Общая характеристика мартеновского процесса. Основной мартеновский процесс и его разновидности

Содержание Введение… …1. Общая характеристика мартеновского процесса….…2. Основной мартеновский процесс ….………….3. Разновидности мартеновского процесса….…………8 Заключение… 12 Список литературы… 14 Введение. Сущность мартеновского процесса заключается в ведении плавки на поду пламенной отражательной печи, оборудованной регенераторами для предварительного подогрева воздуха (иногда и газа). Идея получения литой стали на поду отражательной печи высказывалась многими

учеными, но осуществить это долгое время не удавалось, так как температура факела обычного в то время топлива - генераторного газа - была недостаточной для нагрева металла выше 1500 оС (т.е. недостаточна для получения жидкой стали). В 1856 г. Братья Сименс предложили использовать для подогрева воздуха тепло горячих отходящих газов, устанавливая для этого регенераторы. Принцип регенерации тепла был использован Пьером Мартеном для плавки стали.

Началом существования мартеновского процесса можно считать 8 апреля 1864 г когда П.Мартен на одном из заводов Франции выпустил первую плавку. В мартеновскую печь загружают шихту (чугун, скрап, металлический лом и др.), которая под действием тепла от факела сжигаемого топлива постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки для получения металла заданного состава и температуры;

затем готовый металл выпускают в ковши и разливают. Благодаря своим качествам и невысокой стоимости мартеновская сталь нашла широкое применение. Уже в начале ХХ в. в мартеновских печах выплавляли половину общего мирового производства стали. В мартеновских печах сжигают мазут или предварительно подогретые газы с использованием горячего дутья. Печь имеет рабочее (плавильное) пространство и две пары регенераторов(воздушный и газовый) для подогрева

воздуха и газа. Газы и воздух проходят через нагретую до 1200 oС огнеупорную насадку соответствующих регенераторов и нагреваются до 1000-1200 oС. Затем по вертикальным каналам направляются в головку печи, где смешиваются и сгорают, в результате чего температура под сводом достигает 1680-1750 oС. Продукты горения направляются из рабочего пространства печи в левую пару регенераторов и нагревают их огнеупорную насадку, затем поступают в котлы-утилизаторы и дымовую трубу.

Когда огнеупорная насадка правой пары регенераторов остынет, остынет так что не сможет нагревать проходящие через них газы и воздух до 1100 oС, левая пара регенераторов нагревается примерно до 1200-1300 oС. В этот момент переключают направление движения газов и воздуха. Это обеспечивает непрерывное поступление в печь подогретых газов и воздуха. Большинство мартеновских печей отапливают смесью доменного, коксовального и генераторного газов.

Также применяют и природный газ. Мартеновская печь, работающая на мазуте, имеет генераторы только для нагрева воздуха. Шихтовые материалы (скрапы, чугун, флюсы) загружают в печь наполненной машиной через завалочные окна. Разогрев шихты, рас плавление металла и шлака в печи происходит в плавильном пространстве при контакте материалов с факелом раскаленных газов. Готовый металл выпускают из печи через отверстия, расположенные в самой низкой части подины.

На время плавки выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной. Процесс плавки в мартеновских печах может быть кислым или основным. При кислом процессе огнеупорная кладка печи выполнена из динасов ого кирпича. Верхние части подины наваривают кварцевым песком и ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавке получают кислый шлак с большим содержанием кремнезема (42-58%).

При основном процессе плавки подину и стенки печи выкладывают из магнезитового кирпича, а свод – из динасов ого или хромомагнезитового кирпича. Верхние слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым порошком и ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавки получают кислый шлак с большим содержанием 54 – 56% СаО. Рассмотрим подробней общую характеристику мартеновского процесса, основной мартеновский процесс и его разновидности. 1. Общая характеристика мартеновского процесса.

Мартеновский процесс осуществляется путем плавления шихтовых материалов на поду печи, нагрева расплавленной металлической ванны до температуры выпуска с одновременным доведением металла до необходимого состава. Вся плавка может быть разбита на следующие периоды: 1) заправка печи; 2) завалка шихтовых материалов; 3) плавление; 4) кипение или доводка; 5) раскисление и легирование.

