Мартеновская печь

 

 

Содержание

Введение. 2

 

1. Историческая справка. 3

 

2. Мартеновский процесс. 4

 

3. Разновидности мартеновского  процесса. 7

 

Заключение. 9

 

Список литературы: 10

 

 

 

Введение

 

 

 

Задумывались ли Вы, как  до появления мартеновских печей  производили сталь?

 

В истории металлургии  железа было три революционных переворота, оказавших глубочайшее влияние  на весь ход человеческой истории: первый имел место еще в глубокой древности, когда появились сыродутные горны; второй произошел в средние века, после открытия переделочного процесса; третий пришелся на вторую половину XIX века и был связан с началом  производства литой стали. Сталь  во все времена оставалась самым  необходимым и желанным продуктом  металлургии железа, потому что только она обладала той твердостью и  крепостью, какие требовались для  изготовления инструментов, оружия и  деталей машин. Но прежде чем превратиться в стальное изделие, металл должен был  подвергнуться целому ряду трудоемких операций. Сначала из руды выплавляли чугун. Потом чугун восстанавливали  в мягкое железо. Наконец путем длительной проковки железной крицы получали из нее необходимую стальную деталь (или только заготовку к ней, которую затем подвергали окончательной отделке на металлорежущих станках). Производство мягкого железа и в особенности ковка долгое время оставались самыми узкими местами в процессе обработки железа. На них уходило больше всего сил и времени, а результаты далеко не всегда оказывались удовлетворительными. Особенно остро эта проблема стала ощущаться в XIX веке, когда резко возрос спрос на дешевую сталь. Естественным образом у многих ученых и изобретателей возникла мысль, которую потом высказал Бессемер: каким образом получить металл со свойствами железа и стали, но в жидком виде, чтобы его можно было использовать для отливки? Разрешение поставленной проблемы потребовало нескольких десятилетий упорного труда многих металлургов. На этом пути было сделано несколько важных открытий и изобретений, каждое из которых составило эпоху в истории обработки железа. Но в этом эссе мы поговорим именно о мартеновском процессе.

 

Рассмотрим производство в мартеновских печах металлургических или машиностроительных заводов  литой стали. Сталь получается путём  окислительной плавки загруженных  в печь железосодержащих материалов — чугуна, стального лома, железной руды и флюсов в результате сложных  физико-химических процессов взаимодействия между металлом, шлаком и газовой  средой печи. М. п. наряду с другими  видами производства стали  — второе звено в общем производственном цикле чёрной металлургии; два других основных звена — выплавка чугуна в доменных печах и прокатка стальных слитков или заготовок.

 

1. Историческая справка

 

 

 

Идеи организации передела железного лома и чугуна в сталь  на поду пламенной печи высказывались  неоднократно. Наибольший вклад в  создание М. п. принадлежит Ф. Сименсу (Германия), предложившему в 1856 использовать принцип регенерации тепла отходящих  газов для повышения температуры  в рабочем пространстве плавильных печей, и П. Мартену (Франция), которому в 1864 удалось построить и ввести в эксплуатацию первую регенеративную отражательную печь для плавки литой  стали. В России первая мартеновская печь ёмкостью 2,5 т была пущена А. А. Износковым на Сормовском заводе (ныне завод «Красное Сормово» в Горьком) в 1870. Вначале мартеновские печи имели  кислый под. Широкое распространение  М. п. получило после создания печей  с основным подом (в 1879—1880 во Франции  на заводах Крёзо и Тернуар, в 1881 в России на Александровском заводе в Петербурге). В 1894 русские металлурги братья А. М. и Ю. М. Горяиновы разработали  технологию мартеновской плавки на жидком чугуне и успешно применили её на Александровском заводе в Екатеринославе (ныне завод имени Петровского  в Днепропетровске). Во Франции, России и других странах процесс получил  название «мартеновского», в Германии — «сименс-мартеновского», в США  — «Open hearth process» (то есть процесс  на открытом поду).

 

Для развития М. п. характерны 3 периода: в первом (до начала 20 века) плавку вели в печах небольшой  ёмкости (до 70 т), которые отапливались генераторным газом, тяга была естественной (дымовая труба); второй период (1-я  половина 20 века) характеризуется переходом  на коксодоменный газ, принудительной подачей воздуха (вентиляторы), автоматизацией теплового режима печи, установкой котлов-утилизаторов, строительством печей ёмкостью 185—250 т, затем 370—500 т; для начавшегося в 50-х годах 20 века третьего периода характерны интенсификация процесса кислородом, переход на топливо с высокой  теплотой сгорания (главным образом  природный газ), строительство новых  цехов с агрегатами ёмкостью 600—900 т, создание печей нового типа. Наибольших масштабов М. п. достигло в СССР и  США. В СССР работают (1974) крупнейшие в мире печи ёмкостью 900 т. Существенный вклад в развитие теории и практики М. п. внесли советские учёные-металлурги В. Е. Грум-Гржимайло, А. А. Байков, М. А. Павлов, М. М. Карнаухов, Н. Н. Доброхотов, В. И. Тыжнов, К. Г. Трубин и другие.

