Расчет шихты основной мартеновской плавки скрап-рудного процесса с применением технического кислорода для продувки ванны. Методические указания для са

электровозом. Быстрая заливка чугуна также является фактором снижения общей длительности плавки. Оптимальным вариантом является заливка чугуна одним ковшом, в этом случае длительность заливки не превышает 10 мин. Но вследствие ограниченной емкости заливочных ковшей чугун в крупные мартеновские печи заливают двумя — четырьмя ковшами, что удлиняет этот период.

При быстрой заливке чугун сразу вступает во взаи модействие с находящимися в печи шихтовыми материалами, интенсивнее идут реакции окисления примесей и шлакообразование, улучшается теплообмен в рабочем пространстве. Исследования показали, что за время заливки чугуна в печи успевает раствориться 30-50% загруженного лома.

Плавление. Формально – это период от конца заливки чугуна до полного расплавления лома на подине печи. Фактически же процессы плавления начинаются значительно раньше, еще в периоды прогрева стального лома и заливки чугуна.

Плавление представляет собой сложный комплекс физических и физико-химических процессов, главные из которых следующие:

1)растворение в чугуне и плавление лома;

2)окисление элементов-примесей металлошихты и формирование первичного шлака;

3)разложение известняка и участие продуктов его распада в металлургических процессах;

4)интенсивное кипение ванны вследствие выделения СО при обезуглероживании ванны и СО2 – при разложении известняка.

В начальный период плавления преобладают процессы растворения лома в жидком чугуне. В период плавления расходуется много тепла на эндотермические процессы: расплавление и нагрев лома, восстановление железа из руды, разложение известняка и др. Поэтому температура ванны после заливки чугуна не повышается довольно долго, несмотря на высокий расход топлива и хорошее теплоусвоение металла. Подаваемое

11

тепло в этот период расходуется на поддержание указанных эндотермических процессов.

Изменение содержания углерода в металле в период плавления связано с двумя одновременно протекающими процессами: его окислением и разбавлением жидкого чугуна плавящимся стальным ломом. В пробах металла, взятых из ванны после окончания заливки чугуна, содержится 2,7-3,0% С, то есть в полтора раза меньше, чем было в чугуне. Как показано выше, за время заливки чугуна в нем растворяется до 50% стального лома, что разбавляет жидкую металлическую фазу.

Наибольшая скорость обезуглероживания (~1% С/ч) соответствует периоду взаимодействия жидкого металла со слоями железной руды примерно через 1 ч после заливки чугуна.

Доводка плавки. Период доводки включает три последовательных стадии:

1)полировку (рудное кипение);

2)чистое кипение;

3)раскисление и легирование.

На заключительной стадии металл доводится по температуре и химическому составу. Задача сталевара в период доводки — согласовать во времени удаление избыточных примесей, прежде всего углерода, и

нагрев ванны до температуры выпуска - на 60-100°С по отношению к началу доводки. Эта синхронизация должна быть проведена по оптимальному режиму за наиболее короткое время, чтобы обеспечить высокую производительность печи.

1) Полировка. Задача этой стадии доводки является форсирование окислительных процессов небольшими присадками руды или ее заменителей. Поэтому предусмотренный избыток углерода (над марочным содержанием) учитывает возможность присадки на ванну небольших (до 1-1,5%) количеств железной руды. Руду следует присаживать только в хорошо нагретую ванну при перегреве металла на

12

50-70°С над точкой ликвидуса. Этот относительный перегрев должен сохраняться в течение всей полировки: ведь температура ликвидуса расплава повышается по мере снижения содержания углерода.

Идеальный режим полировки может быть достигнут при непрерывной присадке руды на ванну. Концентрацию углерода и температуру ванны по ходу полировки периодически контролируют.

2) Чистое (безрудное) кипение. Началом чистого кипения считают время окончания присадок в ванну руды и извести. В д альнейшем ванна кипит за счет кислорода, поступающего из шлака и атмосферы печи.

Основная задача чистого кипения — нагрев металла до температуры выпуска, то есть определенный перегрев его над точкой ликвидуса,

необходимый для обеспечения нормального выпуска и разливки стали.

Степень перегрева для углеродистой стали составляет 60-100°С в зависимости от массы плавки и технологии разливки. При выплавке легированных сталей степень перегрева металла в конце чистого кипения

(перед раскислением и легированием) увеличивают до 80-150°С в зависимости от количества присаживаемых ферросплавов. Как видно из диаграммы рис. 2, во время полировки ванна греется слабо и нужный перегрев достигается только в ходе чистого кипения, обеспечивающего хорошее перемешивание металла в отсутствие охлаждающих добавок. В

зависимости от удельной поверхности ванны, окислительного потенциала атмосферы печи, толщины слоя шлака и его физических характеристик скорость окисления углерода в ходе чистого кипения колеблется в пределах 0,1-0,5% С/ч.

