Мартеновский способ производства стали

Рис. 6.3. Схема устройства мартеновской печи 1- под печи; 2- бетонные опоры; 3- вертикальные каналы; 4- газовый канал; 5- воздушный канал головки; 6- откос; 7- свод; 8- загрузочные окна; 9- крепление газового и воздушного каналов; 10- крепление свода печи; 11- передняя стенка; 12- задняя стенка

Мартеновским способом в мире выплавляют почти половину высококачественной стали. В 1864г. во Франции инженеру П. Мартену после многочисленных попыток удалось получить на поду пламенной печи жидкую сталь, так как до этого этим путем получали сталь в тестообразном состоянии. П. Мартен применил для сталеплавильной печи принцип регенерации тепла отходящих печных газов для подогрева топлива и воздуха, подаваемого в печь. (Этот способ был разработан инженером Ф. Сименсом и использовался до этого в печах некоторых других производств.)

 

 

 

Рис. 5.3. Мартеновская печь:

1 – под печи; 2 – бетонные опоры; 3 – вертикальные каналы; 4 – газовый канал; 5 – воздушный канал головки; 6 – откос; 7 – свод; 8 – загрузочные окна; 9 – крепление воздушного и газового каналов; 10 – крепление пода печи; 11 – передняя стенка; 12 – задняя стенка

Современные мартеновские печи (рис. 5.3) отапливают обычно смесью доменного и коксовального (иногда природного) газа и оборудуют четырьмя регенераторами (по два с каждой стороны печи), с насадками (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 в правую, и нагревают их насадку, а затем выпускаются в дымовую трубу. В это время газовое топливо и воздух подают в печь через вторую пару регенераторов, 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 (10…500 т). На некоторых заводах работают печи, отапливаемые мазутом или природным газом, в которых подогревается только воздух, подающийся в. печь.

В первых печах, предложенных П. Мартеном, под, стены и свод выкладывали из динасового огнеупорного кирпича. В 1880г. в Рос­сии была построена первая мартеновская печь с подом и стенками из доломитового кирпича. Затем такие печи получили широкое распро­странение. В современном сталеплавильном производстве для кладки стен и пода печей применяют как кислые, так и основные огнеупоры, этим отличается устройство основных и кислых мартеновских печей. Ванна печи, удерживающая расплавленные материалы, имеет форму чаши, и ее длину и ширину обычно определяют на уровне поро­гов садочных окон, через которые и загружают в печь твердые мате­риалы. Современная 500-тонная печь имеет ванну 16,4м длины, 5,9м ширины и более 1м глубины. Произведение длины на ширину принято считать условной площадью пода мартеновской печи. Глу­биной ванны считают расстояние от самой глубокой ее части, которая расположена около выпускного отверстия (т. е. от подины), до уровня порогов садочных окон.

Боковую кладку и под укрепляют снаружи прочными стальными балками. До недавнего времени своды мартеновских печей делали арочными и выкладывали динасовым кирпичом. Такие своды не до­пускали их нагрев выше 1700°С, что тормозило производительность печей; эти своды обычно выдерживали 200…250 плавок. Теперь, своды делают из термостойкого хромомагнезитового кирпича. Изменилась и конструкция свода. Отдельные блоки свода подвешивают на тягах к поперечным балкам каркаса печи, и свод получается подвесным.

Теперь свод выдерживает нагрев до 1800°С. Подвесные хромомагнезитовые своды выдерживают 500 плавок. 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. Твердую шихту в печь загружают через окна с помощью завалочных машин. Выпуск стали и шлака из мартеновской печи после завершения плавки проводят через летку (выпускное отверстие) в задней продоль­ной стенке печи. Некоторое количество шлака выпускают иногда через так называемые ложные пороги загрузочных окон на лицевую сторону печи. На время плавки летку заделывают магнезитовым по­рошком и огнеупорной глиной.

Для переработки чугунов, содержащих много фосфора, иногда при­меняют качающиеся мартеновские печи, рабочее пространство которых располагают на катках. Это облегчает и ускоряет удаление (скачивание) в процессе 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 различают следующие разновидности мартенов­ского процесса в зависимости от.используемого сырья: скрап-процесс — шихта состоит из 60…70 % стального лома и 30…40 % твер­дого чушкового чугуна (эта разновидность процесса применяется на заводах, не имеющих доменного производства); скрап-рудный процесс — шихта состоит из 20…50 % скрапа и 50…80 % жидкого чугуна, который после выпуска из доменных печей хранится в миксерах. Скрап-рудным процесс называют потому, что для ускорения окисления примесей чугуна в печь загружают, кроме того, гематитовую железную руду в количестве 15…30 % от массы металлической части шихты.