 

2. Мартеновский процесс

 

 

 

Шихта мартеновских печей  подразделяется на металлическую часть (чугун, стальной лом, раскислители и  легирующие добавки) и неметаллическую (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит, плавиковый шпат). Чугун, применяемый либо в  жидком состоянии, либо в виде чушек, служит основным источником углерода, обеспечивающим нормальное протекание мартеновского процесса. Количество чугуна и стального лома в шихте  может колебаться в любых соотношениях в зависимости от разновидности  процесса, экономических условий, выплавляемых марок сталей. В качестве раскислителей  и легирующих добавок, в М. п. используют Ферросплавы и некоторые чистые металлы (алюминий, никель). Железная руда и мартеновский агломерат применяются  в М. п. в качестве окислителей, а  также в качестве флюса, способствующего  ускоренному формированию активного  шлака. В роли окислителя может использоваться также окалина. Известняк, известь, боксит, плавиковый шпат в мартеновском процессе служат для формирования шлака  необходимого состава и консистенции, обеспечивающего протекание окислительных  реакций, удаление вредных примесей и нагрев металла.

 

В мартеновском процессе (в  отличие от конвертерных) тепла, выделяющегося  в результате химических реакций  окисления примесей металлической  ванны, недостаточно для проведения плавки. Поэтому в печь дополнительно  подаётся тепло, получаемое в результате сжигания топлива в рабочем пространстве. Топливом служат природный газ, мазут, коксовый и доменный газы. Для обеспечения  полного сгорания топлива воздух на горение подаётся в количестве, несколько большем теоретически необходимого. Это создаёт избыток  кислорода в продуктах сгорания, в которых присутствуют также  газообразные окислы CO2 и H2O, частично диссоциирующие при высокой температуре. В результате происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте (для  интенсификации горения топлива  часть подаваемого в печь воздуха  может заменяться кислородом; газообразный кислород подаётся также в ванну  для интенсификации окислительных процессов). FeO, Fe2O3, CaO, SiO2, MnO, P2O5 и другие окислы вместе с постепенно разрушающимися огнеупорами кладки, флюсами и примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак, покрывающий металл во все последующие периоды плавки. Шлак играет важную роль: связывает все примеси, которые надо удалить из шихты; передаёт кислород из атмосферы печи к жидкому металлу; передаёт тепло от факела к металлу; защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи, и от чрезмерного окисления железа. В различные периоды плавки шлак должен иметь нужный химический состав, необходимую жидкоподвижность и находиться в печи в определённом количестве.

 

