку до 1200 – 1250 °C и удаляются в дымоход.

По конструкции мартеновские печи делятся на:

• стационарные;
• качающиеся.

Стационарные печи получили наибольшее распространение.

Качающиеся печи преимущественно распространены в литейных цехах машиностроительных заводов, когда необходимо выпускать металл отдельными порциями или скачивать большое количество шлака.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

• скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55 – 75%), скрапа и железной руды. Процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи;
• скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома и чушкового передельного чугуна (25 – 45%). Процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома.

Скрап-рудный процесс плавки стали в основной мартеновской печи.

Особенностью основного мартеновского процесса является то что он позволяет получать сталь с низким содержанием вредных примесей (фосфора, серы) из рядовых шихтовых материалов.

Плавку начинают с загрузки твердой составляющей шихты (железная руда, известняк, лом) с помощью завалочной машины. После загрузки твердой части шихты и прогрева ее, заливают жидкий чугун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. С этого момента начинается период плавления шихты, в результате которого за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна (кремний, фосфор, марганец и частично углерод).

Кремний окисляется и переходит в шлак почти полностью в период плавления под действием окислительной атмосферы, а также кислорода вводимого с железной рудой.

Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем, когда температура металла еще не высока.

Оксиды кремния (SiO₂), фосфора (P₂O₅), марганца (MnO), кальция (CaO) образуют железисто-углеродистый шлак, способствующий удалению фосфора. При переработке обычного чугуна для понижения содержания фосфора в металле проводят однократное скачивание шлака. Если же перерабатывают фосфористый чугун, то скачивание проводят многократно.

После расплавления шихты, окисления значительной части примесей и разогрева металла начинается период кипения ванны. В печь загружают железную руду или продувают ванну кислородом. Углерод в металле интенсивно окисляется, образуя оксид углерода (CO), выделяющегося в виде газовых пузырей, и вызывая кипение мартеновской ванны. Этот процесс играет очень важную роль, так как выравнивание состава и температуры металла в мартеновской печи осуществляется за счет кипения ванны. При кипении происходит удаление газов из металла, всплывание и поглощение шлаком неметаллических включений, увеличивается поверхность раздела между шлаком и металлом, что способствует ускорению процессов удаления вредных примесей (фосфора, серы).

Ввиду высокой окисленности шлака, удаление серы из металла менее эффективно, чем фосфора. Для удаления серы наводят новый шлак, загружая известь с добавлением боксита или плавикового шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается, создаются условия для удаления из металла серы. Для получения стали с низким содержанием серы, проводят обработку металла внепечными методами в ковше.

В период кипения ванны интенсивно окисляется углерод. Поэтому при составлении шихты для плавки необходимо предусмотреть, чтобы в ванне к моменту расплавления содержание углерода было на 0,5 – 0,6% выше, чем требуется в готовой стали. Процесс кипения считают закончившимся, когда содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание фосфора минимально. После этого сталь раскисляют и после отбора контрольных проб выпускают в сталеразливочный ковш через отверстие в задней стенке печи.

Кислый мартеновский процесс.

В настоящее время кислый мартеновский процесс имеет ограниченное применение в виду высоких требований к чистоте шихты. В кислой печи процесс ведут с кислым шлаком, поэтому удаление из металла серы и фосфора невозможно. Для ведения кислого процесса используют высококачественные древесно-угольные или коксовые чугуны, в которых содержание вредных примесей не превышает 0,025%.

Металлический лом, поступающий с других предприятий, переплавляют в основных печах для получения шихтовой заготовки, загружаемой вместо лома и полупродукта, когда металл заливают в кислую печь в жидком виде. Жидкий полупродукт выпускают из основной печи в ковш и затем переливают в кислую печь. Такой процесс называют дуплекс-процессом, так как в нем участвуют два агрегата – основная и кислая мартеновская печи.

Топливо при кислом процессе должно содержать минимальное количество серы. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше неметаллических включений, водорода и кислорода, чем выплавляемые в основной печи. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, и ее используют для особо ответственных деталей (коленчатых валов крупных двигателей, артиллерийских орудий, роторов мощных турбин).

Производство стали в двухванных сталеплавильных агрегатах.

Двухванные сталеплавильные агрегаты имеют две ванны, соединенные каналом для перехода из одной ванны в другую (рисунок 23). Принцип работы двухванной печи следующий. Когда в одной ванне после заливки чугуна ведут продувку металла кислородом, в другой производят завалку и подогревают твердую шихту отходящими из первой ванны газами. После выпуска металла из первой ванны проводят завалку шихты. Одновременно начинается продувка второй ванны кислородом. Топливо в двухванные агрегаты подается через топливно-кислородные горелки, установленные в своде и торцах печи. Если в шихте содержится жидкого чугуна больше 65%, то двухванная печь может работать без расхода топлива, так как количество физического тепла и тепла выделяющегося при окислении примесей чугуна, а также окисления СO до CO₂ увеличивается. В этом случае двухванная печь становится аналогичной кислородному конвертеру.

