Мартеновское производство стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Мартеновское производство стали

Содержание

1. Краткая историческая справка

2. Конструкция и работа мартеновской печи

2.1 Конструкция мартеновской печи

2.2 Классификация конструкций

3. Теплотехнические основы работы мартеновской печи. Принцип регенерации тепла

4. Топливо мартеновских печей

5. Технология мартеновской плавки

5.1 Особенности мартеновской плавки

5.2 Периоды плавки

5.3 Роль шлака в мартеновском процессе

5.4 Основной мартеновский процесс

5.5 Кислый мартеновский процесс

1. Краткая историческая справка

В середине ХІХ столетия остро возникла необходимость переработки металлического лома в больших объемах. Конвертерным процессом эту задачу не удавалось решить в полном объеме.

Над этой проблемой долгое время (1840-1863 гг.) работали Пьер и Этиль Мартены путем сплавления чугуна и железного лома на поду в отражательных (пудлинтовых) печах. Однако, положительных результатов достичь не удавалось, так как в процессе экспериментов не достигалась температура, необходимая для расплавления металла. Это объяснялось тем, что для сжигания топлива подавался холодный воздух и температура в рабочем пространстве печи не превышала 1420-1460С, что на 60-80С ниже, чем необходимая температура для перевода расплавляемого металла в жидкое состояние.

Задача расплавления металлической ванны была решена после разработки принципа регенерации тепла Вильямом и Фридрихом Сименс. В 1861 г., т.е. использование тепла отходящих газов для подогрева воздуха, идущего на горение, что позволило достигнуть в отражательных печах температуры, достаточной для производства литой стали с любым содержанием углерода.

Первая успешно действовавшая регенеративная печь была построена Пьером Мартеном на заводе его отца Эмиля Мартена в Сирейне в 1864 г. по чертежу В.Сименса. Эта печь имела основные элементы современной мартеновской печи.

Печь была выложена динасовым кирпичом, а для пода использовали кварцевый песок. Так как эти материалы являются кислыми огнеупорами, то в этих печах сталь выплавляли кислым процессом, при котором нельзя удалять вредные примеси: фосфор и серу.

Для отопления печи П.Мартен применил газообразное топливо в смеси с воздухом, которое подогревалось в регенераторе. Плавки вели следующим образом: на поверхность прогретого пода загружали чугун, после расплавления которого в печь частями загружали железные крицы, стальной лом.. Эти материалы постепенно расплавлялись в жидком чугуне, понижали содержание углерода. В конце плавки в металл вводили марганцовистый чугун для раскисления и металл выпускали в ковш. В первых мартеновских печах выплавляли, преимущественно, стали с высоким содержанием углерода.

В России первые мартеновские печи были построены С.И.Мальцевым и А.А.Излосковым в 1866-1870 гг. на Ивано-Сергиевском железоделательном заводе, Сормовском и др. заводах (садкой 2,5 т). По сравнению с первой французской печью конструкции русских печей были более совершенны, и они стали образцом для печей большой емкости.

Более чем столетний период развития мартеновского производства стали доказал высокое его совершенство и надежность. Уже к концу ХІХ в. садка печей достигла 40 т. К 1940 г. садка многих печей возросла до 300 т, что внесло значительные изменения в конструкцию печей и цехов. В 1955 г. в СССР была пущена первая 500-тонная мартеновская печь, а в 1961 г. - 900-тонная печь. В конце пятидесятых годов в СССР был реализован новый метод использования тепла отходящих продуктов сгорания топлива для нагрева скрапа в двухванновых печах. Двухванновые печи имеют производительность в 2 - 2,5 раза выше, чем однованновые, занимающие такую же площадь в цехе.

2. Конструкция и работа мартеновской печи

2.1 Конструкция мартеновской печи

Мартеновская печь - это сталеплавильный агрегат, в котором процесс выплавки стали протекает на поду с активным участием атмосферы рабочего пространства. Печь относится к типу пламенных, отражательных, регенеративных печей реверсивного действия с использованием жидкого и газообразного топлива.

Мартеновская печь имеет симметричную конструкцию и состоит из верхнего и нижнего строений.

Верхнее строение печи, расположенное над рабочей площадкой цеха, состоит из рабочего пространства 12, головок 1 и вертикальных каналов 2.

Нижнее строение печи расположено под рабочей площадкой цеха и состоит из шлаковников 3, предназначенных для отделения от дымовых газов частичек, уносимых ими из плавильного пространства шлака и пыли, регенеративных камер 5 и боровов 4 с перекидными клапанами. В регенераторах осуществляется подогрев воздуха и газа до поступления в плавильное пространство. Тепло для их нагрева отдают дымовые газы, периодически проходящие через регенераторы.

Направление движения дымовых газов, воздуха и топлива регулируется поочередным открытием тех или иных перекидных клапанов.

