MS / Лекция_16

149

16 ВЫПЛАВКА СТАЛИ В ОСНОВНЫХ МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧАХ

16.1 Варианты мартеновского процесса

В зависимости от состава металлической шихты выплавка стали в марте-

новской печи осуществляется по следующим технологическим вариантам: руд-

ный процесс, скрап-рудный процесс, скрап-процесс, скрап-угольный (карбюра-

торный) процесс.

При рудном процессе металлическая шихта практически полностью со-

стоит из жидкого чугуна (> 90%) с использованием в шихте большого количе-

ства железной руды.

Скрап-рудный процесс характеризуется преобладанием в металлической шихте жидкого чугуна (55 – 80%) и наличием в шихте железной руды в количе-

стве, необходимом для окисления примесей металлической ванны во время плавления. Эта технология является базовой на предприятиях полного метал-

лургического цикла.

В скрап-процессе в состав шихты входит 55 – 75% стального лома и 25 – 45% твердого чугуна. Этот процесс используется предприятиями неполного металлургического цикла, а также литейными цехами машиностроительных за-

водов.

При скрап-угольном (карбюраторном) процессе металлическая шихта полностью состоит из лома, возможно введение в шихту до 10 – 15% твердого чугуна. Недостаток углерода в шихте компенсируется вводом в нее карбюриза-

торов: антрацита, кокса, графита и др.

16.2Скрап-рудный мартеновский процесс с использованием твердых окислителей

При использовании для окисления примесей металлической ванны твер-

дых окислителей скрап-рудный мартеновский процесс включает следующие

150

периоды плавки: заправка, завалка твердой шихты, прогрев шихты, слив жид-

кого чугуна, плавление, доводка плавки (рудное и чистое кипение), предвари-

тельное раскисление и легирование (эти операции могут выполняться в ковше во время выпуска плавки), выпуск.

Заправкой называют ремонт футеровки печи, который выполняется перед началом каждой плавки путем нанесения на поврежденные участки футеровки обожженного порошкообразного доломита.

Заправку стремятся проводить в максимально короткое время (10 – 15

мин.), что обычно достигается совмещением этой операции с выпуском плавки.

Завалка твердой шихты. В ходе завалки в печь загружают необходимые для плавки количества известняка, железной руды и металлического лома.

В процессе завалки должны соблюдаться следующие правила. В первую очередь в печь следует загружать материалы, обладающие наименьшей тепло-

проводностью. Из твердых шихтовых материалов наиболее высокой теплопро-

водностью обладает металлический лом, наименьшей – известняк. Однако, не-

посредственно на подину печи известняк не загружается, чтобы избежать воз-

можного приваривания.

С учетом этого рациональная последовательность загрузки твердых ших-

товых материалов может быть следующей. Подина печи покрывается тонким слоем железной руды или легковесного металлического лома. На него загружа-

ется все необходимое для плавки количество известняка. После этого загружа-

ют оставшееся количество железной руды, легковесный, а затем и тяжеловес-

ный металлический лом. Неметаллические материалы заваливают слоями с пе-

рерывами для их нагрева.

Применяются также более сложные способы завалки, при использовании которых твердые шихтовые материала располагаются на подине печи не рав-

номерными слоями, а отдельными «линзами».

Прогрев шихты. Средняя температура металлического лома к концу пе-

риода прогрева должна составлять 1300 – 1400оС.

Во время прогрева шихты обслуживающий персонал выполняет операции

151

подсыпки ложных порогов, установки желобов для слива в печь чугуна, замены шлаковых чаш и др. Если технология плавки предусматривает частичное уда-

ление из печи шлака первой половины периода плавления, порог среднего зава-

лочного окна, под которым ниже уровня рабочей площадки устанавливается шлаковая чаша, не подсыпают.

Слив жидкого чугуна в печь проводят в максимально короткое время.

