Мартеновская печь

В мартеновскую печь загружают  шихту (чугун, скрап, металлический  лом и др.), которая под действием  тепла от факела сжигаемого топлива  постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки  для получения металла заданного  состава и температуры; затем  готовый металл выпускают в ковши  и разливают. Благодаря своим  качествам и невысокой стоимости  мартеновская сталь нашла широкое  применение. Уже в начале ХХ в. в  мартеновских печах выплавляли половину общего мирового производства стали.

 

7.1 Разновидности  мартеновского процесса

 

В мартеновских печах можно  переплавлять в сталь чугун скрап  любого состава и в любой пропорции.

В зависимости от состава  шихты мартеновский процесс делят  на несколько разновидностей:

а) скрап-процесс – процесс, при котором основной составной  частью шихты является стальной скрап. Скрап-процесс обычно применяют  в цехах металлургических и машиностроительных заводов, в составе которых нет  доменных печей и которые расположены  в крупных промышленных центрах, где много металлолома. Кроме  скрапа, в шихту загружают некоторое  количество (25 – 45 %) чугуна.

б) скрап-рудный процесс –  передел в мартеновских печах  шихты, твердая составляющая которой  – скрап и железная руда. Основная масса шихты (55 – 75 %) – жидкий чугун. Когда металлическая шихта на 100% состоит из жидкого чугуна (скрапа нет), а в печь в твердом виде заливают только железную руду, процесс  называют рудным.

В зависимости от состава  шлака и материала пода мартеновский процесс может быть «основным» и  «кислым».

 

7.1.1 Основной мартеновский  процесс

Ход плавки при скрап-процессе. В мартеновской печи при скрап-процессе чугун обычно поступает в цех  в твердом состоянии в «чушках». В большинстве случаев завалку  производят следующим образом: вначале  заливают железный скрап, затем чугун. Капельки чугуна, расплавляющегося под  воздействием факела, стекая вниз передают тепло нижним слоям шихты и  науглероживают скрап, снижая тем самым  температуру его плавления. В  конце концов наступает момент, когда  вся металлическая шихта расплавляется  и начинается энергичное окисление  находящегося в металле углерода: начинается период доводки и кипения. К этому моменту ванна оказывается  покрытой шлаком.

Для удаления фосфора и  серы основность шлака должна быть достаточно высокой, для этого в  шихту основной мартеновской плавки вводят известняк или известь.

Во время завалки и  плавления окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть марганца и некоторое количество железа. Оксиды железа, кремния и  марганца вместе со всплывшей известью образуют основной шлак. Общее количество шлака после расплавления составляет 8 – 10 % от массы металла. В таком  основном шлаке к моменту расплавления находится и некоторое количество фосфора и серы, удаленных из металла  за время плавления шихты. Продолжительность  периодов завалки и плавления 5 – 6 ч.

Ход плавки при скрап-рудном процессе. Если в состав завода входят доменный, мартеновский и прокатные  цехи, то чугун поступает в мартеновский цех в жидком состоянии.

Содержание углерода в  металле при скрап-рудном процессе регулируют не увеличением или уменьшением  расхода чугуна (как при скрап-процессе), а введением в завалку большего или меньшего количества железной руды.

Чтобы получить по расплавлении шлак нужной основности, в состав шихты  при скрап-рудном процессе, так же как и при скрап-процессе, вводят известняк.

На под с помощью  завалочных машин заваливают железную руду и известняк, после некоторого подогрева подают скрап. После того как скрап нагрелся, в печь заваливают чугун. Жидкий чугун проходит через  слой скрапа и взаимодействует с  железной рудой. Начинается интенсивное  шлакообразование. Примеси чугуна энергично  реагируют с окислами железной руды.

Шлак образуется в очень  большом количестве. Образующийся в  результате окисления углерода оксид  углерода вспенивает шлак и он начинает вытекать, «сбегать» из печи. Его  называют «сбегающим» первичным  шлаком. Он составляет 8 – 10 % от массы  металла.

За период плавления полностью  окисляется кремний, почти полностью  марганец и большая часть углерода.

Для ускорения процесса плавления  и окисления примесей вскоре после  окончания заливки чугуна ванну  начинают продувать кислородом. Поскольку  при продувке значительная часть  примесей окисляется за счет вдуваемого кислорода, расход железной руды в завалку  резко сокращают. При окислении  железа и примесей за счет подаваемого  газообразного кислорода выделяется значительное количество тепла, металл энергично перемешивается, в то же время часть примесей окисляется за счет горячего кислорода, содержащегося  в воздухе, поступающем из регенераторов. Продолжительность плавления при  таком методе работы сокращается  в 2 – 3 раза, соответственно уменьшается  расход топлива.

Состав шлака, сформировавшегося  к моменту расплавления и после  него, оказывается почти таким  же, как при скрап-процессе. Несмотря на то, что при скрап-рудном процессе в печь загружают больше чугуна, а вместе с ним и больше кремния, марганца, фосфора и других элементов; объясняется это тем, что значительное количество образующихся оксидов уходит из печи со сбегающим первичным шлаком еще до полного расплавления металла.

Проведение периода кипения (доводки). Поскольку составы металла  и шлака после расплавления при  скрап- и скрап-рудном процессах  практически не различаются, период доводки протекает в обоих  случаях также одинаково. Обычно после расплавления ванны в печь подают некоторое количество железной руды или продувают ванну кислородом или сжатым воздухом. Продолжительность  периода доводки 1 – 3ч.

