Исторические предпосылки развития идеи организации передела железного лома и чугуна в сталь на поду пламенной печи. Состав неметаллической части шихты мартеновских печей. Раскисление и легирование как завершающий период плавки стального материала.
Во Франции, России и других странах процесс получил название «мартеновского», в Германии - «сименс-мартеновского», в США - «Open hearth process» (то есть процесс на открытом поду). Второй период 1-я половина 20 века характеризуется переходом на коксодоменный газ, принудительной подачей воздуха вентиляторы, автоматизацией теплового режима печи, установкой котлов-утилизаторов, строительством печей емкостью 185-250 т, затем 370-500 т. Для начавшегося в 50-х годах 20 века третьего периода характерны интенсификация процесса кислородом, переход на топливо с высокой теплотой сгорания (главным образом природный газ), строительство новых цехов с агрегатами емкостью 600-900 тонн, создание печей нового типа. В результате происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте (для интенсификации горения топлива часть подаваемого в печь воздуха может заменяться кислородом; газообразный кислород подается также в ванну для интенсификации окислительных процессов). Шлак играет важную роль: связывает все примеси, которые надо удалить из шихты; передает кислород из атмосферы печи к жидкому металлу; передает тепло от факела к металлу; защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи, и от чрезмерного окисления железа.
Введение
Историческая справка. Идеи организации передела железного лома и чугуна в сталь на поду пламенной печи высказывались неоднократно. Наибольший вклад в создание М. п. принадлежит Ф. Сименсу (Германия), предложившему в 1856 использовать принцип регенерации тепла отходящих газов для повышения температуры в рабочем пространстве плавильных печей, и П. Мартену (Франция), которому в 1864 удалось построить и ввести в эксплуатацию первую регенеративную отражательную печь для плавки литой стали. В России первая мартеновская печь емкостью 2,5 тонн была пущена А.А. Износковым на Сормовском заводе (ныне завод «Красное Сормово» в Горьком) в 1870. Вначале мартеновские печи имели кислый под. Широкое распространение М. п. получило после создания печей с основным подом (в 1879-1880 во Франции на заводах Крезо и Тернуар, в 1881 в России на Александровском заводе в Петербурге). В 1894 русские металлурги братья А.М. и Ю.М. Горяиновы разработали технологию мартеновской плавки на жидком чугуне и успешно применили ее на Александровском заводе в Екатеринославе (ныне завод имени Петровского в Днепропетровске). Во Франции, России и других странах процесс получил название «мартеновского», в Германии - «сименс-мартеновского», в США - «Open hearth process» (то есть процесс на открытом поду).
Для развития Мартеновского процесса характерны 3 периода: В первом до начала 20 века плавку вели в печах небольшой емкости до 70 тонн, которые отапливались генераторным газом, тяга была естественной дымовая труба.
Второй период 1-я половина 20 века характеризуется переходом на коксодоменный газ, принудительной подачей воздуха вентиляторы, автоматизацией теплового режима печи, установкой котлов-утилизаторов, строительством печей емкостью 185-250 т, затем 370-500 т.
Для начавшегося в 50-х годах 20 века третьего периода характерны интенсификация процесса кислородом, переход на топливо с высокой теплотой сгорания (главным образом природный газ), строительство новых цехов с агрегатами емкостью 600-900 тонн, создание печей нового типа.
Наибольших масштабов Мартеновского процесса достигло в СССР и США. В СССР работают 1974 крупнейшие в мире печи емкостью 900т. Существенный вклад в развитие теории и практики Мартеновского процесса внесли советские ученые-металлурги В.Е. Грум-Гржимайло, А.А. Байков, М.А. Павлов, М.М. Карнаухов, Н.Н. Доброхотов, В.И. Тыжнов, К.Г. Трубин и другие.
1. Мартеновский процесс
Шихта мартеновских печей подразделяется на металлическую часть (чугун, стальной лом, раскислители и легирующие добавки) и неметаллическую железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит, плавиковый шпат. Чугун, применяемый либо в жидком состоянии, либо в виде чушек, служит основным источником углерода, обеспечивающим нормальное протекание мартеновского процесса. Количество чугуна и стального лома в шихте может колебаться в любых соотношениях в зависимости от разновидности процесса, экономических условий, выплавляемых марок сталей. В качестве раскислителей и легирующих добавок, в М. п. используют Ферросплавы и некоторые чистые металлы (алюминий, никель). Железная руда и мартеновский агломерат применяются в М. п. в качестве окислителей, а также в качестве флюса, способствующего ускоренному формированию активного шлака. В роли окислителя может использоваться также окалина. Известняк, известь, боксит, плавиковый шпат в мартеновском процессе служат для формирования шлака необходимого состава и консистенции, обеспечивающего протекание окислительных реакций, удаление вредных примесей и нагрев металла.
