6. Мартенівський спосіб виплавки. Вплив на довкілля

Мартенівський спосіб. Цей спосіб може бути кислим або основ­ним. На металургійних заводах країни мартенівська сталь вироб­ляється основним скрап-рудним процесом, металева шихта якого складається з 55-65% рідкого чавуну і 45-35% залізостального лому. Кислим мартенівським способом сталь виплавляють лише на дея­ких машинобудівних заводах. Мартенівський процес не може відбу­ватися без використання зовнішніх джерел тепла. Для опалення мартенівських печей використовується газоподібне чи рідке паливо - природний, коксовий і генераторний гази та мазут .

Устрій і робота мартенівської печі (рис.1, 2) — це полум'яна відбивна регенеративна піч. Вона має робочий плавильний простір, обмежений знизу подіною 12,  зверху зведенням 7, а з бокам передньою 5 і задньою 10  стінками. Подіна має форму ванни з укосами у напрямку до стінок печі. Футерування печі може бути основним і кислим.

Якщо в процесі плавки сталі в шлаку переважають кислотні оксиди, процес називається  кислим мартенівським процесом,  а якщо переважають основні оксиди — основним.  При високих температурах шлаки можуть взаємодіяти з футеруванням печі, руйнуючи її. Для зменшення цієї взаємодії необхідно, щоб при кислому процесі футерування печі було кислим, а при основному — основний. Футерування кислої мартенівської печі виготовляють з динасового цеглини, а верхній робочий шар подіни набивають з кварцевого піску. Футерування основної мартенівської печі виконують з магнезитової цеглини, на яку набивають магнезитовий порошок. Зведення мартенівської печі не стикається з шлаком, тому його роблять з динасової або магнезитохромитової цеглини незалежно від типу процесу, здійснюваного в печі. У передній стінці печі знаходяться завантажувальні вікна 4  для подачі шихтовых матеріалів (металевої шихти, флюсу) в піч. У задній стінці печі розташований сталевыпускное отвір 9  для випуску готової сталі.Розміри плавильного простору залежать від ємкості печі. У наший країні працюють мартенівські печі ємкістю 200…900 т рідкої сталі. Важливою характеристикою робочого простору є  площа череня печі,  яку умовно підраховують на рівні порогів завантажувальних вікон. Наприклад, для печі ємкістю 900 т площа череня складає 115 м2^. З обох торців плавильного простору розташовані головки печі 2. Головки печі служать для змішування палива з повітрям і подачі цієї суміші в плавильний простір. Як паливо в мартенівських печах використовують природний газ або мазут.Для підігріву повітря при роботі на газоподібному паливі пекти має два регенератори 1.  Регенератор є камерою, в якій розміщена насадка — вогнетривка цеглина, викладена в клітку. Температура газів, що відходять з печі, 1500…1000 °С. Потрапляючи в регенератори, вони нагрівають насадку до 1250…1280 °С, а охолоджені до 500…600 °С гази йдуть з печі через димар. Потім через один з регенераторів, наприклад правий, в піч подають повітря, яке, проходячи через насадку, нагрівається до 1100.1200 °С. Нагріте повітря поступає в головку печі, де змішується з паливом; на виході з головки утворюється факел 7, направлений на шихту 6.  Гази, що відходять, проходять через протилежну головку (праву), очисні пристрої (шлаковики) для відділення дрібних частинок шлаку і пилу, що відносяться з печі потоком газів, і прямують в другий (лівий) регенератор, нагріваючи його насадку. Охолоджені гази покидають пекти через димар 8  заввишки до 120 м. Після охолоджування насадки правого регенератора до певної температури відбувається автоматичне перемикання клапанів, і потік газів в печі змінює напрям: через нагрітий лівий регенератор і головку в піч поступає повітря, а правий нагрівається теплотою газів, що відходять.

Температура факела полум'я досягає 1750…1800 °С. Факел нагріває робочий простір печі і шихту. Факел має окислювальний характер, що створює умови для окислення домішок шихти впродовж всієї плавки.

Рис.1. Схема мартенівської печі

Рис.2. Схема мартенівської печі

За мартенівськими печами знаходяться: котли-утилізатори, що служать для утилізації тепла відхідних продуктів згоряння; газо­очисники для очищення продуктів згоряння від пилу; димарі створення разом з димососами необхідного розрідження для евакуації продуктів згоряння з печі, розсіювання шкідли­вих викидів. Мартенівські печі симетричні за своєю конструкцією. Якщо ліва частина служить для відводу продуктів згорян­ня, то права частіше - для підведення газу і повітря. При реверсуванні факела призначення лівої та пра­вої частин печі змінюється навпаки. Реверсування факела проводять через 5- 20 хв., залежно від періо­ду плавки і температури нагріву насадки регене­раторів.

Металеву шихту в мартенівські печі завантажують завалоч­ними машинами.

