Основной мартеновский процесс и его разновидности

В основной мартеновской печи можно переплавлять чугун и скрап любого состава и в любой пропорции и получать при этом качественную сталь любого состава (кроме высоколеги­рованных сталей и сплавов, которые получают в электропе­чах). Состав применяемой металлической шихты зависит от состава чугуна и скрапа и от расхода чугуна и скрапа на 1 т стали. Соотношение между расходом чугуна и скрапа зависит от многих условий.

Обычно на 1 т мартеновской стали в среднем расходуется 575-585 кг чугуна и 490-515 кг стального лома. Однако для отдельных заводов эти цифры значительно отличаются; рас­ход чугуна на 1т стали колеблется от 300—400 кг для за­водов, не имеющих доменных цехов, до 550-700 кг (осталь­ное лом) для заводов с полным металлургическим циклом.

Из общего количества переплавляемого в мартеновских печах нашей страны стального лома около половины прихо­дится на оборотный лом, т.е. на отходы сталеплавильных и прокатных цехов завода (обрезь при прокате, брак, отходы по разливке и др.), и около половины — на лом, который изготовляют специализированные организации. Состав обо­ротного лома известен, что же касается так называемого лома "покупного", то его состав практически не известен, что, конечно, затрудняет работу мастера-сталевара, осо­бенно при производстве качественного металла.

Практически в стали любой марки содержится некоторое количество углерода, марганца, серы, фосфора, во многих случаях также кремния. Соответственно эти же элементы содержатся и в отходах, которые идут на переплавку в мар­теновские печи. В отходах легированных и высоколегирован­ных сталей содержится значительное количество хрома, ни­келя, кремния, марганца, меди и других элементов. Таким образом, мартеновская шихта, кроме железа, практически нсегда содержит еще то или иное количество углерода, кремния, марганца, серы, фосфора, меди, никеля и других примесей.

365

Основные реакции

Кремний, марганец, фосфор и углерод характеризуются ббль-шим сродством к кислороду, чем железо; эти примеси в условиях мартеновской плавки окисляются. Медь и никель характеризуются меньшим сродством к кислороду, чем желе­зо, и они в условиях мартеновской плавки не окисляются.

Окисление кремния. Из перечисленных элементов наиболь­
шим сродством к кислороду отличается кремний; он окис­
ляется в основной мартеновской печи почти полностью еще
во время плавления в результате взаимодействия с кислоро­
дом атмосферы по реакции [Si] + 0_2газ = (Si0₂) или с
окислами железа шлака по реакции [Si] + 2(FeO) = (Si0₂) +
+ 2Ре_ж. Параллельно с окислением кремния происходит обра­
зование силикатов железа (FeO)₂ • Si0₂, являющихся сос­
тавной частью первичного шлака. Окисление кремния и обра­
зование силикатов сопровождается выделением тепла, что
ускоряет процесс плавления металла. В основном процессе
реакция окисления кремния практически необратима, так как
по мере растворения извести в шлаке происходит образова­
ние прочных силикатов кальция, протекающее по реакции
(FeO)₂ ■ Si0₂ + 2(CaO) = (СаО)₂ • Si0₂ + 2(FeO),   и     актив-

ность (Si0₂) становится ничтожно малой.

Окисление и восстановление марганца. Марганец (как и кремний) Легко окисляется, взаимодействуя с кислородом атмосферы и с окислением железа шлака:

[Мп] + 1/20_2газ = (МпО); [Мп] + (FeO) = (МпО) + Ґе_ж.

При окислении марганца также выделяется тепло. Однако реакция окисления марганца в основной печи протекает не до конца. При повышении температуры может протекать обратная реакция — восстановление марганца из шлака.

При высоких температурах марганец может восстанавли­ваться углеродом или железом:

(МпО) + [С] = [Мп] + СО_газ; (МпО) + Fe*

= [Мп] + (FeO).

Чем выше температура, тем более благоприятными оказывают­ся условия для восстановления марганца.

Практически всегда в конце плавки, если температура ванны достаточно высока, марганец восстанавливается из

366

шлака. Поэтому его называют иногда "пирометром" мартенов­ского процесса: если плавка идет горячо, концентрация марганца в металле постепенно возрастает, если же концен­трация марганца понижается, то это говорит о том, что ванна становится холодной и возможно возникновение брака.

Окисление фосфора. Одновременно с кремнием и марганцем в мартеновской печи в начале плавки энергично окисляется фосфор. Для сталей большинства марок фосфор является вредной примесью, так как он ухудшает пластические свойства стали, повышает ее хрупкость (особенно при низ­ких температурах), поэтому наиболее полному удалению его из металла уделяется особое внимание.

