Мартеновский процесс

Размещено на http://www.allbest.ru

МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС



Содержание

1. Конструкция мартеновской печи

2. Разновидности мартеновского процесса

3. Технология мартеновской плавки

4. Интенсификация мартеновского процесса

5. Выплавка стали в двухванных печах

Литература



1. Конструкция мартеновской печи

Выплавка стали осуществляется в одноименной печи. Это подовый агрегат, т.е плавку ведут на огнеупорной подине. Печь пламенная, регенеративная реверсивного типа.

Печь состоит из рабочего пространства, двух головок с вертикальными каналами, шлаковиков, регенераторов, боровов и дымовой трубы. Печь оборудована системами охлаждения, управления заслонками завалочных окон, реверсирования печи, а так же котлом-утилизатором и газоочисткой.

Рабочее пространство с головками образуют верхнее строение, остальные элементы конструкции относят к нижнему строению.

Линией раздела служит рабочая площадка печного пролета мартеновского цеха. мартеновский печь плавка сталь

Рис. 1. - Конструкция мартеновского цеха.

Рабочее пространство образовано подиной с откосами, передней и задней стенками и перекрыто сводом. Оно опирается на металлические или железобетонные колонны. На колоннах размещены подовые балки, на них - прогоны из швеллеров или рельсов, поверх прогонов уложен подовый стальной лист.

Подина состоит из нескольких слоев огнеупорной кладки (асбест, шамот, магнезитовый кирпич, магнезитовая наварка). Подина с продольными, поперечными откосами образует ванну мартеновской печи. В заднем продольном откосе находится сталевыпускное отверстие.

Выше откосов расположены передняя и задняя стенки. Для осуществления заправки, задняя стенка наклонена наружу на 45 - 50?, передняя - на 10 - 12?.

В передней стенке устраивают 3 - 5 или 7 завалочных окон, которые перекрывают заслонками (крышками окон).

В задней стенке устраивают по 1 - 2 шлаковых отверстия, через которые осуществляют выпуск шлака в период плавления металла.

По верху передней и задней стенок указывают водоохлаждаемые балки, на которые опирается магнезитохромитовый свод арочной конструкции. Кладка рабочего пространства печи опирается на металлический каркас.

С торцов рабочего пространства печи расположены головки. Их назначение - подвод топлива и воздуха в рабочее пространство и отвод продуктов горения из рабочего пространства печи. Головки могут быть одно, двух и трехканальными в зависимости от теплотворной способности используемого топлива.

Вертикальные каналы переходят в шлаковики - кремоугольные камеры, в которых происходит осаждение плавильной пыли.

Затем идут регенераторы. Это камеры, заполненные огнеупорной насадкой, аккумулирующей тепло отходящих продуктов горения топлива. При реверсе печи аккумулированое насадкой тепло передается воздуху.

Используются насадки двух типов : Ксупера (со сплошными каналами) и Сименса (с сообщающимися каналами).

Мартеновские печи можно отапливать различными видами топлива: генераторным газом, мазутом, природным газом, смесью природного газа и мазута, смесями коксового и доменного газов.

При использовании так называемого низкокалорийного топлива (генераторный газ, коксодоменная смесь) для получения факела пламени с минимально необходимой температурой 1650?С, эти газы подогревают в регенераторах.

Высококалорийное топливо (мазут, природный газ их смеси) сжигают холодными.

Воздух всегда нагревают в регенераторах до температуры 1000 - 1300?С, потому что ни один вид топлива не обеспечивает получение факела с температурой 1650?С при сжигании в холодном воздухе.

В зависимости от используемого топлива мартеновские печи отличаются конструктивно. При отоплении низкокалорийным топливом печи оборудуют трехканальными головками (один канал газовый и два воздушных), двумя парами шлаковиков и двумя парами регенераторов, тоже воздушных и газовых.