Плавление. В периоде плавления в ванне печи протекают следующие процессы:

∙растворение металлического лома в жидком высокоуглеродистом распла-

ве;

∙разложение известняка;

∙растворение в шлаке оксидов железа и пустой породы твердых окислите-

лей;

∙окисление примесей металлической шихты кислородом твердых окисли-

телей и газовой фазы печи с переходом оксидов в шлак, образование ко-

торого начинается во время слива чугуна.

Сведения об изменении химического состава металла и шлака в периоде плавления представлены на рисунке 16.1.

На большегрузных печах через 15 – 20 минут после заливки чугуна ска-

чивают 50 – 60% общего количества шлака периода плавления (6 – 8% от массы металла). С точки зрения выхода годной стали спуск шлака – нежелательная операция, так как выход жидкой стали при этом снижается на 1 – 2 %.

Но, несмотря на потери железа, спуск первичного шлака способствует увеличению производительности печи и качества металла, так как при этом:

улучшается теплообмен между факелом и металлом; увеличивается степень дефосфорации и десульфурации металла; обеспечивается экономия известняка и извести, так как спускаемый шлак содержит в 2 раза меньше оксида кальция и в 1,5 раза больше кремнезема, чем конечный шлак.

Конец периода плавления визуально определяется по прекращению фон-

танирования металла в печи, свидетельствующему об отсутствии в ванне твер-

152

Рисунок 16.1 – Изменение химического состава металла и шлака по ходу плавления и доводки в мартеновской печи при скрап-рудном процессе:

1 – плавление; 2 – рудное кипение; 3 – чистое кипение; Р – руда; И – известь;

Б – боксит

дых материалов. Содержание углерода в металле в конце периода плавления должно быть выше его концентрации в конце доводки на 0,3 – 0,5%.

Концом периода плавления считают такое температурное состояние ван-

ны, когда можно производить присадки железной руды в количестве не менее

1% от массы металла, т. е. когда перегрев металла над температурой плавления составляет 50 – 70оС. При этом в зависимости от содержания углерода по рас-

плавлении температура металла, замеряемая термопарой погружения, равна

1520 – 1560оС.

В конце периода плавления отбирают пробы металла и шлака для хими-

153

ческого анализа, в зависимости от результатов которого определяют мероприя-

тия, которые следует выполнить при доводке плавки.

Доводка плавки. В начале периода доводки металл содержит избыточные количества углерода, фосфора и серы. Температура металла на 60 – 100оС ниже необходимой перед выпуском плавки. Поэтому в периоде доводки решаются задачи удаления избыточного количества примесей и нагрева ванны.

При окислении примесей металла присадкой твердых окислителей довод-

ку плавки в мартеновской печи принято подразделять на периоды рудного ки-

пения (полировки) и чистого кипения.

Если содержание серы и фосфора в металле по расплавлении не превы-

шает заданного маркой выплавляемой стали, а основность шлака составляет не менее 2,0 – 2,5, в периоде рудного кипения решается задача удаления избыточ-

ного количества углерода по сравнению с необходимым для начала периода чистого кипения. С этой целью в ванну периодически присаживают железную руду, при этом масса разовой присадки обычно составляет около 1% от массы металла. Следующую присадку руды проводят через 15 – 20 минут после вос-

становления необходимого перегрева металла над температурой плавления. В

этом случае период рудного кипения можно проводить без обновления шлака.

Если концентрация серы и фосфора по расплавлении выше требуемой в готовой стали, период полировки проводят с обновлением печного шлака. Для этого, когда после присадки железной руды и ее усвоения уровень металла и шлака в печи повышается, шлак через порог среднего завалочного окна частич-

но скачивают в установленную под рабочей площадкой шлаковую чашу. После этого для наведения нового шлака в печь вместе с железной рудой присажива-

ют известь и боксит.

Главной задачей периода чистого кипения является нагрев металла до температуры, которая обеспечивает нормальное выполнение операций выпуска и разливки плавки.

В периоде чистого кипени присадки железной руды не проводятся, и ван-

на кипит только за счет поступления кислорода из шлака и атмосферы печи.

154

Продолжительность периода чистого кипения обычно составляет 30 – 40 ми-

нут. К началу этого периода содержание углерода в металле должно быть на

0,15 – 0,2% выше необходимого перед выпуском плавки.