Удаление фосфора из металла в мартеновской печи схема­тично (условно) можно представить себе в следующей после­довательности:

2[Р] + 5(FeO) = (Р₂0₅) + 5Fe_A;

P₂O_s + 3(FeO) = (FeO)3 • P₂O_s;

(FeO)₃ • P₂Qj + 4(СаО) - (СаО)₄ • P₂O_s + 3(FeO)

2[ Р ] + 5(FeO) + 4(СаО) = (СаО)₄ • P₂O_s + 5Fe*

Как отмечалось ранее, для успешного протекания процес­са дефосфорации необходимо, чтобы обеспечивались:

1) наличие железисто-известкового шлака;

2) умеренные температуры;

3) минимум фосфора в шлаке и минимальная активность его соединений в шлаке.

Практически фосфор стремятся удалить из металла во время периода плавления и первой половины периода кипе­ния, т.е. тогда, когда металл еще сильно не нагрелся. Для создания железистоизвесткового шлака присаживают железную руду (или окалину, или агломерат) и известь или извест­няк. Для уменьшения активности соединений фосфора в шлаке стремятся, чтобы шлак был высокоосновным, тогда фосфор находится в виде прочного соединения типа (СаО)₄ • Р₂0₅; во многих случаях для целей дефосфорации проводят скачи­вание шлака, после чего наводят новый шлак. Если в ре­зультате такой операции фосфор удалился недостаточно, операцию скачивания и смены шлака повторяют дважды и три­жды. Обычно для удаления фосфора до 0,010—0,015 % доста­точно однократного скачивания шлака, но если фосфора в

367

шихте много, то однократное скачивание шлака оказывается недостаточным.

Скачивание шлака — операция сложная, многократное же скачивание шлака из мартеновской печи очень затруднитель­но, поэтому высокофосфористую шихту предпочитают перера­батывать в качающихся мартеновских печах.

В отличие от обычных стационарных печей рабочее прост­ранство качающихся печей можно поворачивать относительно продольной оси. Печь можно наклонять в сторону выпускного отверстия примерно на 30—35° и в сторону печного пролета (в сторону передней стенки) на 15°, что значительно облегчает скачивание шлака. Головки печи неподвижны, меж­ду неподвижными головками и "качающимся" рабочим прост­ранством оставляют зазор, размеры которого должны быть очень малыми. Однако мартеновская печь, вмещающая нес­колько сотен тонн металла, — агрегат очень громоздкий и зазор на практике получается довольно значительным.

Через зазор подсасывается холодный воздух, что приво­дит к увеличению расхода топлива и удлинению плавки. Кро­ме того, стойкость огнеупоров качающихся печей ниже, чем стационарных. Поэтому качающиеся печи строят тогда, когда применение стационарных печей или затруднено, или невоз­можно. К таким случаям прежде всего относится передел высокофосфористых чугунов, т.е. такой случай, когда для получения качественной стали с низким содержанием фосфора необходимо многократно скачивать шлак.

Удаление серы. Как указывалось выше, для успешного удаления серы из металла в шлак необходимы следующие условия: 1) высокая основность шлака, достигаемая подсад­ками извести; 2) невысокая концентрация оксидов железа в шлаке; 3) высокая температура; 4) увеличение поверхности раздела шлак—металл, достигаемое усилением перемешивания ванны; 5) низкая концентрация серы в шлаке, достигаемая скачиванием шлака и наведением нового или увеличением ко­личества щлака в печи.

Вследствие высокого содержания в мартеновских шлаках оксидов железа процесс десульфурации приобретает ограни­ченное развитие. Коэффициент распределения серы 7} = = (S)/[S] очень невелик и составляет обычно 3—10. При обычной шихте получение в готовой стали менее 0,040 % S

368

(требование ГОСТа для большинства марок) особых труднос­тей не представляет. Однако получение очень низких кон­центраций серы в ряде случаев затруднительно. В связи с этим при выплавке стали с особо низким содержанием серы операцию удаления серы переносят в ковш (см. раздел "Вне-печная обработка стали").

Особое внимание следует обращать на содержание серы в топливе, так как при большом ее количестве возможно обо­гащение металла серой. Применяемый для отопления коксовый газ обязательно подвергают сероочистке. Допустимое содер­жание серы в нем не должно превышать 2 г/м³. Мазут для отопления мартеновских печей применяют низкосернистый. Наиболее чистым (по содержанию серы) топливом является природный газ.

Окисление углерода и кипение мартеновской ванны. Сле­дует обратить внимание на то, что реакции удаления вред­ных примесей, как и вообще почти все реакции, происходя­щие в мартеновской ванне, протекают на границе металл—шлак, следовательно, величина поверхности сопри­косновения металла со шлаком имеет большое значение. Поверхность раздела металл—шлак резко возрастает при ки­пении металла. Эффект кипения, как упоминалось выше, соз­дается в результате протекания реакции окисления раство­ренного в металле углерода и выделения образующегося при этом оксида углерода СО. Эту реакцию часто считают основ­ной реакцией мартеновского процесса. Это обусловлено тем, что в результате протекания реакции обезуглероживания и сопровождающего ее эффекта кипения выравниваются химичес­кий состав ванны и температура металла, удаляются содер­жащиеся в металле газы, облегчается процесс всплывания и ассимиляции шлаком неметаллических включений, увеличи­вается поверхность соприкосновения металла со шлаком и тем самым облегчаются условия удаления из металла вредных примесей — фосфора и серы. Таким образом, ведение марте­новского процесса без реакции окисления углерода и "кипе­ния" невозможно.