В мартеновском процессе тепла, выделяющегося от окисления примесей жидкой ванны, не хватает для обеспечения нормального перегрева жидкого металла и компенсации потерь тепла кладкой печи с продуктами горения и других потерь. В связи с этим основное тепло в мартеновскую печь вводят извне путем сжигания в рабочем пространстве газообразного или жидкого топлива. На выплавку одной тонны стали в современных мартеновских печах расходуется от 0,7 до 1,5 млн. кал. в зависимости от типа процесса и емкости печи.

Для полного сгорания топлива в рабочем пространстве воздух в печь подают в количестве, превышающем теоретически необходимое. В противном случае догорание топлива будет протекать в вертикальных каналах, шлаковиках и даже регенераторах, что вызовет преждевременный выход из строя мартеновской печи. Уже в период завалки и плавления происходит воздействие окислительной атмосферы печи: начинают окисляться железо и другие элементы шихты. Продукты окисления железа и примесей шихты, за исключением углерода,

вместе с флюсами и частицами огнеупорной футеровки образуют шлак, который к концу плавления шихты полностью покрывает зеркало металла. После расплавления состав металла еще значительно отличается от заданного, а температура жидкой ванны недостаточна для обеспечения нормальной разливки стали по изложницам. Поэтому в последующий период плавки, называемый кипением или доводкой, продолжают нагревать металл, и происходит дальнейшее окисление примесей, преимущественно углерода.

С появлением шлака на поверхности ванны окисление примесей непосредственно кислородом атмосферы печи практически прекращается. 2. Основной мартеновский процесс. Перед началом плавки определяют количество исходных материалов (чушковый чугун, стальной скрап, известняк, железная руда) и последовательность их загрузки в печь. При помощи заливочной машины мульда (специальная коробка) с шахтой вводится в плавильное пространство

печи и переворачивается, в результате чего шихта высыпается на подину печи. Сначала загружают мелкий скрап, затем более крупный и на него кусковую известь (3 – 5 % массы металла). После прогрева загруженных материалов подают оставшийся стальной лом и предельный чугун двумя тремя порциями. Этот порядок загрузки материалов позволяет их быстро прогреть и расплавить. Продолжительность загрузки шихты зависит от емкости печи, характера шихты, тепловой мощности печи и

составляет 1,5 – 3 ч. В период загрузки и плавления шихты происходит частичная окисление железа и фосфора почти полное окисление кремния и марганца и образования первичного шлака. Указанные элементы окисляются сначала за счет кислорода печных газов и руды, а затем за счет закиси железа растворенной в шлаке. Первичный шлак формируется при расплавлении и окислении металла и содержит 10 –15% FeO, 35 –45% CaO, 13 – 17% MnO. После образования шлака жидкий металл оказывается изолированным

от прямого контакта с газами, и окисление примесей происходит под слоем шлака. Кислород в этих условиях переносится закисью железа, которая растворяется в металле и шлаке. Увеличение концентрации закиси железа в шлаке приводит к возрастанию ее концентрации в металле. Для более интенсивного питания металлической ванны кислородом в шлак вводят железную руду. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, фосфор и углерод по реакциям, рассмотренным

выше. К моменту рас плавления всей шихты значительная часть фосфора переходит в шлак, так как последний содержит достаточное количество закиси железа и извести. Во избежание обратного перехода фосфора в металл перед началом кипения ванны 40 – 50% первичного шлака из печи. После скачивания первичного шлака в печь загружают известь для образования нового и более основного шлака. Тепловая нагрузка печи увеличивается, для того чтобы тугоплавкая известь быстрее перешла в шлак,

а температура металлической ванны повысилась. Через некоторое время 15 – 20 мин в печь загружают железную руду, которая увеличивает содержание окислов железа в шлаке, и вызывает в металле реакцию окисления углерода: [C] + (FeO) = CО (газ). Образуется окись углерода выделяется из металла в виде пузырьков, создавая впечатление его кипения, что способствует перемешиванию металла, выделение металлических включений и растворенных газов, а также равномерному распределению температуры по глубине ванны.

