Производство стали в мартеновских печах

Цель работы: Изучить устройство мартеновской печи, ход плавки при основном скрап-рудном процессе, состав и основное оборудование мартеновского цеха.

Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и металлического лома на поду отражательной печи. В мартеновском процессе недостаточно тепла жидкого чугуна. Для плавления твердых шихтовых материалов, для покрытия значительных тепловых потерь и нагрева стали до необходимых температур, в печь подводится дополнительное тепло, получаемое путем сжигания в рабочем пространстве топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.

Для обеспечения максимального использования подаваемого в печь топлива необходимо, чтобы процесс горения топлива заканчивался полностью в рабочем пространстве. В связи с этим, в печь воздух подается в количестве, превышающем теоретически необходимое. Это создает в атмосфере печи избыток кислорода. Здесь также присутствует кислород, образующийся в результате разложения при высоких температурах и . Таким образом, газовая фаза печи имеет окислительный характер и поэтому окисление железа и примесей металлической шихты начинается с момента завалки в печь при непосредственном взаимодействии газовой фазы с шихтой.

Для интенсификации горения топлива в рабочем пространстве часть воздуха, идущего на горение, может заменяться кислородом. Газообразный кислород может также подаваться непосредственно в ванну (аналогично продувке металла в конвертере). В результате этого во время плавки происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте ( , , , и т.д.). Образующиеся при этом оксиды , , и др., вместе с частицами постепенно разрушающейся футеровки, примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак. Шлак легче металла, поэтому он покрывает металл во все периоды плавки.

Устройство мартеновской печи. Мартеновская печь представляет собой пламенную регенеративную печь, предназначенную для переработки чугуна и металлического лома в сталь заданного состава. Мартеновская печь состоит из следующих основных элементов (рис. 5.1): рабочего пространства, головок, вертикальных каналов, шлаковиков, регенераторов, боровов с перекидными устройствами, котлов-утилизаторов и дымовой трубы.

Мартеновская печь условно делится на верхнее и нижнее строения. К верхнему строению относятся рабочее пространство, головки и вертикальные каналы, которые располагаются выше рабочей площадки печи. К нижнему строению относятся все другие элементы печи и расположены они ниже уровня рабочей площадки.

Рабочее пространство печи ограничено сверху сводом, снизу подиной. Подина печи имеет наклон к задней стенке, в которой предусмотрено отверстие для выпуска готовой стали. В передней стенке имеются проемы - завалочные окна, которые служат для загрузки твердой шихты, заливки жидкого чугуна (по специальному желобу), взятия проб и наблюдения за ходом плавки. Как правило, количество этих завалочных окон нечетное, что связанно с необходимостью иметь окно по центру печи. Завалочные окна закрыты специальными футерованными крышками с отверстиями, через которые можно наблюдать за плавкой и состоянием печи.

Головки (правая и левая) предназначены для подачи топлива и воздуха для горения в рабочее пространство и отвода из него продуктов сгорания. Головки расположены в торцах рабочего пространства и через вертикальные каналы соединены со шлаковиками.

Шлаковики предназначены для осаждения и накопления пыли и частиц шлака, выпадающих из проходящих через них продуктов сгорания. Шлаковики представляют собой камеры, вытянутые под головками параллельно поперечной оси печи. Сечение шлаковиков больше сечения вертикального канала. Поэтому дымовые газы, попадая в шлаковик, резко теряют свою скорость, одновременно изменяя направление движения. При этом большая часть плавильной пыли ( 60%) оседает в шлаковиках.

Регенераторы (воздушные и газовые) предназначены для подогрева поступающих в печь газа и воздуха за счет использования тепла выходящих из рабочего пространства продуктов сгорания. Регенераторы представляют собой прямоугольные камеры, заполненные решеткой из огнеупорного кирпича, называемой насадкой.

Борова - каналы для подвода газа и воздуха к регенераторам и отвода продуктов сгорания от регенераторов к котлу-утилизатору или дымовой трубе.

Система перекидных клапанов предназначена для изменения направления потоков газа и воздуха с одной стороны печи на другую. Для этого в боровах, газопроводах устанавливают перекидные и регулирующие устройства: газовые клапаны, воздушные клапаны, дымовые клапаны и воздушные задвижки, переключение которых осуществляется специальными устройствами.

Котел-утилизатор предназначен для утилизации тепла отходящих продуктов сгорания.

Дымовая труба служит для отвода отходящих продуктов сгорания в атмосферу.

Все элементы мартеновской печи выкладывают из огнеупорных материалов. В зависимости от характера огнеупорных материалов, из которых выложено рабочее пространство, мартеновские печи делятся на основные и кислые. Для кладки основных мартеновских печей применяют магнезитовый, магнезитохромитовый, хромомагнезитовый кирпич, магнезитовый порошок (для наварки пода). Для кладки кислых печей используют динасовый кирпич и кварцевый песок. Для кладки элементов нижнего строения печей используют форстеритовый, высокоглиноземистый, магнезитовый и шамотный кирпич. Огнеупорная кладка печи крепится металлической арматурой, что придает всей конструкции печи строительную прочность. Узлы и детали печи, работающие в условиях высоких температур, постоянно охлаждаются.