Качество металла, производимого в двухванных агрегатах не отличается от качества мартеновской или кислородно-конвертерной стали. Технико-экономические показатели процесса в двухванных сталеплавильных агрегатах характеризуются:

• высокой производительностью;
• низким удельным расходом топлива и огнеупоров.

К основным недостаткам процесса, ограничивающим его широкое распространение, относятся:

• более высокий расход жидкого чугуна по сравнению с мартеновским скрап-рудным процессом;
• более высокий угар железа;
• ограниченность сортамента выплавляемого металла.

Учебные материалы

Этим способом выплавляется более 50% стали. Существует порядка 140 лет (1865 г.). Мартеновская печь может развивать температуру до 2000°С, благодаря регенеративному использованию тепла.

Мартеновская печь – это печь регенеративного типа, в которой тепло отходящих сгоревших газов используется для нагрева подаваемых в печь топлива (газа) и холодного воздуха через посредства газовых и воздушных регенераторов. Они представляют камеры с насадкой из шамотного огнеупора. Отходящие газы с температурой до 1600°С, проходя регенераторы и омывая насадку, отдают им свое тепло, нагревая кирпичи насадки до 1100-1200°С. В атмосферу отработанный газ–дым уходит с температурой только

Мартеновская печь – это также отражательная печь, что создает высокую температуру в центре печи (1600-1800°С).

Регенераторов по два по обе стороны печи – один (побольше) для подогрева воздуха, второй для подогрева газа. Переключение хода дымовых газов, топлива (газа) и воздуха через печь – регенератор – дымовая труба и наоборот осуществляется автоматически путем переключения клапанов и заслонок. На выходе из печи ставят термопары, которые и командуют автоматической линией переключения клапанов.

Для интенсификации металлургических процессов в печь подается кислород. Его сначала путем обогащения воздушного дутья до 25% подают вместе с воздухом через форсунку навстречу горючему газу – это ускоряет расплавку шихты. Затем, когда шихта расплавляется – период кипения, кислород через охлаждаемые водой трубы сверху подается прямо в расплавленный металл для повышения температуры ванны и лучшего удаления вредных примесей S и Р.

Задняя стенка печи на уровне пода печи имеет специальное отверстие – летку, для выпуска металла и шлака (под печи имеет наклон к летке).

Перед загрузкой шихты летка выбивается огнеупорной кладкой. Загрузка происходит через окна (спереди). Шихта идущая в мартен предварительно обрабатывается – крупные куски разбиваются и придают им определенный габарит. Чугунные ящики, в которых подается шихты, называются мульдами. Загрузка механизирована – заезжают и высыпают в печь.

После загрузки окна закрываются, подается газ (топливо). Газ из газопровода попадает в заслонку, получает направление и попадает в регенератор. Здесь по принципу противотока температура его доходит до 1100°С. Далее подогретый газ попадает в смесительную камеру, где смешивается с воздухом и на выходе из форсунок сгорает. Расплавленная ванна в мартене представляет собой две не смешиваемые жидкости: сверху шлак, а внизу металл.

Современные мартеновские печи обычно делают объемом 100, 150, 300, 400, 500 и 900 т (реже).

Футеровка бывает основная и кислая. В основной (большинство мартенов), в которой подина и стенки футерованы основным магнезитовым огнеупором, свод футерован кислым динасовым или нейтральным кирпичом. В кислых печах динасом футеруются подина и стенки (шихта содержит меньше S и Р и объем печи меньше, чем печи с основной футеровкой).

Существует три основных процесса плавки:

1. Скрап-процесс (твердая завалка): шихта состоит на 55-75% из металлического лома (скрапа) и 45-25% из твердого чушкового чугуна (массой 45-55 кг).
2. Чугунно-рудный процесс – жидкий чугун с добавкой железной руды. Этот процесс возможен только там, где имеются доменные печи.
3. Скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит на 60-70% из твердого чушкового чугуна и руды, на 40-30% из скрапа.

Процесс плавки длится 7-12 ч в зависимости от емкости печи и условий производства. В течение плавки делается анализ стали экспресс лабораторией не менее 4-х раз за одну плавку. Готовая сваренная сталь разливается в ковши. Ковши 300 тонные. Когда емкость печей достигает до 900 т, то делают желоба с разветвлениями чтобы заполнить сразу несколько ковшей. Далее ковши транспортируются в разливочный пролет. Разливка стали из ковша производится либо в специальные формы – изложницы (в слитки), либо в машинах непрерывного литья (разливки) заготовок.

Мартеновский способ получения стали

Процесс мартеновской плавки был предложен с целью дать промышленности возможность перерабатывать стальной лом и отходы производства. В данном случае требовалось создать такую печь, в которой температура была бы настолько высокой, чтобы можно было плавить железо и сталь.

Особенностью мартеновской печи является то, что твердое топливо сжигается в ней не сразу, а сначала превращается в газообразное состояние. Это производится в особых аппаратах, называемых генераторами. Полученный в генераторах горючий газ сжигают в плавильном пространстве мартеновской печи, а продукты горения проходят через регенераторы и нагревают их.

Регенераторы работают попарно. В то время как одна пара регенераторов нагревается отходящими газами, другая отдает тепло проходящим через них горючему газу и воздуху.