В мартеновской плавке различаются  обычно следующие периоды: заправка печи, завалка и прогрев шихты, заливка жидкого или завалка  твёрдого чугуна, плавление, кипение, раскисление  и легирование, выпуск. Заправка печи преследует цель поддержания в рабочем  состоянии всех элементов кладки плавильного пространства. Для этого  в момент выпуска плавки на подину и стенки по мере их освобождения от шлака заправочной машиной забрасывают  огнеупорные материалы (дроблёный  обожжённый доломит, магнезитовый порошок  и другие). После выпуска из печи металла и шлака подину тщательно  осматривают и, если нужно, исправляют замеченные неровности (бугры, ямы). Завалка  шихты осуществляется завалочной машиной. Все твёрдые шихтовые материалы  подаются к печи в спец. коробах  — Мульдах (ёмкостью до 3,3 м3). Продолжительность  завалки в зависимости от ёмкости  печи колеблется от 1 до 3 ч. Для дополнительного  подогрева всего стального лома перед заливкой в печь чугуна производятся прогрев шихты, продолжительность  которого может достигать 1,5 ч. Заливка  чугуна длится 20—60 мин. Период плавления  начинается сразу после окончания  заливки чугуна и продолжается 1—5 ч. В печь в этот период подаётся максимальное количество топлива, ванна  продувается кислородом. В процессе заливки чугуна и в первый момент плавления происходит интенсивное  образование шлака, поскольку весь кремний и часть марганца, содержащиеся в чугуне, окисляются (в шлак частично переходят и окислы железа). Толстый  слой образовавшегося шлака затрудняет передачу тепла от факела к металлу. В связи с этим в первой половине плавления удаляют из печи (путём  спуска в шлаковые чаши) некоторое  количество шлака. В период плавления  обеспечивается удаление из металла  также основной массы фосфора. Химический состав металлической ванны в  момент полного расплавления заметно  отличается от состава, который сталь  должна иметь перед выпуском плавки; температура металла относительно невысока. Поэтому главное назначение следующих периодов плавки, называемых доводкой, состоит в том, чтобы  обеспечить необходимый нагрев металла, доведение его до заданного химического  состава. В связи с этим период кипения — наиболее ответственный  период мартеновской плавки. Главной  реакцией этого периода является реакция окисления растворённого  в жидком металле углерода. Образующиеся в результате этой реакции пузырьки окиси углерода вырываются на поверхность  металла, пробивают слой шлака и, выходя на его поверхность, создают  впечатление кипения ванны. Скорость окисления углерода в этот период можно регулировать либо добавками  железной руды и других флюсов, либо продувкой ванны кислородом и  сжатым воздухом. Состав шлака, обеспечивающий оптимальный нагрев металла и  удаление из него нежелательных примесей (в частности серы), регулируется добавками извести, руды и других флюсующих материалов. Выделяющиеся пузырьки окиси углерода играют важную роль в мартеновском процессе. Перемешивая  нижние слои металла (менее нагретые) с верхними (более нагретыми), они  ускоряют процесс нагрева всего  объёма металла. Кроме того, они захватывают  по пути вверх некоторое количество других газов и неметаллических  частиц, присутствие которых в  готовой стали ухудшает её качество. Период кипения иногда условно разделяют  на 2 части — период рудного кипения, когда в печь вводят добавки руды (кислород), извести, флюсов, и период чистого кипения, когда окисление растворенного в металле углерода продолжается без каких-либо добавок, за счёт растворённого в шлаке и металле кислорода. В период чистого кипения происходит окончательное доведение металла до требуемых температуры и химического состава. Продолжительность чистого кипения строго регламентируется в зависимости от выплавляемой марки стали. Начиная с момента полного расплавления ванны и до конца периода кипения осуществляется контроль состава металла и шлака, а также контроль температуры металла. Общая продолжительность периода кипения 1—2,5 ч. Раскисление и легирование — завершающий период плавки, основное назначение которого состоит в снижении содержания кислорода в металле и доведении состава металла до заданного по содержанию всех элементов, включая легирующие. Раскисляющие и легирующие добавки в зависимости от выплавляемой марки стали вводят или в печь, или в сталеплавильный ковш во время выпуска металла. Для выпуска металла из печи со стороны задней стенки пробивают или прожигают струей газообразного кислорода сталевыпускное отверстие; металл по жёлобу стекает в установленный под ним сталеразливочный ковш (на больших печах плавку выпускают в 2 или 3 ковша). Общая продолжительность выпуска до 20 мин. После выпуска плавки и необходимого осмотра отверстие вновь заделывают огнеупорными материалами. Из ковша металл разливают в изложницы или на установках непрерывной разливки стали. Для повышения качества мартеновской стали определённое распространение получил разработанный в СССР метод обработки металла в ковше (при выпуске из печи) синтетическими шлаками, приготовленными в специальном плавильном агрегате.

 

3. Разновидности мартеновского  процесса

 

 

 

В зависимости от состава  огнеупорных материалов, из которых  изготовлена подина печи, мартеновский процесс бывает двух типов: основной (в составе огнеупоров подины преобладают  основные окислы — CaO, MgO) и кислый (подина состоит из SiO2). Шлак основного процесса состоит преимущественно из основных окислов, а кислого — из кислых. В зависимости от состава шихты (точнее, от соотношения чугуна и  лома в шихте) мартеновский процесс  подразделяют на несколько технологических  вариантов. При карбюраторном (скрап-угольном) процессе металлическая часть шихты  состоит практически только из стального  лома (Скрапа), а требующееся количество углерода вводится в шихту углеродсодержащими материалами (карбюраторами): антрацитом, коксом, графитом, каменным углём и  т. п. Карбюраторный процесс получил  очень небольшое распространение. Скрап-процесс характеризуется тем, что шихта состоит в основном из скрапа. Расход чугуна при этом зависит  от необходимого для проведения периода  кипения содержания углерода в расплавленном  металле и колеблется от 20 до 45 %. Скрап-процесс обычно применяется  на заводах, не имеющих доменных печей, а также в мартеновских цехах  машиностроительных заводов. Наиболее широко распространён скрап-рудный процесс, получивший своё название от того, что твёрдая часть шихты  состоит в основном из скрапа и  руды; для процесса характерно повышенное количество чугуна (50—80 % от массы металлической  части шихты), заливаемого в печь в жидком виде. Скрап-рудный процесс  применяется в мартеновских цехах заводов, имеющих доменные печи. В связи с повышенным содержанием чугуна в шихте в ванну вносится много примесей (углерод, марганец, кремний, фосфор, сера), на окисление которых требуется повышенное количество кислорода (газообразного и в виде окислов руды). Рудный процесс получил своё название от того, что твёрдая часть шихты состоит в основном из железной руды; металлическая часть шихты состоит только из жидкого чугуна. Широкого применения рудный процесс не получил.

