Производство стали

Мартеновское производство — это процесс получения стали методом окислительной плавки в мартеновских печах.

Мартеновская печь — пламенная регенеративная печь с горизонтальным рабочим пространством. Для вы­плавки стали в мартеновской печи может применяться как жидкий, так и твердый чугун. В отличие от кисло­родного конвертора для выплавки стали в мартеновской печи недостаточно того тепла, которое выделяется в ре­зультате экзотермических реакций окисления примесей чугуна. Поэтому в печь подводится дополнительное теп­ло, получаемое в результате сжигания топлива в рабо­чем пространстве. В качестве топлива применяют природный газ, мазут, а также смесь доменного и коксового (образующегося при производстве кокса) газов.

Мар­теновская печь состоит из следующих основных частей: рабочего пространства 4 (ограниченного подом 7, сводом 5, передней стенкой с завалочными окнами 9 задней стен­кой), которое служит для проведения самого   процесса плавки; головки (правая  и   левая) 1, 5 и   каналов 2— для   подачи   в   печь   топлива   и воздуха   на   горение и отвода из него продуктов сгорания; шлаковиков (воз­душных и газовых) —для    осаждения   содержащихся в продуктах сгорания пыли и частиц шлака; регенерато­ров 6, 8 (воздушных и газовых) —для подогрева посту­пающих в печь газа и воздуха за счет аккумуляции тепла выходящих из печи продуктов сгорания; боровов (кана­лов) — для прохода продуктов сгорания; системы пере­кидки клапанов; дымовой трубы. Мартеновская печь — агрегат симметричный: правая и левая ее стороны отно­сительно вертикальной оси одинаковы по    устройству. Топливо и воздух для горения поступают в рабочее про­странство поочередно то   с правой, то   с левой стороны; продукты сгорания отводятся из рабочего пространства соответственно с противоположной стороны.

Проходя через регенераторы, горячие продукты сго­рания нагревают огнеупорную насадку. Когда через эти регенераторы направляются в печь холодные газ и воз­дух, они нагреваются от горячей насадки.

Мартеновские печи сооружают емкостью до 900 т. Наибольшее распространение получили две разновидно­сти мартеновского процесса: скрап-рудный, при котором основной составляющей шихты является чугун, и скрап-процесс, при котором основной составляющей шихты яв­ляется металлический лом. Как правило, при скрап-рудном процессе, чугун применяется в жидком виде, скрап-процесс осуществляется целиком на твердых ших­товых материалах. Кислый мартеновский процесс в по­следние годы находит все меньшее распространение. В кислых печах проводится только скрап-процесс.

Процесс плавки при скрап-рудном варианте состоит из следующих периодов: завалка твердых шихтовых ма­териалов (железная руда, известняк, скрап); прогрев; заливка жидкого чугуна; плавление, кипение; раскисле­ние и легирование; выпуск металла. Во время плавления в результате реакций окисления примесей формируется шлак. К моменту полного расплавления всей шихты от­бирается проба металла на химический анализ. После спуска первичного шлака и наводки нового с помощью извести в металле достигается нужное содержание фос­фора. Если его содержание превышает допустимое, то операция спуска и наводки нового шлака    повторяется несколько раз. Период кипения предназначен для дове­дения состава металла (главным образом по содержа­нию углерода) до требуемого и нагрева металла до температур, обеспечивающих дальнейшую разливку. Главной реакцией этого периода является реакция окис­ления углерода. Образующаяся окись углерода в виде газовых пузырей всплывает через толщу металла, проходит шлак и удаляется в атмосферу печи. Процесс выделения пузырей углерода создает впечатление ки­пения. Этот процесс позволяет перемещать всю толщу металла, приводит к выравниванию химического соста­ва металла, а также ускоряет процесс нагрева металла по всей высоте ванны и очищает металл от находящихся в нем  газов и неметаллических включений. В этот же период происходит реакция удаления серы из металла.

В момент, когда будет достигнуто требуемое содержа­ние углерода в металле, его раскисляют—вводят веще­ства, которые легче соединяются с кислородом, чем углерод. При выплавке легированных сталей в этот же период в металл вводят легирующие добавки. После не­продолжительной выдержки открывают сталевыпускное отверстие, расположенное в середине нижней части зад­ней стенки, и готовую сталь выпускают по желобу в сталеразливочный ковш.