Благодаря такому устройству температура в печи поднимается до 2000°. При этой температуре могут плавиться не только чугун, но железо и сталь.

Современные мартеновские печи часто отапливают нефтью, поэтому у них генераторы отсутствуют, а регенераторы служат только для подогревания воздуха.

Схема мартеновской печи показана на рисунке 4. Генераторный газ поступает по газовому каналу 7, а воздух, необходимый для сгорания газа,— по воздушному каналу 2.

Количество поступающего газа и воздуха регулируется посредством регуляторов. При помощи перекидных клапанов газ и воздух можно направить в левую или правую сторону.

Регенераторы представляют камеры, заполненные насадкой, т. е. выложенными в клетку огнеупорными кирпичами. Благодаря этому быстрее и полнее происходит отдача тепла отходящими газами насадке, а затем насадкой — проходящим через нее газу и воздуху.

Пройдя регенераторы, газ и воздух встречаются у входа в плавильное пространство, где и происходит их сгорание.

В основном схема работы мартеновской печи такова. Горючий газ из регенератора проходит через один, а воздух — через другой регенератор, нагреваются и, попав через каналы головки в печь, смешиваются и сгорают, образуя длинный широкий факел пламени, нагревающий металл, загруженный в ванну печи. Если газ и воздух поступают в печь с левой стороны, то отработавшие газы устремляются через правые головки в дымовую трубу, но по пути проходят через вторую пару регенераторов и раскаляют в них насадку из огнеупорного кирпича. Когда насадка этой второй пары регенераторов достаточно нагреется, меняют направление горючего газа и воздуха, переключая распределительные клапаны, что обычно производится через каждые 20—40 мин.

Плавка стали происходит в плавильном пространстве, куда загружается сырье в виде железного и стального лома, а также и чугуна. Плавильное пространство мартеновской печи выкладывают из огнеупорного кирпича динаса или магнезита, в зависимости от качества загружаемого в печь сырья.
Существуют две разновидности мартеновского способа производства стали.

Скрапп-процесс — такой процесс, когда в качестве сырья используют железный и стальной лом. Обычно при скрапп-процессе в печь загружают 75% машинного лома и 25% доменного чугуна.

Рудный процесс применяется при переработке чугуна в железо и сталь непосредственно из доменной печи.

При скрапп-процессе применяют в качестве шихты стальной и железный лом с добавлением чугуна; если этого не делать, то получается большой угар металла и образуется много окисленного железа, которое трудно удалять.

Примесь к стали окислов железа вызывает хрупкость металла, следовательно они вредны для механических свойств стали. При рудном процессе в качестве шихты берется 75% чугуна и 25% чистой железной руды.
Мартеновские печи делают стационарными, вместимость от 25 до 150 т, а также качающимися, вместимостью до 300 т.

Плавка в мартеновской печи продолжается 4—6 часов, что дает возможность брать пробы для определения качеств и следить за обезуглероживанием металла. При этом своевременной остановкой процесса можно получить требуемый состав стали. В большинстве случаев при плавке обезуглероживание металла ведется до максимальных пределов, а затем, в конце процесса, вводится необходимое количество углерода путем присадки зеркального чугуна или ферромарганца, производя этим одновременно раскисление металла.

Если процесс ведется с целью получения специальных сортов стали, то специальные примеси, во избежание их выгорания, присаживают также в конце процесса.

По окончании процесса плавки сталь через выпускное отверстие печи выливают в ковш, из которого и производится разливка ее по изложницам или отливка готовых изделий (фасонное литье).

Благодаря длительности процесса и высокой температуре, из мартеновской печи получают сталь высокого качества.

Мартеновский способ получения стали обладает тем преимуществом перед бессемеровским и томасовским, что он совершенно нетребователен в отношении исходных материалов. При мартеновском способе можно перерабатывать как смесь стального лома с чугуном, так и один чугун, как в твердом, так и в жидком состоянии; для бессемеровского же и томасовского способов требуется иметь в наличии жидкий металл определенного химического состава, и качество стали получается хуже, чем при мартеновском способе.
Кроме того, при мартеновском способе можно получать сталь с более точным химическим составом — качественную сталь, а также сталь с присадками хрома, никеля, ванадия и других примесей, улучшающих механические свойства стали, т. е. специальные стали.

В настоящее время основная масса металла плавится в мартеновских печах.

Мартеновское производство стали

Мартеновский способ получения стали основан на переработке чугуна и стального скрапа на поду пламенной отражательной печи регенеративного типа. Процесс впервые был осуществлен в 1864 г. французским металлургом П.Мартеном. Благодаря относительной простоте организации и управления процессом мартеновская плавка быстро получила широкое распространение в мире до 1956 г. являлась основным сталеплавильным процессом.

В отличие от конвертерного процесса нагрев и расплавление металла в мартеновской печи осуществляется за счет теплоты, выделяющейся при сжигании топлива в струе нагретого до высоких температур воздуха. Для обеспечения максимального использования топлива воздух в печь подается в количестве, превышающем теоретически необходимое. Кроме того, окислитель в виде технологического кислорода может подаваться непосредственно в ванну металлического расплава.