Для хорошего кипения ванны необходимо подводить тепло, так как данная реакция сопровождается поглощением тепла. Продолжительность периода кипения ванны зависит от емкости печи и марки стали, и находится 1,25 – 2,5 ч и более. Обычно железную руду добавляют в печь в первую периода кипения, называемого полировкой металла. Скорость окисления углерода в этот период в современных мартеновских печах большой емкости равна 0,3 – 0,4% в час. В течение второй половины периода кипения железную руду в ванну не подают.

Металл кипит мелкими пузырьками за счет накопленных в шлаке окислов железа. Скорость выгорания углерода в этот период равна 0,15 – 0,25% в час. В период кипения, следя за основностью и жидкотекучестью шлака. Когда содержание углерода в металле окажется несколько ниже, чем требуется для готовой стали, начинается последняя стадия плавки – период доводки и раскисления металла.

В печь вводят определенное количество кускового ферромарганца (12% Mn), а затем через 10 – 15 мин ферросилиций (12-16% Si). Марганец и кремний взаимодействуют с растворенным в металле кислородом, в результате чего реакция окисления углерода приостанавливается. Внешним признаком освобождения металла от кислорода является прекращение выделения пузырьков окиси углерода на поверхности шлака.

При основном процессе плавки происходит частичное удаление серы из металла по реакции: [FeS] + (CaO) = (CaO) + (FeO). Для этого необходимы высокая температура и достаточная основность шлака. 3. Разновидности мартеновского процесса. В мартеновских печах можно переплавлять в сталь чугун скрап любого состава и в любой пропорции. В зависимости от состава шихты мартеновский процесс делят на несколько разновидностей: а) скрап-процесс - процесс, при котором основной составной частью шихты является стальной

скрап. Скрап-процесс обычно применяют в цехах металлургических и машиностроительных заводов, в составе которых нет доменных печей и которые расположены в крупных промышленных центрах, где много металлолома. Кроме скрапа, в шихту загружают некоторое количество (25 - 45 %) чугуна. б) скрап-рудный процесс - передел в мартеновских печах шихты, твердая составляющая которой - скрап и железная руда. Основная масса шихты (55 -

75 %) - жидкий чугун. Когда металлическая шихта на 100% состоит из жидкого чугуна (скрапа нет), а в печь в твердом виде заливают только железную руду, процесс называют рудным. В зависимости от состава шлака и материала пода мартеновский процесс может быть «основным» и «кислым». Ход плавки при скрап-процессе. В мартеновской печи при скрап-процессе чугун обычно поступает в цех в твердом состоянии в «чушках». В большинстве случаев завалку производят следующим образом: вначале

заливают железный скрап, затем чугун. Капельки чугуна, расплавляющегося под воздействием факела, стекая вниз передают тепло нижним слоям шихты и науглероживают скрап, снижая тем самым температуру его плавления. В конце концов наступает момент, когда вся металлическая шихта расплавляется и начинается энергичное окисление находящегося в металле углерода: начинается период доводки и кипения. К этому моменту ванна оказывается покрытой шлаком.

Для удаления фосфора и серы основность шлака должна быть достаточно высокой, для этого в шихту основной мартеновской плавки вводят известняк или известь. Во время завалки и плавления окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть марганца и некоторое количество железа. Оксиды железа, кремния и марганца вместе со всплывшей известью образуют основной шлак. Общее количество шлака после расплавления составляет 8 -

10 % от массы металла. В таком основном шлаке к моменту расплавления находится и некоторое количество фосфора и серы, удаленных из металла за время плавления шихты. Продолжительность периодов завалки и плавления 5 - 6 ч. Ход плавки при скрап-рудном процессе. Если в состав завода входят доменный, мартеновский и прокатные цехи, то чугун поступает в мартеновский цех в жидком состоянии.

Содержание углерода в металле при скрап-рудном процессе регулируют не увеличением или уменьшением расхода чугуна (как при скрап-процессе), а введением в завалку большего или меньшего количества железной руды. Чтобы получить по расплавлении шлак нужной основности, в состав шихты при скрап-рудном процессе, так же как и при скрап-процессе, вводят известняк. На под с помощью завалочных машин заваливают железную руду и известняк, после некоторого подогрева подают скрап.