В мартеновском процессе в отличие от конвертерных тепла, выделяющегося в результате химических реакций окисления примесей металлической ванны, недостаточно для проведения плавки. Поэтому в печь дополнительно подается тепло, получаемое в результате сжигания топлива в рабочем пространстве. Топливом служат природный газ, мазут, коксовый и доменный газы. Для обеспечения полного сгорания топлива воздух на горение подается в количестве, несколько большем теоретически необходимого. Это создает избыток кислорода в продуктах сгорания, в которых присутствуют также газообразные окислы CO2 и H2O, частично диссоциирующие при высокой температуре. В результате происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте (для интенсификации горения топлива часть подаваемого в печь воздуха может заменяться кислородом; газообразный кислород подается также в ванну для интенсификации окислительных процессов). FEO, Fe2O3, CAO, SIO2, MNO, P2O5 и другие окислы вместе с постепенно разрушающимися огнеупорами кладки, флюсами и примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак, покрывающий металл во все последующие периоды плавки. Шлак играет важную роль: связывает все примеси, которые надо удалить из шихты; передает кислород из атмосферы печи к жидкому металлу; передает тепло от факела к металлу; защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи, и от чрезмерного окисления железа. В различные периоды плавки шлак должен иметь нужный химический состав, необходимую жидкоподвижность и находиться в печи в определенном количестве.
В мартеновской плавке различаются обычно следующие периоды: заправка печи, завалка и прогрев шихты, заливка жидкого или завалка твердого чугуна, плавление, кипение, раскисление и легирование, выпуск. Заправка печи преследует цель поддержания в рабочем состоянии всех элементов кладки плавильного пространства. Для этого в момент выпуска плавки на подину и стенки по мере их освобождения от шлака заправочной машиной забрасывают огнеупорные материалы (дробленый обожженный доломит, магнезитовый порошок и другие). После выпуска из печи металла и шлака подину тщательно осматривают и, если нужно, исправляют замеченные неровности (бугры, ямы). Завалка шихты осуществляется завалочной машиной. Все твердые шихтовые материалы подаются к печи в спец. коробах - Мульдах (емкостью до 3,3 м3). Продолжительность завалки в зависимости от емкости печи колеблется от 1 до 3 часов. Для дополнительного подогрева всего стального лома перед заливкой в печь чугуна производятся прогрев шихты, продолжительность которого может достигать 1,5 часа. Заливка чугуна длится 20-60 минут. Период плавления начинается сразу после окончания заливки чугуна и продолжается 1-5 часов. В печь в этот период подается максимальное количество топлива, ванна продувается кислородом. В процессе заливки чугуна и в первый момент плавления происходит интенсивное образование шлака, поскольку весь кремний и часть марганца, содержащиеся в чугуне, окисляются (в шлак частично переходят и окислы железа). Толстый слой образовавшегося шлака затрудняет передачу тепла от факела к металлу. В связи с этим в первой половине плавления удаляют из печи (путем спуска в шлаковые чаши) некоторое количество шлака. В период плавления обеспечивается удаление из металла также основной массы фосфора. Химический состав металлической ванны в момент полного расплавления заметно отличается от состава, который сталь должна иметь перед выпуском плавки; температура металла относительно невысока. Поэтому главное назначение следующих периодов плавки, называемых доводкой, состоит в том, чтобы обеспечить необходимый нагрев металла, доведение его до заданного химического состава. В связи с этим период кипения - наиболее ответственный период мартеновской плавки. Главной реакцией этого периода является реакция окисления растворенного в жидком металле углерода. Образующиеся в результате этой реакции пузырьки окиси углерода вырываются на поверхность металла, пробивают слой шлака и, выходя на его поверхность, создают впечатление кипения ванны. Скорость окисления углерода в этот период можно регулировать либо добавками железной руды и других флюсов, либо продувкой ванны кислородом и сжатым воздухом. Состав шлака, обеспечивающий оптимальный нагрев металла и удаление из него нежелательных примесей (в частности серы), регулируется добавками извести, руды и других флюсующих материалов. Выделяющиеся пузырьки окиси углерода играют важную роль в мартеновском процессе. Перемешивая нижние слои металла, менее нагретые с верхними более нагретыми, они ускоряют процесс нагрева всего объема металла. Кроме того, они захватывают по пути вверх некоторое количество других газов и неметаллических частиц, присутствие которых в готовой стали ухудшает ее качество. Период кипения иногда условно разделяют на 2 части - период рудного