Избыток кислорода, СО2 и Н2О в продуктах горения топлива создают окислительную атмосферу в печи, что обеспечивает окисление железа и его примесей в течение всей плавки, начиная с момента завалки (загрузки) шихтовых материалов в печь и вступления их в непосредственный контакт с газовой фазой.

Рабочее пространство печи, ограниченное подом, сводом и стенками печи и предназначенное для осуществления плавки, определяет своими размерами вместимость и производительность печи. В настоящее время более половины всей отечественной мартеновской стали выплавляют в печах вместимостью 400-600т; крупнейшая в мире печь имеет вместимость 900т.

Ванна печи, удерживающая расплав, имеет сферическую форму с уклоном лещади в сторону выпускной летки для стали. Современная мартеновская печь вместимостью 500 т имеет ванну длиной 19 м, шириной по зеркалу расплава 8 м и внизу 5 м и глубиной > 1 м.

Топливом для мартеновских печей служить мазу и все виды газообразного топлива (природный, смешанный и генераторный газы). Смешанный (коксовый и доменный) и генераторные газы из-за недостаточной теплоты сгорания перед поступлением в печь подогреваются в регенераторах примерно до 1150 ºС. Природный газ и мазут используются без подогрева.

Топливо и воздух для сжигания поступают из регенераторов через шлаковики и вертикальные каналы в головку печи. Обычно головка печи по ее ширине имеет три канала; по центральному подается газ, а по двум боковым — воздух. Кислород для интенсификации горения топлива вводится через фурмы, установленные в головках печи. Продукты горения отводятся из рабочего пространства соответственно с противоположной стороны. Шлаковики служат для улавливания пыли и шлаковых брызг, уносимых продуктами горения из рабочего пространства печи.

Головки мартеновской печи работают в чередующихся режимах сжигания топлива и отвода продуктов горения в регенераторы. Изменения движения газовых потоков, изменения направления факела в рабочем пространстве, осуществляется системой перекидных клапанов. Продукты горения топлива в смеси с технологическими газами с температурой 1500-1600 С поступают в регенераторы сверху через шлаковики и, проходят через насадку, отдают ей большую часть своей теплоты. При следующим прохождение через регенераторы дутья или газа они нагреваются до 1100- 1200 С. После регенераторов отходящие газы с температурой 500-600 С для дальнейшего использования Теплоты направляют в котлы — утилизаторы.

Загрузка в печь твердой шихты проводят через рабочие окна с помощью завалочных машин. Заливку жидкого чугуна осуществляют из чугуновозных ковшей с помощью заливочного крана по специальному желобу, установленному в рабочие окна. Выпуск стали и шлака из мартеновской печи после завершения плавки через летку, расположенную в задней продольной стене, не имеющей завалочных окон.

По характеру огнеупорной кладке ванны, выполняемой из высокоогнеупорных материалов различают кислый и основной мартеновские процессы. Кислый мартеновский процесс возник раньше, чем основной, но в настоящее время применяется редко из- за высоких требований к чистоте стали по фосфору и сере. В основной мартеновской печи для изготовления подины используют магнезитовый кирпич, на который наваривают рабочий слой из магнезитового порошка.

Шихтовые и материалы основного мартеновского процесса отличаются большим многообразием. Как правело, шихта состоит из металлической (чугун, стальной лм, раскеслители и легирующие добавки) и неметаллической частей (железная руда, флюсы и др). Чугун может применятся как в жидком виде, так и чушках. Соотношение количеств чугуна и стального лома в шихте зависит от вида процесса плавки, выплавляемой марки стали и ряда технико — экономических условий. Из нескольких возможных разновидностей мартеновских плавок наибольшее распространение получили так называемый скрап — и скрап-рудный процессы.

Скрап-процесс характеризуется переработкой шихты, металлическая часть которой на 55-75 % состоит из металлического лома. Чугун в этом случае загружается в печи в твердом виде. Такой процесс применяется на заводах, не имеющих доменного производства, включая крупные машиностроительные заводы, в состав которых входят сталелитейные производства.

При скрап-рудном процессе основную массу металлической шихты (от 55 до 75 %) составляет жидкий чугун. Этот процесс применяется на заводах черной металлургии с полным металлургическим циклом.

Мартеновская плавка обычно состоит из нескольких последовательно проводимых операций (стадий). Основными из них являются заправка твердой шихты и заливка чугуна, Плавления, кипение стали, ее раскисление и легирование и выпуск прадуктов плавки. Цель заправки состоит в поддержании в рабочем состоянии всех элементов огнеупорной кладки плавильного пространства и особенно подины.

Завалка твердой шихты, подготовленной к плавке, проводится из мульд- специальных чугунных коробов вместимостью до 3,5 м3 установленных на тележках . Завалочная машина (шаржирный кран) специальным хоботом подхватывает мульду и вводит ее в печь через рабочие окно. При повороте хобота с закрепленной на нем мульдой содержимое ее вываливается на подину печи. Пред заливкой жидкого чугуна загруженная твердая шихта подогревается в печи течение 1- 1,5 ч.

