Мартеновские способы производства стали

Мартеновским способом в мире выплавляют почти половину высококачественной стали. В 1864 г. во Франции инженеру П. Мартену после многочисленных попыток удалось получить на поду пламенной печи жидкую сталь, так как раньше таким способом получали сталь в тестообразном состоянии.

Современные мартеновские печи отапливают обычно смесью доменного и коксольного (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 современном сталеплавильном производстве для кладки стен и пода печей применяют как кислые, так и основные огнеупоры, этим отличается устройство основных и кислых мартеновских печей.

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;

· 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 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 (руду, 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.

Во время загрузки твердых материалов в печь расходуется максимальное количество топлива для обеспечения быстрого пpoгрева и расплавления шихтовых материалов. Когда твердая шихта прогрета и начинает оплавляться, подают жидкий чугун в чу

гуновозном ковше с помощью мостового крана. Чугун заливают в печь через желоб, футерованный изнутри огнеупором и вставляемый в одно из загрузочных окон.

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 yглерод. Во время плавления образуется значительное количество FeO, 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.

Окисление углерода в еще не прогретой ванне вызывает вспенивание шлака. Этим пользуются для удаления из печи самотеком через пороги загрузочных окон части первичного шлака, содержащего значительное количество фосфора и кремнезем. Скачивание шлака продолжается в крупных печах в течение 1 – 2 ч; что 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 и, всплывая, растворяется в шлаке.

После расплавления шихты начинается период доводки стали. 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.

Процесс доводки металла до нужного химического состава производится в так называемый период чистого кипения металла, начинающегося 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 доводки металла 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 богатым ферросилицием (45 % или 75 % Si) и вводят небольшое количество более сильного восстановителя, обычно алюминия или силикоалюминия.

Иначе протекает кислый мартеновский процесс. В связи с тем, что футеровка кислых мартеновских печей выполнена из динаса, наварка пода и откосов проводится кварцевым песком, т.е. кислым материалом. Шлак в этой печи кислый и не содержит свободной извести. Следовательно, удаления серы и фосфора из стали не происходит. Поэтому шихта и топливо должны содержать эти примеси в минимальном количестве.

Кислым процессом производят легированные высококачественные стали, так как окисление (угар) дорогих легирующих элементов в них значительно меньше. Но и производство кислой мартеновской стали обходится в 1,5 – 2 раза дороже, чем стали, полученной в основной печи.

Качество работы мартеновских печей разной мощности принято сравнивать по суточной производительности, отнесенной к площади пода печи, т.е. суточному съему стали с 1 м2 условной площади пода.

Общая продолжительность плавки стали в печах вместимостью 220 – 260 т. 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.