Производство стали и чугуна

    Большинство мартеновских печей отапливают смесью доменного, коксовального и генераторного  газов. Также применяют и природный  газ. Мартеновская печь, работающая на мазуте, имеет генераторы только для  нагрева воздуха.

      Шихтовые материалы (скрапы, чугун,  флюсы) загружают в печь наполненной  машиной через завалочные окна. Разогрев шихты, рас плавление  металла и шлака в печи происходит  в плавильном пространстве при  контакте материалов с факелом  раскаленных газов. Готовый металл  выпускают из печи через отверстия,  расположенные в самой низкой  части подины. На время плавки  выпускное отверстие забивают  огнеупорной глиной. 

      Процесс плавки в мартеновских  печах может быть кислым или  основным. При кислом процессе  огнеупорная кладка печи выполнена   из динасов ого кирпича. Верхние  части подины наваривают кварцевым  песком и ремонтируют после  каждой плавки. В процессе плавке  получают кислый шлак  с большим  содержанием кремнезема (42-58%).

    При основном процессе плавки подину и  стенки печи выкладывают из магнезитового  кирпича, а свод – из динасов ого  или хромомагнезитового кирпича. Верхние  слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым порошком и ремонтируют  после каждой плавки. В процессе плавки получают кислый шлак с большим  содержанием  54 – 56% СаО.

    Основной  мартеновский процесс. Перед началом плавки определяют количество исходных материалов (чушковый чугун, стальной скрап, известняк, железная руда) и последовательность их загрузки в печь. При помощи заливочной машины мульда (специальная коробка) с шахтой вводится в плавильное пространство печи и переворачивается, в результате чего шихта высыпается на подину печи. Сначала загружают мелкий скрап, затем более крупный и на него кусковую известь (3 – 5 % массы металла). После прогрева загруженных материалов подают оставшийся стальной лом и предельный чугун двумя тремя порциями.

    Этот  порядок загрузки материалов позволяет  их быстро прогреть и расплавить. Продолжительность  загрузки шихты зависит от емкости  печи, характера шихты, тепловой мощности печи и составляет 1,5 – 3 ч.

    В период загрузки и плавления шихты  происходит частичная окисление  железа и фосфора почти полное окисление кремния и марганца и образования первичного шлака. Указанные элементы окисляются сначала  за счет кислорода печных газов и  руды, а затем за счет закиси железа растворенной в шлаке. Первичный  шлак формируется при расплавлении и окислении металла и содержит 10 –15% FeO, 35 –45% CaO, 13 – 17% MnO. После образования шлака жидкий металл оказывается изолированным от прямого контакта с газами, и окисление примесей происходит под слоем шлака. Кислород в этих условиях переносится закисью железа, которая растворяется в металле и шлаке. Увеличение концентрации закиси железа в шлаке приводит к возрастанию ее концентрации в металле.

    Для более интенсивного питания металлической  ванны кислородом в шлак вводят железную руду. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, фосфор и  углерод по реакциям, рассмотренным  выше.

    К моменту рас плавления всей шихты  значительная часть фосфора переходит  в шлак, так как последний содержит достаточное количество закиси железа и извести. Во избежание обратного  перехода фосфора в металл перед  началом кипения ванны 40 – 50% первичного шлака из печи.

    После скачивания первичного шлака в печь загружают известь для образования  нового и более основного шлака. Тепловая нагрузка печи увеличивается, для того чтобы тугоплавкая известь  быстрее перешла в шлак, а температура  металлической ванны повысилась. Через некоторое время 15 – 20 мин  в печь загружают железную руду, которая увеличивает содержание окислов железа в шлаке, и вызывает в металле реакцию окисления  углерода

    [C] + (FeO) = Coгаз.

    Образуется  окись углерода выделяется из металла в виде пузырьков, создавая впечатление его кипения, что способствует перемешиванию металла, выделение металлических включений и растворенных газов, а также равномерному распределению температуры по глубине ванны. Для хорошего кипения ванны необходимо подводить тепло, так как данная реакция сопровождается поглощением тепла. Продолжительность периода кипения ванны зависит от емкости печи и марки стали, и находится 1,25 – 2,5 ч и более.

