§ 6. Основной мартеновский процесс и его разновидности

Высокие технико-экономические показатели (произ­водительность, расход топлива и огнеупоров) и универ­сальность основного мартеновского процесса являются причинами того, что до сих пор в СССР >50% стали выплавляют в основных мартеновских печах.

Ихтовые материалы

Сырые материалы делятся на две группы: металлическую и не­металлическую. К первой группе относятся жидкий чугун и стальной лом, раскислители и легирующие добавки. Ко второй группе отно­сятся флюсы. Используются также железная и марганцевая руды, агломерат.

Чугун применяют в твердом или жидком состоянии. Количество чугуна и скрапа в шихте может колебаться в любых соотношениях в зависимости от многих условий: объема производства чугуна, на­личия скрапа, разновидности процесса, марки выплавляемой стали и др;

В качестве легирующих и раскислителей используют ферроспла­вы и, некоторые чистые металлы (алюминий, никель).

Стальной лом, используемый в шихте мартеновских печей, под­разделяют на оборотный (отходы сталеплавильных, прокатных, куз­нечных и других металлообрабатывающих цехов своего завода) и по­купной. Весь лом должен подвергаться предварительной подготовке для отделения цветных металлов, мусора и соответствующего дроб­ления.

Железная руда и агломерат применяются в качестве окислите­лей, а также в качестве флюса для ускорения формирования актив­ного шлака. С этой целью можно использовать окалину. Известняк, известь, боксит, плавиковый шпат служат для формирования шлака необходимого состава и вязкости. Вместо руды и известняка при1 меняют иногда офлюсованный агломерат и известково-рудные бри-. кеты.

Процессы рафинирования

Сущность процесса рафинирования заключается в окислении примесей металла: кремния, марганца, фос­фора и углерода, удалении серы, неметаллических вклю­чений и дегазации.

Окисление кремния. Кремний, обладающий высоким сродством к кислороду, окисляется и переходит в шлак еще в период плавления. Окисление кремния происходит кислородом атмосферы и оксидов железа шлака по следующим реакциям: [Si] +02(газ) = (SiO2); [Si] + +2(Fe0) = (Si02)+2[Fe].

Одновременно с окислением кремния происходит об­разование ортосиликатов железа или кальция: (FeO)2- – SiO2 и (CaO)2-SiO2. Во всех вариантах основного мартеновского процесса реакция окисления кремния практически необратима. Это объясняется тем, что по мере растворения извести происходит образование проч­ных силикатов кальция.

Окисление марганца. Марганец аналогично кремнию легко окисляется кислородом атмосферы и оксидами же­леза шлака: [Mn]+1/202(Газ)= (MnO); [Mn]+(FeO) = (MnO)+ [Fe]. Однако реакция окисления марганца не является необратимой. Марганец может восстанавли­ваться из шлака углеродом или железом при высоких температурах: (MnO) + [С] = [Mn] +COfra3); (MnO) + + [Fe] = [Mn]+ (FeO).

При постоянной температуре содержание марганца в металле является линейной функцией отношения кон­центраций (MnO) и (FeO). Чем выше отношение (MnO)/(FeO), тем интенсивнее протекает процесс вос­становления марганца. Это используется при производ­стве стали: концентрацию (MnO) повышают в результа­те введения в шлак марганцевой руды или марганцови­стого известняка.

Окисление фосфора. Для успешной дефосфорации не­обходимы высокое содержание оксидов железа в основ­ных шлаках, умеренные температуры, минимальные количества фосфрра в шлаке и невысокая активность его соединенииТГтнлаке.

На практике фосфор стремятся удалить из металла _в период плавления и в первой половине периода кипе­ния. В это время имеют место благоприятные условия (металл еще сильно не нагрелся) и интенсивное переме­шивание ванны в результате всплывания пузырьков СО, бурления металла при плавлении шихты и искусствен­ного перемешивания подаваемым в ванну кислородом. Присадка в печь железной руды (окалины или агломе­рата) и извести в этот период способствует формирова­нию известково-железистого шлака. В последнее время эффективным способом повышения скорости дефосфо­рации признано вдувание в ванну твердой порошкообраз­ной смеси в струе кислорода. В состав смеси обычно вхо­дят окалина, известь и плавиковый шпат.