Печь работает следующим образом. Воздух, проходя через соответствующие клапана, каналы нагревается в регенераторе до температуры 1100-1200 С.В рабочем пространстве печи происходит смешение топлива с воздухом и сгорание его с образованием факела пламени, имеющего температуру 1800-1900 С.Продукты сгорания (дым) с температурой 1650-1700 С проступают в каналы противоположной левой головки, затем в вертикальные каналы, в шлаковники и регенераторы (с температурой 1500-1550 С). Из регенераторов дымовые газы направляются по боровам через котел-утилизатор и дымоочистку в дымовую трубу. По истечении определенного промежутка времени (15-20 мин) после нагрева насадок левого регенератора и соответствующего охлаждения насадок правого регенератора производится изменение направления движения воздуха на обратное при помощи перекидных клапанов

2.2 Классификация конструкций

Мартеновские печи подразделяются:

- стационарные;

- качающиеся.

Стационарные печи имеют ванну, смонтированную в неподвижной металлической арматуре печи.

Качающиеся печи имеют ванну, которая поворачивается относительно продольной оси на определенный угол с целью периодического удаления шлака из рабочего пространства.

В зависимости от материала футеровки подины печи подразделяются:

- основные;

- кислые.

Основные - позволяют перерабатывать шихту с высоким содержанием фосфора и серы. Огнеупорный материал подины - магнезит или смесь магнезита с доломитом.

Кислые - применяются для выплавки высококачественных сталей и рядовых сталей при отсутствии в шихте фосфора и серы.

Огнеупорный материал подины - динас или кварц.

Мартеновские печи подразделяются:

- однованновые;

- двухванновые.

3. Теплотехнические основы работы мартеновской печи. Принцип регенерации тепла

Для получения стали в жидком состоянии выпуска из печи и разливки, ее необходимо нагреть до температуры 1600-1650 С. Металл может быть нагрет до этой температуры, если продукты сгорания факела имеет еще более высокую (на 100-150С) температуру - tн, т.е. 1750 - 1800С.

Для достижения практической температуры продуктов сгорания факела tн=1750 - 1800С с учетом потери тепла в окружающую среду, степени диссоциации продуктов горения, теоретическая температура (калориметрическая) горения должна быть

,

где k = 0,75. Это пирометрический коэффициент, зависящий от отдачи тепла нагреваемым предметом, потерь тепла в окружающую среду и от степени диссоциации продуктов горения. tт = 2350С

Однако, как показывают результаты расчетов, приведенные в табл. 1, ни один вид топлива при сжигании его в холодном воздухе не обеспечивает этой минимальной величины. В связи с этим для осуществления сталеплавильного процесса в мартеновской печи необходим дополнительный источник тепла, который позволил бы достичь температуру 2350С.

мартеновская печь сталь плавка

Таблица 1

Калориметрическая температура горения топлива

Топливо	Теплопроводная способность, Qт, кДж/м3(кг) (средняя)	Калориметрическая температура, tт, С
		холодный воздух	нагретый воздух до 1100С
Коксовый газ	17500	2100	2610
Доменный газ	3800	1400	2250
Мазут	39700	2140	2650
Природный газ	35200	2030	2550

Калориметрическую температуру горения топлива в мартеновской печи можно определить по формуле:

;

где - теплотворная способность топлива, кДж/м3(кг); - физическое тепло нагретого воздуха, кДж/м 3; V - объем отдельных составляющих продуктов сгорания, м3; - соответствующие средние теплоемкости продуктов сгорания.

Следовательно, источником дополнительного тепла является физическое тепло предварительно нагретого воздуха. По условиям службы огнеупоров в регенеративных насадках максимально возможная температура подогрева воздуха в среднем составляет 1000-1200С, что является достаточной величиной для достижения необходимого значения калориметрической температуры факела.

Таким образом, главной теплотехнической основой работы мартеновской печи является необходимость предварительного нагрева воздуха путем реализации принципа регенерации тепла.

4. Топливо мартеновских печей

Требования, предъявляемые к топливу мартеновских печей

Топливо должно отвечать требованиям:

- обладать высокой теплотворной способностью;

- обеспечивать высокую излучательную способность;

- содержать минимальное количество вредных примесей (сера, вода);

- быть дешевым, транспортабельным и технологичным.

В настоящее время применяется мазут и природный газ, коксовый и доменный газы.

5. Технология мартеновской плавки

5.1 Особенности мартеновской плавки

Технология плавки стали в мартеновских печах имеет ряд особенностей:

1. Окислительный характер газовой фазы печи. Через рабочее пространство мартеновской печи над ванной проходит огромное количество газа. Например, на 1 т стали в 500-т печи расходуется 250000 м³ горючего газа, а на 1 м³ газа расходуется 2 м³ воздуха и образуется ~ 3 м³ продуктов сгорания. Следовательно, за плавку через рабочее пространство печи пройдет 250000 * 3 = 750000 м³ продуктов сгорания. Если учесть расширение газов при нагреве (до 1700 °С примерно в семь раз), то можно представить, с какой скоростью печные газы проносятся над ванной. Газы имеют в своем составе углеродсодержащие и водородсодержащие соединения (СО, различные углеводороды, сажистые частички углерода, некоторое количество СО₂, а также и О₂, так как воздух для горения подают с избытком). При горении углерод и водородсодержащих соединений образуются СО₂ и Н₂О. Следовательно, продукты сгорания любого топлива содержат кислород, окислительные газы СО₂ и Н₂О и некоторое количество азота N2. Таким образом, характер атмосферы мартеновской печи во все периоды плавки окислительный. За плавку ванна поглощает 1--3 % кислорода от массы металла. Этот кислород расходуется в основном на окисление примесей, часть его расходуется на окисление железа.

