2.3. Виробництво сталі мартенівським способом

При мартенівському способі сталь виплавляється в полуменевих відбивних печах з оснόвною або кислою футеровкою.

Залежно від складу шихти, що використовується в плавці, розрізняють мартенівські методи виробництва сталі.

1) скрап-процес :

а) із застосуванням скрапу (металевого брухту) і навуглецьовувальників (бій графітних електродів, пиловуглецевих матеріалів, низькосортного вугілля і т.п.). Цей процес ще називають карбюраторним;

б) скрап-процес - із застосуванням скрапу і твердого переробного чавуну, бою чавунних виробів;

2) скрап-рудный процес - з використанням скрапу, рідкого чавуну і невеликої кількості оксидів заліза (руди, окалини і т.п.) як носіїв кисню;

3) сучасний скрап-рудный процес - з використанням рідкого чавуну, скрапу і продуванням ванни газоподібним киснем;

4) рудний процес - на рідкому чавуні без скрапу або малою його кількістю і використовуванням руди для окислення домішок;

5) двохванний мартенівський процес - з прогріванням шихти в одній ванні за рахунок газів, що відходять, з робочого простору парного агрегату, в якому в цей час проводять плавку.

Устрій і робота мартенівської печі. Мартенівська полуменева відбивна піч, це піч, де висока температура досягається за рахунок спалювання газоподібного (суміш генераторного, колошникового або коксівного газів) або рідкого (нафта, мазут) палива. Для підвищення температури у зоні горіння в піч подається заздалегідь підігріте повітря.

Основна частина мартенівської печі - робочий простір, куди завантажуються шихтові матеріали і, де проводиться плавка. Зверху воно обмежено склепінням (сводом), знизу – подом. Завантаження шихти проводиться через вікна. З одного боку через головки, до яких підходять канали, подаються в піч повітря і паливо, з другого боку відводяться продукти горіння, функції головок циклічно змінюються.

З плавильного простору мартенівської печі продукти горіння, що мають температуру близько 1600 °С, поступають в регенератори, і поступово нагрівають їх насадки до температури 1000-1200° С.

Регенератори, що служать для підігріву повітря і палива, представляють камери, викладені зсередини вогнетривкою цеглою, що створює насадку з вертикальними каналами. Регенератори в нижній частині сполучені каналами, по яких поступають повітря і газ і відводяться продукти горіння. Періодично напрям подачі палива і відведення продуктів горіння змінюється перекиданням клапанів.

У разі вживання газоподібного палива застосовуються по два регенератори з кожної сторони: в одному підігрівається повітря, в іншому - паливо. Печі, опалювальні рідким паливом, мають тільки по одному регенератору - для підігріву повітря, а паливо подається в піч форсунками у розпиленому вигляді.

В цей же час через нагріті регенератори, розташовані по іншу сторону печі, проходять газоподібне паливо і повітря. Останні віднімають у насадки регенераторів теплоту і в нагрітому до температури 900-1000 °С стані поступають у робочий простір мартенівської печі.

Кладка поду і стінок мартенівських печей може бути оснóвною і кислою. Кислі печі футерують динасовими вогнетривами.

В оснόвних печах кладка поду і стінок виконується з магнезитової цегли, а своду (склепіння) - з динасових матеріалів. Сучасні крупні печі мають кладку з хромомагнезитової цегли.

У піч завантажують шихтові матеріали, одночасно подають паливо і повітря. Паливо, що потрапляє в піч, стикається з розжареним повітрям, запалюється і утворює факел полум'я. Температура в робочому просторі підіймається до 1700-1800 °С. Факел горить яскраво оранжевим полум'ям. При використовуванні природного, коксівного і інших висококалорійних газів уприскують в зону горіння мазут або додають генераторний газ для підсвічування полум'я (придання полум'ю чевоного та жовтого відтінків). Теплопередача в печі здійснюється радіацією (випромінюванням) і конвекцією, причому радіаційна складова перевищує конвекцію у співвідношенні 90 : 10. Тому полум'я факела повинно бути кольорів теплової частини спектра – червоно-жовтим. Випромінювання факела нагріває свод майже до 2000 °С, склепіння (свод) має параболічну форму і віддзеркалює (відбиває) гарячі промені вниз на шихтові матеріали.

Залежно від типу в мартенівських процесах розрізняють періоди: завалення скрапу; нагріву і плавлення, кипіння і розкислювання. Загальна тривалість плавки сталі в малих (до 100 т) мартенівських печах 5-8 годин, у великовантажних печах 11-13 год.

У процесі плавлення шихти під впливом кисню повітря, що поступає в піч, починається окислення заліза з утворенням закису заліза. Закис заліза реагує з кремнієм і марганцем, утворюються їх оксиди, які переходять в шлак. Сірку і фосфор ошлаковують (зв’язують) вапном-СаО.

Далі починається окислення вуглецю закисом заліза. Оксид вуглецю, що утворюється, видаляється з металевої ванни і створює враження, що метал «кипить». Тому цей період і називається періодом кипіння; він є найвідповідальнішим періодом мартенівської плавки.

Закис заліза, що утворюється при плавленні, розчиняється в рідкому металі, тому сталь розкислюють. Розкислення це процес зв’язування кисню, що розчинений у металі в оксиди, які видаляються із розплаву в окрему фазу. Для цього або в піч, або у випускний жолоб, або ківш, як правило, вводять феросиліцій, феромарганець, алюміній або інші передбачені технологічною інструкцією розкислювачі.

Готова сталь випускається через випускний отвір. На сучасному рівні технологій сталь після випуску з печі передають на позапічну обробку і доведення, після чого відправляють на розливання.

На сьогодні для підвищення продуктивності мартенівських печей застосовується: збагачення киснем факела полум'я, а також продування киснем рідкої ванни під час вигоряння вуглецю. Для підвищення продуктивності процесу використовують, так званий, двохванний процес. Сутність цього процесу полягає в поєднанні двох агрегатів в один комплекс, який дозволяє утилізувати частину теплоти газів, що виходять з робочого простору печі. Коли в одній печі йде процес плавлення і продувки металевої ванни, у другій, яка з’єднана газоходом із робочим простором першої, іде процес нагрівання шихти за рахунок теплоти вихідних газів першої.