3. М артеновское производство стали

Мартеновская печь является пламенной регенеративной печью (рис, 5). В рабочем пространстве печи сжигается газообразное или жидкое топливо. Необходимая высокая температура для получения стали в жидком состоянии обеспечивается за счет регенерации тепла отходящих газов.

Верхнее строение мартеновской печи состоит из плавильного пространства, головок и вертикальных каналов. Плавильное пространство ограничено передней стенкой с завалочными ок­нами, задней стенкой с выпускным отверстием, снизу - подиной и откосами, сверху - сводом, с торцов - головками. Через завалочные окна в печь загружают шихту и дополнительные материалы по ходу плавки, удаляют и наводят шлак, берут пробы металла и шлака. Через отверстие в задней стенке, находящееся на уровне подины, производят выпуск готового металла и шлака. На время плавки отверстие забивают магнезитовым порошком.

Рабочее пространство печи футеровано огнеупорным кирпичей. В зависимости от вида футеровки различают основные и кислые мартеновские печи. В основных печах подину и откосы выкла­дывают основным магнезитовым кирпичей, а сверху наваривают слой магнезитового или доломитового порошка. Подвесной свод выполняют из хромомагнезитового кирпича. Использование основ­ной футеровки позволяет загружать в печь известь, получать основной шлак и удалять вредные примеси - серу и фосфор.

В кислых печах подину и откосы футеруют кислым динасовым кирпичей на основе кремнезема, а верхний слой наваривают из кварцевого песка. Свод также выполняют из динаса. Из-за не­возможности удаления серы и фосфора кислый процесс применяют значительно реже основного. В кислых печах в качестве шихты либо используют чистые по сере и фосфору чугун и стальной лом, либо переливают жидкую заготовку из основной печи после уда­ления из нее вредных примесей (дуплекс-процесс: основная - кислая мартеновская печь). Сталь, выплавленная в кислых мар­теновских печах, содержит меньшее количество растворенных газов, лучше раскислена, характеризуется меньшим содержанием неметаллических включений, более благоприятной их формой и равномерным распределением в объеме металла.

В торцах рабочего пространства печи расположены головки для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Головки соединены с нижним строением печи вертикальными каналами. Нижнее строение мартеновской печи расположено под рабочей площадкой. Оно состоит из шлаковиков (на рис. 5 не показаны), в которых происходит отделение от дымовых газов частиц шлака и пыли из рабочего пространства, регенеративных камер и боровов с перекидными клапанами.

На схеме рис. 5 показана работа мартеновской печи при по­ступлении топлива и воздуха с правой стороны, а стрелками пока­зано движение газов. В рабочем пространстве печи топливо сме­шивается с воздухом и сгорает с образованием факела пламени с температурой 1800-1900°С. Газообразные продукты горения поступают в каналы противоположной левой головки, затем в вертикальные каналы, шлаковики и регенераторы, температура дымовых газов, поступающих в регенераторы, составляет 1500- 1550°С.

Регенераторы представляют из себя камеры с выложенными клеткой насадками из огнеупорного шамотного кирпича. При прохождении дымовых газов насадки одной пары регенераторов, в нашем случае - левых, нагреваются до 1300-1400 ⁹С. После перекидки клапанов движение топлива, воздуха и газов меняется на противоположное. Через один из нагретых регенераторов в рабочее пространство пойдет газообразное топливо, через другой - воздух. Проходя через насадку, они нагреваются до 1100 - 1200 °С. В это время другая пара регенераторов нагре­вается, аккумулируя тепло отходящих газов. После охлаждения насадок первой пары регенераторов до определенной температуры происходит очередная перекидка клапанов и процесс повторяется в обратном направлении. Из регенераторов дымовые газы идут по боровам в дымовую трубу, по пути проходят через котел-утилизатор и газоочистку.

Мартеновские печи, работающие на жидком топливе (мазуте), с каждой стороны имеют только по одному регенератору для подогрева воздуха.

В качестве газообразного топлива обычно используют смесь доменного и коксового газов. В последнее время широко при­меняют природный газ, который добавляют к коксово-доменной газовой смеси. Воздух для сжигания топлива дополнительно обогащают кислородом до содержания 25 - 30 %. Форсунки и устройства для подачи мазута, природного газа и кислорода в факел расположены в головках мартеновской печи.

Обычно применяют стационарные мартеновские печи, но для выплавки стали из фосфористых чугунов и облегчения скачивания шлака используют качающиеся печи. Рабочее пространство кача­ющихся печей заключено в прочный стальной кожух, рама кото­рого опирается на катки и может поворачиваться.