    Обычно  железную руду добавляют в печь в  первую периода кипения, называемого  полировкой металла. Скорость окисления  углерода в этот период в современных  мартеновских печах большой емкости  равна 0,3 – 0,4% в час.

    В течение второй половины периода  кипения железную руду в ванну  не подают. Металл кипит мелкими  пузырьками за счет накопленных в  шлаке окислов железа. Скорость выгорания  углерода в этот период равна 0,15 – 0,25% в час. В период кипения, следя  за основностью и жидкотекучестью шлака.

    Когда содержание углерода в металле окажется несколько ниже, чем требуется  для готовой стали, начинается последняя  стадия плавки – период доводки  и раскисления металла. В печь вводят определенное количество кускового ферромарганца (12% Mn), а затем через 10 – 15 мин ферросилиций (12-16% Si). Марганец и кремний взаимодействуют с растворенным в металле кислородом, в результате чего реакция окисления углерода приостанавливается. Внешним признаком освобождения металла от кислорода является прекращение выделения пузырьков окиси углерода на поверхности шлака.

    При основном процессе плавки происходит частичное удаление серы из металла  по реакции 

    [FeS] + (CaO) = (CaO) + (FeO).

    Для этого необходимы высокая температура и достаточная основность шлака.

    Кислый  мартеновский процесс. Этот процесс состоит из тех же периодов, что и основной. Шихту применяют очень чистую по фосфору и сере. Объясняется это тем, что образующийся кислый шлак не может задерживать указанные вредные примеси.

    Печи  обычно работают на твердой шихте. Количество скрапа равно         30 – 50% массы металлической шихты. В шихте допускается не более 0,5% Si. Железную руду в печь подавать нельзя, так как она может взаимодействовать с кремнеземом подины и разрушать ее в результате образования легкоплавкого соединения 2FeO*SiO2. Для получения первичного шлака в печь загружают некоторое количество кварцита или мартеновского шлака. После этого шихта нагревается печными газами; железо, кремний, марганец окисляются, их окислы сплавляются с флюсами и образуют кислый шлак, содержащий до 40 –50 % SiO2. В этом шлаке большая часть закиси железа находится в силикатной форме, что затрудняет его переход из шлака в металл. Кипение ванной при кислом процессе начинается позже, чем при основном, и происходит медленнее даже при хорошем нагреве металла. Кроме того, кислые шлаки имеют повышенную вязкость, что отрицательно сказывается на выгорании углерода. 

    Так как сталь выплавляется под слоем  кислого шлака с низким содержанием  свободной закиси железа, этот шлак защищает металл от насыщения кислородом. Перед выпуском из печи в стали  содержится меньше растворенного кислорода, чем в стали, выплавленной при  основном процессе.

    Для интенсификации мартеновского процесса воздух обогащают кислородом, который  подается в факел пламени. Это  позволяет получать более высокие  температуры в факеле пламени, увеличивать  ее лучеиспускательную способность, уменьшать  количество продуктов горения и  благодаря этому увеличивать  тепловую мощность печи.

           Кислород можно вводить и в  ванну печи. Введение кислорода  в факел и в ванну печи  сокращает периоды плавки и  увеличивает производительность  печи на 25-30%. Изготовление хромомагнезитовых  сводов  вместо динасовых позволяет увеличивать тепловую мощность печей, увеличить межремонтный период в 2-3 раза и повысить производительность на 6-10%.   
 

3.3. Производство стали  в электрических  печах. 

    Для выплавки стали используют электрические  печи двух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные). Первые из них получили более широкое применение в металлургической промышленности.

    Дуговые печи имеют емкость 3 - 80 т и более. На металлургических заводах устанавливают  печи емкостью 30 –80 тонн. В электрических  печах можно получать очень высокие  температуры (до 2000° С), расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов иметь, иметь основной шлак, хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные печи) и достигать высокого раскисления и дегазации металла.

    Нагревание  и расплавление шихты осуществляется за счет тепла, излучаемого тремя  электрическими дугами. Электрические  дуги образуются в плавильном пространстве печи между вертикально подвешенными электродами и металлической  шихтой.