13

2.3. Качество металла, выплавляемого скрап-рудным процессом

Скрап-рудным процессом можно получать малоуглеродистые, в том числе и низколегированные, стали любых марок. Некоторые трудности вызывает производство среднеуглеродистых сталей главным образом потому,

что при интенсивной продувке кислорода и высоких скоростях окисления углерода (vС = 0,5-1% С/ч) необходимо прекратить продувку и подготовить металл к выпуску на заданном содержании углерода. Обычно прекращают окисление углерода, раскисляя металл в печи, хотя это сопровождается некоторым увеличением продолжительности плавки, повышенным угаром раскислителей и ростом содержания водорода в металле из атмосферы печи вследствие прекращения кипения ванны.

По сравнению с металлом, выплавленным скрап-процессом, металл скрап-рудного процесса имеет более низкое содержание фосфора. Это объясняется благоприятными условиями для удаления фосфора в конце плавления и начале доводки с продувкой кислородом. При обычных средних содержаниях фосфора в чугунах 0,1-0,2% уже в первой пробе после расплавления концентрация фосфора составляет 0,01-0,02%. При скрап-

процессе такие значения получить трудно даже в конце доводки.

Металл скрап-рудного процесса отличен от полученного в кислородном конверторе. Для стали, полученной скрап-рудным процессом, характерна более высокая концентрация серы, что вызвано повышенным ее содержанием в топливе (коксовальном или природном газе, мазуте). Типичным является различие сталей выплавленных в двух сравниваемых агрегатах, по содержанию газов азота и водорода. При использовании в конвертерном процессе чистого кислорода (≥99,6% О2 и ≤0,05% N2) в конвертере можно получить металл,

содержащий 0,002-0,004% [N]. В мартеновской печи такое низкое содержание азота не достигается даже при использовании для продувки очищенного кислорода. В реакционной зоне, окружающей фурмы в мартеновской печи,

15

металл в значительной мере открыт и непосредственно соприкасается с печной атмосферой, где парциальное давление азота составляет ~0,065-0,07 МПа.

Металл, выплавленный в мартеновской печи, имеет несколько более высокое содержание водорода, чем полученный в конвертере (на 1-2 см3/100 г).

При интенсивной продувке ванны кислородом возможны локальные переокисления металла, однако при высоких содержаниях углерода (0,3-0,35%)

переокисление исчезает, так как углерод выполняет роль раскислителя.

Поэтому даже некоторое повышение среднего содержания кислорода в процессе доводки практического значения не имеет.

Несколько выше оказывается в начале разливки загрязненность стали неметаллическими включениями (продуктами раскисления). Но, несмотря на это сталь, выплавляемая современным скрап-рудным процессом, соответствует предъявляемым требованиям.

2.4. Технико-экономические показатели скрап-рудного процесса

При использовании продувки кислородом на печах примерно одинаковой мощности годовая производительность выше, чем на печах,

работающих без применения кислорода (на ~50%), простои несколько выше (на

~1%), расход шихты выше (на 20-40 кг/т стали) существенно ниже расход условного топлива (на ~50 кг/т) (табл. 1).

Необходимо подчеркнуть, что производительность труда в цехах с одинаковыми системой разливки и всеми остальными условиями работы, но применяющих кислород для сжигания топлива и для продувки ванны, может быть выше, чем в цехах, не использующих кислород, даже на 80-100%.

Очень важным показателем работы цеха является себестоимость стали.

На большинстве отечественных заводов она в настоящее время несколько ниже при выплавке в мартеновских цехах, чем в конверторных, вследствие меньшего расхода чугуна в мартеновской печи.

16

Таблица 1

Технико-экономические показатели работы некоторых мартеновских

цехов скрап-рудным процессом

17

3. Пример расчета

Дано: садка печи 600 т, жидкий чугун - 60%, лом - 40%, состав чугуна и лома приводится в табл. 1, марка стали 10пс; интенсивность продувки – умеренная. Выбираем состав лома и готовой стали марки 10пс, данные сводим в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав чугуна, лома и стали

Необходимые для расчета химические составы некоторых материалов

(неметаллической части шихты свода, пода, загрязнений лома и окалины)

приведены в табл. 3. Расчет ведется на 100 кг металлической завалки.

18

Таблица 3

Химический состав материалов мартеновской плавки

*Σn – содержание шлакообразующих окислов, кроме окислов железа и летучих, %

** - окалину принимаем, состоящей из Fe3O4 (или FeO*Fe2O3)

19

3.1.Расчет шихты первого периода плавки (до расплавления)

3.1.1.Средний состав металлической шихты (табл. 4)

*чугун вносит углерода 4,1 х 0,60 = 2,460 кг кремния 0,8 х 0,60 = 0,480 кг марганца 0,7 х 0,60 = 0,420 кг

3.1.2. Определение состава металла по расплавлении

Содержание углерода [%C]распл.= [%C]раск.+ [%ΔC], где [%C]раск. – содержание углерода перед раскислением,%;

[%ΔC] – превышение содержания углерода для проведения доводки, %.

Содержание углерода в металле перед раскислением должно обеспечить после введения ферросплавов для раскисления и легирования среднее маркировочное его содержание в готовой стали. Поэтому при выплавке углеродистой стали принимаем [%C]раск. Ближе к нижнему пределу его содержания в готовой стали: [%C]раск.=0,08. Минимальное превышение содержания углерода над его содержанием в металле после доводки перед раскислением принимаем согласно табл. 5.

20