ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ

Мартеновская печь появилась в середине девятнадцатого века, практически одновременно с конвертером. С тех пор ее конструкция не претерпела принципиальных изменений. В отличие от конвертерного мартеновский способ производства стали позволяет перерабатывать твердые исходные материалы, и довольно длительное время он был практически незаменим при утилизации отслуживших металлических конструкций и деталей машин.

По принципу действия мартеновская печь является пламенной регенеративной. Общий вид мартеновской печи в разрезе приведен на рис. 1.5, а схема ее работы на рис. 1.6. Печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, выложенную из огнеупорного кирпича. Камера образует рабочее плавильное пространство 6. В передней ее стене находятся завалочные окна 3, через которые в печь загружают шихту. В противоположной задней стене расположены выпускные отверстия (летки) для удаления готовой стали и шлака 9. Нижняя часть печи называется подиной 1.

Подина имеет форму ванны с откосами. В зависимости от размеров мартена вместимость ванн от 200 до 900 тонн жидкой стали. Верхняя часть (потолок камеры) называется сводом 5. В каждой из торцовых стенок печи есть каналы, ведущие в боковые пристройки – головки печи 7, предназначенные для смешивания топлива с воздухом перед подачей в плавильное пространство 6.

Отапливают печи мазутом или газом. В последнем случае используют в основном коксовый (получаемый в коксовых батареях) и доменный (колошниковый) газы. И газ, и воздух перед подачей в мартеновскую печь нагревают в специальных камерах – регенераторах 2.

Регенераторы строят из огнеупорного кирпича и заполняют ячейками из огнеупорного материала (насадками 8). Принцип работы регенератора следующий. Продукты сгорания топлива, имеющие температуру 1500 … 1600 °С, поступают из плавильного пространства 6 через головку печи 7 в регенератор и разогревают насадку до температуры 1250 … 1300 °С. В это время через второй (предварительно нагретый) регенератор пропускают холодный воздух. Он нагревается до температуры 1100 … 1200 °С, поступает в головку печи 7, где и смешивается с топливом. Полученная смесь воспламеняется и в виде факела поступает в плавильное пространство. Температура факела составляет 1750 … 1800 °С и оказывается достаточной для плавления шихты.

Постепенно насадка регенератора, через который пропускали холодный воздух, остывает, а насадка второго регенератора, через который из печи уходят продукты сгорания, нагревается. Когда температура насадок достигает определенной величины, автоматически меняется направление движения воздуха при помощи перекидного клапана 10, установленного в каналах, подводящих воздух в печь и отводящих продукты сгорания. Нагретый регенератор начинает работать, а остывший останавливается на нагрев. Эту операцию называют перекидкой клапанов и осуществляют примерно через каждые 15 … 20 минут. Отходящие из мартеновской печи газы пропускают через очистные устройства (для отделения частиц шлака и пыли) и после их охлаждения в регенераторах выбрасывают через дымовую трубу 11.

В случае, когда в качестве топлива используется газ, печь оборудуется дополнительной парой регенераторов для подогрева газа.

Т. к. насадка регенератора нагревается теплом, выносимым из печи раскаленными продуктами сгорания топлива, то тем самым в них происходит восстановление утраченного тепла – его регенерация (отсюда и название вышеописанных камер).

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают следующие разновидности мартеновского процесса:

· скрап-рудный процесс; в этом случае шихта состоит из жидкого передельного чугуна (55 … 75%), стального лома (скрапа) и железной руды;

· скрап-процесс; в этом случае шихта состоит из передельного чугуна в слитках (25 … 45%) и скрапа.

Флюсом в том и в другом случае является известняк.

В зависимости от используемой разновидности мартеновского процесса кислотность ванны металла и шлака в печи оказывается различной. Если в процессе плавки стали в шлаке преобладают основные окислы, процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые – кислым. Выявлено, что скрап-рудный процесс дает основную реакцию, а скрап-процесс – кислую. Для того, чтобы шлак не вступал в химическую реакцию с огнеупорными материалами металлургической печи, футеровку ее выполняют также основной или кислой. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичом. Кислую мартеновскую печь футеруют динасовым кирпичом.

Наибольшее количество стали в нашей стране производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой.

Процесс плавки делится на несколько периодов.

Первый период – это заправка печи, которую проводят сразу же после выпуска предыдущей плавки; это мелкий ремонт огнеупорной кладки через завалочные окна, выполняемый при помощи заправочной машины. Она забрасывает в печь огнеупорную массу на места повреждения кладки. Второй период – загрузка в печь с помощью завалочной машины железной руды, скрапа и известняка и их последующий прогрев. Третий период – заливка жидкого чугуна. Четвертый период – плавление, по окончании которого на подине печи скапливается жидкий металл, покрытый слоем шлака. Пятый этап – раскисление стали и доводка ее до заданного химического состава за счет ввода различных добавок, а шестой – выпуск стали из печи в разливочные ковши.

В период плавки для очистки стали от примесей из печи периодически выпускают шлак и загружают флюсы для наведения нового.

Скрап-процесс несколько отличается от скрап-рудного процесса завалкой и плавлением шихты.

В мартеновской печи протекают химические реакции, которые были рассмотрены выше и являются общими для сталеплавильного производства. По сравнению с конвертерной плавкой развиваются эти реакции значительно медленнее. Дело в том, что в мартеновской печи окисление проходит под действием печных газов с избытком воздуха на поверхности расплавленного металла, покрытого слоем шлака. (Руда также используется в качестве источника окислов железа.) Таким образом, в мартеновской печи одновременно взаимодействуют газ (атмосфера в печи), шлак и металл. В результате процесс плавки в мартеновских печах длится 8 … 10 часов, после чего сталь выпускается через боковую летку в разливочные ковши. На время плавки летка забивается пробкой из огнеупорной массы. Перед выпуском стали пробка разрушается.

Для повышения производительности мартеновской печи, сокращения времени плавки, экономии топлива и флюсов применяют кислородное дутье. Продувка ванны металла кислородом, который подают через водоохлаждаемые фурмы, позволяет интенсифицировать процесс плавления и окисления примесей. В результате длительность процесса сокращается в 2 … 3 раза.

В основных мартеновских печах с помощью скрап-рудного процесса выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные.

В печах с кислой футеровкой с использованием скрап-процесса выплавляют качественные стали.

Основными показателями эффективности работы мартеновской печи являются съем стали с 1 м² пода печи в сутки и расход топлива на тонну выплавленной стали. На отечественных заводах съем стали составляет около 10 т/м² в сутки. Расход топлива при скрап-рудном процессе – 120 … 180 кг/т, а при скрап-процессе – 170 … 250 кг/т.

Достоинствами мартеновских печей является их универсальность, они используются на металлургических заводах, имеющих доменные печи, а также на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома. Кроме этого мартеновские печи позволяют получать большие объемы стали одинакового состава и выдерживать этот состав от плавки к плавке.

Недостатками процесса является невысокая производительность, большое время плавки; в этих печах нельзя получать высоколегированные стали в связи с большим угаром и трудностью растворения ферросплавов из-за невысокого перегрева расплава. Также необходимо отметить, что мартеновские печи значительно загрязняют окружающую среду.