Обычно основную мартеновскую плавку ведут одним из двух способов: скрап-процессом или скрап- рудным процессом.

Плавку стали в основных мартеновских печах скрап-пропессом ведут на тех заводах, где нет доменных печей и жидкий чугун не производится. Основной скрап-процесс обычно применяют в печах малой емкости до 100 т на машиностроительных заводах. Исходными материалами являются стальной лом (скрап), расход которого составляет 60 - 70 % , чушковый передельный чугун (30 - 40 %) и известь в количестве 8 - 12 % от массы металла.

Процесс плавки состоит из нескольких последовательных периодов: заправки печи, закалки шихтовых материалов, их плавления, периода кипения или доводки, раскисления и выпуска металла.

Во время плавления чугуна и скрапа происходит образование шлака и удаление фосфора. При плавлении полностью окисляется кремний и частично углерод, марганец, фосфор. Из оксидов (SiO₂, MnO, FeO, CaO) образуется жидкий шлак, покрывающий металл. Прекращается непосредственный контакт металла с кислородом печных газов. Дальнейшее окисление примесей металла проис­ходит через слой шлака за счет растворенной в нем FeO. Фосфор удаляется в результате протекания следующих экзотермических реакций:

2Р + 5FeO = Р₂О₅ + 5Fe + Q,

P₂О₅ + 3FeO = P₂О₅·3FeO+Q,

P₂О₅·3FeO + ЗСаО = P₂О₅·3СаО + 3FeO + Q.

Период плавления для дефосфорации наиболее благоприятен: низкая температура активный железистый шлак с достаточной основностью. Во избежание восстановления фосфора из шлака в металл большую часть шлака после расплавления скачивают, наводят новый шлак введением дополнительных порций извести.

В период кипения тепловой режим печи форсируют, вводят небольшими порциями железную руду для окисления углерода металла:

С + FeO = Fe + CO - Q.

Пузыри СО проходят сквозь толщу металла и вызывают его кипение. При кипении происходит энергичное перемешивание металла, что облегчает удаление газов, всплывание в шлак взве­шенных неметаллических включений, равномерный прогрев по глубине ванны. Оптимальная длительность кипения обеспечи­вается при выгорании 0,4-0,6 % углерода.

Эффективная десульфурация стали с удалением серы в шлак происходит в конце периода кипения; FeS + СаО = CaS + FeO. Этому способствует высокая температура металла и шлака, высо­кая основность шлака и уменьшение в нем FeO.

После удаления вредных примесей и получения заданной концентрации углерода производят раскисление стали. Раскисле­ние проводят в два этапа: предварительное раскисление в печи и окончательное - в ковше. Ферромарганец и доменный (12 % Si) ферросилиций вводят в печь, богатый ферросилиций (45 % Si) и алюминий - в ковш во время выпуска плавки. Основным скрап-процессом обычно выплавляют только спокойную сталь.

Если выплавляется легированная сталь, то неокисляющиеся в стальной ванне легирующие элементы (никель, медь, молибден) вводят в завалку или по ходу плавки. Слабоокисляющиеся эле­менты (хром, марганец) вводят в печь в виде ферросплавов после предварительного раскисления, сильно окисляющиеся элементы (кремний, титан, ванадий, алюминий, бор) вводят в ковш при выпуске плавки.

Скрап-рудный процесс применяют на больших металлурги­ческих заводах, имеющих жидкий чугун. Плавку обычно ведут как в средних, емкостью 150-400 т, так и в крупных мартенов­ских печах емкостью до 900 т. В качестве шихты в печи загружают стальной лом (20-40 %) и заливают жидкий чугун (60-80 %). Содержание чугуна в шихте увеличено по сравнению со скрап-процессом. Из-за повышенного содержания примесей окислитель­ные процессы форсируют, вводя в завалку твердые окислители - железную руду или агломерат, что и определяет название про­цесса.

Основные периоды и протекающие при этом реакции те же, как и при скрап-процессе.

Для интенсификации процесса применяют кислород. Кислород используют как для обогащения воздуха для сжигания топлива, так и при продувке ванны через специальные фурмы, располо­женные в своде печи, в период плавления и кипения. При исполь­зовании кислорода производительность мартеновских печей по­вышается на 20-25 % при снижении расхода топлива на 10- 20 %.

Скрап-рудным процессом обычно выплавляют только углеро­дистые стали массового применения, скрап-процессом - углеро­дистые и легированные стали. Вместе с тем скрап-рудный процесс экономичнее скрап-процесса.