При проведении процесса дефосфорации необходи­мо принять меры против восстановления фосфора (ре – фосфорации) из шлака в металл. Такое явление имеет место при раскислении металла в конце плавки и при выпуске металла из печи. Исследованиями установлено, что количество фосфора, восстановленного из шлака в металл, в значительной мере зависит от основности (CaO) /(SiO2) и от отношения в нем (CaO)/(FeO). При основности шлака 2,8—3,1 и отношении (CaO)/ / (FeO) =4,5-^5,0 происходит минимальное восстановле­ние фосфора из шлака в металл. При выпуске металла для снижения рефосфорации необходимо стремиться к тому, чтобы в ковш вначале стекал металл, а затем шлак.

Удаление серы. Для успешного проведения процесса десульфурации необходимы высокая основность шлака, минимальная окисленность металла, высокая темпера­тура.

Поскольку атмосфера в рабочем пространстве мар­теновской печи имеет всегда окислительный характер, то выполнение второго условия практически невозможно. Поэтому процесс десульфурации в мартеновских печах получает ограниченное развитие.

Для получения качественной стали с содержанием серы <0,03 % необходимо соблюдать специальные меры по ограничению содержания серы в топливе (<1,5 г/м3) и шихте.

Хорошие результаты по десульфурации можно полу­чить, используя добавки в металл редкоземельных эле­ментов (лантана, церия и др.). Они образуют прочные "сульфиды, например CeS, LaS. Эффективным способом получения металла с низким содержанием серы являет­ся применение внепечной обработки металла синтетиче­ским шлаком.

Окисление углерода. Окисление углерода в мартенов­ской ванне является одной из важнейших реакций. В ре­зультате протекания этой реакции и сопровождающего се эффекта кипения выравниваются химический состав ванны и температура металла, облегчается процесс де­газации ванны и удаления из нее неметаллических вклю­чений.

Анализ процесса образования пузырьков СО показы­вает, что основным фронтом реакции является огромная поверхность подины и откосов мартеновской ванны. Та­ким образом, роль пода в мартеновском процессе очень велика, поэтому мартеновские печи делают с длинной, но не глубокой ванной стремясь иметь при данной емко­сти печи возможно большую площадь пода.

Обычно скорость окисления углерода в период кипе­ния колеблется в Зависимости от вместимости печи от ¦0,2 до 0,8 % С/ч. Для организации кипения ванны необ­ходимо, чтобы содержание углерода в шихте было боль­ше, чем требуется в готовом металле (содержание угле­рода после расплавления должно быть на 0,4—1,0% больше верхнего предела содержания углерода в гото­вой стали). Углерод, растворенный в металле, окисляет­ся кислородом, поступающим из атмосферы печи и шлака.

Кипение металла в мартеновской печи в значитель­ной степени влияет на содержание газов в стали. Содер­жание кислорода в жидком металле при кипении снижа­ется и поддерживается на уровне, соответствующем со­держанию в нем углерода. Ванна не будет переокислена, пока продолжается процесс окисления углерода.

Пузырьки СО, поднимающиеся из ванны, обеспечи­вают вынос из металла водорода и азота. Условно схема механизма дегазации представлена на рис. 71. Пу­зырьки СО представляют для водорода и азота разре­женное пространство (вакуум), в которое они диффун­дируют и таким образом выносятся в рабочее простран­ство печи. Обычно в мартеновской ванне содержание азота составляет 0,003—0,008, водорода 0,0004—0,0007 %•

Кипение металла облегчает также процесс всплыва – яия и ассимиляции в шлаке неметаллических включе­ний. На неметаллические включения, соприкасающиеся с поверхностью пузырей газа, действуют силы поверхно­стного натяжения и удерживают их при всплывании в шлак (рис. 72),

Ри^. 71. Схема механизма дегазации (а) и удаления неметаллических включений (б) из стали в период кипения ванны:

1 — жидкое включение; 2 — твердые включения

Скрап-процесс в основной мартеновской печи

Скрап-процесс существует на заводах, на которых отсутствует производство чугуна. Металлическая шихта – состоит из 55—75 % скрапа и 25—45 % твердого чугуна^ Неметаллическая часть шихты состоит из известняка, извести, боксита и руды.

Потребность чугуна в металлической части шихты определяется содержанием углерода в металле по рас­плавлении с учетом избыточного углерода 0,4—0,8 %, необходимого для создания кипения в результате окис­ления углерода, и угаром углерода во время завалки и плавления. Угар углерода до расплавления при скрап – процессе составляет 30—40 %. По этим данным рассчи­тывают необходимое количество чугуна для завалки.

