4.4 Основные особенности и разновидности мартеновского процесса

Мартеновский процесс возник как способ получения стали путем сплавления лома и чугуна на подине отражательной печи. Это предопределило главную его особенность - недостаток собствен­ного тепла процесса для проведения плавки. Для плавления твер­дых шихтовых материалов и нагрева жидкого металла и шлака до заданной температуры, а также для компенсации значительных тепловых потерь, вызываемых большой продолжительностью плав­ки, недостаточно физического и химического тепла шихтовых ма­териалов.

Сгорание топлива должно происходить в пределах рабочего пространства, иначе оно заканчивается в вертикальных каналах и регенераторах, что в значительной степени снижает стойкость этих элементов печи и повышает расход топлива. Для того, чтобы сго­рание топлива завершилось в рабочем пространстве печи, расход воздуха должен превышать теоретически необходимое количество для полного сгорания, поэтому коэффициент избытка воздуха составляет обычно 1,15-1,20. Продукты сгорания любого топлива будут состоять из окислительных газов СО₂, Н₂О, О₂ и некоторого количества нейтрального азота N₂. Таким образом, характер атмосферы мартеновской печи во все периоды плавки окислитель­ный. Это одна из особенностей мартеновского процесса.

Другой особенностью технологии мартеновской плавки яв­ляется то, что тепло к ванне поступает сверху, а отводится снизу че­рез подину, поэтому температура шлака выше, чем металла, и по глубине ванны имеется различие в температуре металла. Толщина шлака в мартеновских печах колеблется от 50 до 500 мм, глубина ванны металла — от 500 до 1500 мм (в зависимости от ем­кости и конструкции печи). При этом выравниванию температуры по глубине ванны способствуют пузырьки СО, выделяющиеся в результате окисления углерода и приводящие к «кипению» ванны. Однако некоторый перепад температур по глубине ванны все же сохраняется, особенно между шлаком и металлом. В начале доводки этот перепад составляет 70—100, а в конце 20—50 °С. По длине печи температура металла также неодинакова. Под факелом температура металла несколько выше, чем у отводящих головок.

Четвертая особенность технологии мартеновской плавки — уча­стие пода печи в протекающих процессах. В отличие от плавки в кон­вертерах, продолжающейся всего 15—30 мин, плавка в мартеновской печи продолжается много часов. Поэтому влияние взаимодействия металла с подиной оказывается очень ощутимым.

Пятая особенность технологии мартеновской плавки заключается в том, что жидкий металл все время находится под слоем шлака (шлак примерно вдвое легче металла). Практически все вво­димые в печь добавки попадают на шлак или проходят в металл через шлак. Кислород из атмосферы печи в металл переходит также через шлак. Если учесть, что тепло от факела к металлу также передается через шлак, то становится понятной огромная роль шлака в марте­новском процессе. По существу руководство ходом плавки заклю­чается в том, что меняют состав, температуру и консистенцию шлака и таким образом добиваются получения металла нужного состава и качества.

Непосредственное окисление металла (железа и его примесей) кислородом газовой фазы наблюдается в мартеновских процессах только в период завалки, прогрева и плавления шихты, а также может иметь место в период интенсивного кипения, когда капли металла выбрасываются в газовую фазу. По мере окисления железа и входящих в состав шихты примесей железа образуется шлак, обладающий окислительными свойствами. Он становится передаточным звеном в системе газовая фаза-металл.

Процесс перехода кислорода из газовой фазы в металл происходит непрерывно. За плавку ванна поглощает от 1 до 3 % кислорода от массы ме­талла. Соотношение между поступающим кислородом и потребностями в нем может быть раз­личным. Это различие главным образом зависит от доли чугуна в шихте и определяет основные разновидности (ва­рианты) мартеновского процесса: рудный, скрап-рудный процесс, скрап-процесс и скрап-угольный мартеновский процесс.

В том случае, когда поступление кислорода из газовой фазы больше потребностей в нем, избыточный кислород должен быть связан карбюратором, и процесс называется карбюраторным (скрап-угольным). Если поступление кислорода равно потребностям, в этом слу­чае процесс называется скрап-процессом. Когда потребность в кислороде значительно больше количества, поступающего из обя­зательных источников, то недостающий кислород вводят с же­лезной рудой или ее заменителями в самом начале процесса (в завалку). Такой процесс называется скрап-рудным. При исполь­зовании 100% чугуна процесс называется рудным.

Скрап-рудный процесс является одним из самых распростра­ненных вариантов мартеновского процесса. Особенность его состоит в том, что основной составляющей металлической части шихты является в основном жидкий чугун. Доля чугуна в шихте колеблется в основном в пределах 50-70%. Для ускорения (интенсификации) окисления элементов ших­товых материалов в печь загружают железную руду, кислород которой расходуется на окисление части примесей. Загружается руда до заливки чугуна (обычно под слой лома) и по ходу плавки (в период полировки). Благодаря восстановлению железа руды увеличивается выход годного. Если при высоком расходе чугуна в мартеновских печах процесс вести без интенсификации твер­дыми окислителями, то продолжительность плавки увеличивает­ся вследствие недостаточной скорости поступления кислорода из газовой фазы печи.

Скрап-процесс обычно распространен на заводах, не имеющих доменного производства. В этом случае основной составляющей металлической шихты является металлический лом. Доля чугуна, твердого или редко жидкого, обычно составляет 25-45%. Желез­ную руду, если и дают, то в незначительных количествах (обычно 1-2%) только по ходу плавки (в период доводки), а не в период завалки. Таким образом, основным источником кислорода являет­ся газовая фаза.

Карбюраторный (скрап-угольный) процесса представляет рабо­ту печи на малом расходе (10-15 %) чугуна или только на ломе. При этом содержание углерода в исходной шихте оказывается значительно меньше, чем требуется для нормального ведения процесса, поэтому в шихту вводят углеродсодержащие материалы (карбюраторы), которыми обычно являются антрацит, кокс, графит, каменный или древесный уголь и т. п.