В последние годы получили большое распространение различные способы интенсификации мартеновской плав­ки. Широко используется кислород как для интенсифи­кации процесса горения топлива в печи, так и для непо­средственной продувки металла по типу продувки в кис­лородном конверторе. Для этого через свод печи к по­верхности металла опускают водоохлаждаемые кисло­родные фурмы.

Работа мартеновских печей в значительное степени автоматизированa.

Основными показателями, характеризующими рабо­ту мартеновской печи, являются годовая производитель­ность и съем стали с 1 м2площади пода. Годовая произ­водительность — это количество стали, выплавленной в течение года на  данной печи. Производительность крупных печей превышает 0,5 млн. т стали в год. Съем стали характеризует интенсивность работы различных печей и исчисляется отношением суточного производства стали к площади пода печи. Обычно съем стали состав­ляет 12—13 т/(м2-сут).

Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс (1864—1865, Франция). Впервые после многочисленных попыток удалось получить на поду пламенной печи жидкую сталь, так как до этого таким путем получали сталь в тестообразном состоянии. Мартен применил для сталеплавильной печи принцип регенерации тепла отходящих печных газов для подогрева топлива и воздуха, подаваемого в печь.  В период до семидесятых годов являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла – стального скрапа. Вместимость печи составляет  200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.

Мартеновская печь (рис. 3) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи.  В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Мартеновская печь

Рис. 3. Схема мартеновской печи

Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон.  Своды выполняют из из термостойкого хромомагнезитового кирпича, что позволяет нагревать его до 1800 0С. Горячий газ подают в печь по центральному каналу, воздух – по двум боковым. Поэтому с обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут.

Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1.

Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.

Отходящие от печи газы имеют температуру 1500…1600 0C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 0C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку, нагревается до 1200 0C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.

Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли и направляются во второй регенератор.

Охлаждённые газы покидают печь через дымовую трубу 8.

После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.

Температура факела пламени достигает 1800 0C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных печей  – до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают мало спекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400…600 плавок.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

– скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.

– скрап-рудный процесс, при котором  шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды (15…30 % от массы металлической части шихты). Железную руду добавляют для ускорения окисления примесей чугуна. Процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали, в шлаке преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые – кислым.

Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой.

В печь загружают железную руду и известняк, а после подогрева подают скрап. Во время загрузки твердых материалов в печь расходуется максимальное количество топлива для обеспечения быстрого прогрева и расплавления шихтовых материалов. После разогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и, частично, углерод. Оксиды образуют шлак с высоким содержанием оксидов железа и марганца (железистый шлак). После этого проводят период «кипения» ванны: в печь загружают железную руду и продувают ванну подаваемым по трубам 3 кислородом. В это время отключают подачу в печь топлива и воздуха и удаляют шлак.

Для удаления серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается.

В период «кипения» углерод интенсивно окисляется, поэтому шихта должна содержать избыток углерода. На данном этапе металл доводится до заданного химического состава, из него удаляются газы и неметаллические включения.

Затем проводят раскисление металла в два этапа. Сначала раскисление идет путем окисления углерода металла, при одновременной подаче в ванну раскислителей – ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное раскисление алюминием и ферросилицием осуществляется в ковше, при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в ковш.

В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.

В кислых мартеновских печах шлак кислый и не содержит свободной извести. Следовательно удаления серы и фосфора в такой печи не происходит, поэтому применяют шихту с низким содержанием серы и фосфора. Выплавляют качественные сталии высококачественные легированные стали. Стали содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений. Следовательно, кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, её используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.

Основными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются:

–       производительность печи – съём стали с 1м2 площади пода в сутки (т/м2 в сутки), в среднем составляет 10 т/м2;

–       расход топлива на 1т выплавляемой стали, в среднем составляет 80 кг/т.

С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.

Посмотрите видеофильм «Выплавка стали в мртеновских печах».

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 1,5ч. 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.