Різновиди мартенівського процесу. При плавці в мартенівських печах складовими металевої шихти можуть бути сталевий скрап, рідкий і твердий чавуни, залізняк, вапняк. Залежно від складу металевої шихти, використовуваної при плавці, розрізняють наступні різновиди мартенівського процесу:

скрап-процес, при якому основною частиною шихти є сталевий скрап; застосовують на металургійних заводах, де немає мартенівських печей, але які розташовані в крупних промислових центрах, де багато металобрухту; окрім скрапу до складу шихти входить 25…46 % чушкового передільного чавуну;

скрап-рудний  процес, при якому основна частина шихти складається з рідкого чавуну (55.75 %), а тверда складова шихти — скрап, залізняк і вапняк; цей процес частіше застосовують на металургійних заводах, що мають мартенівські печі.

У 1894 р. російські інженери брати А. і Ю. Горяїнови на металургійному заводі в Екатерінославі (нині Дніпропетровськ) запропонували вести плавку в основній мартенівській печі, використовуючи як шихту рідкий чавун, а також нагрітий залізняк, вапняк і сталевий скрап.  Так виник початок скрап- рудного процесу, що набув найбільшого поширення в мартенівському виробництві. Скрап-рудний процес характеризується високою часткою чавуну — від 45 до 80% маси металевої частини шихти. Для окислення домішок чавуну використовують багатий залізняк в кількості 12—30% від ваги металевої частини початкових матеріалів. Найбільшу кількість сталі отримують в мартенівських печах з основним футеруванням, оскільки в цьому випадку можливо переробляти в сталь різні шихтовые матеріали, у тому числі і з підвищеним вмістом фосфору і сірки. При цьому використовують зазвичай скрап-рудный процес, як найбільш економічний.

Кислим мартенівським процесом виплавляють якісні стали. Сталі, що виплавляються в кислих мартенівських печах, містять значно меншу кількість розчинених газів (водню і кисню), неметалічних включення, чим сталь, виплавлена в основній печі. Оскільки в печах з кислим футеруванням не можна навести основный шлак, сприяючий видаленню фосфору і сірки, то при плавці в кислій печі застосовують металеву шихту з низьким змістом цих складових. Завдяки цьому кисла сталь має вищі показники механічних властивостей, особливо ударній в'язкості і пластичності, і її використовують для відповідальних деталей: колінчастих валів крупних двигунів, роторів могутніх турбін, шарикопідшипників, стовбурів знарядь і так далі

Плавка сталі скрап-рудним процесом в основній мартенівській печі відбувається таким чином. Після огляду і ремонту черева печі за допомогою машини  завалення завантажують залізняк і вапняк  і після їх прогрівання подають скрап. Після закінчення прогрівання скрапу в пекти заливають рідкий чавун, який, проходячи через шар скрапу, взаємодіє із залізняком.  В період плавлення  за рахунок оксидів заліза руді і скрапу інтенсивно окислюються домішки чавуну:

2Fe₂O₃+3Si=3SiO₂+4Fe;

2Fe₂O₃+3Mn=3MnO+2Fe;

5Fe₂O₃+6P=3Р₂O₅+10Fe;

Fe₂O₃+3C=3CO+2Fe

Оксиди SiO₂, MNO, Р₂О₅, а також CаO з вапна утворюють шлак з високим вмістом MNO і FеO, а окисел вуглецю (СО), що виділяється, вспінює шлак, який випускають з печі в шлакові чаші. Утворення і спуск шлаку продовжуються майже до повного розплавлення шихти. У цей період плавлення повністю окислюється кремній і майже повністю марганець і велика частина вуглецю, а також інтенсивно видаляється фосфор.

Завалення шихти, заливка чавуну і плавлення протікають поволі при великій витраті палива. Для прискорення плавлення і окислення домішок після закінчення заливки чавуну ванну продувають киснем, що подається в пекти через водоохолоджуваних фурми, які опускаються в отвори в зведенні печі. При цьому виділяється значна кількість теплоти, метал інтенсивно перемішується, що дозволяє в 2.3 разу скоротити період плавлення, зменшити витрату палива і залізняку.

Процес виробництва сталі в мартенівській печі поділяють на три иеріоди.

Перший період - плавлення - починається незабаром після почагку завантаження. Після закінчення завантаження розплавлен­им відбувається інтенсивніше, бо зменшуються втрати тепла. Під час плавлення треба вводити в піч якнайбільшу кількість тепла. Це захищає метал від розчинення в ньому газів і надмірного окислення.

Період плавлення характеризується окисними реакціями: окислюється кремній, марганець, залізо, фосфор. Одночасно утворюється велика кількість закису заліза FеО, який є основним окислюва­чем домішок - кремнію, марганцю, фосфору.

Другий період - окислення - характеризується енергійним окис­ленням вуглецю за рахунок FеО. Це окислення відбувається за ре­акцією

FеО + С = Fе + СО - Q (1)

Гази, що утворюються при цьому, намагаючись вирватися з ванни, приходять у стан кипіння, тому другий період плавки нази­вається періодом кипіння. Вигоряння вуглецю триває 2-3 год. Після одержання потрібного проценту вуглецю закінчується другий пер­іод плавки.

