4.7 Шлакообразование и шлаковый режим мартеновской плавки

Для мартеновского процесса шлаковый режим имеет исключи­тельно важное значение, так как в мартеновской печи нагрев ме­талла происходит через слой шлака, т е шлак в мартеновской плавке участвует не только в рафинировании металла, но и в его нагреве.

Основные источники образования шлака следующие: продукты окисления примесей чугуна и скрапа (SiО₂, MnO, Р₂О₅, Сг₂О₃ и др); продукты разъедания футеровки агрегата (MgO и СаО в основ­ных печах и SiO₂ в кислых); загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина и др.), т. е. SiО₂, A1₂O₃; миксерный шлак; ржавчина, покрывающая скрап, т. е. Fe₃O₄, Fe₂O₃, FeO; добавочные материалы (известняк, известь, железная руда, агломерат, марганцевая руда и др.) — СаО, Fe₂O₃, MnO, SiO₂, A1₂O₃ и др.

Шлакообразование в мартеновской плавке начинается еще в период прогрева лома и получает большое развитие в начале плавления после заливки чугуна Первичный шлак, образующийся в период прогрева, состоит главным образом из оксидов железа и относительно меньшего количества оксидов марганца, кремния и кальция. По ходу плавления состав шлака непрерывно изменяется вследствие окисления примесей чугуна, всплывания из нижних слоев ванны ранее заваленных сыпучих материалов и удаления образовавшегося пенистого шлака.

Характер изменения содержания основных компонентов шлака по ходу плавки в мартеновском процессе примерно такой же, что в кислородно-конвертерном.

4.8 Особенности мартеновского процесса при высоком содержании чугуна в шихте

На первой стадии развития мартеновского процесса, когда печи имели малую вместимость (до 5-10 т), малую удельную нагрузку на подину (- 1 т/м²) и плавка в них длилась > 12 ч, кислорода, поступающего из газовой фазы печи, было достаточно для окисли­тельного рафинирования металла даже при высоком содержании чугуна в шихте. По мере увеличения вместимости печей и улучше­ния их тепловой работы, кислорода, поступающего из газовой фазы через слой шлака в металл стало недостаточно, поэтому рафинирование, особенно окисление углеро­да, отставало от нагрева металла. Для устранения этого недостат­ка еще в 80-х годах XIX в. в качестве дополнительного источника кислорода начали применять железную руду. Этот вариант процесса получил название скрап-руд­ного.

Применение кислорода для интенсивной продувки мартеновс­кой ванны кислородом, получившее распространение в 60-х годах XX в., позволило исключить твердые окислители из шихты или ограничиться малым расходом их. Так появился новый вариант мартеновского процесса, который называется скрап-кислородным процессом.

В настоящее время при переде­ле шихт с высоким расходом жидкого чугуна используется процесс, занимающий промежуточное положение между скрап-рудным и скрап-кислородным: недостаток кислорода частично компенсирует­ся кислородом твердых окислителей, даваемых в завалку, и час­тично кислородом дутья.

Скрап-рудный процесс без продувки ванны кислородом

Варианты мартеновской плав­ки различаются в первую очередь способом достижения заданного содержания углерода в металле к моменту расплавления ванны, от которого зависят нормальное проведение периода доводки и выпуск металла заданного состава. При скрап-рудном процессе эта задача решается введением в период завалки определенного (оптимального для данных условий) количества твердого окислителя. В этом состо­ит основная особенность скрап-рудного процесса.

Расход твердого окислителя в период завалки определяется из баланса кислорода, в приходные статьи которого входят кислород поступающий из атмосферы печи, из окалины лома, из СО₂ известняка; в расходные: кислород, расходуемый на окисление углерода и примесей чугуна, а также на образование оксидов железа шлака. Формула для расчета расхода руды, полученная из уравнения балан­са кислорода, может быть представлена в виде:

Каждая из этих статей зависит от большого числа факторов, поэтому развернутая формула получается сложной и ею в производственных условиях можно пользоваться лишь в том случае, если расчеты выполняют при помощи ЭВМ.