При использовании высококалорийного топлива их оборудуют одноканальными головками (только для воздуха), отпадает необходимость в газовых шлаковиках и регенераторах, т.е. конструкция печи существенно упрощается. Печь работает следующим образом. Топливо и воздух через головку подают в рабочее пространство. Здесь они смешиваются, и топливо сгорает, образуя высокотемпературный факел пламени. Тепло от факела передается шихтовым материалам, разогревает и расплавляет их и обеспечивает протекание всех физико-химческих процессов в сталеплавильной ванне.

Продукты горения топлива, пойдя через все рабочее пространство печи, покидает его через противоположную головку, попадают в шлаковик, где происходит осаждение наиболее крупных частиц плавильной пыли и шлака, и направляется в регенератор. Проходя через регенеративную насадку, продукты сгорания разогревают ее до температуры 1200…1500?С в течение 5..10 мин. По прошествии этого времени срабатывает система реверсирования факела, и отводящая головка становится подводящей. Воздух, а в случае низкокалорийного топлива и газ, пропускают через разогретую насадку и направляют в рабочее пространство, и цикл повторяется.

2. Разновидности мартеновского процесса

В зависимости от вида, используемых для кладки рабочего пространства печи огнеупоров, мартеновский процесс бывает кислым и основным.

В зависимости от вида используемых шихтовых материалов мартеновский процесс осуществляется в следующих вариантах.

Скрап - угольный или карбюраторный. Скрап - процесс.

Шихта состоит из стального лома или из стального лома и небольшого количества (10 - 15%) твердого чугуна. Недостаток углерода компенсируется введением в шихту угля, антрацита, графита и т.п.

Скрап-процесс. В состав шихты входит 55…75% металлолома, остальное - твердый чугун.

Скрап-рудный процесс характеризуется преимущественным использованием 55…80 жидкого чугуна.

Рудный процесс осуществляется с использованием 100% жидкого чугуна.

Наибольшее распространение получил основной скрап - рудный процесс, осуществляемый в мартеновских печах с основной футеровкой. Его мы и рассмотрим.



3. Технология мартеновской плавки

Как ясно из вышесказанного, металлическая часть шихты при выплавке стали основным скрап - рудным процессом состоит из жидкого чугуна и металлического лома.

В качестве твердых окислителей используют железную руду, агломерат, окатыши, прокатную окалину.

Основными шлакообразующими компонентами являются известняк и известь. Известняк обычно дают в завалку, известь в доводку.

Для придания шлаку необходимых физико-химических свойств в качестве флюсов используют боксит, шамотный бой, очень редко плавиковый шпат из-за его дефицитности.

Мартеновская плавка состоит из нескольких частей, называемых периодами, протекающих последовательно: заправка, завалка, прогрев, слив чугуна, плавление, доводка (рудное кипение, чистое кипение), раскисление и выпуск.

Заправка - это операция по восстановлению части огнеупорной футеровки рабочего пространства печи, израсходованной при проведении предыдущей плавки.

Завалка шихты является непосредственно началом плавки. В цехах с рельсовой системой подачи шихты к печам ее подают составами с тележками, на которых установлены мульды объемом от 0,75 до 3,3 м³ каждая (в зависимости от вместимости печи). В мульдах находятся сыпучие материалы и металлический лом. Завалочной машиной напольного типа мульды перемещают в рабочее пространство печи и там высыпают ее содержимое на подину. Вначале загружают железную руду и известняк чередующими слоями с прогревом каждого слоя, затем заваливают металлический лом последовательно легковесный, средний, тяжеловесный. В цехах с крановой системой подачи шихты мульды устанавливают мостовыми кранами на балкон печного пролета, а загрузку производят завалочными машинами кранового типа.

Прочность связи элементов с кислородом при 1600?С возрастает в такой последовательности : As, Cu, Ni, Mo, Co, N, Fe, Cr, Mn, B, V, Si, C, Ti, Al, Zr, Mq, Ca, Be. Элементы, располагающиеся в этом ряду за железом, легко окисляются, а те, что расположены до железа имеют меньшее сродство к кислороду. Поэтому, при необходимости, их используют как легирующие, они могут быть внесены в ванну во время завалки шихты.