Мартеновская печь - агрегат, симметричный относительно вертикальной оси. Топливо и воздух для его горения поступают в рабочее пространство поочередно то с правой, то с левой стороны. В результате сгорания топлива в рабочем пространстве возникает факел. Продукты сгорания отводятся из рабочего пространства соответственно через головку противоположной стороны. Изменение подачи топлива и воздуха, т.е. изменение направления факела в рабочем пространстве, осуществляется системой клапанов и шиберов и называется «перекидкой» клапанов. Продукты сгорания, выходя из рабочего пространства через отводящую головку, после шлаковиков, где они очищаются от пыли и частичек шлака, при температуре 1500-1600°С сверху поступают в регенератор. Проходя через насадку (огнеупорную кладку регенератора), продукты сгорания передают ей значительную часть содержащегося в них тепла. В результате этого насадка нагревается до 1200-1300°С.

После изменения направления подачи в рабочее пространство топлива и воздуха (после перекидки клапанов), через эту нагретую насадку будут проходить холодные газ и воздух. Насадка будет охлаждаться, а газ и воздух, идущие в рабочее пространство, будут нагреваться до температуры 1100-1200°С. Через регенераторы противоположной отводящей стороны проходят выходящие из рабочего пространства, нагретые до высокой температуры продукты сгорания и насадки этих регенераторов нагреваются.

Так, периодически, в течение плавки изменяется направление подачи в печь топлива и воздуха - то справа, то слева. Это обеспечивает поступление в печь воздуха и топлива с постоянной высокой температурой.

Шихтовые материалы основного мартеновского процесса (основная огнеупорная кладка рабочего пространства печи) состоят из металлической части (чугун, металлический лом, раскислители и легирующие) и неметаллической части (железная руда, агломерат, известняк, известь, боксит, плавиковый шпат). Соотношение количества чугуна и стального лома в шихте может быть различным в зависимости от процесса, выплавляемых марок стали.

По характеру шихтовых материалов основной мартеновский процесс подразделяется на несколько разновидностей, наибольшее распространение из которых получили скрап-рудный и скрап-процесс.

При скрап-рудном процессе основную массу металлической шихты (от 55 до 75%) составляет жидкий чугун. Этот процесс широко применяется на заводах с полным металлургическим циклом.

При скрап-процессе основную массу металлической части шихты (от 55 до 75%) составляет металлический лом. Чугун (25-45%), как правило, применяется в твердом виде. Таким процессом работают заводы, на которых нет доменного производства.

Ход плавки при основном скрап-процессе.

В мартеновской печи различают обычно следующие периоды: заправка печи, завалка шихты, прогрев шихты и заливка жидкого чугуна, плавление, доводка, раскисление и легирование, выпуск.

-Заправка печи служит для поддержания в рабочем состоянии всех элементов огнеупорной кладки плавильного пространства. Для этого в момент выпуска предыдущей плавки, по мере освобождения от металла и шлака, на стенку и подину с помощью заправочной машины забрасывают огнеупорные материалы (магнезитовый порошок, дробленый обожженный доломит и т.п.). После выпуска из печи металла и шлака подину тщательно осматривают и, если нужно, исправляют замеченные неровности.

-Завалка шихты. Подготовленная к плавке твердая шихта подается к печам в мульдах - специальных чугунных коробах (вместимостью до 3,3 ), установленных на тележках. Завалочная машина специальным хоботом захватывает мульду и вводит в печь через завалочное окно. При вращении хобота с мульдой вокруг оси содержимое мульды вываливается на подину печи.

-Прогрев шихты. Перед заливкой в печь жидкого чугуна вся загруженная твердая шихта прогревается в печи до температуры плавления чугуна.

-Заливка жидкого чугуна в печь осуществляется из чугуновозных ковшей с помощью заливочною крана по специальному желобу, установленному в одно или два заливочных окна.

-Период плавления начинается сразу после заливки чугуна и продолжается до тех пор, пока вся твердая шихта будет расплавлена. В этот период в печь подается максимальное количество топлива. 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 также частично переходят оксиды железа). Толстый слой шлака затрудняет передачу тепла от факела к металлу. Образующийся в результате окисления углерода газ СО вспенивает шлак и он самотеком выходит из печи в специально подготовленные шлаковые чаши. Этот шлак называют первичным. Состав этого шлака характеризуется низкой основностью и высоким содержанием и , что благоприятствует удалению фосфора. С первичным шлаком из печи удаляется значительное количество нежелательных оксидов ( и ). За период плавления полностью окисляется кремний, почти полностью марганец и большая часть углерода. Химический состав металлической ванны в момент полного расплавления заметно отличается от состава, который сталь должна иметь перед выпуском; температура металла невысока. В связи с этим главное назначение следующего периода плавки, называемого доводкой, состоит в том, чтобы обеспечить необходимый нагрев металла и довести его до заданного химического состава.