    Дуговая печь имеет следующие основные части: сварной или клепанный кожух цилиндрической формы, со сфероидальным днищем; подины и стенок; съемный арочный свод с отверстиями для электродов; механизм для закрепления вертикального перемещения электродов; две опорные станины; механизм наклона печи, позволяющий поворачивать печь при выпуске стали по желобу и в сторону загрузочного окна для скачивания шлака.

    В сталеплавильных печах применяют  угольный и графитированные электроды. Диаметр электродов определяется мощностью потребляемого тока и составляет 350 – 550 мм. В процессе плавки нижние концы электродов сгорают. Поэтому электроды постепенно опускают и в необходимых случаях наращивают сверху.

    Технология  выплавки стали в  дуговых печах. В электрических дуговых печах высококачественную углеродистую или легированную сталь. Обычно для выплавки стали, применяют шихту в твердом состоянии. Твердую шихту в дуговых печах с основной футеровкой используют при плавке стали с окислением шихты и при переплавке металла без окисления шихты.

    Технология  плавки с окислением шихты в основной дуговой печи подобна технологии плавки стали в основных мартеновских печах (скрап-процессам). После заправки падины в печь загружают шихту. Среднее содержание углерода в шихте на 0,5 –0,6% выше, чем в готовой стали. Углерод выгорает и обеспечивает хорошее кипение ванны. На подину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Укладывать шихту в печи надо плотно. Особенно важно хорошо уложить куски шихты в месте нахождения электродов. Шихту в дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большой емкости через свод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки кокса, включают ток, и начинают плавку стали.

    При плавки стали в дуговых печах  различают окислительный и восстановительный периоды.

    Во  время окислительного периода расплавляется  шихта, окисляется кремний, марганец, фосфор, избыточный углерод, частично железо и  другие элементы, например хром, титан, и образуется первичный шлак. Реакция  окисления такие же, как и при  основном мартеновском процессе. Фосфор из металла удаляется в течение  первой половины окислительного периода, пока металл в ванне сильно не разогрелся. Образовавшийся при этом первичный  фосфористый шлак в количестве 60 – 70% удаляют из печи.   

    Для получения нового шлака в основную дуговую печь подают обожженную известь  и другие необходимые материалы. После удаления фосфора и скачивания первичного шлака металл хорошо прогревается и начинается горение углерода. Для  интенсивного кипения ванны в  печь забрасывают необходимое количество железной руды или окалины и шлакообразующих  веществ.

    Во  время кипения ванны в течение 45-60 мин избыточный углерод сгорает, растворенные газы и неметаллические  включения удаляются. При этом отбирают пробы металла для быстрого определения  в нем содержания углерода и марганца и пробы шлака для определения  его состава. Основность шлака поддерживается  равной 2-2,5, что необходимо для задержания в нем фосфора.

    После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период окисления  углерода содержится меньше, чем требуется  по химическому анализу, то в печь вводят куски графитовых  электродов или кокс.

    В восстановительный период плавки раскисляют металл, переводят максимально возможное  количество серы в шлак, доводят  химический состав металла до заданного и подготовляют его к выпуску из печи.

    Восстановительный период плавки в основных дуговых  печах при выплавке сталей с низким содержанием углерода проводится  под белым (известковым) слоем шлаком, а при выплавке высокоуглеродистых сталей – под карбидным шлаком.

    Для получения белого шлака в печь загружают шлаковую смесь, состоящую  из извести и плавикового шпата. Через некоторое время на поверхности  образуется слой шлака с достаточно высокой концентрацией FeO и MnO. Пробы шлака имеют темный цвет.

    Перед раскислением металла в печь двумя-тремя порциями забрасывают второю шлаковую смесь, состоящей из кусковой извести, плапикового шпата, молотого древесного угля и кокса. Через некоторое время содержание Feo и MnO понижается. Пробы шлака становятся светлее, закись железа из металла начинает переходить в шлак. Для усиления раскисляющего действия  к концу восстановительного периода в печь забрасывают порошок ферросилиция, под влиянием которого содержание FeO в шлаке понижается. В белом шлаке содержится до 50 – 60% СаО, а на поверхности его плавает древесный уголь, что позволяет эффективно удалять серу из металла.