.Процесс в кислой и основной мартеновских печах проходит раз­лично (меняется состав флюсов и некоторых других шихтовых материалов, по-разному идет окисление примесей). Поэтому различают кислый и основной мартеновские процессы.

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 изъянов 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 загружают шихту для новой плавки. Сыпучие шихтовые материалы (руда, извест­няк, скрап) загружают обычно первыми и отдельные их слои хорошо прогревают. На подину, принято сначала засыпать железную руду, потом известняк, и сверху стальной лом. Все эти материалы подвозят к печам на железнодорожных платформах в так называемых мульдах (металлические коробки с приспособлением для захвата их хоботом завалочной машины).

Завалочная машина — это самоходная тележка, перемещающаяся по рельсам вдоль продольных лицевых стенок нескольких мартенов­ских печей, обычно расположенных в одну линию. На самоходной тележке установлена кабина машиниста с пультом управления и за­грузочный механизм с длинным штоком (хоботом). Хобот завалочной машины поднимает с платформы мульду с шихтой, вносит ее в печь и, поворачивая, высыпает содержимое, затем выносит пустую мульду из печи, и ставит ее на платформу.

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 в чугуновозном ковше с помощью мостового крана. Чугун заливают в печь через желоб, вставляемый в одно из загрузочных окон, когда твердая шихта прогрета и начинает оплавляться. После заливки 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 FеО, так как количество воздуха, подаваемого в мартеновскую печь, обычно больше, чем необходимо для сжигания топлива, и пламя в мартеновской печи бывает окислительным. Образующаяся закись железа, растворяясь в шлаке, окисляет примеси.

 

[Si] + 2(FеО) = [2Fе] + (SiO₂); 2 [Р] + 8 (FеО) = [5Fе] + (ЗFеО • Р_аО₅); [Мn] + (FеО) = Fе + (МпО); [С] + (FеО) = [Fе] + СО

Окисление углерода в еще не прогретой ванне вызывает вспенивание шлака. Этим пользуются для удаления из печи самотеком через пороги загрузочных окон (в некоторых печах есть и отдельные летки) части первичного шлака, содержащего значительное количество фос­фора в виде ЗFеО• Р₂О₅ и кремнезем. Скачивание шлака продолжается в крупных печах в течение 1…2 ч; оно сокращает потребность в из­вестняке и уменьшает слой шлака в печи, что в свою очередь улучшает прогрев металла. К концу плавления шихты известняк, прогревшись, переходит в известь

СаСО₃ → СаО + СО₂ и, всплывая, растворяется в шлаке.

После расплавления шихты начинается период доводки стали. В печи образуется ванна металла, покрытая сверху слоем шлака, со­держащего значительное количество окислов железа. Они взаимодей­ствуют с жидким металлом

 

(Fе₂0₃) + [Fе] = 3(FеО)

Образующаяся закись железа растворяется в шлаке и благодаря интенсивному перемешиванию ванны попадает в металл, диссоциирует в нем на ионы и активно окисляет примеси, в том числе и углерод;

 

(FеО) + [С] = [Fе]+ CO

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 теплоту и кислород.

В этот же период из шихтовых материалов удаляют фосфор перио­дическим скачиванием шлака. Важную роль для связывания окислов фосфора в этот период играет известь, так как соединения типа ЗFеО • Р₂О₅ при высоких температурах нестойки. Фосфор связывают в этих условиях известью по уравнению

 

ЗFеО • Р₂О₅ + 4СаО = 4СаО • Р₂О₃ + ЗFеО

Для успешного удаления фосфора необходимо иметь в шлаке мак­симальное количество извести, не связанное кислотными окислами (главным образом SiO₂). Однако большой избыток извести делает шлаки более тугоплавкими, что затрудняет мартеновскую плавку. Наличие свободной окиси кальция способствует также и переводу в шлак соединений серы, присутствующих в металле, по уже извест­ной нам реакции

 

[Fе] + [S] + (СаО) ↔ (FеО) + (СаS)

Но в условиях мартеновской плавки обратимость этой реакции не.позволяет полностью удалить серу, поэтому ее присутствие в ком­понентах шихты крайне нежелательно.

Процесс доводки металла до нужного химического состава произ­водится в так называемый период чистого кипения металла, начинаю­щегося после прекращения добавок в неё 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. 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 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. Шлакосновных мартеновских печей, получаемый при завершении процесса, обычно содержит 10…15% FeO, 9…15% MnO, 18…25% SiO₂, 40…47% CaO, 1% P₂O₅,, а также MgO, Al₂O₃ и другие окислы.

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Каково устройство мартеновской печи?

2. Какое назначение имеют регенераторы при мартеновской плавки стали?

3. Что является шихтой, применяемой при мартеновской плавке?