Мартеновский способ производства стали

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Черная металлургия - это  одна из важнейших базовых отраслей тяжелой индустрии. Её продукция служит основой развития машиностроения и металлообработки, строительства, а также находит широкое применение во многих других отраслях народного хозяйства.

Система производств черных металлов охватывает весь процесс от добычи и подготовки сырья, топлива, вспомогательных материалов до выпуска проката с изделиями дальнейшего передела. Металлургический цикл (чугун - сталь - прокат) обеспечивается целым рядом смежных и вспомогательных производств, необходимых для нормального функционирования всего процесса получения черных металлов.

Черная металлургия России отличается массовостью и высокой  концентрацией производства, огромными  масштабами использования сырья, топлива  и вспомогательных материалов, тесным взаимодействием всех звеньев металлургического передела и его смежников, широкой утилизацией промышленных отходов. Черная металлургия — отрасль тяжелой промышленности, к которой относятся предприятия по добыче и обогащению рудного и нерудного сырья, по производству чугуна, стали, проката, ферросплавов и изделий дальнейшего передела.

Цель работы: изучить и  проанализировать мартеновский способ производства стали.

Задачи:

- рассмотреть характеристику отрасли в социально-экономической системе народного хозяйства;

- изучить технологический процесс мартеновского способа производства стали;

- разработать направления совершенствования отрасли черной металлургии.

1. Характеристика отрасли в социально-экономической системе народного хозяйства

Металлургический  комплекс в настоящий момент продолжает оставаться одной из базовых системообразующих  отраслей российской экономики. Являясь  одним из крупнейших потребителей продукции  и услуг естественных монополий, металлургический комплекс потребляет 35% перевозимых в стране железнодорожным транспортом грузов, 30% производимой электроэнергии, 25% добываемого природного газа, 10% добываемой нефти и нефтепродуктов. [5. с. 20]

Металлургическая  промышленность начинается с горнорудных предприятий, это и ферросплавная и коксовые предприятия, которые имеются в структурах вертикально-интегрированных компаний. Действительно эта отрасль является высококонцентрированной, включающей в себя много различных производств.

Основным видом  продукции черной металлургии является готовый прокат, включающий сортовой и листовой прокат. Спрос на металлопродукцию на внутреннем рынке России предопределяется двумя основными группами факторов: во-первых, — макроэкономическими  показателями развития экономики в целом, включая объемы промышленного производства и инвестиций в основной капитал, а также индексы роста цен; во-вторых — динамикой производства основных металлоемких отраслей.

Перспективы роста  внутреннего потребления черных металлов связаны, в основном, с расширением номенклатуры и созданием новых видов продукции в результате проведения металлургическими предприятиями мероприятий по повышению технического и технологического уровня производства, а также с динамичным развитием отраслей машиностроения, создания ими новых, современных, прогрессивных видов продукции. 
Черную металлургию России отличает высокая степень концентрации производства: около 90% продукции производится шестью крупными компаниями. [3. с. 72]

Глобализация  компаний, образование транснациональных промышленных гигантов с полным производственным циклом — важнейшая тенденция развития мировой экономики в последние годы. Эта тенденция характерна и для металлургии России.

Процесс полной консолидации отрасли сейчас уже  практически завершен. В черной металлургии России появилась шестерка национальных игроков, сопоставимых по размерам и вполне жизнеспособных. В 2011-2012 годы они активно скупали сырьевые активы — угольные и рудные, а также выстраивали собственную логистику. Приобретение металлургами портов — это в то же время и вопрос развития смежных направлений, и снижение определенных издержек для себя, тарифы перевозок руды и пр. Это также говорит о стабильности развития компании и создает условия и для экспорта своей продукции. Но в то же время это и бизнес, где можно получить прибыль. [5. с. 20]

Металлургический  комплекс, являясь базовой отраслью, вносит существенный вклад в экономику  России. Успехи в развитии комплекса  обусловлены, с одной стороны, общей  политической стабильностью, проведенными структурными и институциональными реформами, с другой – исключительно благоприятной внешнеэкономической конъюнктурой. Высокие цены на металлопродукцию и возможности наращивания ее экспорта обусловили в последние годы значительный вклад металлургии в прирост ВВП и других макроэкономических показателей.