В сталях, выплавляемых в мартеновских печах, содержит­ся (в зависимости от марки стали) обычно от 0,05 до 1 % С. В шихте содержание углерода выше. Почему?

Во всех случаях необходимо, чтобы ванна содержала углерода больше, чем требуется в готовом металле. Это

369

нужно для того, чтобы избыточный углерод во время плавки окислялся и ванна "кипела". Углерод, растворенный в ме­талле, окисляется растворенным в металле кислородом.

Процесс этот можно представить в следующей последова­тельности:

1. Кислород из шлака переходит в металл (этот процесс включает диффузию кислорода в шлаке, переход кислорода через межфазную границу шлак—металл и диффузию кислорода в металле к месту реакции).

2. Кислород и углерод взаимодействуют в металле по реакции [О] + [С] —*[СО].

3. Выделяются пузырьки оксида углерода [СО] —*- СО_газ.

Химическая реакция образования СО при высоких темпера­турах сталеварения происходит практически мгновенно. Сле­довательно, скорость процесса окисления углерода может лимитироваться или первым звеном - подводом к месту реак­ции реагента (кислорода или углерода), или последним зве­ном — выделением пузырька СО в газовую фазу.

Процесс перехода кислорода из шлака в металл принято выражать следующим образом:

(FeO) —»-Ре_ж + [0] или условно (FeO) —* [FeO].

На рис. 110 показана схема передачи кислорода из газо­вой фазы через шлак в металл. Образующий на поверхности шлак—газ оксид железа Fe₂0₃, диффундируя через шлак, реа­гирует с жидким железом на поверхности шлак—металл, вос­станавливаясь до FeO и обогащая шлак этим окислом, кото­рый в свою очередь передает кислород металлу. Реакции окисления примесей могут проходить в металле и на границе

(20+Si — + Si0₂

Рис. 110. Схема передачи кислорода из газовой фазы в металл 370

шлак—металл. Скорость передачи кислорода из атмосферы че­рез шлак металлу невелика и во многих случаях не удовлет­воряет требованиям сталеплавильщиков. Для повышения ско­рости доставки кислорода осуществляют присадки железной руды (окалины, агломерата) или продувают ванну кисло­родом.

Реакция (FeO) + [С] = Ре_ж + СО_газ протекает с поглоще­нием тепла; во избежание охлаждения металла необходимо ограничивать интенсивность присадок железной руды или других материалов.

Реакция 1/20_2Газ + [С] = СО_гаэ протекает с выделением тепла и интенсивность питания ванны кислородом может быть очень велика. Повышение температуры во всех случаях спо­собствует протеканию реакции окисления углерода.

Таким образом, чем выше температура металла и чем луч­ше питание ванны кислородом, тем интенсивнее развивается реакция окисления углерода.

Вторым лимитирующим звеном в развитии реакции обез­углероживания может быть в определенных условиях выделе­ние СО в газовую фазу.

Чтобы образовавшийся в металлической ванне пузырек оксида углерода выделился в газовую фазу, он должен пре­одолеть давление столба металла р и шлака р_шл над ним,

Me

давление газовой атмосферы /7_атм в печи, а также преодо­леть силы сцепления частиц жидкости (силы поверхностного натяжения) р_аи = 2а/г, где с — поверхностное натяжение, Н/м; г— радиус пузырька, см.

В общем случае давление />_выд выделения пузырька СО

Рвъш * Р_ш + Ршл + Ратм + Рп.н-Когда радиус пузырька велик, величина р_пн очень мала. В тех случаях, когда зарождающийся пузырек газа СО имеет бесконечно малые размеры, давление, необходимое для прео­доления сил поверхностного натяжения, становится величи­ной очень большой. На основании современных физико-химических представлений о поверхностных явлениях в жид­костях можно считать, что зарождение новой фазы (в данном случае пузырьков СО) в объеме гомогенной жидкой металли­ческой ванны маловероятно. Зарождение новой фазы облегча­ется при нарушении сплошности металла при наличии каких-

371

то поверхностей, полостей, пузырей, например при наличии шероховатой, плохо смачиваемой жидкостью твердой поверх­ности. Такой поверхностью служит под. Поверхностные слои пода печи принимают активное участие в процессе обезугле­роживания металла. Тысячи пузырьков СО, выделяясь на гра­нице металл—под, пронизывают толщу мартеновской ванны, вызывая ее кипение, пузырьки СО могут выделяться также на границе металл—газовый пузырь.

К началу завалки шихты поверхностные слои пода насыще­ны оксидами железа. Насыщение происходит вследствие омы-вания пода шлаком при выпуске плавки и главным образом вследствие воздействия окислительной атмосферы печи на остающийся после выпуска плавки на подине металл. Во вре­мя плавки поверхностные слои пода принимают активное уча­стие в процессах окисления примесей, в результате содер­жащиеся в поверхностных слоях оксиды железа восстанавли­ваются и на поверхности образуются поры диаметром 1—2 мм.