Если по расплавлении содержание углерода оказы­вается значительно выше необходимого, то добавляют руду. При этом продолжительность периода доводки уве­личивается и производительность печи снижается. При очень низком содержании углерода после расплавления (более частый случай в практике) плавка проводится с науглероживанием. Для этого вводят в ванну чугун или углеродсодержащие материалы (графит, кокс, антрацит и др.).

Количество известняка в шихте определяется соста­вом металлической ее части и требованиями к составу шлаков во время плавления и по расплавлении. Обычно в шихте содержится 7—10% известняка или 4—6% из­вести и 0,5—1,0% боксита. Процесс плавки состоит из’ заправки печи, завалки шихты, плавления, доводки и выпуска.

Заправка печи производится для восстановления из­ношенных участков пода и откосов. Продолжительность заправки составляет 15—25 мин.

Завалка производится следующим образом: вначале загружают легковесный лом, обрезь, стружку (20 % от общей железо-стальной шихты), затем слой известняка и после хорошего прогрева производится завалка слоями остальной железо-стальной металлической части шихты.

Плавление начинается с легкоплавкой составляю­щей шихты, т. е. чугуна. Капельки стекают вниз, наугле­роживают скрап, снижая температуру плавления. По ме­ре плавления чугуна на поду печи образуется ванна жидкого металла, уровень которой все время повышает­ся до тех пор, пока вся металлическая шихта не распла­вится. Одновременно с плавлением происходит окисле­ние примесей шихты с образованием шлака, в котором растворяется известь. В результате образуются две жид­кие фазы: металл и шлак.

Периоды завалки и плавления при скрап-процессе составляют 65—75 % от продолжительности всей плав­ки, поэтому для увеличения производительности печи стремятся к сокращению этих периодов. Значительного уменьшения длительности завалки и плавления можно достичь применением подачи кислорода через водоох – лаждаемые фурмы, что интенсифицирует процесс сгора­ния топлива.

Доводка при скрап-процессе обычно начинается с уда­ления шлака для понижения содержания фосфора в ван­не. Как правило спускают ~50% всего шлака. После спуска шлака наводят новый шлак, присаживая известь и боксит. После нагрева металла в печь дают железную руду небольшими порциями (1—2% от массы металла в печи). Начинается кипение ванны, т. е. энергичное окисление углерода, содержащегося в металле. Кипение ванны при добавлении руды называют рудным кипени­ем. Скорость окисления углерода во время рудного ки­пения составляет 0,4—0,7 % С/ч. После прекращения загрузки руды наблюдается период чистого безрудного кипения. Продолжительность этого периода 30—50 мин. Кипение заканчивается при введении в ванну раскисли – телей.

Выпуск готового металла и шлака проводится быст­ро, чтобы уменьшить вероятность окисления металла кислородом воздуха. Скрап-процесс характеризуется худшими показателями по сравнению со скрап-рудным процессом: меньшим выходом годного и большим расхо­дом топлива на тонну стали. Тем не менее процесс име­ет широкое распространение на машиностроительных за­водах, выплавляющих сталь, для фасонного литья.

Скрап-рудный процесс

Скрап-рудный процесс является наиболее распро­страненным вариантом основного мартеновского процес­са и отличается от скрап-процесса повышенным количе­ством жидкого чугуна (50—80%), твердых окислителей и известняка в шихте. В связи с повышенным содержа­нием чугуна при скрап-рудном процессе окислительная способность печи недостаточна для окисления примесей металла. Поэтому в качестве дополнительного источника кислорода в печь вводят твердые окислители — желез­ную руду, окалину, агломерат или железорудные брике­ты. Расход твердых окислителей при скрап-рудном про­цессе составляет 5—20 % от металлической шихты.

Для получения по расплавлении шлака нужной ос­новности в завалку применяют известняк. Расход из­вестняка при скрап-рудном процессе составляет на пе­редовых заводах 4—6 % от массы металлической шихты. В качестве флюсов применяют также известь, боксит, плавиковый шпат и шамотный бой. Ход плавки при скрап – рудном процессе следующий. После заправки печи на подину заваливают часть железной руды и известняка. Вследствие малой теплопроводности сыпучих материа­лов завалку осуществляют слоями с промежуточными прогревами. После этого загружают скрап, нагревают его до температуры 1300—1400°С и заливают чугун. Про­грев лома предотвращает затвердевание чугуна и спо­собствует активному плавлению твердой шихты.