После того как скрап нагрелся, в печь заваливают чугун. Жидкий чугун проходит через слой скрапа и взаимодействует с железной рудой. Начинается интенсивное шлакообразование. Примеси чугуна энергично реагируют с окислами железной руды. Шлак образуется в очень большом количестве. Образующийся в результате окисления углерода оксид углерода вспенивает шлак и он начинает вытекать, «сбегать» из печи.

Его называют «сбегающим» первичным шлаком. Он составляет 8 - 10 % от массы металла. За период плавления полностью окисляется кремний, почти полностью марганец и большая часть углерода. Для ускорения процесса плавления и окисления примесей вскоре после окончания заливки чугуна ванну начинают продувать кислородом. Поскольку при продувке значительная часть примесей окисляется за счет вдуваемого кислорода, расход

железной руды в завалку резко сокращают. При окислении железа и примесей за счет подаваемого газообразного кислорода выделяется значительное количество тепла, металл энергично перемешивается, в то же время часть примесей окисляется за счет горячего кислорода, содержащегося в воздухе, поступающем из регенераторов. Продолжительность плавления при таком методе работы сокращается в 2 - 3 раза, соответственно уменьшается расход топлива.

Состав шлака, сформировавшегося к моменту расплавления и после него, оказывается почти таким же, как при скрап-процессе. Несмотря на то, что при скрап-рудном процессе в печь загружают больше чугуна, а вместе с ним и больше кремния, марганца, фосфора и других элементов; объясняется это тем, что значительное количество образующихся оксидов уходит из печи со сбегающим первичным шлаком еще до полного расплавления металла. Проведение периода кипения (доводки). Поскольку составы металла и шлака после расплавления

при скрап- и скрап-рудном процессах практически не различаются, период доводки протекает в обоих случаях также одинаково. Обычно после расплавления ванны в печь подают некоторое количество железной руды или продувают ванну кислородом или сжатым воздухом. Продолжительность периода доводки 1 - 3ч. Кислым мартеновским процессом называют процесс выплавки стали в мартеновской печи, подина которой изготовлена из кислых огнеупорных материалов (~95 %

SiO2). В первых мартеновских печах 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 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 жидком виде). Процесс, при котором жидкий полупродукт выпускают из основной печи в ковш и затем через отверстие в днище ковша при помощи специального желоба переливают в кислую печь, называют дуплекс-процессом. Ход плавки при кислом процессе. 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. 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 шлака, в результате он интенсивно окисляется и насыщается газами. Для предотвращения этого на подину до завалки шихты загружают

конечный кислый шлак (от предыдущих плавок), шамотный бой и кварцевый песок. При работе дуплекс-процессом для ускорения начала кипения ванны в печь вводят некоторое количество железной руды. В шлак переходит некоторое количество футеровки пода. 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. В кислой печи непрерывно идут два процесса: а) окисление кремния кислородом оксидов железа шлака, в результате чего содержание кремния в металле уменьшается; б) восстановление кремния из шлака и пода, в результате чего содержание кремния в металле повышается. Содержание кремния в ванне определяется соотношением скоростей этих процессов.

Скорость восстановления кремния из пода примерно постоянна, скорость его окисления в большей 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. 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 - кремневосстановительным. Если походу плавки вводят руду, известь или известняк, в результате чего повышается жидкоподвижность

шлака, растет его окислительная способность и металл интенсивно кипит, то содержание кремния выше определенных пределов 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. За 30 - 40 минут до раскисления подачу в печь добавок прекращают, однако к этому моменту уже сформировался

шлак такого состава, который способствует продолжению кипения металла. 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. Этот период «мертвого» состояния ванны, когда кипение практически прекратилось и происходит постепенное восстановление кремния, называют периодом стабилизации. Продолжительность этого периода составляет 1 - 2 ч. Промежуточное положение между активным и пассивным методами ведения плавки занимает полуактивный метод. Заключение. Около 2/3 выплавляемой во всех странах стали приходится на мартеновские печи.

Производство мартеновской стали в последние годы непрерывно увеличивается. Более высокими темпами растет производство стали в кислородных конвертерах и в электропечах. Высокие технико-экономическая эффективность, производительность новых процессов и качество получаемого металла заставляют специалистов мартеновского производства проводить работы по совершенствованию мартеновского процесса и улучшению показателей работы мартеновских печей.