 

7.1.2 Кислый мартеновский  процесс

Кислым мартеновским процессом  называют процесс выплавки стали  в мартеновской печи, подина которой  изготовлена из кислых огнеупорных  материалов (~95 % SiO2). В первых мартеновских печах подина была кислой, ее изготавливали  из кварцевого песка. Мартеновский процесс  существовал как кислый процесс  вплоть до 1878 г., когда успехи применения основной футеровки в томасовском  конвертере определили дальнейшее развитие мартеновского производства и начал  развиваться основной процесс.

Требования к сырым  материалам и топливу. Для перевода фосфора и серы из металла в  шлак необходимо, чтобы в печи был  основной шлак, поэтому в кислой печи с кислым шлаком ни серу, ни фосфор удалить из металла невозможно. В  связи с этим к шихте и топливу  предъявляют особые требования: топливо  не должно содержать серы, а чугун  должен содержать не более 0,025 % фосфора  и серы. Вследствие высоких требований к чистоте шихты привозной  стальной лом и скрап практически  не используют, а в качестве основной железосодержащей составляющей шихты  обычно используют заготовку, специально выплавляемую в основных мартеновских печах. Выплавленный при этом металл называют шихтовой заготовкой или полупродуктом (если металл заливают в жидком виде). Процесс, при котором жидкий полупродукт  выпускают из основной печи в ковш и затем через отверстие в  днище ковша при помощи специального желоба переливают в кислую печь, называют дуплекс-процессом.

Под кислой печи. Под печи наваривают чистым высококремнистым песком, молотым кварцитом или кварцитом  с примесью конечного кислого  шлака. Под кислой печи принимает  активное участие в протекающих  в ванне процессах, и высокое  качество кислой стали определяется реакциями материала кислого  пода с металлической ванной, поэтому  состоянию пода уделяют особое внимание. Общая продолжительность заправки кислой печи значительно больше, чем основной, и занимает в зависимости от состояния пода 1,5 – 2,5 часа.

Ход плавки при кислом процессе. Так же, как в основном мартеновском скрап-процессе, соотношение между  загружаемыми в печь чугуном и  скрапом зависит от заданного  содержания углерода в металле, при  котором обеспечивалось бы проведение периода кипения. В отличие от основного мартеновского процесса, при котором в печь заваливают значительное количество известняка или  извести, а при скрап-рудном –  также железную руду, в кислом процессе источников для образования шлака  меньше. Металл может оказаться покрытым недостаточным слоем шлака, в  результате он интенсивно окисляется и насыщается газами. Для предотвращения этого на подину до завалки шихты  загружают конечный кислый шлак (от предыдущих плавок), шамотный бой и  кварцевый песок.

При работе дуплекс-процессом  для ускорения начала кипения  ванны в печь вводят некоторое  количество железной руды. В шлак переходит  некоторое количество футеровки  пода. Образующиеся во время плавления  основные оксиды железа и марганца вступают во взаимодействие с кремнеземом, образовавшимся в результате окисления  кремния шихты. В результате получаются сравнительно легкоплавкие силикаты железа и марганца.

В кислой печи непрерывно идут два процесса:

а) окисление кремния кислородом оксидов железа шлака, в результате чего содержание кремния в металле  уменьшается;

б) восстановление кремния  из шлака и пода, в результате чего содержание кремния в металле  повышается. Содержание кремния в  ванне определяется соотношением скоростей  этих процессов. Скорость восстановления кремния из пода примерно постоянна, скорость его окисления в большей  степени зависит от состава шлака  и его жидкотекучести. Интенсифицировать  процессы окисления примесей в кислой печи можно введением железной или  марганцевой руд,

звести или мелкораздробленного  известняка, а также продувкой  ванны воздухом или кислородом.

Если после расплавления в печь не вводят никаких добавок, то по мере повышения температуры  металла шлак постепенно насыщается кремнеземом, становится все более  вязким, скорость перехода кислорода  из атмосферы печи через шлак в  металл уменьшается. В результате через  некоторое время после расплавления скорость восстановления кремния оказывается  выше скорости его окисления и  концентрация кремния в металле  растет. Такой метод ведения плавки называют пассивным, а процесс –  кремневосстановительным. Если походу плавки вводят руду, известь или  известняк, в результате чего повышается жидкоподвижность шлака, растет его  окислительная способность и  металл интенсивно кипит, то содержание кремния выше определенных пределов не возрастает. Такой метод ведения  плавки называют активным, а процесс  – с ограничением восстановления кремния. При активном процессе после  расплавления и при достаточно высокой  температуре металла в печь присаживают  небольшими порциями железную руду. Начинается интенсивное кипение. За 30 – 40 минут  до раскисления подачу в печь добавок  прекращают, однако к этому моменту  уже сформировался шлак такого состава, который способствует продолжению  кипения металла.

Кремневосстановительный процесс  начинается так же, как и активный, присадкой руды и кипением ванны. После того как металл нагрелся, а шлак начал заметно густеть, обогащаясь кремнеземом, ход кремневосстановительного процесса отличается от хода активного процесса. Руду или известь больше не присаживают, окислительную роль факела сводят к минимуму, в металле заметно возрастает содержание кремния, кипение металла практически прекращается. Этот период «мертвого» состояния ванны, когда кипение практически прекратилось и происходит постепенное восстановление кремния, называют периодом стабилизации. Продолжительность этого периода составляет 1 – 2 ч. Промежуточное положение между активным и пассивным методами ведения плавки занимает полуактивный метод.