Обычно расход твердого окислителя (руды, агломера­та, окатышей) в период завалки колеблется в пределах 5-15%, при высокой доле (>70%) чугуна в шихте, достигая >20%.

Основными факторами, существенно влияющими на расход твердых окислителей в период завалки, являются следующие:

1. Доля чугуна в шихте и его химический состав. Чем выше количество чугуна в шихте и окисляющихся примесей в нем, тем больше расход кислорода на окисление примесей металла и на образование оксидов железа шлака, меньше поступление в ванну кислорода из газовой фазы печи и в виде окалины лома. При постоянстве других условий с уве­личением расхода чугуна в шихту и содержания окисляющихся примесей в нем расход руды в период завалки увеличивается.

2. Вместимость или удельная нагрузка на подину печи, от ко­торой зависит поступление кислорода из газовой фазы печи.

С увеличением удельной нагруз­ки на подину поступление кислорода из атмосферы печи уменьша­ется. Удельная нагрузка на подину возрастает при повышении вме­стимости печи. Следовательно, с увеличением вместимости печи при повышении удельной нагрузки на подину расход руды в пери­од завалки возрастает. Но при увеличении удельной нагрузки на подину, если другие условия остаются постоянными, продолжитель­ность периода плавления возрастает. Это вызывает повышение поступления кислорода из газовой фазы печи, т. е. уменьшение расхода руды в период завалки. Однако в целом с увеличением вместимости печи при постоянстве других условий расход руды в период завалки, как правило, возрастает.

3. Тепловая работа печи влияет на расход руды в завалку, изменяя поступление кислорода из атмосферы печи. Чем лучше теп­ловая работа печи, особенно при интенсификации сжигания топ­лива кислородом, тем выше удельное поступление кислорода из газовой фазы печи и меньше продолжительность плавления, т. е. с одной сто­роны происходит увеличение поступления кислорода (уменьшение расхода руды в период завалки), а с другой - уменьшение длительности периода плавления вызывает обратный эффект (увеличение расхода руды). Однако улучшение тепловой работы печи обычно вызы­вает уменьшение расхода руды в период завалки, т. е. наблю­дается более существенное увеличение удельного поступления кислорода из газовой фазы печи, чем уменьшение продолжитель­ности плавления.

4. Содержание углерода в металле по расплавлении. Чем больше оно, тем меньше расход кислорода на окисление углерода и расход руды в период завалки

Кроме указанных основных факторов, на расход твердых окис­лителей в период завалки влияют режим спуска шлака в период плавления и качество лома. Чем обильнее и раньше спускают шлак, тем больше расход кислорода на образование оксидов железа шлака и расход руды в период завалки. Чем мельче и окисленнее лом, тем больше количество кислорода поступает с окалиной и меньше расход руды в период завалки.

Скрап-кислородный процесс

Скрап-кислородный процесс отличается от скрап-рудного лишь тем, что в периоды плавления и доводки кислород твердых окислителей заменяется кислородом дутья. Эта замена при полном ее использовании позволяет увеличить произ­водительность мартеновских печей в 1,5-2 раза. Преимуще­ства скрап-кислородного варианта мартеновского процесса: во-первых, вдувание газообразного кислорода в ванну позволяет повысить в несколько раз скорость окислительного рафини­рования металла; во-вторых, замена кислорода твердых окислите­лей, на разложение которых расходуется большое количество тепла, газообразным кислородом улучшает тепловой баланс плавки и при­водит к снижению расхода топлива. Однако при вдувании кислоро­да в ванну обычно наблюдается некоторое снижение стойкости печи (увеличение расходов на огнеупоры и ремонтные работы) и неиз­бежно уменьшение выхода годной стали (вследствие почти полно­го исключения из шихты твердых окислителей и увеличения угара железа). Однако эти потери обычно меньше того выигрыша, кото­рый достигается при уменьшении продолжительности плавки (по­вышения производительности печи) и снижении расхода топлива.