После завалки следует прогрев твердой шихты с целью ее нагрева до 1300…1400?С.

Время прогрева используют для подсыпки ложных порогов в завалочных окнах и для установки желобов для слива чугуна (если печь не оборудована стационарными желобами).

Слив чугуна из чугуновозных ковшей вместимостью до 140т производят мостовыми заливочными кранами соответствующей грузоподъемности.

Началом плавления считают конец заливки чугуна. Плавление - самый длительный период плавки, в течение которого протекают такие процессы:

- окисление компонентов чугуна и лома (Si, Mn, C, P, Fe):

- плавление лома;

- разложение известняка;

- растворение оксидов пустой породы, твердых окислителей в шлаке, образование которого началось еще при зазливке чугуна.

Во время плавления примеси ведут себя следующим образом.

Кремний выгорает полностью в первые 15…20 мин.

Марганец выгорает примерно на 80% и в дальнейшем его концентрация регулируется условиями равновесия со шлаком.

Фосфор удаляется на 50…90% в виде Р₂О₃ - с первичным спускаемым шлаком, в дальнейшем его содержание регулируется условиями равновесия со шлаком.

Сера удаляется на 5…20% в зависимости от содержания марганца в чугуне.

В период плавления ванна вспенивается за счет выделяющихся пузырей монооксида углерода и СО₂ от разложение известняка. В это время она (металлическая ванна) удерживается в печи с ложными порогами.

Образующийся низкоосновный шлак удаляется из печи через шлаковые летки и пороги завалочных окон.

После расплавления ванна «садится», так что ее уровень находится в пределах основных порогов печи. Наступает следующий период плавки - доводка.

Доводка - это такой период плавки, когда металл доводят до нужного химического состава и нагревают до требуемой по технологии температуре.

Плавку шихтуют так, чтобы после расплавления содержание углерода в металле превышало среднезаданное для выплавляемой марки стали на 0,3…0,7%. В этот период металл содержит и избыточное количество серы и фосфора, а его температура на 60…100?С ниже температуры перед раскислением.

В доводку необходимо удалить 0,3 - 0,7% С, серу и фосфор таким образом, чтобы при заданном содержании углерода в конце доводки обеспечить требуемый уровень нагрева ванны.

Доводку разделяют на два подпериода:

- рудное кипение (полировка);

- чистое кипение.

Во время рудного кипения присадками руды, извести и боксита обеспечивается снижение содержание углерода и наводка высокоактивного шлака с основностью 2,5 - 2,8.

В период безрудного (чистого) кипения выгорание углерода происходит за счет кислорода атмосферы. Главное назначение этого периода - нагрев металла. Считали, что длительность чистого кипения (? 1 час) определяет качество металла с точки зрения содержание газов и неметаллических включений.

Раскисление. По достижении заданного содержания углерода и необходимого уровня температуры металл раскисляют и выпускают в ковш.

Раскисление может быть проведено несколькими способами: полностью в печи, полностью в ковше, в печи и в ковше.

В первом случае все раскислители и легирующие компоненты вводят в металл, находящийся в печи. После некоторой выдержки, необходимой для растворения ферросплавов и усреднения химического состава металла, плавку выпускают в ковш.

Во втором случае все раскислители и легирующие загружают в ковш или дают под струю металла во время выпуска плавки.

Чаще всего используется третья схема. По достижении заданного состава металла в печи проводят предварительное его раскисление, фиксируя тем самым достигнутую концентрацию углерода, а окончательное раскисление проводят в ковше.

Наиболее экономичный второй способ, т.к. угар раскислителей наименьший при их загрузке в ковш. При этом, однако, существует опасность «не попасть в анализ», т. к. процесс окисления углерода, восстановление марганца и фосфора из шлака в металл идет непрерывно.