-Доводка состоит из двух стадий: рудного кипения, когда в ванну вводят добавки железной руды (окислитель), извести, металл продувают газообразным кислородом, и чистого кипения, когда окисление растворенного в металле углерода продолжается без каких-либо добавок, за счет растворенного в шлаке и металле кислорода. В период чистого кипения металл окончательно доводится до требуемых температуры и химического состава (удаляются газы, неметаллические включения, в металле содержится необходимое количество углерода и минимальное содержание серы и фосфора).

-Раскисление и легирование - завершающий период плавки. Основное назначение этого периода состоит в том, чтобы снизить содержание растворенного в металле кислорода и довести состав металла до заданного по содержанию всех элементов. Раскисляющие и легирующие добавки частично вводят в печь, частично в сталеразливочный ковш во время выпуска металла.

-Выпуск. Для выпуска металла из печи со стороны задней стенки пробивают сталевыпускное отверстие, и металл по желобу стекает в установленный под ним сталеразливочный ковш.

Начиная от момента расплавления и до выпуска, из печи отбирают пробы металла и шлака на анализ в экспресс-лабораторию цеха. Температуру металла измеряют платино-платонородиевыми или вольфрамо-молибденовыми термопарами погружения.

Продолжительность мартеновской плавки, в зависимости от варианта процесса и массы завалки, составляет 5-8 часов.

Устройство мартеновского цеха.

В состав современного мартеновского цеха входят следующие отделения: шихтовые отделения, миксерное отделение, главное здание, отделение раздевания слитков, отделение подготовки изложниц.

Шихтовые отделения (для магнитных и сыпучих материалов) служат для приемки и хранения поступающих в цех твердых и заправочных материалов. Для разгрузки и погрузки материалов в отделениях установлены мостовые магнитные и грейферные краны. В главное здание шихта передается в мульдах, установленных на железнодорожных тележках.

Главное здание мартеновского цеха состоит из шихтового открылка, печного и разливочного пролетов.

-Шихтовый открылок располагается на уровне пола рабочей площадки печей, примыкает к печному пролету и предназначен для обеспечивания бесперебойной подачи мульдовых составов с шихтой к печам. На открылок составы с шихтой подаются заблаговременно и перед началом завалки их подают к печи на мульдовый путь.

-Печной пролет оборудован напольными завалочными машинами для завалки шихты с помощью мульд и мостовыми кранами для заливки чугуна. Жидкий чугун подают в печной пролет из миксерного отделения чугуновозами. Ковш поднимают заливочными кранами и заливают из них чугун в печь через специальные желоба, которые перед заливкой устанавливают с помощью крана в рабочие окна печи. В пролетах между печами располагают подвесные бункера для хранения ферросплавов, переносные бункера для заправочных материалов, участки ремонта желобов для заливки чугуна, заправочные торкрет-машины.

В печном пролете размещаются мартеновские печи, пульты управления ими, а также транспортные пути для подачи шихтовых, заправочных и вспомогательных материалов. Печи располагаются в одну линию вдоль центральных колонн главного здания; со стороны шихтового открылка размещаются пульты управления. На рабочей площадке печного пролета, между печами и пультами управления, расположены три железнодорожных пути: для подачи к печам мульдовых составов с шихтой, для передвижения напольной завалочной машины, для подачи к печам чугуновозных ковшей с жидким чугуном из миксерного отделения.

-Разливочный пролет примыкает непосредственно к печному со стороны задней стенки печей. Он служит для приема выпускаемой из печей стали, её разливки по изложницам и для уборки из цеха шлака. Пролет оборудован разливочными, консольными и велосипедными кранами. В нем размещены разливочные площадки, разливочные пути для тележек с изложницами, путь для вывоза шлака и мусора, стенды для сталеразливочных и шлаковых ковшей, участки ремонта ковшей.

Из мартеновской печи готовую сталь выпускают в разливочный пролет по желобу в сталеразливочные ковши. Из них сталь разливают по изложницам, установленным на составе тележек. Шлак из печи во время плавки сливают через среднее рабочее окно в шлаковую чашу. После заполнения чашу выдают в разливочный пролет, где её разливочным краном переставляют на шлаковозы.

Шлак, сливаемый через шлаковые отверстия в задней стенки печи, и избыточный шлак, вытекающий из сталеразливочного ковша во время выпуска стали, попадают в шлаковые чаши, установленные рядом с разливочным ковшом.

Заполненные чаши также ставят краном на шлаковозы и вывозят по шлаковому пути.

Контрольные вопросы

1. Из каких основных элементов состоит мартеновская печь?

2. Какие материалы входят в состав шихты?

3. Какие основные разновидности мартеновского процесса существуют и в чем их различие?

4. На какие технологические периоды делится мартеновская плавка при основном скрап-рудном процессе?

5. Каким образом осуществляется загрузка шихтовых материалов в мартеновскую печь?

6. Как выполняют раскисление стали?

7. Как осуществляют выпуск продуктов плавки из печи?

8. Что является готовой продукцией мартеновских цехов?

9. Из каких основных пролетов состоит современный мартеновский цех?

10. Перечислить основное оборудование печного и разливочного пролетов.

Лабораторная работа №6