Предварительное раскисление и легирование. Предварительное раскис-

ление и легирование металла в печи не являются обязательными операциями при выплавке стали скрап-рудным процессом.

При выплавке углеродистой стали предварительное раскисление может выполняться для получения содержания углерода в металле в точном соответ-

ствии с требуемым перед выпуском плавки. При выплавке легированной стали предварительное раскисление позволяет понизить окисленность металла и уменьшить потери легирующих элементов в результате угара.

При предварительном раскислении в ванну вводят ферросилиций для по-

лучения остаточного содержания кремния в металле ~ 0,1%, после чего кипение ванны прекращается. Для предварительного раскисления желательно использо-

вать бедные марки ферросилиция, которые, обладая высокой плотностью, про-

ходят через слой шлака к металлу. Угар кремния при предварительном раскис-

лении обычно составляет 40 – 60%.

Присадку легирующих в печь обычно начинают через 15 – 20 минут по-

сле предварительного раскисления ванны. Масса разовой присадки ферроспла-

вов не должна превышать 1 – 1,5% от массы металла. Следующая присадка ферросплавов проводится не ранее чем через 20 минут. Это время необходимо для растворения ферросплавов, усреднения химического состава и восстанов-

ления температуры ванны.

Выпуск. По ходу выпуска в сталеразливочный ковш обычно вводят рас-

кислители и легирующие добавки.

После выпуска металла из печи через сталевыпускное отверстие выходит печной шлак, который, если не проводятся мероприятия по отделению окисли-

тельного шлака от металла, сперва попадает в сталеразливочный ковш, а из не-

го в установленную рядом с ковшом шлаковую чашу.

155

16.3Использование кислорода для интенсификации мартеновской плавки

При выплавке стали скрап-рудным мартеновским процессом суммарная продолжительность периодов завалки твердой шихты, прогрева шихты, слива жидкого чугуна и плавления составляет до 70% общей длительности плавки.

При этом расходуется до 80% общего количества топлива.

Поэтому одним из способов интенсификации мартеновской плавки явля-

ется повышение эффективности тепловой работы печи, которое достигается

подачей кислорода в факел (сжигание топлива с использованием обогащенно-

го кислородом воздуха). При этом повышается температура факела, так как при замене части воздуха кислородом уменьшается количество продуктов горения.

Одновременно при неизменной пропускной способности печи, которая ограни-

чена ее тягодутьевыми ресурсами, можно увеличить тепловую нагрузку печи.

При наличии в воздухе, например, 30% кислорода тепловую нагрузку печи можно увеличить на 43% по сравнению с работой без обогащения воздуха.

Подача кислорода в факел способствует также росту скорости окисления углерода в периоде плавления в 1,5 – 2 раза и на 20 – 50% в периоде доводки.

Вторым возможным направлением интенсификации мартеновской плавки является продувка ванны кислородом. Наиболее удобной является подача ки-

слорода в ванну сверху с помощью водоохлаждаемых фурм, которые вводятся в

рабочее пространство печи вертикально через водоохлаждаемые амбразуры в своде.

Обезуглероживание ванны присадками железной руды протекает с по-

глощением тепла, а при обезуглероживании ванны продувкой кислородом теп-

ло выделяется в больших количествах. Поэтому продувка ванны кислородом позволяет существенно сократить расход топлива на плавку.

На печах, работающих скрап-рудным процессом, большой эффект воз-

можен лишь при расходах чугуна свыше 650 кг/т стали и длительной продувке ванны в периодах плавления и доводки. Обычно расход кислорода на продувку

156

ванны в периоде плавления колеблется в пределах 15 – 25 м3/т, а в периоде до-

водки – 5 – 10 м3/т. Удельная интенсивность продувки составляет 5 – 20

м3/(т·ч).

