Кислый мартеновский процесс

Кислым мартеновским процессом называют процесс выплавки стали в мартеновской печи, подина которой изготовлена из кислых огнеупорных материалов (~ 95 % SiO_a). В первых мартеновских печах, построенных П.Мартеном, подина была кислой, ее изготавливали из кварцевого песка. Мартенов­ский процесс существовал как кислый процесс вплоть до 1878 г., когда успехи применения основной футеровки в томасовском конвертере определили дальнейшее развитие мартеновского производства и начал развиваться основной процесс.

Требования к сырым материалам и топливу. Для перевода фосфора и серы из металла в шлак необходимо, чтобы в печи был основной шлак, поэтому в кислой печи с кислым шлаком ни серу, ни фосфор удалить из металла невозможно. В связи с этим к шихте и топливу, предназначенным для кислой мар­теновской печи, предъявляют особые требования: топливо не должно содержать серы, а чугун должен содержать не более 0,025 % фосфора и серы. Вследствие высоких требований к чистоте шихты привозной стальной лом и скрап практически не используют, а в качестве основной железосодержащей составляющей шихты обычно используют заготовку, специаль­но выплавляемую в основных мартеновских печах. Выплавлен­ный при этом металл называют шихтовой заготовкой или полупродуктом (если металл заливают в кислую печь в жид­ком виде). Процесс, при котором жидкий полупродукт выпус­кают из основной печи в ковш и затем через отверстие в днище ковша (чтобы в ковше остался шлак из основной печи) при помощи специального желоба переливают в кислую печь, называют дуплекс-процессом (или процессом на жидкой шихтовой заготовке).

Под кислой печи. Под печи наваривают чистым высоко­кремнистым песком, молотым кварцитом или кварцитом с при-

В кислом процессе используют высококачественные древесноугольные или кок­совые чугуны.

384

месью конечного кислого шлака. Под кислой печи принимает активное участие в протекающих в ванне процессах, и высо кое качество кислой стали в известной мере определяется реакциями материала кислого пода с металлической ванной, поэтому состоянию пода кислой печи уделяют особое внима­ние. Общая продолжительность заправки кислой печи значи­тельно больше, чем основной, и занимает в зависимости от состояния пода 1,5-2,5 ч (после каждой плавки).

Ход плавки. Так же, как в основном мартеновском скрап-процессе, соотношение между загружаемыми в печь чугуном и скрапом зависит от заданного содержания углерода в метал­ле, при котором обеспечивалось бы проведение периода ки­пения. Обычно состав шихты рассчитывают таким образом, чтобы после расплавления металл содержал на 0,5—0,6 % С больше, чем требуется в готовой стали. В отличие от основного мартеновского процесса, при котором в печь заваливают значительное количество известняка или извес­ти, а при скрап-рудном — также железную руду, в кислом процессе источников для образования шлака меньше. Металл может оказаться покрытым недостаточным слоем щлака, в результате он интенсивно окисляется и насыщается газами. Для предотвращения этого на подину до завалки (или залив­ки) шихты загружают конечный кислый шлак (от предыдущих плавок), шамотный бой и кварцевый песок (2—4 % от массы металла).

При работе дуплекс-процессом для ускорения начала кипения ванны в печь вводят некоторое количество железной руды («0,5 % от массы металла). В шлак переходит некото­рое количество футеровки пода. Это количество зависит от качества наварки пода и от угара примесей шихты, прежде всего железа и марганца. Образующиеся во время плавления основные оксиды железа и марганца вступают во взаимодей­ствие с кремнеземом, образовавшимся в результате окисле­ния кремния шихты. В результате получаются сравнительно легкоплавкие силикаты железа и марганца. Однако количест­ва Si0₂, образующегося при окислении кремния шихты, для ошлакования FeO и МпО обычно недостаточно. Недостающее количество кремнезема переходит в шлак из футеровки пода:

2(FeO) + Si0_2(nwu = (FeO)₂ • Si0₂;

2(MnO) + Si0_2(noJU = (МпО)_г • Si0₂.