Стадия плавления начинается сразу после заливки чугуна и продолжается до тех пор, пока вся твердая шихта не будет расплавлена. Однако с расплавлением шихты начинается ее окисление кислородом газовой атмосферы печи. К моменту полного расплавления твердых материалов практически полностью окисляется кремний, более половины марганца, около одной третий фосфора и частично углерод. В период плавления образуется также значительное количество оксида железа FeO, который активно участвует в окисление примесей по реакциям.

Окисление углерода еще в недостаточно прогретой ванне вызывает вспенивание шлака. Этим на практики пользуются для удаления через пороги завалочных окон части первичного («сбегающего») шлака, содержащего значительное количества фосфора в форме 3FeO*P2O5 и кремнезема. К концу периода расплавления шлак насыщается растворяющимися в оксидом CaO.

Химический состав металлической ванны к концу периода плавления заметно отличаются от состава выплавляемой в печи стали. При этом ванна с поверхности покрыта слоем шлака с повышенным количеством FeO, обладающего высокой окислительной способностью по отношению к примесям и углероду. Образующиеся при окисление углерода CO выделяется из расплава в виде многочисленных газовых пузырей, которые способствуют интенсивному перемешиванию ванны и удалению из нее газовых и других включений — кипению ванны. Для интенсификации процесса кипения в этот период плавки добавляют железную руду, которая повышает окислительную способность шлака и усиливает кипение. В этот же период из шихтовых материалов и расплава в шлак переходит значительное количество фосфора. Важную роль в связывании оксидов фосфора играет известь:

Наличие в печи свободной извести способствуют также десульфурации стали по реакции. Шлак из печи периодически скачивают.

Процесс доводки металла до заданного состава проводится также во вовремя чистого кипения металла, начинающегося с момента загрузки в печь железной руды и продолжается не менее 1ч. Готовность стали конкретной плавки контролируется взятием проб и их экспресс- анализом. Процесс плавки заканчивается раскислением и выпускам стали в ковш. Раскислением стали в печи проводят сначала доменным ферромарганцем, а затем ферросилицием. Кремний ферросилиций связывает растворенный кислород в сложные силикаты железа и марганца, которые всплывают и переходят в шлак. После выпуска стали из печи процесс раскисления продолжают ковшах, забрасывают в них куски богатого ферросилиция и алюминия или силикоалюминия. Главным достоинством мартеновского процесса является его универсальность как получение сталей широкого ассортимента марок — от углеродистых до высоколегированных, так использование многообразных шихтовых материалов. Работу мартеновских печей различной мощности принято оценивать их удельной производительностью по выплавке стали, которая в настоящие время достигает 11- 12 т(м2*сут). Общая продолжительность плавки в печах вместимостью 250 тонн составляет 7-10 часов. Расход условного топлива колеблется от 130 до 150 кг на 1 тонну стали.

К основным недостаткам мартеновского процесса относится большая продолжительность процесса и значительный расход топлива при отсутствие теоретической необходимости в его применении. Совершенствованию технологии мартеновской плавки и ее интенсификации способствует применение кислорода. Для его использования в мартеновском производстве наметились два пути.

Один из путей интенсификации плавки предусматривает кратковременное введение кислорода в печь с помощью водоохлаждаемых вертикальных фурм через свод. Этот метод резко сокращает продолжительность окисления примесей, но 5-8 раз увеличивает пылевынос за счет разбрызгивания шлака и испарения металла.

Второй путь связан с использованием двухванных мартеновских печей. В такой печи над обеими ваннами устанавливают горелки для сжигания газа и водоохлаждаемые кислородные фурмы, опускаемые через свод. Рассмотрим работу двухванновой печи.

Обе ванны такой печи работают в разных технологических режимах. Когда в одной из ванн идет продувка жидкого металла кислородом, выделяющееся избыточная теплота выносится газовым потоком в другую ванну, в которой в это время идет загрузка и расплавление твердой шихты. Процесс идет устойчиво и может протекать без затрат топлива при условии заливки в печь ≥ 70 % жидкого чугуна от массы металлической шихты. Недостаток теплоты компенсируется сжиганием топлива в сводовых горелках.

Режим плавки в двухванной мартеновской печи построен таким образом, что во время выпуска готовой стали из одной ванны в другую на разогретый твердый металл заливают жидкий чугун и начинают продувку металла кислородом. Горячие газы при этом из второй ванны направляются в первую, где в это время начинается завалка твердой шихты, и так циклы плавки повторяются. Из этого следует, что двухванные сталеплавильные печи требуют четкой синхронизации работы обеих ванн.

Двухванные печи не имеют регенераторов и по этой причине важнейшей проблемой их работы является утилизация теплоты и очистка отходящих газов от пыли, так как при продувки кислородом наблюдается значительное пылеобразование.

Плавка в двухванной печи длится ˜ 4 ч: каждые 2 ч выпуск из одной из ванн. При хорошей организации работы одна двухванная печь вместимостью 200-500 т может производить за год до 1,5 млн.т стали и более. Расход топлива при этом составляет  15 кг на 1 т стали. Недостатками таких печей являются сложность обслуживания, связанная с необходимостью синхронизации работы ванн при высокой интенсивности процесса и организации должного пылеулавливания и использования физической теплоты отходящих газов.