кипения, когда в печь вводят добавки руды кислород, извести, флюсов, и период чистого кипения, когда окисление растворенного в металле углерода продолжается без каких-либо добавок, за счет растворенного в шлаке и металле кислорода. В период чистого кипения происходит окончательное доведение металла до требуемых температуры и химического состава. Продолжительность чистого кипения строго регламентируется в зависимости от выплавляемой марки стали. Начиная с момента полного расплавления ванны, и до конца периода кипения осуществляется контроль состава металла и шлака, а также контроль температуры металла. Общая продолжительность периода кипения 1-2,5 часа. Раскисление и легирование - завершающий период плавки, основное назначение которого состоит в снижении содержания кислорода в металле и доведении состава металла до заданного по содержанию всех элементов, включая легирующие. Раскисляющие и легирующие добавки в зависимости от выплавляемой марки стали вводят или в печь, или в сталеплавильный ковш во время выпуска металла. Для выпуска металла из печи со стороны задней стенки пробивают или прожигают струей газообразного кислорода сталевыпускное отверстие; металл по желобу стекает в установленный под ним сталеразливочный ковш на больших печах, плавку выпускают в 2 или 3 ковша. Общая продолжительность выпуска до 20 минут. После выпуска плавки и необходимого осмотра отверстие вновь заделывают огнеупорными материалами. Из ковша металл разливают в изложницы или на установках непрерывной разливки стали. Для повышения качества мартеновской стали, определенное распространение получил разработанный в СССР метод обработки металла в ковше при выпуске из печи синтетическими шлаками, приготовленными в специальном плавильном агрегате. мартеновский шихта легирование стальной
2. Разновидности мартеновского процесса
В зависимости от состава огнеупорных материалов, из которых изготовлена подина печи, мартеновский процесс бывает двух типов: основной (в составе огнеупоров подины преобладают основные окислы - CAO, MGO) и кислый подина состоит из SIO2. Шлак основного процесса состоит преимущественно из основных окислов, а кислого - из кислых. В зависимости от состава шихты (точнее, от соотношения чугуна и лома в шихте) мартеновский процесс подразделяют на несколько технологических вариантов. При карбюраторном скрап-угольном процессе металлическая часть шихты состоит практически только из стального лома са, а требующееся количество углерода вводится в шихту углеродсодержащими материалами карбюраторами: антрацитом, коксом, графитом, каменным углем и т.п. Карбюраторный процесс получил очень небольшое распространение. Скрап-процесс характеризуется тем, что шихта состоит в основном из скрапа. Расход чугуна при этом зависит от необходимого для проведения периода кипения содержания углерода в расплавленном металле и колеблется от 20 до 45 %. Скрап-процесс обычно применяется на заводах, не имеющих доменных печей, а также в мартеновских цехах машиностроительных заводов. Наиболее широко распространен скрап-рудный процесс, получивший свое название оттого, что твердая часть шихты состоит в основном из скрапа и руды; для процесса характерно повышенное количество чугуна (50-80 % от массы металлической части шихты), заливаемого в печь в жидком виде. Скрап-рудный процесс применяется в мартеновских цехах заводов, имеющих доменные печи. В связи с повышенным содержанием чугуна в шихте в ванну вносится много примесей углерод, марганец, кремний, фосфор, сера, на окисление которых требуется повышенное количество кислорода газообразного и в виде окислов руды. Рудный процесс получил свое название оттого, что твердая часть шихты состоит в основном из железной руды; металлическая часть шихты состоит только из жидкого чугуна. Широкого применения рудный процесс не получил.
Более 95 % мартеновской стали выплавляется основным процессом скрап-процессом и скрап-рудным. Кислый мартеновский процесс значительно меньше распространен, чем основной, в связи с тем, что при нем затруднено удаление из металла серы и фосфора и поэтому требуются более чистые и, следовательно, более дорогие шихтовые материалы; плавка при кислом процессе длится дольше, чем при основном. Однако особенности взаимодействия металла с кислой футеровкой подины печи и с кислым шлаком, газопроницаемость которого меньше, чем основного, а также использование чистых шихтовых материалов позволяют получать при кислом процессе сталь высокого качества, чистую от вредных примесей и характеризующуюся очень малой анизотропностью свойств вдоль и поперек направления последующей обработки давлением. В связи с этим кислая мартеновская сталь широко используется для производства роторов турбин, крупных коленчатых валов, стволов артиллерийских орудий и других изделий, которые должны иметь высокую механическую прочность вдоль и поперек волокна.