На шероховатой поверхности пода печи создаются благо­приятные условия для образования и выделения пузырьков СО, т.е. она становится местом преимущественного протека­ния реакции окисления углерода. Образовавшиеся на подине пузырьки окиси углерода перемешивают ванну, выравнивают ее состав, облегчают протекание процессов передачи тепла сверху к нижним слоям, увеличивают поверхность сопри­косновения шлака с металлом.

Таким образом, роль пода в мартеновском процессе, как уже говорилось выше, очень велика. По этой причине марте­новские печи делают с длинной, но неглубокой ванной, стремясь обеспечить при данной емкости печи возможно большую площадь пода.

Например, длина ванны современной 900-т мартеновской печи составляет 25 м, ширина 6,4 м (площадь пода 160 м²), а максимальная глубина ванны (в середине печи) — всего около 1,3 м.

Количество окиси углерода, проходящей через металл при кипении ванны, огромно. Обычно скорость окисления углеро­да в период кипения колеблется в зависимости от емкости печи от 0,2 до 0,8% С/ч.

При скорости окисления углерода 0,2 % С/ч в 900-т печи за 1 мин выгорает 0,2 ■ 900/(60 • 100) = 0,03 т, или 30 кг углерода.

372

При окислении 30 кг углерода образуется 30 ■ 28/12 = = 70 кг СО, или 70 • 22,4/28 = 56 м³ СО.

Объем металла в ванне 900-т печи равен примерно 130 м³. Если учесть увеличение объема СО при нагреве до 1600 °С (примерно в семь раз), то окажется, что каждую минуту через ванну проходит количество газов, превышающее в несколько раз объем металла (в данном случае примерно в три раза).

Дегазация металла

Кипение металла облегчает также протекает процессов его дегазации и всплывания неметаллических включений.

Мартеновская сталь всегда содержит некоторое количест­во кислорода, азота, водорода. Это обусловлено тем, что в ходе плавки газовая атмосфера воздействует на металл и шлак, в результате чего некоторое количество кислорода, водорода и азота из газовой атмосферы поглощается метал­лом. Кроме того, определенное количество кислорода (в виде окислов), водорода и азота вносится с шихтовыми ма­териалами. Кипение металла в мартеновской печи оказывает большое влияние на уменьшение газонасыщенности стали.

Содержание кислорода в металле при "закипании" ванны снижается и поддерживается на уровне, соответствующем со­держанию в нем углерода. До тех пор, пока в мартеновской ванне происходит процесс кипения, вызываемый протеканием реакции окисления углерода, металл не будет переокислен, так как поступающий в Металл кислород будет немедленно удаляться в результате протекания реакции [С] + + [О] -*СО_газ.

Пузырьки оксида углерода, уносящие кислород, очищают металл также от азота и водорода. Во время энергичного кипения ванна пронизана пузырьками СО. Парциальные давле­ния азота и водорода в пузырьках СО равны нулю, вследст­вие чего растворенные в металле азот и водород стремятся иродиффундировать в поднимающиеся пузырьки СО и вместе с ними уносятся в рабочее пространство печи. Перемешивание металла облегчает этот процесс.

Описанная схема дегазации мартеновской печи является несколько условной. В действительности очищение металла мартеновской ванны от газов, парциальное давление которых в атмосфере печи велико, происходит по сложным законам и

373

зависит главным образом от результирующей одновременно протекающих процессов газонасыщения и газоудаления.

Ясно только, что если по каким-то причинам реакция обезуглероживания и соответственно кипение ванны замедли­лись бы или приостановились, то немедленно начала бы по­вышаться концентрация газов в металле. При отсутствии ки­пения получить металл в мартеновской печи с малым содер­жанием газов невозможно. Обычно в мартеновской стали со­держится 0,003—0,005 % N, т.е. меньше, чем обычно его содержится в бессемеровском и томасовском металлах (а также в металле из дуговых электропечей), поэтому азот не представляет существенной опасности для качества марте­новской стали.

Концентрация водорода колеблется в более широких пре­делах - от 0,0003 и до 0,0006 %, или от 3-4 до 6-7 см³ на 100 г металла.

Содержание водорода, превышающее 5—6 см³ на 100 г ме­талла, уже заметно сказывается на качестве стали. Фло-кеночувствительные марки стали приходится длительное вре­мя выдерживать в специальных устройствах в нагретом сос­тоянии, чтобы часть водорода выделить из металла.

Удаление неметаллических включений

Кипение металла облегчает также процесс всплывания и ассимиляции в шлаке неметаллических включений.

Основные источники неметаллических включений в марте­новской стали следующие: а) шихтовые материалы — чугун, скрап; б) огнеупорная футеровка печи, желоба, ковша, ко­торая вымывается в результате механического воздействия металла; в) шлак, частички которого запутываются в метал­ле при выпуске плавки из печи; г) взаимодействие металла со шлаком (например, переход кислорода или серы из шлака в металл) или введение в металл раскислителей или леги­рующих элементов, а также выделение включений из металла при кристаллизации стали в результате уменьшения их раст­воримости при понижении температуры. Практика показывает, что последняя причина в большинстве случаев является основным источником неметаллических включений в мартенов­ской стали.