В составе металлургического  комплекса (металлургической промышленности, металлургии) – предприятия по добыче и обогащению руд черных и цветных  металлов, нерудных материалов, по производству чугуна, стали, проката, труб стальных, метизов, ферросплавов, огнеупоров, кокса, алюминия, меди, никеля, кобальта, свинца, цинка, олова, сурьмы, ртути, вольфрама, молибдена, ниобия, тантала, редкоземельных металлов, обработке цветных металлов (алюминия, титана, магния, тяжелых цветных металлов), по производству твердосплавной, углеродной, полупроводниковой продукции, по переработке ломов и отходов, производству ряда видов химической продукции, большой комплекс предприятий вспомогательного назначения, а также научно-исследовательские и проектные организации. [3. с. 46]

Доля металлургии  в ВВП страны составляет около 5%, промышленном производстве - 17,3%, экспорте – 14,2%. Доля металлургии в налоговых  платежах во все уровни бюджетов составляет 9%. Как потребитель продукции и услуг субъектов естественных монополий металлургия использует от общепромышленного уровня 32% электроэнергии, 25% природного газа, 10% нефти и нефтепродуктов, ее доля в грузовых железнодорожных перевозках – 20%. Металлургическая промышленность является одной из отраслей специализации России в современном международном разделении труда. На сегодняшний день по производству стали Россия занимает 4-е место в мире (уступая Китаю, Японии и США), а по экспорту металлопродукции – 3 место в мире (экспорт стального проката в 2012 году составил около 28,3 млн. т; из Китая - 52,1 млн. т, из Японии – 35,6 млн. т). По производству и экспорту алюминия Россия занимает 2-е место в мире, уступая только США; по производству никеля – первое место в мире, по производству титана – второе место. [5. с. 23]

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Технологический процесс мартеновского способа производства стали

 

Акционерное общество «ЧМК» - Челябинский металлургический комбинат является одним из крупнейших предприятий металлургической отрасли в Российской Федерации. Предприятие занимает в России шестое место по объемам производства, и одно из первых по производству специальных сталей и сплавов.

Рассмотрим  мартеновский процесс «ЧМК».

Мартеновский  процесс в «ЧМК» – получение жидкой стали путем окислительной плавки шихты из стального лома, чугуна, железной руды и флюсов в пламенной отражательной печи с регенеративным подогревом воздуха. Процесс был вызван к жизни потребностью общества в переплавке стальных отходов, накапливавшихся в металлургической и машиностроительной промышленности в эпоху промышленной революции.

Идеи организации  передела железного лома и чугуна в сталь на поду пламенной печи высказывались неоднократно. Наибольший вклад в создание мартеновского  производства принадлежит Ф. Сименсу (Германия), предложившему в 1856 году использовать принцип регенерации тепла отходящих газов для повышения температуры в рабочем пространстве плавильных печей, и Пьеру 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 металлургами А.А. Износковым и Н.Н. Кузнецовым на Сормовском заводе в 1870 году.

В мартеновскую печь в «ЧМК» 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 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).

Особенностью  основного мартеновского процесса в «ЧМК» является то что он позволяет получать сталь с низким содержанием вредных примесей (фосфора, серы) из рядовых шихтовых материалов.

Плавку начинают с загрузки твердой составляющей шихты (железная руда, известняк, лом) с помощью завалочной машины. После загрузки твердой части шихты и прогрева ее, заливают жидкий чугун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. С этого момента начинается период плавления шихты, в результате которого за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна (кремний, фосфор, марганец и частично углерод).

Кремний окисляется и переходит в шлак почти полностью в период плавления под действием окислительной атмосферы, а также кислорода вводимого с железной рудой. Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем, когда температура металла еще не высока. Оксиды кремния (SiO₂), фосфора (P₂O₅), марганца (MnO), кальция (CaO) образуют железисто-углеродистый шлак, способствующий удалению фосфора. При переработке обычного чугуна для понижения содержания фосфора в металле проводят однократное скачивание шлака. Если же перерабатывают фосфористый чугун, то скачивание проводят многократно.