4. Интенсификация мартеновского процесса

Основным недостатком мартеновского процесса является значительная деятельность плавки (7…10 часов) и низкая производительность, что обусловлено медленным протеканием тепло - и массообменных процессов. Если при выплавке стали в кислородных конвертерах скорость нагрева металла составляет 25…30 ? в мин., а скорость окисления углерода достигает 0,4…0,5% в мин., то в мартеновской печи металл нагревает со скоростью 1...2? в мин., а углерод окисляется со скоростью 0,008…0,01% в мин.

Теплообмен в мартеновской печи происходит за счет теплопроводности конвекции и излучения. При этом примерно 95% тепла передается излучением. Т.е. во всех случаях движущей силой является разность температур факела и ванны.

Температуру факела можно определить по формуле

(1)

где Q ^P_H - теплотворная способность топлива;

Q^T_Ф и Q^В_Ф - физическое тепло топлива и воздуха;

Q_ДИС - потери тепла на диссоциацию продуктов сгорания;

УViCi - теплосодержание продуктов сгорания.

Из этой формулы видно, что теплообмен можно интенсифицировать, повышая температуру факела путем использования высококалорийного топлива, повышением физического тепла топлива и воздуха и снижая количества дымовых газов.

В реальных условиях это достигается применением природного газа и мазута и обогащения кислородом воздуха.

При обогащении воздуха кислородом до 25% производительность мартеновской печи возрастает на 20…25%, при обогащении до 30% производительность увеличивается на 40%.

Этот прирост производительности обусловлен ростом температуры факела до 1800…1900?С, более полным сжиганием топлива, увеличением тепловой нагрузки, повышением окислительной способности атмосферы печи, лучшей организацией факела за счет высокой кинетической энергии кислородной струи при подаче его в факел. Т.е. использование кислорода для интенсификации горения топлива является многоцелевым фактором.

Другим направлением использования кислорода является его использование для непосредственной продувки металлической ванны. Осуществляется она с помощью фурм, аналогичных конвертерным и вводимым в рабочее пространство печи через свод. При этом произошли коренные изменения в технологии плавке.

За счет окисления примесей чугуна в зоне продувки температура достигла 2500?С, снизился расход твердых окислителей, что позволило снизить расход шлакообразующих и флюсов.

Это позволило снизить расход топлива на плавку. Ускорились массообменные процессы и шлакообразование.

При комбинированном применении кислорода (в факел во время заливки и прогрева, в ванну во время плавления и доводки) и при организации скоростной завалки шихты была достигнута рекордная продолжительность плавки в 250 - тонной мартеновской печи 3часа -3часа 30минут.

Технология эта имеет, естественно, и недостатки: снизился примерно на 1% выход жидкой стали, увеличилось до 15…20 кг на тонну стали количество выделяющейся из печи пыли, снизилась стойкость главного свода.

5. Выплавка стали в двухванных печах

Изменение соотношения статей приходной части теплового баланса мартеновской плавки при использовании кислорода для продувки ванны позволило разработать новую технологию выплавки стали и конструкцию печи.

Основными источниками тепла в двухванной печи являются экзотермические реакции окисления примесей металла газообразным кислородом в одной из камер (ванн) печи. Физическое тепло выделяющейся из этой ванны окиси углерода и тепло от ее дожигания используется для нагрева скрапа и сыпучих материалов в соседней ванне.

Схема двухванной печи следующая (рис. 2)



Рис. 2. - Схема рабочего пространства двухванной сталеплавильной печи.

Такие печи в настоящее время работают на Алчевском металлургическом комбинате и комбинате «Запорожсталь».

Для этой цели реконструируются мартеновские печи садкой 500 - 600т.

Организовать работу без подачи топлива не удалось, поэтому в рабочем пространстве сжигают какое-то количество природного газа.

При сравнении двухванных печей с мартеновскими при равной общей емкости ванны, производительность первой выше, чем мартеновской в условиях интенсивной продувки кислородом. Это позволяет значительно упростить организацию работы, в частности длительность завалки, прогрева шихты и заливки чугуна могут быть примерно в двое больше; ниже и интенсивность продувки. Все это, естественно, условные преимущества, скорее это резервы работы двухванных печей, т.к. при надлежащем качестве лома производство стали в двухванных печах может быть существенно увеличено за счет сокращения этих периодов плавки и повышение интенсивности продувки.