При плохом состоянии футеровки агрегата, ковша, желоба и других участков печи количество внесенных ими включений

также становится значительным. Эти включения можно легко отличить под микроскопом по их относительно большим раз­мерам и форме. Включений, вносимых шихтой, обычно немно­го; они сравнительно легко удаляются во время плавки.

При кипении ванны поднимающиеся пузырьки СО увлекают с собой неметаллические включения, существенно ускоряя про­цессы их укрупнения и всплывания; при этом поверхность раздела металл—шлак возрастает, условия контакта всплы­вающих включений со шлаком облегчаются.

Ход плавки при основном мартеновском процессе

Ход мартеновской плавки в значительной степени зависит от состава шихты и марки стали.

Ход плавки при скрап-процессе. В составе мартеновской шихты при скрап-процессе мало чугуна и много скрапа. Соотношение между количеством заваливаемого скрапа и чу­гуна определяется составом чугуна и скрапа, окислительной способностью печи и маркой выплавляемой стали. Как уже говорилось, для получения качественной стали необходимо, чтобы металл в печи некоторое время "кипел". Эффект кипе­ния вызывает реакция окисления углерода, и металл в нача­ле периода доводки и кипения (в момент расплавления) дол­жен содержать углерода значительно больше, чем в конце этого периода, перед выпуском плавки. Обычно в зависимос­ти от марки стали, емкости печи и других условий избыточ­ная величина содержания углерода составляет 0,4—0,8 %. Например, если нужно выплавить сталь, содержащую 0,4 % С, необходимо, чтобы при расплавлении содержание углерода в ней составляло 0,9 %. Избыток углерода, характеризуемый величиной 0,9—0,4 = 0,5 % С, выгорит за период доводки. За это время металл нагревается, газы и включения уда­ляются, произойдут дефосфорация, десульфурация и другие процессы.

Необходимое количество углерода поступает в шихту обычно с чугуном; лишь в исключительных случаях, когда чугуна нет или он очень дорог, углерод вводят с карбюра­торами (углем, коксом, электродным боем и др.). В этом случае процесс называют "карбюраторным".

Периоду кипения предшествуют периоды завалки и плавле­ния шихты. Во время завалки и плавления углерод шихты то­же окисляется, причем величина угара зависит от многих

 

374

375

факторов: продолжительности завалки и плавления, окислен-ности скрапа, содержания кремния и марганца в чугуне и др. Например, если в чугуне много кремния, то угар угле­рода будет меньше. Обычно угар углерода за время завалки и плавления составляет 30—40 %. Зная на основании опытных данных величину угара углерода, можно в каждом конкретном случае подсчитать требуемое количество чугуна для за­валки.

Например, для выплавки стали 40 (0,40 % С) необходимо, чтобы при расплавлении было около 0,90 % С. Если принять, что за время завалки и плавления угорает 35 % углерода шихты, то, чтобы при расплавлении было 0,90 % С, необхо­димо, чтобы шихта содержала 0,90: 0,65 = 1,385 % С.

Если принять, что в чугуне 4 % С, а в скрапе 0,3% С, и обозначить количество чугуна через х, а количество скрапа (100-д:), то получим 4,0* + 0,3(100-*) = 1,385 ■ * 100, откуда х = 29,4.

Таким образом, для выплавки стали марки 40 необходимо, чтобы при данных условиях шихта содержала 29,4 % чугуна и 70,4 % скрапа. Обычно содержание чугуна в шихте при скрап-процессе в зависимости от заданной марки стали ко­леблется от 25 до 40 % от массы металлической шихты.

Применяемый при скрап-процессе чушковый чугун содержит Si и Мп. Тепло экзотермических реакций окисления примесей (Si и Мп) составляет при скрап-процессе 7—9% от общего прихода тепла в рабочем пространстве печи. Кремний и мар­ганец, находящиеся в шихте в значительных количествах, предохраняют в известной степени от окисления железо и углерод, позволяя, таким образом, вести процесс с меньшим содержанием чугуна в шихте.

В мартеновской печи при скрап-процессе чугун обычно поступает в цех в твердом состоянии - в "чушках". В боль­шинстве случаев завалку производят следующим образом: вначале заваливают железный скрап, затем чугун. Капельки чугуна, расплавляющегося под воздействием факела, стекая вниз, передают тепло нижним слоям шихты и науглероживают скрап, снижая тем самым температуру его плавления. В кон­це концов наступает момент, когда вся металлическая шихта расплавляется и начинается энергичное окисление находяще­гося в металле углерода: начинается период доводки и ки­пения. К этому моменту ванна оказывается покрытой шлаком.