Мартеновские способы производства стали

Мартеновский способ является основным способом, дающим около 70% высококачественной стали выплавляемой в мире. В 1865 г. во Франции инженеру П. Мартену после многочисленных попыток удалось получить на поду пламенной печи жидкую сталь. Мартен применил для сталеплавильной печи принцип регенерации тепла отходящих печных газов для подогрева топлива и воздуха, подаваемого в печь. По этому принципу строятся и работают мартеновские сталеплавильные печи до настоящего времени.

Современные мартеновские печи (рис. 12) отапливают обычно газом (чаще всего смесью доменного газа с коксовальным или природным газом) и оборудуют четырьмя регенераторами (по два с каждой стороны печи), заполненные кирпичной решетчатой кладкой для раздельного подогрева газообразного топлива и воздуха, подаваемых в печь. Продукты горения из рабочего пространства печи направляются в одну пару регенераторов (например, правую) и нагревают их насадку (решетчатую внутреннюю кладку), а затем выпускаются в дымовую трубу. В это время газовое топливо и воздух подают в печь через вторую пару регенераторов (например, левую), насадка которых была нагрета раньше. Через некоторое время с помощью автоматически переключающихся клапанов меняется направление выхода печных газов и подачи топлива. Мартеновские печи строят разной вместимости и производительности – от 10 до 500÷900 т. На некоторых заводах работают печи, отапливаемые мазутом или природным газом, в которых подогревается только воздух, подающийся в печь.

Ванна печи, удерживающая расплавленные материалы, имеет форму чаши, и ее длину и ширину обычно определяют на уровне порогов садочных окон, через которые и производят загрузку в печь твердых материалов. Современная 500-тонная печь имеет ванну 16,4 м длины, 5,9 м ширины и более 1 м глубины. Произведение этой длины на ширину принято считать условной площадью пода мартеновской печи. Глубиной ванны считают размер в самой глубо­кой ее части, которая расположена около выпускного отверстия, от подины, до уровня порогов садочных окон. Горячий газ подают в печь по центральному каналу, воздух – по двум боковым. Сходясь в рабочем пространстве печи, эти каналы образуют так называемую головку печи, формирующую газовое пламя. Внутрь стенок головки обычно вставляют кессоны, в которых циркулирует вода для сохранения огнеупоров головки от быстрого разгара. Перед регенераторами в мартеновской печи устанавливают шлаковики для сбора пыли и капель шлака, выносимых из печи с отходящими газами, и предохранения регенераторов от быстрого загрязнения. Загрузку твердой шихты в печь производят через окна с помощью завалочных машин. Выпуск стали и шлака из мартеновской печи после завершения плавки проводят через летку, которую располагают в так называемой задней продольной стенке печи, не имеющей загрузочных окон. Некоторое количество шлака выпускают иногда через так называемые ложные пороги загрузочных окон на лицевую сторону печи. На время плавки летку (выпускное отверстие) заделывают магнезитовым порошком и огнеупорной глиной.

Кроме стационарных мартеновских печей иногда для переработки чугунов, содержащих много фосфора, применяют качающиеся мартеновские печи, рабочее пространство которых располагают на катках, что облегчает и ускоряет удаление (скачивание) по ходу передела фосфористых шлаков и тем самым повышает производительность печи.

Мартеновский способ получил широкое применение благодаря возможности использования различного сырья и разнообразного топлива. В настоящее время мартеновский процесс различают в зависимости от используемого сырья: скрап-процесс, если его шихта состоит из стального лома (60÷70%) и твердого чушкового чугуна (30÷40%). Эта разновидность процесса применяется на заводах, не имеющих доменного производства (Московский завод «Серп и молот» и др.).

Рис. 12. Мартеновская печь (разрез и план)

1 – под печи, 2 – передняя стенка. 3 – задняя стенка, 4 – свод, 5 – загрузочные окна,

6 – бетонные опоры, 7 – откос, 8 – воздушный канал, 9 – газовый канал,

10 – вертикальные каналы, 11 – шлаковики газового регенератора,

12 – шлаковики воздушного регенератора

Широко применяется и скрап-рудный процесс, характерный тем, что его шихта состоит на 20÷50% из скрапа и на 50÷80% из жидкого чугуна, который после выпуска из доменных печей хранится в больших бочкообразных футерованных внутри огнеупорным кирпичом хранилищах, называемых миксерами. Этот процесс называется скрап-рудным потому, что для ускорения окисления примесей чугуна в печь загружают, кроме того, гематитовую железную руду в количестве 15÷30% от массы металлической части шихты.

Рассмотрим кратко сущность широко применяемого на наших заводах основного скрап-рудного процесса. Мартеновские печи работают циклами, но нагрев печи ведется непрерывно, поэтому подготовка новой плавки стали начинается с осмотра печи и устранения изъяна в подине и боковых откосах печи путем их заварки новым слоем доломита или магнезита еще во время выпуска предыдущей плавки. После выпуска металла выпускное отверстие заде­лывают и шихту загружают для новой плавки. Сыпучие шихтовые материалы (руда, известняк, скрап) загружают обычно первыми и отдельные их слои хорошо прогревают. На подину принято сначала загружать железную руду, а потом известняк и сверху стальной лом.