После расплавления шихты, окисления значительной части примесей и разогрева металла начинается период кипения ванны. В печь загружают железную руду или продувают ванну кислородом. Углерод в металле интенсивно окисляется, образуя оксид углерода (CO), выделяющегося в виде газовых пузырей, и вызывая кипение мартеновской ванны. Этот процесс играет очень важную роль, так как выравнивание состава и температуры металла в мартеновской печи осуществляется за счет кипения ванны. При кипении происходит удаление газов из металла, всплывание и поглощение шлаком неметаллических включений, увеличивается поверхность раздела между шлаком и металлом, что способствует ускорению процессов удаления вредных примесей (фосфора, серы).

Ввиду высокой  окисленности шлака, удаление серы из металла менее эффективно, чем  фосфора. Для удаления серы наводят  новый шлак, загружая известь с  добавлением боксита или плавикового  шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается, создаются условия для удаления из металла серы. Для получения стали с низким содержанием серы, проводят обработку металла внепечными методами в ковше.

В период кипения  ванны интенсивно окисляется углерод. Поэтому при составлении шихты для плавки необходимо предусмотреть, чтобы в ванне к моменту расплавления содержание углерода было на 0,5 – 0,6% выше, чем требуется в готовой стали. Процесс кипения считают закончившимся, когда содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание фосфора минимально. После этого сталь раскисляют и после отбора контрольных проб выпускают в сталеразливочный ковш через отверстие в задней стенке печи.

Для развития мартеновского  процесса в «ЧМК» 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, строительство новых цехов.

Схема мартеновской печи «ЧМК» представлена на рис. 1. Мартеновская печь состоит из верхнего и нижнего строений: границей раздела служит рабочая площадка цеха. В верхней части располагаются рабочее (плавильное) пространство печи, головки и часть вертикальных каналов. Рабочее пространство образовано снизу подиной, сверху сводом, с боков передней и задней стенками. В передней стенке размещены завалочные окна (3,5 или 7 окон в зависимости от вместимости печи), через которые загружают шихтовые металлические и неметаллические материалы. Нижнее строение печи расположено под рабочей площадкой цеха и состоит из шлаковиков, регенеративных камер и боровов с перекидными клапанами.

Рисунок 1. Схема устройства и работа мартеновской печи «ЧМК» ёмкостью 500 т

Газ и  воздух по каналам 1 и 2 подводят к газовому клапану 10, а затем смесь по каналу 5 поступает в регенератор 6. Вентилятором 3 по каналу 4 воздух подводится к воздушному клапану 9, от которого по каналу 8 поступает в регенератор 7. Насадка регенераторов с температурой 1500–1550 ºС отдаёт тепло проходящим через них газу и воздуху. Нагреваясь в регенераторах до 1200 ºС, газ и воздух по вертикальным каналам поступают в головки печи для образования газовоздушной смеси, которая и сгорает в рабочем пространстве. Продукты горения из рабочего пространства печи через правые головки направляются в регенераторы 16 и по каналам 15 и 11 поступают в дымовую трубу 12.

Когда огнеупорная насадка в регенераторах 6 и 7 начнёт остывать, направление движения газа и воздуха изменится. Клапаны 9 и 10 закрываются, а левые клапаны 14 и 13 открываются. При этом насадка регенераторов 16 будет нагрета до 1200–1300 ºС теплом отходящих продуктов горения. После перекидки клапанов продукты горения пойдут через насадку регенераторов 6 и 7.

Воздух  для сжигания топлива подают вентилятором через борова. Топливо в горелке  распыляют сжатым компрессорным  воздухом под давлением 0,5–0,6 МПа. В корень факела часто подают под давлением 0,5–1,0 МПа газообразный кислород для интенсификации окислительных процессов.