В последние годы в мартеновском производстве находит применение донная продувка азотом. Она используется на мартеновских печах вместимостью 180 - 250 т, работающих скрап - процессом и вместимостью 150 - 160 т, работающих скрап - рудным процессом.

Это стало возможным благодаря использованию новой конструкции футеровки подины.

В нижней ее части устанавливают блок газонепроницаемых кессонов, ограничивающих распространение дутья внутри подины. На дне кессона установлены продувочные устройства коллекторного типа. Кессоны заполнены огнеупорной массой ANKERHARTH по специальной технологии (рис. 3).

К четырем продувочным устройствам, расположенным вдоль подины, подведен азот от газорегулирующей станции.

Расход азота регулируется отдельно на каждое продувочное устройство.

Интенсивность продувки можно регулировать по ходу плавки в зависимости от хода технологического процесса.

Продувка ванны азотом активизирует тепло - и массообменные процессы в расплаве, что способствует ускорению окисления углерода и других химических реакций, усвоению добавочных материалов, усреднению температуры металла.



Рис. 3. - Футеровка мартеновской печи с элементами для донной продувки азотом.

На 150 тонной мартеновской печи, работающей скрап - рудным процессом, при интенсивности подачи азота 2,4…14,4 м³/ч (максимальный расход 0,33 м³/т стали) достигнуты такие показатели:

- сокращение длительности плавки на 3,6%;

- сокращение расхода условного топлива на 2,0%;

- увеличение часовой производительности на8,5%.

Мартеновское производство стали характеризуется низкой производительностью агрегатов, высокой энергоемкостью, большим потреблением огнеупорных материалов и изделий. В большинстве стран оно ликвидировано. К сожалению, в Украине объем выплавки мартеновской стали составляет почти половину всего его производства. Поэтому попытки реанимировать этот процесс будут продолжаться в обозримом будущем.



Литература

Жиляев А.П.: Superplasticity and Grain Boudaries in Ultrafine-Grained Materials. - Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2010

Колесник П.А.: Материаловедение на автомобильном транспорте. - М.: Академия, 2010

Магомедов М.Н.: Изучение межатомного взаимодействия, образования вакансий и самодиффузии в кристаллах. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010

Симонов Е.: Гипсокартонные работы своими руками. - СПб.: Питер, 2010

Симонов Е.В.: Дизайн, перепланировка, отделка квартир. - СПб.: Питер, 2010

[под общ. ред. М.М. Криштала ; рец.: А.М. Глезер, В.С. Кондратенко] ; Криштал М.М. и др.: Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ в примерах практического применения. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2009

Габуда С.П.: Неподеленные электронные пары и химическая связь в молекулярных и ионных кристаллах. - Новосибирск: СО РАН, 2009

Головин Ю.И.: Наноиндентирование и его возможности. - М.: Машиностроение, 2009

М-во образования и науки РФ, Федеральное агенство по образованию, Санкт-Петербургский гос. электротехнический ун-т "ЛЭТИ": Развитие инфрастуктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы. - Тверь: Тверской государственный университет, 2009

М-во образования и науки Украины, Харьковский национальный ун-т им. В.Н. Каразина; рец.: И.Е. Проценко, А.Г. Багмут: Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии. - Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2009

под ред. В.С. Чередниченко ; [рец.: Г.П. Фетисов и др.]: Материаловедение. - М.: Омега-Л, 2009

Порубов А.В.: Локализация нелинейных волн деформации. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009

Солнцев Ю.П.: Материаловедение. - М.: Академия, 2009

Жиляев А.П.: Сверхпластичность и границы зёрен в ультрамелкозернистых материалах. - М.: Физматлит, 2008

Под ред. С.Б. Рыжова: Стали и сплавы энергетического оборудования. - М.: Машиностроение, 2008

Размещено на Allbest.ru

...