Третій період - розкислення. Кисень сталі є шкідливою домішкою, бо надає їй крихкості в гарячому стані - червоноламкості. Тому, щоб видалити кисень, сталь розкислюють феросиліцієм, феромарганцем або алюмінієм. Мета розкислення та сама, що і при конверторному способі, і застосовуються ті самі розкислювачі: феросиліцій, феромарганець, алюміній. Важчі розкислювачі заван­тажують прямо у піч, легші - у жолоб або в ківш. Іноді для пере­вірки розкисленості сталі роблять пробу. Застиглий розжарений кусок сталі кують; при поганій розкисленості виникають тріщини.

Коли в мартенівській печі виплавляють леговану сталь, після роз­кислення в неї вводять легуючі елементи: феротитан, ферохром, висококремнистий феросиліцій та ін. Щоб одержати нікелеву сталь, вводять чистий нікель, феронікель чи нікелевий брухт.

Після закінчення плавки сталь випускають у ківш. Процес плавлення триває 5-8 год., при швидкісному сталеварінні строки зменшуються до 4,5-5,5 год. Найважливішим фактором підвищен­ня продуктивності мартенівських печей є впровадження нової про­гресивної технології, насамперед застосування кисню в мар­тенівській плавці.

Кисень вводять при плавці двома способами:

а) збагачуючи факел полум'я в період завалки і розплавлення шихтових матері­алів;

б) продуваючи рідку ванну в період вигоряння вуглецю.

Застосування кисню підвищує продуктивність мартенівської плавки на 15-25%. Особливо ефективних результатів досягають у печах великої ємкості.

У мартенівських печах виплавляють якісну вуглецеву конст­рукційну та інструментальну сталь, а також низьколеговану і середньолеговану. Сталь, виплавлену в мартенівських печах, засто­совують для виготовлення прокату та поковок. З неї роблять рейки, ресори, балки та інші деталі машин. Отже, головною перевагою мартенівського процесу є його універсальність, а недоліками є ве­лика тривалість процесу та значні витрати палива.

В даний час мартенівський спосіб виробництва сталі практично витиснений набагато ефективнішим кислородно-конвертерным способом (близько 63 % світового виробництва)а такожэлектроплавкой (більше 30 %). Починаючи з 1970-х років нові мартенівські печі в світі більш не будуються. За наслідками 2008 року на мартенівський спосіб виробництва доводиться 2,2 % світової виплавки стали. Так, об'єм випуску мартенівської сталі в СРСР/Россії  впав з 52 % у 1990 до 22 % у 2003 році і 16,5 % у 2008 році. Найбільша питома вага виплавки стали мартенівським способом в світі за наслідками 2008 року спостерігався на Украине (понад 40 %).

Вплив на довкілля мартенівського виробництва сталі.

З усіх пилогазових викидів із сталеплавильних агрегатів найбільша кількість припадає на мар­тенівські печі: 90% оксидів сірки, 85% оксидів азоту та 75% пилу. На одну тонну садки в мартенівських печах при опаленні їх при­родним газом утворюється від 1000 до 4000 м³/год газу, який має на виході з печі температуру 700-800°С. Хімічний склад газу залежить під виду використаного палива, складу шихти та технології плав­ки. В ньому містяться оксид та діоксид вуглецю, оксиди азоту та сірки, кисень, водень, азот, водяна пара та деякі інші речовини. Кількість оксидів сірки залежить від виду використаного палива і при опаленні коксодоменним газом може досягати 800 мг/м³.

Окрім газоподібних домішок, газ, що виділяється, містить значні кількості пилу - до 15 г/м³. Мартенівський пил складається в основ­ному з оксидів заліза (близько 88%). Крім цього, в ньому містяться оксиди алюмінію, марганцю та інших речовин, що входять до скла­ду шихти; оксиди заліза надають газу коричневого кольору.

В мартенівських цехах є і неорганізовані джерела потраплян­ня пилу в довкілля. Наприклад, в повітрі міксерного відділення вміст пилу доходить до 13 г/м³; в місці розвантаження сипких матеріалів па шихтовому подвір'ї 250-450 мг/м³; в люнкеритному пристрої в розливальному прольоті 100-160 мг/м³. Виділений з мартенівської печі газ перед викидом в атмосферу підлягає обов'язковій очистці. Пе­ред очисткою газ охолоджують в котлах-утилізаторах до 220-250°С.

Стічні води в процесі виробництва сталі утворюються при очистці газів мартенівських печей, охолодженні та гідроочистці виливниць, пристроїв безперервного розливання сталі та обмивання котлів-утилізаторів. При скидах забруднених стічних вод металургійних підприємств у водоймищі збільшується кількість завислих часток, значна кількість яких опадає поблизу місця скиду, підвищується тем­пература води, погіршується кисневий режим, від виносу з водою мастильних продуктів з прокатних цехів утворюється масляна плівка на поверхні водоймища. Потрапляння шкідливих речовин може при­звести до загибелі водних організмів та порушення природних про­цесів самоочищення водоймищ. Шкідливий вплив на людей, тварин, макро- та мікроорганізми, рослинний світ мають багато металів, їх сполуки та інші неорганічні речовини, що містяться в стічних водах металургійних підприємств.