376

Для удаления фосфора и серы основность шлака должна быть достаточно высокой. С этой целью в шихту основной мартеновской плавки вводят известняк (СаСО_э) или известь (СаО). Расход известняка (или извести) на завалку зависит от состава шихты и требований, предъявляемых к составу шлака после расплавления. Например, если шихта 100-т печи состоит из 40 т чугуна, содержащего 1,5 % Si, и 60 т скрапа, содержащего 0,25% Si, то всего кремния в шихте будет (40/100) • 1,5 + (60/100) • 0,25 = 0,75 т. Во время завалки и плавления кремний шихты окисляется практически полиостью. В данном случае образуется 0,75 • (60/28) = = 1,61т Si0₂.

Для получения шлака (после расплавления ванны) с ос­новностью (CaO)/(Si0₂), равной 2,2, необходимо ввести 1,61 • 2,2 = 3,54 т СаО. Если принять, что в известняке содержится около 50 % СаО, то в данном случае необходимо завалить в печь 3,54:0,50 = 7,08 т известняка.

Если в шихте находится повышенное количество фосфора или пустой породы и других посторонних примесей, содержа­щих кремний или кремнезем, то расход известняка (или из­вести) соответственно возрастает. Обычно расход известня­ка при скрап-процессе составляет 5—10 % от массы металли­ческой шихты.

Известняк заваливают в нижние слои шихты вперемежку со скрапом. При нагревании СаСО_э разлагается по реакции СаСО_э —-*СаО+С0₂. СаО переходит в шлак, а пузырьки С0₂ участвуют в процессе перемешивания ванны. Кроме того, пу­зырьки С0₂, проходя через расплавляющуюся ванну, участву­ют также в процессе окисления углерода: С0₂ + [С] = 2СО.

Известняк — материал малотеплопроводный. Процесс раз­ложения известняка длительный, поэтому часто вместо из­вестняка в печь заваливают свежеобожженную известь. При этом ускоряется шлакообразование, сокращается расход теп­ла, уменьшается расход чугуна. Применяемая в мартеновских цехах известь содержит обычно 70—85 % СаО. Расход извести на завалку составляет 4—8 % от массы металлической шихты. Существенным недостатком свежеобожженной извести является необходимость ее немедленного использования. Даже при непродолжительном хранении известь начинает реагировать с влагой воздуха, что сопровождается образованием так назы­ваемой гашеной извести Са(ОН)₂.

377

При длительном хранении "гасится" значительная часть извести и она при этом рассыпается в порошок. Такую из­весть называют "пушонкой". Использование ее в мартеновс­кой печи нежелательно, так как при завалке ее в печь зна­чительная часть уносится продуктами сгорания в шлаковики и регенераторы и, кроме того, такая известь несет с собой значительное количество водорода. Если нельзя употреблять свежеобожженную известь, то следует применять известняк, так как он не гигроскопичен.

Таким образом, при скрап-процессе шихта обычно состоит из скрапа, твердого чушкового чугуна и известняка (или извести). Расход чугуна определяется необходимостью иметь при расплавлении определенное содержание углерода, а рас­ход известняка — определенную основность шлака.

Во время завалки и плавления окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть марганца. Кроме того, за это же время окисляется некоторое количество же­леза. Оксиды железа, кремния и марганца вместе со всплыв­шей известью образуют основной шлак, состоящий обычно из 35-45% СаО, 20-25% Si0₂, 10-15% FeO, 13-17% MnO. Общее количество шлака после расплавления составляет обы­чно 8—10 % от массы металла. В таком основном шлаке к мо­менту расплавления находится и некоторое количество фос­фора и серы, удаленных из металла за время плавления ших­ты. Продолжительность периодов завалки и плавления 5—6 ч.

Ход плавки при скрап-рудном процессе. Если в состав завода входят доменный, мартеновский и прокатные цехи, то чугун поступает в мартеновский цех в жидком состоянии. Таким образом, в рассматриваемом случае количество чугу­на, поступающего в мартеновский цех, зависит от произво­дительности доменного цеха. При проектировании завода учитывают, что доменный цех должен давать для мартеновс­кого определенное количество жидкого чугуна — обычно 55—70 % от массы шихты. Остальные 30—45 % металла шихты составляют отходы собственного производства (обрезь про­ката и др.) и лом, поступающий с близлежащих металлообра­батывающих предприятий.

Содержание углерода в металле при скрап-рудном процес­се регулируют не увеличением или уменьшением расхода чу­гуна (как при скрап-процессе), а введением в завалку большего или меньшего количества  железной руды. Обычно

378

расход железной руды составляет 12—16 % от массы металли­ческой шихты. Если при том же расходе чугуна расход руды в завалку увеличить, то содержание углерода по расплавле­нии уменьшится, и наоборот.

Чтобы получить по расплавлении шлак нужной основности, в состав шихты при скрап-рудном процессе, так же как и при скрап-процессе, вводят известняк.