3. Мартеновский цех
По способу подачи шихтовых материалов различают цехи с рельсовой подачей шихты и цехи с крановой подачей шихты. Основная масса мартеновской стали производиться в цехах с рельсовой подачей шихты. В состав современного мартеновского цеха входят следующие отделения: шихтовый двор, миксерное отделение, главное здание, отделение раздевания слитков, отделение подготовки изложниц. Шихтовый двор служит для приемки и хранения поступающих в мартеновский цех твердых шихтовых и заправочных материалов. Для разгрузки и погрузки материалов на шихтовых дворах установлены мостовые магнитные и грейферные краны. К печам шихта передается в мульдах, устанавливаемых на железнодорожных тележках. В миксерном отделении, которое, как правило, примыкает с торца к главному зданию мартеновского цеха, устанавливаются один или два миксера, предназначенных для хранения жидкого чугуна, поступающего из доменного цеха. К мартеновским печам чугун из миксера подается по железнодорожному пути в чугуновозных ковшах. На заводах, где нет миксерного отделения, чугун из доменного цеха поступает к мартеновским печам в ковшах миксерного типа. Главное здание цеха состоит из шихтового открылка, печного и разливочного пролетов. Шихтовый открылок, расположенный на уровне пола рабочей площадки печей, примыкает к печному пролету и служит для подачи шихтовых материалов к печам. В печном пролете размещаются мартеновские печи и пульты управления ими. Печи располагаются в одну линию вдоль центральных колонн главного здания; со стороны шихтового открылка размещаются пульты управления. Рабочая площадка печного пролета устраивается на уровне 6-7 метров от заводского пола. На рабочей площадке обычно проложены 3 железнодорожных пути: для подачи к печам мульдовых составов с шихтой, для передвижения напольной завалочной машины, для подачи к печам чугуновозных ковшей с жидким чугуном из миксерного отделения. Для заливки чугуна в печи в пролете имеются мостовые заливочные краны. Разливочный пролет примыкает непосредственно к печному. Его главное назначение - приемка стали из печей, разливка ее по изложницам или на установках непрерывной разливки и уборка технологического шлака. С одной стороны разливочного пролета располагаются мартеновские печи, с другой - вдоль стен находятся разливочные площадки, в случае разливки стали по изложницам. Обычно в разливочном пролете проложено несколько железнодорожных путей: для составов с изложницами, для обслуживания операций по уборке шлака и мусора и т. п. В разливочном пролете имеются также стенды для сталеразливочных ковшей, стенды для шлаковых чаш, сушилки для стопоров, ямы для ремонта ковшей. В пролете установлены мостовые разливочные краны для разливки стали и консольно-поворотные краны (для обслуживания разливки и сталевыпускных желобов). Отделение раздевания слитков так называемое стрипперное отделение располагается, как правило, в самостоятельном здании около отделения нагревательных колодцев блюминга или слябинга. Здесь слитки извлекаются из изложниц. Отделение подготовки изложниц двор изложниц предназначено для сборки составов с изложницами под разливку стали; обычно располагается недалеко от разливочного пролета. В отделении подготовки изложниц проложено несколько железнодорожных путей, имеются участки подготовки новых прибыльных надставок, сушила для их сушки, горелки для подогрева изложниц, стеллажи для наборки центровых и печи для их сушки. В отделении установлено несколько мостовых кранов.
Производительность современных мартеновских цехов металлургических заводов 250-3000 тыс. слитков в год.
1. Грум-Гржимайло В.Е., Пламенные печи, 2 изд., ч. 1-5, Л. - М., 1932; его же, Производство стали, 3 изд., М. - Л., 1933; Павлов М.А., Определение размеров доменных и мартеновских печей, 2 изд., М. - Л., 1932.
2. Карнаухов М.М., Металлургия стали, 2 изд., ч. 2 - 3, Л. - М. - Свердловск, 1934; Бюэлл В., Мартеновская печь. Проектирование, сооружение, эксплуатация, перевод с английского, 2 изд., М., 1945.
3. Производство стали в основной мартеновской печи, перевод с английского, 2 изд., М., 1959; Морозов А.Н., Современный мартеновский процесс, Свердловск, 1961; Металлургия стали. Мартеновский процесс. Конструкции и оборудование мартеновских печей и цехов, М., 1961.
4. Явойский В.И., Теория процессов производства стали, 2 изд., М., 1967.
5. Трубин К.Г., Ойкс Г.Н., Металлургия стали. Мартеновский процесс, 4 изд., М., 1970; Веселков Н.Г., Модернизация мартеновских печей, М., 1970.
6. Металлургия стали, под редакцией В.И. Явойского и Г.Н. Ойкса, М., 1973.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
