Мартеновское производство стали

    Мартеновский способ получения стали основан на переработке чугуна и стального скрапа на поду пламенной отражательной печи регенеративного типа. Процесс впервые был осуществлен в 1864 г. французским металлургом П.Мартеном. Благодаря относительной простоте организации и управления процессом мартеновская плавка быстро получила широкое распространение в мире до 1956 г. являлась основным сталеплавильным процессом.

     В отличие от конвертерного процесса нагрев и расплавление металла в мартеновской печи осуществляется за счет теплоты, выделяющейся при сжигании топлива в струе нагретого до высоких температур воздуха. Для обеспечения максимального использования топлива воздух в печь подается в количестве, превышающем теоретически необходимое. Кроме того, окислитель в виде технологического кислорода может подаваться непосредственно в ванну металлического расплава.

     Избыток кислорода, СО2 и Н2О в продуктах горения топлива создают окислительную атмосферу в печи, что обеспечивает окисление железа и его примесей в течение всей плавки, начиная с момента завалки (загрузки) шихтовых материалов в печь и вступления их в непосредственный контакт с газовой фазой.

     Рабочее пространство печи, ограниченное подом, сводом и стенками печи и предназначенное для осуществления плавки, определяет своими размерами вместимость и производительность печи. В настоящее время более половины всей отечественной мартеновской стали выплавляют в печах вместимостью 400-600т; крупнейшая в мире печь имеет вместимость 900т.

    Ванна печи, удерживающая расплав, имеет сферическую форму с уклоном лещади в сторону выпускной летки для стали. Современная мартеновская печь вместимостью 500 т имеет ванну длиной 19 м, шириной по зеркалу расплава 8 м и внизу 5 м и глубиной > 1 м.

     Топливом для мартеновских печей служить мазу и все виды газообразного топлива (природный, смешанный и генераторный газы). Смешанный (коксовый и доменный) и генераторные газы из-за недостаточной теплоты сгорания перед поступлением в печь подогреваются в регенераторах примерно до 1150 ºС. Природный газ и мазут используются без подогрева.

     Топливо и воздух для сжигания поступают из регенераторов через шлаковики и вертикальные каналы в головку печи. Обычно головка печи по ее ширине имеет три канала; по центральному подается газ, а по двум боковым - воздух. Кислород для интенсификации горения топлива вводится через фурмы,  установленные в головках печи. Продукты горения отводятся из рабочего пространства соответственно с противоположной стороны. Шлаковики служат для улавливания пыли и шлаковых брызг, уносимых продуктами горения из рабочего пространства печи.    

Головки мартеновской печи работают в чередующихся режимах сжигания топлива и отвода продуктов горения в регенераторы. Изменения движения газовых потоков, изменения направления факела в рабочем пространстве, осуществляется системой перекидных клапанов. Продукты горения топлива в смеси с технологическими газами с температурой 1500-1600 С поступают в регенераторы сверху через шлаковики и, проходят через насадку, отдают ей большую часть своей теплоты. При следующим прохождение через регенераторы дутья или газа они нагреваются до 1100- 1200 С. После регенераторов отходящие газы с температурой 500-600 С для дальнейшего использования Теплоты направляют в котлы - утилизаторы.

Загрузка в печь твердой шихты проводят через рабочие окна  с помощью завалочных машин. Заливку жидкого чугуна осуществляют из чугуновозных ковшей с помощью заливочного крана по специальному желобу, установленному в рабочие окна. Выпуск стали и шлака из мартеновской печи после завершения плавки через летку, расположенную в задней продольной стене, не имеющей завалочных окон.   

 По характеру огнеупорной кладке ванны, выполняемой из высокоогнеупорных материалов различают кислый  и основной  мартеновские процессы. Кислый мартеновский процесс возник раньше, чем основной, но в настоящее время применяется  редко из- за  высоких требований к чистоте стали по фосфору и сере.  В основной мартеновской печи для изготовления подины используют магнезитовый кирпич, на который наваривают рабочий слой из магнезитового порошка.

Шихтовые и материалы основного мартеновского процесса отличаются большим многообразием. Как правело, шихта состоит из металлической (чугун, стальной лм, раскеслители  и  легирующие  добавки) и неметаллической частей (железная руда, флюсы и др). Чугун может применятся как  в жидком виде, так и чушках. Соотношение количеств чугуна и стального лома в шихте зависит от вида процесса плавки, выплавляемой марки стали и ряда технико - экономических  условий. Из нескольких возможных разновидностей мартеновских плавок наибольшее распространение получили так называемый скрап - и скрап-рудный процессы.  

Скрап-процесс характеризуется переработкой шихты, металлическая часть которой на 55-75 % состоит из металлического лома. Чугун в этом случае загружается в печи в твердом виде. Такой процесс применяется на заводах, не имеющих доменного производства, включая крупные машиностроительные заводы, в состав которых входят сталелитейные производства.

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

Мартеновская плавка обычно состоит из нескольких последовательно проводимых операций (стадий). Основными из них являются заправка твердой шихты и заливка чугуна, Плавления, кипение стали, ее раскисление  и легирование и выпуск прадуктов плавки. Цель заправки состоит в поддержании в рабочем состоянии всех элементов огнеупорной кладки плавильного пространства и особенно подины. 

Завалка твердой шихты, подготовленной к плавке, проводится из мульд- специальных чугунных коробов вместимостью до 3,5 м3  установленных на тележках . Завалочная машина  (шаржирный кран) специальным хоботом подхватывает мульду и вводит ее в печь через рабочие окно. При повороте хобота с закрепленной на нем мульдой содержимое ее вываливается на подину печи. Пред заливкой жидкого чугуна загруженная твердая шихта подогревается в печи течение 1- 1,5 ч.