Основные усилия предпринимают в следующих направлениях: а) максимальная интенсификация процесса с помощью кислорода, компрессорного воздуха и пара; б) перевод печей на отопление высококалорийным топливом; в) повышение производительности мартеновских печей путем увеличения садки и улучшения организации производства в цехе; г) применение новых высокоогнеупорных материалов, более совершенных методов организации горячих и холодных ремонтов и соответствующее снижение простоев печи; д) разработка новых конструкций печей;

е) углубленное исследование физико-химических основ процесса плавки стали в мартеновских печах, повышение качества металла, использование мартеновских печей для производства дорогих высококачественных и высоколегированных марок стали; ж) автоматизация и комплексная механизация производства. При решении вопроса о строительстве того или иного металлургического агрегата приходится учитывать технико-экономические показатели работы, стоимость и наличие сырья в данном районе и др.

Так, потребление стали (проката) в центральных районах России в 3 раза выше производства в них стали, соответственно в этих районах происходит накопление отходов машиностроения — металлолома, который приходится вывозить в другие районы. В то же время производство проката на Урале превышает его потребление в 2 раза. В результате эти районы вывозят прокат. Очевидно, на

Урале целесообразно развивать конвертерное производство, в центральных районах — электрометаллургию и мартеновское производство (они потребляют больше металлолома, чем конвертерное). Согласно балансу в стране стального металлолома, постепенно установится технически и экономически обоснованное соответствие между сталеплавильными процессами, потребляющими большое количество лома (мартеновским, процессом в дуговых электропечах), и небольшое количество лома (конвертерные процессы).

Практика передовых заводов в России и за рубежом показывает, что технико-экономические показатели мартеновского производства существенно повышаются при улучшении организации производства (высокие скорости завалки шихты, наличие оборудования для разливки большого числа плавок и др.) и интенсивной подаче кислорода для повышения температуры факела, улучшения теплопередачи и ускорения процессов окисления примесей. Производительность крупных мартеновских печей достигает при этом 1 млн. т/год, расход тепла на 1 т

стали уменьшается до 1,47—1,89 Мдж (350—450 тыс. ккал/гп). Применение кислорода при сжигании топлива в рабочем пространстве мартеновской печи в принципе позволяет отказаться от регенераторов, однако в этом случае значительно возрастает расход кислорода. Другое дело, если бы удалось утилизировать тепло отходящих из печи газов. Еще в СССР и некоторых зарубежных странах проводили испытания двухванной печи, когда рабочее пространство

одной печи спарено с другой. В то время как в одной печи идут процессы, требующие большой затраты тепла: завалка, прогрев, начальная стадия плавления, в другой, где идет продувка ванны кислородом, возникает избыток тепла, частично утилизируемый в первой ванне, через которую проходят отходящие газы из второй ванны. Обе ванны поочередно заваливают шихтой (около 50% жидкого чугуна), работу организуют таким образом, что к моменту выпуска металла из одной половины печи в другой начинают продувку, выделяющиеся газы

направляют в первую половину, в которой после выпуска начинают завалку. Выделяющаяся при продувке ванны окись углерода догорает над заваливаемой шихтой, в результате заваливаемая шихта быстро нагревается и плавится. Эффективность работы мартеновских печей определяют, сравнивая их производительности и себестоимости выплавляемой стали. 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, чем основной. Применяемый 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. В настоящее время кислую мартеновскую сталь используют только для изготовления особо ответственных изделий. Следует отметить, что наряду с дуговыми электропечами и кислородными конвертерами мартеновская печь будет еще длительное время одним из основных сталеплавильных агрегатов. Список литературы. 1. Воскобойников В.Г. Общая металлургия: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев 6-е изд доп. и перераб

М.: ИКЦ «Академкнига», 2002 2. Металлургия черных металлов: учебник для техникумов / под ред. Б.В. Липчевский, А.Л. Соболевский, А.А. Кальменев - М.: Металлургия, 1986 3. Воскобойников В.Г. Технология и экономика переработки железных руд: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников М.: Металлургия, 1977 4. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: учебник для вузов /

В.А. Кудрин М.: Мир, 2003 5. Бигеев А.М. Металлургия стали: учебник для вузов / А.М. Бигеев 2-е изд доп. и перераб М.: Металлургия, 1988