Производство стали в мартеновских печах

Мартеновская печь – пламенная регенеративная печь, высокая температура (1750 – 1800 ^оС) в которой достигается путем сгорания топлива в плавильном (рабочем) пространстве над ванной жидкого металла (рис.1.3).

Рабочее пространство печи 7 – полуовальная камера, в которую через окна 5 в передней стенке загружают шихту, а с боков по каналам 8 и 9 подают топливо (газ или мазут) и воздух соответственно. Готовую сталь выпускают через лётку в задней стенке. Рабочее пространство огнеупорной кладкой со стальной арматурой.

Рис.1.3. Схема устройства мартеновской печи: 1, 2 – нагреваемая пара регенераторов; 3, 4, 8 и 9 – вертикальные каналы; 5 – завалочные окна; 6 – под печи; 7 – рабочее пространство; 10, 11 – работающая пара регенераторов; 12, 14 –клапаны; 13 - труба.

Для повышения рабочей температуры подаваемые в печь газы и воздух проходят через предварительно подогретые до 1200 – 1250 ^оС регенераторы 10 и 11, нагреваются в них и поступают в плавильное пространство. Здесь газ и топливо смешиваются и сгорают, образуя пламя высокой температуры, при которой плавится металл. Продукты их сгорания поступают по каналам в другую пару регенераторов 1 и 2, нагревают их, охлаждаясь до 500 – 600 ^оС, и уходят в дымовую трубу 13. Направление газа и воздуха изменяют на обратное, когда регенераторы 10 и 11 остынут, а регенераторы 1 и 2 нагреются, путем переключения клапанов 12 и 14.

Ёмкость мартеновских печей 20 – 90 т жидкого металла. Чем больше ёмкость печи, тем выше её экономичность. Продолжительность плавки в мартеновских печах от 3 – 4 ч (мелкие печи) до 12 ч (крупные печи).

В зависимости от футеровки мартеновские печи могут быть основными и кислыми. Основные печи выложены магнезитовым (MgO) и хромомагнезитовым кирпичом. В них наводятся основные шлаки с большим содержанием извести. Кислые печи выкладывают динасовым (SiO₂) кирпичом. При плавке в кислой печи наводятся кислые шлаки богатые SiO₂.

В зависимости от состава металлической шихты, используемой при плавке, различают:

а) скрап-процесс, который ведётся на твёрдых исходных материалах (скрап, чушковый передельный чугун, железная руда. известь). Этот процесс ведут обычно на машиностроительных и металлургических заводах, где нет доменных печей. Скрап-процесс можно вести как в кислой, так и в основной печи.

б) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна, скрапа, железной руды и флюса. Этот процесс чаще применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи. Скрап-рудный процесс ведут только в основной печи.

Наибольшее количество мартеновской стали выплавляется в основных печах скрап-рудным процессом как более экономичным, так как в основных печах можно переделывать в сталь различные шихтовые материалы с различным содержанием серы и фосфора.

Технология выплавки скрап-рудным процессом:

1) Осмотр и ремонт пода печи;

2) Загрузка железной руды и известняка с помощью завалочной машины через завалочные окна (см. рис.3);

3) Прогрев руды и известняка и последующая завалка скрапа;

4) Прогрев скрапа и последующая заливка жидкого чугуна;

5) Жидкий чугун взаимодействует с оксидами руды, при этом интенсивно окисляются примеси чугуна – Si, Mn, P:

Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe + ∆H;

Mn + FeO → MnO + Fe + ∆H;

2P + 5FeO → P₂O₅ + 5Fe + ∆H.

Эти реакции идут с выделением тепла, и шихта интенсивно расплавляется. К моменту расплавления шихты значительная часть фосфора переходит в шлак. В шлак переходят также оксиды марганца и кремния. В шлаке оксид фосфора взаимодействует с оксидом железа FeO и образует соединение (FeO)₃·P₂O₅. Эта соль разлагается при повышенных температурах, поэтому до того, как ванна сильно разогреется, железистые шлаки наполовину скачиваются из-за опасности обратного перехода фосфора в металл и наводят новый, загружая в печь известь. После прогрева ванны создаются условия для её кипения и для удаления серы.

6) Кипение ванны:

FeO + С → СO + Fe – ∆H.

Выделяющийся газ СО способствует быстрому нагреву и раскислению металла, удалению газов и неметаллических включений. Кипение – главная реакция мартеновского процесса, так как металл в результате кипения обезуглероживается.

На этой же стадии удаляется сера в соответствии с реакцией:

FeS + СaO → СaS + FeO – ∆H.

Эта реакция, как и реакция кипения, эндотермическая, поэтому начинается, когда ванна хорошо прогреется.

7) В момент, когда содержание углерода достигает заданного уровня, а количество серы и фосфора снижается до минимума в результате перехода соединений серы и фосфора в шлак и реакции их в шлаке с СaO, кипение прекращают введением раскислителей (ферромарганца, ферросилиция и алюминия), которые связывают кислород, забирая его также и у FeO, образуя оксиды SiO₂, MnO и Al₂O₃, переходящие в шлак. Окончательно сталь раскисляют алюминием, ферромарганцем и ферросилицием в сталеразливочном ковше при выпуске стали.