6.5.5. Кислый мартеновский процесс
Кислым мартеновским
процессом называют процесс выплавки
стали в мартеновской печи, подина которой
изготовлена из кислых огнеупорных
материалов (~ 95 %
).
Требования к сырым материалам и топливу. Для перевода фосфора и серы из металла в шлак необходимо, чтобы в печи был основной шлак, поэтому в кислой печи с кислым шлаком ни серу, ни фосфор удалить из металла невозможно. В связи с этим к шихте и топливу, предназначенным для кислой мартеновской печи, предъявляют особые требования: топливо не должно содержать серы, а чугун должен содержать не более 0,025 % фосфора и серы . Вследствие высоких требований к чистоте шихты привозной стальной лом и скрап практически не используют, а в качестве основной железосодержащей составляющей шихты обычно используют заготовку, специально выплавляемую в основных мартеновских печах. Выплавленный при этом металл называют шихтовой заготовкой или полупродуктом (если металл заливают в кислую печь в жидком виде). Процесс, при котором жидкий полупродукт выпускают из основной печи в ковш и затем через отверстие в днище ковша (чтобы в ковше остался шлак из основной печи) при помощи специального желоба переливают в кислую печь, называют дуплекс-процессом (или процессом на жидкой шихтовой заготовке).
Под кислой печи принимает активное участие в протекающих в ванне процессах, и высокое качество кислой стали определяется реакциями материала кислого пода с металлической ванной, поэтому состоянию пода кислой печи уделяют особое внимание.
В кислой печи непрерывно идут два процесса:
1) окисление кремния кислородом оксидов железа шлака, в результате чего содержание кремния в металле уменьшается;
2) восстановление кремния из шлака и пода, в результате чего содержание кремния в металле повышается.
Содержание кремния
в ванне определяется соотношением
скоростей этих процессов (рис. 6.3.).
Скорость восстановления кремния из
пода примерно постоянна, скорость его
окисления в большой степени зависит от
состава шлака и его жидкотекучести.
Интенсифицировать процессы окисления
примесей в кислой печи можно введением
железной или марганцевой руд, извести
или мелкораздробленного известняка, а
также продувкой ванны воздухом или
кислородом. Например, при введении в
печь извести (известняка) образуются
более прочные, чем силикаты железа,
силикаты кальция в результате чего
активность оксидов железа в шлаке
возрастает.
Рис. 6.3. Изменение состава и свойств кислых шлаков:
Схема процесса восстановления кремния в кислой печи.
Качество металла, выплавленного в кислых печах. Содержание газов в кислой стали ниже, чем в стали того же состава, выплавленной в основных мартеновских печах, дуговых электропечах или конвертерах. Этому способствует следующее:
1) чистота шихты;
2) небольшое количество вводимых в печь шлакообразующих;
3) насыщенные кремнеземом вязкие шлаки, обладающие малой газопроницаемостью;
4) более низкое
содержание кислорода по ходу плавки в
кислой печи, чем в основной, так как,
помимо раскисляющего действия кремния,
протекает процесс взаимодействия оксида
,
растворенного в металле, с кремнеземом
шлака и футеровки;
5) уменьшение количества вводимых в печь или ковш раскисляющих и легирующих добавок, которые вносят соответственно меньшее количество газов, в частности водорода и азота и нежелательных примесей. В некоторых случаях металл получается настолько раскисленным, что раскислители не вводят. Обычно кислая мартеновская сталь содержит 0,006— 0,010% [О], 0,0010-0,0015% [N] и 2-4см3 на 100г [Н].
Особенностью включений в кислой стали является их округлая форма, сохраняющаяся после прокатки, в то время как включения основной стали часто представляют собой вытянутые пластинки или цепочки: длинная ось включений в этом случае совпадает с направлением вытяжки металла при обработке давлением, поэтому механические свойства основной стали в поперечном направлении значительно ниже, чем в продольном. Механические свойства кислой стали примерно одинаковы в продольном и поперечном направлениях относительно направления прокатки или ковки, в результате отличительной особенностью кислой стали является меньшая, чем у основной стали, анизотропия механических свойств, особенно ударной вязкости и упругости. Кроме того, механические свойства кислой стали, как правило, более стабильны от плавки к плавке, чем основной стали того же состава.
Кислую мартеновскую сталь применяют для изготовления коленчатых валов различных двигателей, роторов крупных турбин электростанций, шариковых и роликовых подшипников большого диаметра, артиллерийских орудий и других изделий ответственного назначения. Стабильность технологии и незначительное содержание вредных примесей в кислой стали дают возможность получать крупные слитки для поковок (200 т) с минимальным развитием неоднородности состава и свойств по высоте и поперечному сечению.
Несмотря на высокие качества кислой мартеновской стали, область ее применения постепенно сужается, так как, во-первых, непрерывно улучшается качество стали, выплавляемой в основных мартеновских печах, конвертерах и дуговых электропечах и, во-вторых, стоимость кислой мартеновской стали значительно выше (в 1,5—2,0 раза), чем основной. Применяемые в качестве шихтовых материалов кислого мартеновского процесса чугун, металлическая заготовка или жидкий полупродукт с малым количеством примесей в два с лишним раза дороже шихты, используемой в основных мартеновских печах. Кроме того, производительность кислых мартеновских печей значительно ниже, чем основных (более продолжительные периоды заправки и доводки плавки, меньшие тепловые нагрузки из-за опасения снизить стойкость свода, изготовленного из кислых огнеупорных материалов). В настоящее время кислую мартеновскую сталь используют только для изготовления особо ответственных изделий.