 

Более 95 % мартеновской стали  выплавляется основным процессом (скрап-процессом  и скрап-рудным). Кислый мартеновский процесс значительно меньше распространён, чем основной, в связи с тем, что при нём затруднено удаление из металла серы и фосфора и  поэтому требуются более чистые (и, следовательно, более дорогие) шихтовые материалы; плавка при кислом процессе длится дольше, чем при основном. Однако особенности взаимодействия металла с кислой футеровкой подины печи и с кислым шлаком, газопроницаемость  которого меньше, чем основного, а  также использование чистых шихтовых материалов позволяют получать при  кислом процессе сталь высокого качества, чистую от вредных примесей и характеризующуюся  очень малой анизотропностью  свойств вдоль и поперёк направления  последующей обработки давлением. В связи с этим кислая мартеновская сталь широко используется для производства роторов турбин, крупных коленчатых валов, стволов артиллерийских орудий и других изделий, которые должны иметь высокую механическую прочность  вдоль и поперёк волокна.

 

 

Рисунок 1 – Мартеновская печь.

 

Заключение

 

 

 

Таким образом, благодаря  преимуществам, которыми мартеновский процесс отличался от других способов массового получения стали (большая  гибкость и возможность применять  его при любых масштабах производства; менее строгие требования к исходным материалам; относительная простота контроля и управления ходом плавки; высокое качество и широкий ассортимент  выплавляемой стали; сравнительно небольшая  стоимость передела), в конце 19 века и 1-й половины 20 века он был основным сталеплавильным процессом (в 1940—55 этим способом изготовлялось около 80 % производимой в мире стали). Однако в связи с бурным развитием  в 60-х годах 20 века кислородно-конвертерного  производства строительство мартеновских цехов практически прекратилось; относительная доля мартеновской стали  непрерывно уменьшается. В 1970 в мартеновских печах выплавлено в мире Мартеновское производство 240 млн. т стали (Мартеновское производство40 %), в СССР — 84 млн. т (Мартеновское производство72 %). М. п. — основной потребитель  стального лома (около 50 %).

 

Российскими учёными и  сталеварами разработаны методы скоростного сталеварения, повышающие производительность печей. Производительность печей выражается количеством стали, получаемым с одного квадратного  метра площади пода печи в единицу  времени.

 

Список литературы:

 

 

 

1)      Грум-Гржимайло  В. Е., Пламенные печи, 2 изд., ч. 1—5, Л. — М., 1932;

 

2)      Карнаухов  М. М., Металлургия стали, 2 изд., ч. 2 — 3, Л. — М. — Свердловск, 1934;

 

3)      Бюэлл В., Мартеновская печь. Проектирование, сооружение, эксплуатация, перевод  с английского, 2 изд., М., 1945;

 

4)      Морозов  А. Н., Современный мартеновский  процесс, Свердловск, 1961.

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МАРТЕНОВСКОЕ  ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

 

Сущность мартеновского  процесса заключается в ведении  плавки на поду пламенной отражательной  печи, оборудованной регенераторами для предварительного подогрева  воздуха (иногда и газа). Идея получения  литой стали на поду отражательной  печи высказывалась многими учеными, но осуществить это долгое время  не удавалось, так как температура  факела обычного в то время топлива  – генераторного газа – была недостаточной для нагрева металла  выше 1500 оС (т.е. недостаточна для получения  жидкой стали). В 1856 г. Братья Сименс предложили использовать для подогрева воздуха  тепло горячих отходящих газов, устанавливая для этого регенераторы. Принцип регенерации тепла был  использован Пьером Мартеном для  плавки стали. Началом существования  мартеновского процесса можно считать 8 апреля 1864 г., когда П.Мартен на одном  из заводов Франции выпустил первую плавку.