161

Во время заливки чугуна в ванне протекает ряд про­цессов, характерных для периода плавления. Жидкий чугун проходит через слой скрапа и взаимодействует с железной рудой. Начинается процесс шлакообразования и окисления примесей чугуна оксидами железа руды. В результате реакции окисления углерода шлак вспени-

11—398 Вается и самотеком выходит из печи. В этот момент со­здаются благоприятные условия для дефосфорации (железистые шлаки и низкая температура). С вытека­ющим из печи шлаком удаляется значительное количе­ство нежелательных оксидов SiO2 и Р2О5. Спуск шлака продолжается почти до полного расплавления шихты. Количество сбегающего шлака составляет 8—10 % от массы металла.

В период плавления происходит расплавление лома, разложение известняка, растворение оксидов железа в жидком шлаке, окисление элементов металлической ших­ты (Si, Mn, Р, С, Fe). Плавление характеризуется ин­тенсивным выделением газов СО и CO2 в результате окисления углерода и разложения известняка. При этом происходит фонтанирование металла в печи. Период плавления даже при благоприятных условиях протекает довольно медленно. Его длительность составляет 30— 40 % продолжительности всей плавки. А суммарная про­должительность завалки шихты, заливки чугуна и плав­ления составляет 70 % длительности всей плавки. Для ускорения процесса плавления и окисления примесей используют продувку ванны кислородом или сжатым воздухом, или их смесью через водоохлаждаемые фурмы.

Конец периода плавления определяют по прекраще­нию фонтанирования металла в печи. К этому времени содержание углерода в металле должно превышать его содержание в конце доводки на 0,3—0,5 %. Температу­ра металла должна быть 1520—1550 °С.

Шлак по расплавлении состоит из 40—45 % CaO; 6—8 % MnO; 8—10 % FeO; 1,5—3 % Fe2O3; 18—25 % SiO2; 4-7% Al2O3; 0,05-0,12% S; 8—12% MgO; 1— 2% P2O5; (CaO)/(SiOd-P2O5) = 1,6-^-2,0.

После расплавления металла наиболее ответственны­ми периодами плавки являются доводка и раскисление. От правильности проведения этих периодов в основном зависит качество готовой стали. В начале периода довод­ки металл содержит некоторый избыток углерода, фос­фора, серы и имеет температуру ниже температуры, не­обходимой для нормальной разливки стали. Задачей до­водки является синхронизация по времени удаления избытка примесей и нагрева металла до температуры вы­пуска. Доводка состоит из двух стадий: полировки и чи­стого кипения.

Обычно после расплавления в печь подают некоторое количество руды или продувают ванну кислородом. Ec – ли по расплавлении были получены низкие содержания фосфора и серы и основность шлака находилась в пре­делах 2,2—2,5, то можно работать без скачивания и на­ведения шлака. Задача сводится лишь к удалению из­бытка углерода. Если концентрация фосфора и серы по расплавлении значительно выше заданных в готовой стали, то в период полировки необходима смена шлака. В этом случае после присадки основной массы руды ска­чивают шлак через среднее завалочное окно и наводят новый присадкой извести и боксита или плавикового шпата. Основность шлака при этом возрастает до 2,5 и более.

Увеличение содержания FeO и основности шлака обеспечивает удаление фосфора до 0,01 % и менее. Сте­пень десульфурации металла в период полировки не­велика. Скорость окисления углерода в этот период в зависимости от интенсивности присадок руды и поступ­ления кислорода в ванну может достигать сравнительно большого значения (до 0,7 % С/ч).

Основной задачей периода чистого кипения является нагрев металла перед раскислением, легированием и вы­пуском. Одновременно с нагревом металла происходит удаление из ванны газов, неметаллических включений, окисление углерода до содержания необходимого в гото­вом металле и получение минимального содержания се­ры и фосфора.

Il*

163

После проведения периода доводки металл раскисля­ют (если нужно легируют) и выпускают в ковш. В про­цессе плавки отбирают пробы металла и шлака на ана­лиз в экспресс-лаборатории. Температура металла кон­тролируется вольфрам-молибденовыми или вольфрам – рениевыми термопарами погружения.