Во время загрузки твердых материалов в печь расходуется максимальное количество топлива для обеспечения быстрого прогрева и расплавления шихтовых материалов. Жидкий чугун загружают в печь через окно с помощью вставляемого в него стального желоба, футерованного изнутри огнеупором. Жидкий чугун подают к печи чугуновозном ковше. Чугун заливают в печь, когда твердая шихта прогрета и начинает оплавляться. С заливкой жидкого чугуна резко ускоряется плавление металлической части шихты. Одновременно с прогревом шихты начинается окисление примесей. К моменту расплавления шихты почти полностью окисляется кремний, более половины марганца, третья часть фосфора и частично углерод. Во время плавления образуется значительное количество закиси железа, так как количество воздуха, подаваемого в мартеновскую печь, обычно значительно больше необходимого для сжигания топлива (125% теоретически необходимого) и пламя в мартеновской печи бывает окислительным. После расплавления шихты, начинается период доводки стали. В печи образуется ванна металла, покрытая сверху слоем шлака, содержащего значительное количество окислов железа.

Образующаяся закись железа частично растворяется в шлаке, но частично переходит и в металл, так как она хорошо растворяется в нем. Растворившаяся в металле закись железа продолжает окислять примеси, в том числе и углерод. Образующаяся окись углерода в виде газовых пузырьков хорошо перемешивает ванну и способствует выделению из металла газовых и других включений. Этот процесс выделения угарного газа называют кипением ванны. В это время для интенсификации процесса кипения в печь добавляют железную руду. Увеличение окислов железа в шлаке ускоряет процесс. При перемешивании шлака образовавшаяся в нем закись железа, соприкасаясь с окислительными газами печи, переходит в окись, которая в свою очередь окисляет металл. Таким образом, шлак в ванне мартеновской печи, интенсивно перемешиваемый тепловыми потоками и выделяющимся из металла газом, передает металлу тепло и кислород. В этот же период из шихтовых материалов удаляют фосфор путем периодического скачивания шлака. Важную роль для связывания окислов фосфора в этот период играет известь, так как известь связывает фосфор. Для успешного удаления фосфора необходимо иметь в шлаке максимальное количество извести.

Процесс доводки металла до нужного химического состава производится в так называемый период чистого кипения металла, начищающегося после прекращения добавок в него железной руды. Чистое кипение ванны протекает не менее одного часа. Готовность заданной плавки стали определяют взятием пробы и экспресс-анализом в цеховой лаборатории.

После этого проводится раскисление и выпуск стали в ковши, из которых ее разливают в слитки. Общая продолжительность получения стали в мартеновской печи занимает несколько часов. Раскисление стали в ванне мартеновской печи проводят сначала доменным ферромарганцем, а затем доменным ферросилицием. Кремний ферросилиция отнимает кислород от закиси железа и образует сложные силикаты железа и марганца, которые обладают низкой температурой плавления и малой плотностью. Они всплывают в ванне и переходят в шлак. После этого сталь начинают выпускать из печи и завершают раскисление в ковше (или на желобе, по которому она вытекает в ковш), богатым ферросилицием (45% или 75% Si), и вводят небольшое количество более сильного восстановителя – обычно алюминия или силикоалюминия:

Алюминий является активным раскислителем стали, но образующаяся окись алюминия тугоплавка и в виде тонкой взвеси почти вся остается в стали. Принято считать, что эти частички окиси алюминия являются центрами кристаллизации при формировании слитка, и с увеличением количества алюминия, вводимого для раскисления, можно получить более мелкую структуру слитка или отливки. Обычно для раскисления берут 100÷400 г алюминия на 1 т выплавляемой стали в зависимости от ее марки. Скрап-процесс в основной печи отличается от скрап-рудного процесса, особенно в период завалки и расплавления шихты; заключительная часть процесса отличается меньше.

Мартеновские печи разной мощности принято сравнивать по суточной производительности, отнесенной к площади пода печи, то есть суточному съему стали с 1 м 2 условной площади пода. Наши мартеновские печи непрерывно улучшают этот показатель. Так, в 1932 г. он равнялся 2,68 т, в 1980 г. – более 8 т; в настоящее время достигает 11÷12 т, а с применением кислорода он еще выше.

Общая продолжительность плавки стали 220÷260 т в печах, обычно составляет 7÷10 ч при расходе условного топлива 130÷150 кг на 1 т стали. Таким образом, основными недостатками мартеновского процесса следует считать большую продолжительность процесса и значительный расход топлива. Важнейшим фактором, совершенствующим и ускоряющим мартеновский процесс, является применение кислорода. В мартеновском процессе наметились два реальных и экономически целесообразных пути применения кислорода. Первый путь – это обогащение воздушного дутья кислородом до 25÷35%. В результате интенсификации горения и повышения окислительной способности печи сокращается общая продолжительность плавки, снижается расход топлива, увеличивается производительность. Так, например, при обогащении дутья печи в 100 т кислородом до 29÷30% расход кислорода составляет 55÷70 м 3 на 1 т стали, производительность печи увеличивается в 2,5 раза при сокращении продолжительности плавки с 9 ч до 3 ч 30 мин; расход топлива при этом снижается с 150 кг/т стали до 92 кг/т. Такое обогащение дутья кислородом и форсирование плавки возможно при наличии свода печи, сделанного из высокотермостойких огнеупоров.