25-3810                                                                                                                        385

Если в период завалки в печь вводят шамот или песок, то количество футеровки, перешедшей в шлак, уменьшается. Таким образом, кислая футеровка печи регулирует состав шлака после расплавления. Практически, несмотря на существенные различия состава шихты и типа процесса, во всех случаях состав кислого мартеновского шлака после расплавления примерно одинаков: 15—20 % FeO, 20—30 % МпО, 42—47 % Si0₂; изменяется лишь количество шлака. Суммарное количество оксидов железа и марганца (FeO) + (МпО) в кис­лом шлаке после расплавления составляет 45-50%. Находясь в соприкосновении с кислой футеровкой пода, шлак кислого мартеновского процесса непрерывно обогащается кремнезе­мом. Содержание SiO_z в шлаке к концу плавки достигает 55—60 %. Из диаграммы состояния системы FeO—MnO—Si0₂ (см. рис. Ill) следует, что для расплавления шлака, содержаще­го > 55 % Si0₂, требуется температура, значительно превы­шающая температуру ванны (1600 °С), поэтому к концу плав­ки кислый шлак становится гетерогенным. Избыточное по отношению к концентрации насыщения количество кремнезема находится в шлаке во взвешенном состоянии.

Таким образом, в отличие от основного процесса, где активность Si0₂ в шлаке ничтожно мала, ванна кислого мар­теновского процесса насыщена кремнеземом, что создает

Рис. 111. Диаграмма состояния системы FeO—MnO—Si0₂

<L_J.-JJ+k:

t.' e

71—I

благоприятные условия для восстановления кремния из крем­незема шлака и пода. В кислой печи непрерывно идут два процесса: 1) окисление кремния кислородом оксидов железа шлака, в результате чего содержание кремния в металле уменьшается; 2) восстановление кремния из шлака и пода, в результате чего содержание кремния в металле повышается. Содержание кремния в ванне определяется соотношением ско­ростей этих процессов (рис. 112, а). Скорость восстанов­ления кремния из пода примерно постоянна, скорость его окисления в большой степени зависит от состава шлака и его жидкотекучести. Интенсифицировать процессы окисления примесей в кислой печи можно введением железной или мар­ганцевой руд, извести или мелкораздробленного известняка, а также продувкой ванны воздухом или кислородом. Напри­мер, при введении в печь извести (известняка) образуются более прочные, чем силикаты железа, силикаты кальция

(FeO)j • Si0₂ + 2CaO = (СаО)₂ • Si0₂ + 2(FeO),

в результате чего активность оксидов железа в шлаке возрастает. Влияние состава шлака на его жидкотекучесть показано на рис. 112, б. Изменять скорости протекания реакции окисления можно также изменением характера атмо­сферы печи. При уменьшении коэффициента расхода воздуха уменьшаются парциальные давления окислительных составляю­щих газовой фазы (0₂, Н_аО, С0₂), и скорость перехода кис­лорода в металл снижается.

Атмосфера печи | ^ат"

Шлак

В шлак I          Г вша/г

Металл

40 «5 50 55 0,6 0,6 1ft 1,2 1,4 1,6 1,8 (Si0z)/[(Fe0)+CMn0)+(Ca0)] -

Члод

Z(Fe0)+Si=SiO₂+2Fe]—

а

1'ис. 112. Изменение состава и свойств кислых шлаков:

а — схема процесса восстановления кремния в кислой печи; б — влияние соста-

ва кислого шлака на его текучесть

 

386

387

Если после расплавления в печь не вводят никаких добавок, то по мере повышения температуры металла шлак постепенно насыщается кремнеземом, становится все более вязким, скорость перехода кислорода из атмосферы печи через шлак в металл уменьшается. В результате через неко­торое время после расплавления скорость восстановления кремния оказывается выше скорости его окисления и концен­трация кремния в металле растет. Такой метод ведения плавки называют пассивным, а процесс — кремневос-становительным. Если по ходу плавки вводят руду, известь или известняк, в результате чего повышается жидкоподвиж-ность шлака, растет его окислительная способность и ме­талл интенсивно кипит, то содержание кремния выше опреде­ленных пределов (0,10-0,12%) не возрастает. Такой метод ведения плавки называют активным, а процесс — с ограниче­нием восстановления кремния. При активном процессе после расплавления и при достаточно высокой температуре металла в печь присаживают небольшими порциями железную руду. На­чинается интенсивное кипение, скорость окисления углерода составляет 0,2-0,3 % С/ч. За 30-40 мин до раскисления по­дачу в печь добавок прекращают, однако к этому моменту уже сформировался шлак такого состава, который способст­вует продолжению кипения металла со скоростью окисления углерода 0,10-0,15 % С/ч до конца периода кипения.