Практика показывает, что продувка с удельной интенсивность < 5 м3/(т·ч)

не оправдывает затраты на кислород и его подачу в ванну, сооружение газоочи-

стки и др. При высокой интенсивности продувки требуется существенное уско-

рение проведения непродувочных периодов плавки, особенно хорошая органи-

зация подачи и завалки шихты, обеспечения печи емкостями для своевременно-

го приема шлака и готового металла для его разливки. Кроме того при высокой интенсивности продувки должна увеличиваться доля жидкого чугуна в шихте.

При удельной интенсивности продувки 20 м3/(т·ч) и четкой организации работ во всех звеньях производства производительность мартеновских печей можно увеличить в два раза и более. Так, типовая 250-т мартеновская печь Ма-

кеевского металлургического завода, работая с указанной высокой интенсивно-

стью продувки, в течении ряда лет имела производительность 530 – 540 тыс. т в год и более, тогда как при работе печей такой же вместимости без продувки ванны кислородом годовая производительность 250 тыс. т считается высокой.

Однако полное использование возможностей интенсификации мартенов-

ского процесса при продувке ванны кислородом достигается лишь на отдель-

ных агрегатах, для производительной работы которых создаются необходимые условия. Обычно мартеновский цех не имеет значительных резервов по чугуну,

шихтоподаче и разливке стали. Поэтому с продувкой ванны кислородом рабо-

тает только часть мартеновских печей, имея удельную интенсивность продувки

6 – 8, редко 10 м3/(т·ч). При этом производительность печей увеличивается на

25 – 35%, а удельный расход кислорода для продувки составляет 15 – 25 м3/т.

16.4 Организация работы двухванной мартеновской печи

При конструировании двухванных мартеновских печей предполагалось,

что эти агрегаты должны работать с интенсивностью продувки ванны кислоро-

157

дом до 1,5 м3/(т·мин) и использованием тепла отходящих газов для нагрева твердой шихты. При этом должно использоваться как физическое тепло отхо-

дящих газов, так и тепло реакции дожигания СО до СО2.

Принцип работы двухванной мартеновской печи поясняется рисунком

16.2.

Рисунок 16.2 – Схема двухванной мартеновской печи:

1 – ванна I; 2 – ванна II; 3 – кислородные фурмы; 4 – топливно-

кислородные горелки

В то время, как в первой из ванн расплав продувают кислородом, во вто-

рой ванне металлический лом и шлакообразующие материалы нагреваются за счет тепла газов, отходящих из первой ванны. При этом содержащийся в отхо-

дящих газах СО дожигается до СО2, для чего в рабочее пространство над вто-

рой ванной при помощи кислородных фурм подают кислород. При необходи-

мости сжигания дополнительного топлива используются топливно-кисло-

родные горелки.

Плавку в каждой ванне двухванной мартеновской печи условно можно разделить на «холодный» и «горячий» периоды (рисунок 16.3).

«Холодный (твердый)» период плавки включает операции заправки, ко-

торая выполняется одновременно с выпуском плавки, завалки металлического лома и известняка и их прогрев. В отличие от мартеновской печи обычной кон-

158

Рисунок 16.3 – График работы двухванных мартеновских печей (стрелками показано направление движения газов в печи)

струкции в двухванных печах завалку твердой шихты проводят за минимально возможное время.

«Горячий (жидкий)» период плавки включает заливку чугуна, плавление и доводку плавки.

При количестве жидкого чугуна в металлической шихте более 65 – 68%

двухванные печи могут работать без расходования топлива.

Плавка стали в двухванной печи длится около 4 часов, при этом каждые 2

часа из одной из ванн выпускают металл. Технология плавки существенно не отличается от технологии плавки в печах обычной конструкции с интенсивной продувкой ванны кислородом. Хорошо работающие печи расходуют на 1 т ста-

ли 70 – 75 м3 кислорода и 3 – 4 кг огнеупоров.

Основными преимуществами двухванных мартеновских печей являются:

высокая производительность, например, для печи 2 × 300 т она составляет 1,8

млн. т стали в год; малый расход огнеупоров в сравнении с мартеновскими пе-

чами обычной конструкции; меньшая трудоемкость ремонтов; возможность размещения печей в существующих мартеновских цехах.