Ход плавки при скрап-рудном процессе следующий. После осмотра и ремонта пода на него с помощью завалочных машин заваливают железную руду и известняк, после некоторого прогрева подают скрап. После того как скрап нагрелся, в печь заливают чугун. Жидкий чугун проходит через слой скрапа и взаимодействует с железной рудой. Начинается интенсивное шлакообразование. Примеси чугуна энергично реагируют с окислами железа руды:

2Fe₂0₃ + 3[Si] = 3(Si0₂) + 4Ре_ж;

Fe₂0₃ + 3[Mn] = 3(MnO) + 2Fe_A;

5Fe₂0₃ + 6[P] = 3(P₂O_s) + lOFe*;

5Fe₂0₃ + 3[C] «ЗСО_газ + 2Fe*.

Шлак образуется в очень большом количестве. Образую­щийся в результате окисления углерода оксид углерода вспенивает шлак и он начинает вытекать, "сбегать" из пе­чи. Шлак, стекающий из печи во время плавления после за­ливки жидкого чугуна, называют "сбегающим" первичным шла­ком. Состав этого шлака характеризуется низкой основ­ностью и высоким содержанием FeO и МпО (если в чугуне со­держится больше 1% Мп). Железистые шлаки и пониженная температура благоприятствуют дефосфорации. Фосфор в этих шлаках находится главным образом в виде (FeO)₃P₂O_s.

Средний состав первичного сбегающего шлака следующий, %: Si0₂ 20-35; А1₂О_э 3-5; FeO 25-35; Fe₂0₃ 3-5; СаО 12-20; MgO 5-9; MnO 15-35; P₂O_s 2-4.

Как видно из приведенных данных, содержание СаО в этом шлаке невелико, поскольку известняк еще не успел доста­точно прогреться; процесс его разложения и всплывания образующейся СаО в шлак только начался.

Со сбегающим шлаком из печи удаляется значительное ко­личество нежелательных окислов Si0₂ и P₂O_s. К сожалению,

379

вместе со шлаком уходит также большое количество окислов железа и марганца. Поэтому в тех случаях, когда в шихте мало серы и фосфора, сбегающий шлак стараются задержать в печи и уменьшить тем самым потери металла.

Количество сбегающего шлака составляет 8-10 % от массы металла (50—70 % от всего образующегося во время плавле­ния шлака). Спуск шлака продолжается почти до полного расплавления шихты.

За период плавления полностью окисляется кремний, поч­ти полностью марганец и большая часть углерода.

Описанные выше процессы завалки шихты, заливки чугуна и плавления протекают довольно медленно (около 70 % вре­мени всей плавки), при этом расходуется значительное количество тепла топлива: до 80 % тепла, соответствующего общему расходу топлива на плавку. Для ускорения процесса плавления и окисления примесей вскоре после окончания заливки чугуна ванну начинают продувать кислородом.

Продувку ведут через водоохлаждаемые фурмы, опускаемые в отверстия в своде печи. Поскольку при продувке значи­тельная часть примесей окисляется за счет вдуваемого кис­лорода, расход железной руды в завалку резко сокращают. При окислении железа и примесей за счет подаваемого через фурмы газообразного кислорода выделяется значительное ко­личество тепла, металл энергично перемешивается, в то же время часть примесей окисляется за счет горячего кислоро­да, содержащегося в воздухе, поступающем из регенерато­ров. Продолжительность плавления при таком методе работы сокращается в два—три раза, соответственно уменьшается расход топлива. Обычно на продувку ванны во время плавле­ния расходуют около 30 м³ кислорода на 1т стали. Прихо­дится учитывать, что при продувке кислородом снижается выход металла как вследствие окисления железа, так и вследствие уменьшения расхода железной руды (часть железа руды восстанавливается и тем самым увеличивает выход ме­талла).

Состав шлака, сформировавшегося к моменту расплавления и после него, оказывается почти таким же, как при скрап-процессе. Так получается несмотря на то, что при скрап-рудном процессе в печь загружают больше чугуна, а вместе с ним и больше кремния, марганца, фосфора и других эле­ментов; объясняется это тем, что значительное количество

образующихся оксидов Si0₂. MnO, P₂O_s уходит из печи со сбегающим первичным шлаком еще до полного расплавления металла.

Проведение периода кипения {доводки). Поскольку соста­вы металла и шлака после расплавления при скрап- и скрап-рудном процессах практически не различаются, период до­водки протекает в обоих случаях также одинаково. Обычно после расплавления ванны в печь подают некоторое коли­чество железной руды или продувают ванну кислородом или сжатым воздухом.

Углерод начинает интенсивно окисляться, уровень шлака в печи несколько поднимается. Если в это время отключить подачу топлива, то давление в печи упадет и шлак вспенит­ся и уйдет из печи в специально подготовленные шлаковые чаши. На печах малой и средней емкости шлак скачивается через среднее завалочное окно, на большегрузных печах шлак скачивается еще и через специальные отверстия в зад­ней стенке печи. В тот момент, когда шлаковые чаши напол­нятся шлаком, топливо вновь подают в печь, давление в пе­чи возрастает, шлак оседает и перестает уходить из печи.