Стадия плавления начинается сразу после заливки чугуна и продолжается до тех пор, пока  вся твердая шихта не будет расплавлена. Однако с расплавлением шихты начинается ее окисление кислородом газовой атмосферы печи. К моменту полного расплавления твердых материалов практически полностью окисляется кремний, более половины марганца, около одной третий фосфора и частично углерод. В период плавления образуется также значительное количество оксида железа FeO, который активно участвует в окисление примесей по реакциям.   

Окисление углерода еще в недостаточно прогретой ванне вызывает вспенивание шлака. Этим на практики пользуются для удаления через пороги завалочных окон части первичного («сбегающего») шлака, содержащего значительное количества фосфора в форме 3FeO*P2O5 и кремнезема. К концу периода расплавления шлак насыщается растворяющимися в оксидом CaO.

Химический состав металлической ванны к концу периода плавления заметно отличаются от состава выплавляемой в печи стали. При этом ванна с поверхности покрыта слоем шлака с повышенным количеством  FeO, обладающего высокой окислительной способностью по отношению к примесям и углероду. Образующиеся при окисление углерода CO выделяется из расплава в виде многочисленных газовых пузырей, которые способствуют интенсивному перемешиванию ванны и удалению из нее газовых и других включений - кипению ванны. Для интенсификации процесса кипения в этот период плавки добавляют железную руду, которая повышает окислительную способность шлака и усиливает кипение. В этот же период из шихтовых материалов и расплава в шлак переходит значительное количество фосфора. Важную роль в связывании оксидов фосфора играет известь:  

Наличие в печи свободной извести способствуют также десульфурации  стали по реакции. Шлак из печи периодически скачивают.

Процесс доводки металла до заданного состава проводится также во вовремя чистого кипения металла,  начинающегося с момента загрузки в печь железной руды и продолжается не менее 1ч. Готовность стали конкретной плавки контролируется взятием проб  и их экспресс- анализом. Процесс плавки заканчивается раскислением  и выпускам стали в ковш. Раскислением стали в печи проводят сначала доменным ферромарганцем, а затем ферросилицием. Кремний ферросилиций связывает растворенный кислород в сложные силикаты железа и марганца, которые всплывают и переходят в шлак. После выпуска стали из печи процесс раскисления  продолжают ковшах, забрасывают в них куски богатого ферросилиция и алюминия или силикоалюминия. Главным достоинством мартеновского процесса является его универсальность как получение сталей широкого ассортимента марок - от углеродистых до высоколегированных, так использование многообразных шихтовых материалов. Работу мартеновских печей различной мощности принято оценивать их удельной производительностью по выплавке стали, которая в настоящие время достигает 11- 12 т(м2*сут). Общая продолжительность плавки в печах вместимостью 250 тонн составляет 7-10 часов. Расход условного топлива колеблется от 130 до 150 кг на 1 тонну стали.

К основным недостаткам мартеновского процесса относится большая продолжительность процесса и значительный расход топлива при отсутствие теоретической необходимости в его применении. Совершенствованию технологии мартеновской плавки и ее интенсификации способствует применение кислорода. Для его использования в мартеновском производстве наметились два пути.

Один из путей  интенсификации плавки предусматривает кратковременное введение кислорода в печь с помощью водоохлаждаемых  вертикальных фурм через свод. Этот метод резко сокращает продолжительность окисления примесей, но 5-8 раз увеличивает пылевынос за счет разбрызгивания шлака и испарения металла.

Второй путь связан с использованием двухванных  мартеновских печей. В такой печи над обеими ваннами устанавливают горелки для сжигания газа и водоохлаждаемые  кислородные фурмы, опускаемые через свод. Рассмотрим работу двухванновой печи.

Обе ванны такой печи работают в разных технологических режимах. Когда в одной из ванн идет продувка жидкого металла кислородом, выделяющееся избыточная теплота выносится газовым потоком в другую ванну, в которой в это время идет загрузка и расплавление твердой  шихты. Процесс идет устойчиво и может протекать без затрат топлива при условии заливки в печь ≥ 70 % жидкого чугуна от массы металлической шихты. Недостаток теплоты компенсируется сжиганием топлива в сводовых горелках.

     Режим плавки в двухванной мартеновской печи построен таким образом, что во время выпуска готовой стали из одной ванны в другую на разогретый твердый металл заливают жидкий чугун и начинают продувку металла кислородом. Горячие газы при этом из второй ванны направляются в первую, где в это время начинается завалка твердой шихты, и так циклы плавки повторяются. Из этого следует, что двухванные сталеплавильные печи требуют четкой синхронизации работы обеих ванн.

     Двухванные печи не имеют регенераторов и по этой причине важнейшей проблемой их работы является утилизация теплоты и очистка отходящих газов от пыли, так как при продувки кислородом наблюдается значительное пылеобразование.

     Плавка в двухванной печи длится ˜ 4 ч: каждые 2 ч выпуск из одной из ванн. При хорошей организации работы одна двухванная печь вместимостью 200-500 т может производить за год до 1,5 млн.т стали и более. Расход топлива при этом составляет   15 кг на 1 т стали. Недостатками таких печей являются сложность обслуживания, связанная с необходимостью синхронизации работы ванн при высокой интенсивности процесса и организации должного пылеулавливания и использования физической теплоты отходящих газов.

© 2007 ООО Металл
Создание, веб дизайн, поддержка сайтов megagroup.ru