Кремневосстановительный процесс начинается так же, как и активный, присадкой руды и кипением ванны. После того как металл нагрелся, а шлак начал заметно густеть, обо­гащаясь кремнеземом, ход кремневосстановительного процес­са отличается от хода активного процесса. Руду или из­весть больше не присаживают, окислительную роль факела сводят к минимуму, в металле заметно возрастает содержа­ние кремния, кипение металла практически прекращается. Проба металла, взятая из печи, в этот период застывает совершенно спокойно, т.е. металл раскислен. Этот период "мертвого" состояния ванны, когда кипение практически прекратилось (скорость окисления углерода всего ~ 0,05 % С/ч) и происходит постепенное восстановление кремния, называют периодом стабилизации. Продолжительность перио-

*

Такое название этому периоду дал известный металлург В.И.Тыжнов, тщатель­но разработавший технологию кремневосстановительного процесса.

388

да стабилизации составляет 1—2 ч. При пассивном методе количество восстановленного кремния составляет не менее 0,20-0,22%. Промежуточное положение между активным и пассивным методами ведения плавки занимает полуактивный метод с восстановлением кремния до 0,12-0,16%.

Качество металла, выплавленного в кислых печах,. Содер­жание газов в кислой стали ниже, чем в стали того же сос­тава, выплавленной в основных мартеновских печах, дуговых электропечах или конвертерах. Этому способствует следую­щее: 1) чистота шихты; 2) небольшое количество вводимых в печь шлакообразующих; 3) насыщенные кремнеземом вязкие шлаки, обладающие малой газопроницаемостью; 4) более низ­кое содержание кислорода по ходу плавки в кислой печи, чем в основной, так как, помимо раскисляющего действия кремния, протекает процесс взаимодействия оксида FeO, растворенного в металле, с кремнеземом шлака и футеровки; 5) уменьшение количества вводимых в печь или ковш раскис­ляющих и легирующих добавок, которые вносят соответствен­но меньшее количество газов, в частности водорода и азота и нежелательных примесей. В некоторых случаях металл по­лучается настолько раскисленным, что раскислители не вво­дят. Обычно кислая мартеновская сталь содержит 0,006— 0,010% [О], 0,0010-0,0015% [N] и 2-4см³/Ю0г [Н].

Особенностью включений в кислой стали является их округлая форма, сохраняющаяся после прокатки, в то время как включения основной стали часто представляют собой вытянутые пластинки или цепочки: длинная ось включений в этом случае совпадает с направлением вытяжки металла при обработке давлением, поэтому механические свойства основ­ной стали в поперечном направлении значительно ниже, чем в продольном. Механические свойства кислой стали примерно одинаковы в продольном и поперечном направлениях относи­тельно направления прокатки или ковки, в результате отли­чительной особенностью кислой стали является меньшая, чем у основной стали, анизотропия механических свойств, осо­бенно ударной вязкости и упругости. Кроме того, механи­ческие свойства кислой стали, как правило, более стабиль­ны от плавки к плавке, чем основной стали того же соста-

Анизотропия (от греч. anisos — неравный + tropos — свойство) неодинаковость физических свойств тела в различных направлениях.

389

ва, поэтому для изготовления изделий, которые при эксплу­атации испытывают нагрузки в поперечном (относительно оси обработки давлением) направлении, предпочитают использо­вать кислую сталь.

Кислую мартеновскую сталь применяют для изготовления коленчатых валов различных двигателей, роторов крупных турбин электростанций, шариковых и роликовых подшипников большого диаметра, артиллерийских орудий и других изделий ответственного назначения. Стабильность технологии и незначительное содержание вредных примесей в кислой стали дают возможность получать крупные слитки для поковок (* 200 т) с минимальным развитием неоднородности состава и свойств по высоте и поперечному сечению.

Несмотря на высокие качества кислой мартеновской ста­ли, область ее применения постепенно сужается, так как, во-первых, непрерывно улучшается качество стали, выплав­ляемой в основных мартеновских печах, конвертерах и дуго­вых электропечах и, во-вторых, стоимость кислой марте­новской стали значительно выше (в 1,5—2,0 раза), чем основной. Известно, что стоимость шихтовых материалов составляет 65—75 % от себестоимости готовой стали. Приме­няемые в качестве шихтовых материалов кислого мартенов­ского процесса чугун, металлическая заготовка или жидкий полупродукт с малым количеством примесей в два с лишним раза дороже шихты, используемой в основных мартеновских печах. Кроме того, производительность кислых мартеновских печей значительно ниже, чем основных (более продолжитель­ные периоды заправки и доводки плавки, меньшие тепловые нагрузки из-за опасения снизить стойкость свода, изго­товленного из кислых огнеупорных материалов). В настоящее время кислую мартеновскую сталь используют только для изготовления особо ответственных изделий.