Кроме того, при скрап-кислородном процессе гораздо проще управление реакцией окисления углерода, в частности легче дос­тижение заданного содержания углерода в металле по расплавле­нии. Это объясняется тем, что расход вдуваемого в ванну кисло­рода, определяющий остаточное содержание углерода в металле, можно легко изменить (увеличить или уменьшить) по ходу процес­са, например, взяв пробу металла и определив в нем содержание углерода до расплавления ванны. Такая корректировка невозмож­на при скрап-рудном процессе, так как все расчетное количество твердого окислителя присаживается в ванну в начале процесса - в период завалки сыпучих материалов.

Таким образом, скрап-кислородный процесс является не только самым высокопроизводительным способом мартеновского пере­дела шихт с высоким содержанием чугуна, но и наиболее легко управляемым процессом.

Продувка ванны кислородом, являющаяся основной отличитель­ной особенностью технологии скрап-кислородного мартеновского процесса, обычно начинается с момента заливки чугуна и ведется до начала чистого кипения, т. е. в течение главных по продолжи­тельности и значению технологических периодов (операций). Ос­новными параметрами продувочного периода плавки являются удельный расход дутья (Wд, м³/т), удельная интенсивность продув­ки [iо₂ ,м³/(т-ч)] и продолжительность продувки (τ_п , ч). Они между собой связаны:

Удельный расход кислорода определяется расче­том по балансу кислорода, учитывающего коэффициент усвоения кислорода (обычно составляет 0,7-0,9, но может быть > 1, если во время продувки ванны имеет место интенсивное поглощение кислорода из атмосферы печи).

Удельный расход кислорода, вду­ваемого в ванну в период плавления в ос­новном зависит от доли чугуна в шихте, его химического состава и содержания углерода в металле по расплавлении. Кроме того, если плавку ведут с введением в период завалки твердого окислителя, расход кислорода зависит также от расхода последнего.

Обычно при скрап-кислородном процессе расход кислорода на продувку ванны в период плавления колеблется в пределах 15-25 м³/т, в период доводки 5-10 м³/т.

Удельная интенсивность продувки. Она обычно изменяется в пределах 5-20 м³/(т ч) в зависимости от конкретных условий работы цеха (печи). Практика пока­зывает, что продувка с удельной интенсивностью < 5 м³/(т-ч) не оправдывает затраты на кислород и его подачу в ванну, сооруже­ние газоочистки и т. п. При 20 м³/(т-ч) производительность мартеновских печей можно увеличить в два раза и более.

Однако полное использование этих возможностей интенсифика­ции мартеновского процесса ограничено возмож­ностями по кислороду и шихтоподаче. Кроме того, чем выше удельная интенсивность продувки, тем больше должна быть доля жидкого чугуна в шихте. Это объясняется тем, что скорость обезуглероживания увеличивается в большей степени, чем ско­рость нагрева металла, поэтому относительное изменение темпе­ратуры ванны уменьшится, т. е. на нагрев ванны на одну и ту же величину требуется больше углерода. Поскольку углерод в ванну вносится чугуном, то его расход должен быть увеличен.

В связи с этим скрап-кислородным процессом работает только часть мартеновских печей, обычно имея удельную интенсивность продувки 6-8, редко 10 м³/(т ч). При этом производительность печей увеличивается на 25-35%, ред­ко выше, а удельный расход кислорода для продувки составляет 15-25 м³/т.

Синхронизация процессов обезуглероживания и нагрева метал­ла в скрап-кислородном мартеновском процессе обеспечивает­ся гораздо легче, чем в конвертерных процессах благодаря тому, что, во-первых, проще контролировать текущие значения содержания уг­лерода и температуры, во-вторых, имеется регулируемый подвод тепла извне.