Второй путь – это применение кислорода для интенсификации окисления примесей путем кратковременного введения в печь кислорода. Наиболее перспективным в этом направлении является введение кислорода водоохлаждаемыми фурмами через свод печи (по аналогии с кислородно-конверторным производством). Введение кислорода, таким образом, резко сокращает продолжительность окисления примесей в ванне печи, но сильно увеличивает (в 5÷8 раз) содержание пыли в печных газах, за счет разбрызгивания шлака и испарения металла.

На ряде заводов успешно комбинируют эти два способа применения кислорода в мартеновских печах. В последние годы начали применять специально построенные для этих целей двухванные мартеновские печи.

Очень важна автоматизация мартеновских печей, особенно их теплового режима. В период расплавления по заданной программе в газовую смесь вводят больше коксового газа, в период пониженной тепловой нагрузки – меньше. Автоматизируется перекидка клапанов в зависимости от температуры насадок и многое другое. Эти меры приводят к уменьшению расхода топлива, особенно его дорогих компонентов.

МАРТЕНОВСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Мартеновская печь является пламенной регенеративной печью (рис. II.4). В рабочем пространстве печи сжигается газообразное или жидкое топливо. Высокая температура, необходимая для получения стали в жидком состоянии, обеспечивается за счет регенерации теплоты отходящих газов.

Верхнее строение мартеновской печи состоит из плавильного пространства, головок и вертикальных каналов. Плавильное пространство ограничено передней стенкой с завалочными окнами, задней стенкой с выпускным отверстием, снизу — подиной и откосами, сверху — сводом.

Рабочее пространство печи футеровано огнеупорным кирпичом. В зависимости от вида футеровки различают основные и кислые мартеновские печи. В основных печах подину и откосы выкладывают основным магнезитовым кирпичом, а сверху наваривают слой магнезитового или доломитового порошка. Подвесной свод выполняют из хромомагнезитового кирпича. Использование основной футеровки позволяет загружать в печь известь, получать основной шлак и удалять вредные примеси — серу и фосфор. Кислый процесс применяют значительно реже основного из-за невозможности удаления серы и фосфора.

В торцах рабочего пространства печи расположены головки для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Головки соединены с нижним строением печи вертикальными каналами. Нижнее строение мартеновской печи расположено под рабочей площадкой. Оно состоит из шлаковиков, в которых происходит отделение от дымовых газов частиц шлака и пыли из рабочего пространства, регенеративных камер и боровов с перекидными клапанами.

Рис. II.4. Схема устройства мартеновской печи:

1 — рабочее пространство; 2, 3 — правая и левая головки; 4, 5 — правый и левый вертикальные каналы; 6, 7 — правый и левый шлаковики; 8, 9 — правый и левый регенераторы; 10 — воздушное охлаждение; 11 — реверсивные и регулирующие клапаны; 12 — боров; 13 — котел-утилизатор; 14 — газоочистка; 15 — дымовая труба

Регенераторы представляют собой камеры с выложенными клеткой насадками из огнеупорного шамотного кирпича. При прохождении дымовых газов насадки одной пары регенераторов, в нашем случае — левых, нагреваются до 1300—1400 °С. После перекидки клапанов движение топлива и газа меняется на противоположное.

В это время другая пара регенераторов нагревается, аккумулируя теплоту отходящих газов. После охлаждения насадок первой пары регенераторов до определенной температуры происходит очередная перекидка клапанов, и процесс повторяется в обратном направлении: из регенераторов дымовые газы идут по боровам в дымовую трубу, по пути проходят через котел-утилизатор и газоочистку.

Мартеновские печи, работающие на жидком топливе (мазуте), с каждой стороны имеют только по одному регенератору для подогрева воздуха.

Обычно основную мартеновскую плавку ведут одним из двух способов: скрап-процессом или скрап-рудным процессом.

Плавку стали в основных мартеновских печах скрап-процессом ведут на тех заводах, где нет доменных печей и жидкий чугун не производится. Основной скрап-процесс обычно применяют в печах малой емкости до 100 т на машиностроительных заводах; исходными материалами являются стальной лом (скрап), расход которого составляет 60 — 70 %, чушковый передельный чугун (30 — 40 %) и известь в количестве 8—12 % от массы металла.

Процесс плавки состоит из нескольких последовательных периодов: заправки печи, завалки шихтовых материалов, их плавления, периода кипения или доводки, раскисления и выпуска металла.

Скрап-рудный процесс применяют на больших металлургических заводах, имеющих жидкий чугун. Плавку обычно ведут как в средних, вместимостью до 150 — 400 т, так и в крупных (вместимостью до 900 т) мартеновских печах. В качестве шихты в печи загружают стальной лом (20 — 40 %) и заливают жидкий чугун (60 — 80 %). Содержание чугуна в шихте увеличено по сравнению со скрап-процессом.

Скрап-рудным процессом обычно выплавляют только углеродистые стали массового применения, скрап-процессом — углеродистые и легированные стали.