Производство стали в мартеновских печах

Устройство и работа мартеновской печи. Мартеновская печь (рис.3) - пламенная отражательная регенеративная печь. Она имеет плавильной пространство, ограниченное снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали в шлаке преобладают основные окислы, процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые - кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичом, на который набивают магнезитовый порошок. Кислую мартеновскую печь футеруют динасовым кирпичом, а подину набивают из кварцевого песка. Свод мартеновской печи делают из динасового кирпича или магнезитохромитового кирпича. В передней стенки печи имеются загрузочные отверстия 4 для подачи шихты и флюса, а в задней - отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Используются печи вместимостью 200 ¸ 900 т жидкой стали. Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую условно подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. Например, для печи вместимостью 900 т площадь пода составляет 115 м². Головки печи 2 служат для смешения топлива (мазута или газа) с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство.

Для подогрева воздуха и газа (при работе на низкокалорийном газе) печь имеет два регенератора 1. Регенератор - это камера, в которой размещена насадка - огнеупорный кирпич, выложенный в клетку. Отходящие из печи газы имеют температуру 1500 ¸ 1600 ⁰С. Попадая в регенераторы, газы нагревают насадку до 1250 ¸ 1280 ⁰С. Через один из регенераторов подогревают воздух, который проходя через насадку, нагревается до температуры 1100 ¸ 1200 ⁰С и поступает в головку печи, где смешивается с топливом: на выходе из головки печи образуется факел 7, направленный на шихту 6. Отходящие газы проходят через противоположную головку, очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли, и направляются во второй генератор нагревая его насадку.

Рис.3. Схема мартеновской печи

Охлажденные газы покидают печь через дымовую трубу 8. После охлаждения насадки первого регенератора переключают клапаны и поток газов в печи изменяет направление.

Факел имеет температуру 1750 ¸ 1800 ⁰С и нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса: 1) 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 расположенных в промышленных центрах, где много металлолома; 2) скрап - рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55 ¸ 75%), скрапа и железной руды; процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи. Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой, что позволяет переделывать в сталь различные шихтовые материалы.

Плавка стали скрап-рудным процессом в основной мартеновской печи. В печь с помощью завалочной машины загружают железную руду и известняк и после их прогрева подают скрап. По окончании прогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор по реакции (6), марганец и частично углерод. Оксиды SiO2, P2O5, MnO, а также CaO и извести образуют шлак с высоким содержанием FeO и MnO (железистый шлак).

После расплавления шихты, окисления значительной части примесей и разогрева металла проводят период «кипения» ванны: в печь загружают железную руду или продувают ванну получаемым по трубам 3 (рис.3) кислородом. Углерод в металле интенсивно окисляется и образуется оксид углерода. В это время отключают подачу топлива и воздуха в печь и удаляют шлак.

Для удаления из металла серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита или плавикового шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается. Это создает условия для интенсивного протекания реакций (7) и (8) и удаления из металла серы.

В период «кипения» углерод интенсивно окисляется. Поэтому для «кипения» ванны шихта должна содержать избыток углерода (на 0.5 ¸ 0.6%) сверх заданного в выплавляемой стали. В процессе «кипения» металл доводится до заданного химического состава, его температура выравнивается по объему ванны, из него удаляются газы и неметаллические включения. Процесс «кипения» считают окончившимся, если содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание фосфора минимально.

После этого металл раскисляют в два этапа: 1) в период «кипения» прекращают загрузку руды в печь, вследствие чего раскисление идет путем окисления углерода металла, одновременно подавая в ванну раскислители - ферромарганец, ферросилиций, алюминий; 2) окончательно раскисляют алюминием и ферросилицием в ковше при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в сталеразливочный ковш через отверстие в задней стенке печи.

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

Кислый мартеновский процесс. Этим способом выплавляют качественные стали. Поскольку в печах с кислой футеровкой нельзя навести основной шлак для удаления фосфора и серы, то применяют шихту с низким содержанием этих составляющих. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений, чем выплавленные в основной печи. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, и ее используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.

Основные технико-экономические показатели производства стали в мартеновских печах следующие: производительность печи, определяемая съемом стали с 1 м² площади пода в сутки (т/м² в сутки) и расход топлива на 1 т выплавляемой стали (кг/т). Средний съем стали с 1 м² площади пода в сутки составляет 10 т/м², а расход условного топлива - до 80 кг/т.