Всю операцию называют скачиванием шлака. Иногда для ускорения скачивания шлак сгребают с помощью гребков, по­мещаемых на хоботе завалочной машины. Отключать подачу топлива при этом не следует. Основность скачиваемого шла­ка гораздо выше, чем "сбегающего" во время плавления. Вместе со скачиваемым шлаком из печи уходят значительная часть оставшегося в ванне фосфора и некоторое количество серы.

Чтобы перевести оставшиеся в шлаке фосфор и серу в прочные соединения, наводят новый шлак присадками свеже-обожженной извести. Основность шлака CaO/Si0₂ при этом возрастает до 2,5 и более. Если такой шлак оказывается чрезмерно густым и вязким, то его разжижают присадками боксита или плавикового шпата. Окислительная атмосфера печи непрерывно питает ванну кислородом, содержащийся в металле углерод окисляется, и ванна кипит. Вызываемое этим перемешивание благоприятствует передаче тепла от фа­кела к ванне, и температура металла постепенно возрас­тает.

Задача мастера-сталевара заключается в том, чтобы к моменту, когда температура металла окажется достаточной

 

380

381

для выпуска, ванна хорошо прокипела, очистилась бы от га­зов и неметаллических включений, в металле содержалось бы необходимое количество углерода и минимум серы и фосфора. При соблюдении всех этих требований период доводки закан­чивают и металл раскисляют; если нужно, то металл леги­руют, а затем выпускают в ковш. Если раскислители вводят в ковш, то кипящий металл выпускают из печи без раскисле­ния. Продолжительность периода доводки 1—3 ч.

Начиная от Момента расплавления и до выпуска из печи отбирают пробы металла и шлака на анализ в экспресс-лабораторию цеха. Температуру металла измеряют термопара­ми погружения. Современные методы контроля плавки позво­ляют практически исключить случаи выплавки металла с отклонением от заданного анализа; более того, они позво­ляют выплавлять сталь с очень узкими колебаниями в хими­ческом составе.

Технико-экономические показатели основного мартеновского процесса

Эффективность работы мартеновских печей определяют, срав­нивая их производительности и себестоимости выплавляемой стали.

Производительность печей определяется несколькими по­казателями: съемом стали с 1м² плошали пода в сутки [т/(м² • сут)], часовой производительностью печи (т/ч) и годовой производительностью (т/год). Съем стали и часовая производительность могут относиться к календарному и но­минальному времени (номинальное время равно календарному за вычетом времени на ремонты печи). Продолжительность горячих и холодных ремонтов на передовых заводах состав­ляет 6—7 % годового времени (т.е. из 365 дней в году 340-343 суток печь работает и 22-25 суток в течение года она находится на ремонте).

Если площадь пода 250-т печи составляет 75 м², плавка длится 6 ч (четыре плавки в сутки) и за каждую плавку получают в среднем 245 т годных слитков, то для такой печи:

а) съем стали составляет 245 • 4/75 «13,0т/(м²-сут);

б) часовая производительность 245/6 * 41,0 т/ч;

в) годовая  производительность  245 • 4 • 340 «330000 т/год
(340 рабочих суток в году).

Помимо производительности печей технико-экономические результаты работы цехов зависят от многих других факто­ров.

Стоимость стали в значительной степени определяется стоимостью шихтовых материалов. Расход шихтовых материа­лов (на 1 т годных слитков) зависит от вида разливки (сверху или сифоном или непрерывная разливка), брака ме­талла, количества скрапа, образования недоливков слитков и от некоторых других факторов.

На передовых заводах количество брака очень мало и со­ставляет менее 0,6 %; расход металлошихты на 1т годных слитков на этих заводах составляет 1050—1100 кг для скрап-рудного процесса и 1100-1200 кг для скрап-процесса. Выход годного составляет соответственно 91—95 и 89—91 % (при применении скрап-рудного процесса расходуется больше железной руды и часть железа руды восстанавливается и пе­реходит в металл).

На заводах, выплавляющих легированную сталь, очень большое влияние на экономические показатели производства оказывает степень использования в шихте легированных отходов своего производства вместо дорогих ферросплавов и легирующих материалов.

Расходы по переделу в известной степени зависят от масштабов производства: с уменьшением объема производства доля расходов по переделу в себестоимости повышается. Большую роль при этом играет и организация работы в цехе. Сокращение продолжительности плавки и снижение расхода топлива решающим образом влияют на снижение расходов по переделу. Значительного снижения расходов по переделу можно достигнуть при уменьшении расхода огнеупоров в ре­зультате повышения стойкости отдельных элементов печи, вторичного использования огнеупоров и других мероприятий.

Большое значение для снижения себестоимости стали имеет повышение производительности труда, т.е. увеличение количества стали, приходящегося на одного рабочего. Выплавка стали на одного рабочего мартеновского цеха колеблется в широких пределах. В современных крупных мар­теновских цехах, работающих скрап-рудным процессом, на одного рабочего приходится 2000-3000 т стали в год.

Из себестоимости стали вычитают стоимость пара, полу­ченного в котлах-утилизаторах. Этот пар "продается" его

 

382

383

потребителям. При переработке фосфористой шихты себестои­мость стали снижается в результате продажи фосфористого шлака.