2. Тепло к ванне поступает сверху, поэтому температура шлака выше, чем металла, и по глубине ванны имеет место различие температур металла. Толщина шлака в мартеновских печах колеблется в пределах от 50 до 500 мм, глубина ванны металла -- от 500 до 1500 мм. Выравниванию.температуры по глубине ванны способствуют пузыри СО.

3. Участие пода печи в протекающих процессах.

4. Жидкий металл все время находится под слоем шлака (шлак примерно вдвое легче металла). Практически все вводимые в печь добавки попадают на шлак или проходят в металл через шлак. Кислород из атмосферы печи в металл переходит также через шлак. Шлак играет основную роль роль в мартеновском процессе.

5.2 Периоды плавки

В мартеновской плавке различаются следующие периоды:

- заправка печи (горячий ремонт рабочего пространства);

- завалка и прогревания шихты (состоит из нескольких периодов в зависимости от вместительности печи, и разделяются на завалку сыпучих (завалка рудой, потом части известняка, снова рудой, завалка стального лома);

- заливка жидкого чугуна (в скрап - рудном процессе);

- плавление;

- доводка металла;

- выпуск;

- раскисление (в печи или в ковше);

- легирование (в печи или в ковше).

Заправка печи преследует цель поддержки в рабочем состоянии всех элементов плавильного пространства. Для этого в момент выпуска на под и стенки, по мере их освобождения от шлаках, заправочной машиной забросают огнеупорные материалы (дробленый обожженный доломит, магнезитовый порошок и др.) После выпуска из печи металла и шлакам под тщательно осматривают и, если надо, исправляют подмеченные неровности (бугры, ямы). Продолжительности заправки 10 15 мин., который достигается путем объединения с другими периодами плавки.

Завалка шихты осуществляется завалочной машиной. Все твердые шихтовые материалы подаются в печь в специальных коробах - мульдах (вместительностью до 3,3 м³. Мульды подаются в составе 7 12 тележек по 4 на каждой. Продолжительность завалки в зависимости от вместительности печи колеблется от 1 до 3 часа. Она определяется числом мульд, которое зависит от насыпной плотности материалов.

Через малую теплопроводность сыпучих материалов целесообразно производить завалку слоями небольшой толщины с промежуточным прогреванием и перемешиванием по схеме: руда - известняк - руда - известняк -...- остаток руды. Стальной лом: легкий, средний, тяжелый. Последний располагают ближе к задней стенке, где обеспечивается более сильный нагрев.

Для дополнительного подогревания всего стального лома (температура в печи должна быть 1300 1400 ⁰С. Заливание чугуна длится 20-60 минут. Чугун сливают из ковша по желобу через завалочные окна в передней стенке. В период заливания чугуна в нем растворяется 30 50 % ломы от общего его количества.

Период плавления начинается сразу после окончания заливания чугуна и продлевается 1-5 часов. В печь в этот период подается максимальное количество топлива, ванна продувается кислородом. В процессе заливания чугуна в первый момент плавления происходит интенсивное образование шлака, поскольку весь кремний и часть марганца, который содержится в чугуне, окисляются (в шлаки частично переходят и оксиды железа). Толстый слой шлакам, который образовался затрудняет передачу тепла от факела к металла. В связи с этим в первой половине плавления удаляют из печи (путем спуска в шлаковые чаши через завалочные окна) некоторое количество шлакам. В период плавления обеспечивается удаление из металла основной массы фосфора. Химический состав металлической ванны в момент полного расплавления содержит на 0,4 0,8 % углерода больше, чем в заданной марке стали. Окисление кремния, большей части марганца и фосфора заканчивается в период плавления, тогда как окисление углевода происходит во все периоды плавки. Поэтому окисление углеврда является основной реакцией мартеновского процесса.

Доводка. Назначение этого периода плавки заключается в том, чтобы обеспечить доведение его до заданного химического состава и необходимой температуре. В конце этого периода метал содержит некоторый излишек углерода, фосфора и серы, а его температура на 60 100 ⁰С ниже, чем перед раскислением. Состоит из двух периодов: периодов рудного и чистого кипения.

Рудное кипение (полировка) - основной задачей периоду полировки есть формирования високоосновного шлакам (основность 2,0 3,0), способного поглощать серу и удерживать фосфор до конца плавки. Главной реакцией этого периода является реакция окисления растворенного углерода. Образовываясь вследствие этой реакции пузырьки окисла углерода вырываются на поверхность металла, пробивают слой шлака и, выходя на его поверхность, создают впечатление "кипение" ванны. Скорость окисления углерода в этот период можно регулировать добавками жлезной руды или окалины, или продувкой ванны кислородом. Состав шлака, который обеспечивает удаление из металла нежелательных примесей (в частности серы), регулируется добавками извести и др. флюсующих материалов. Пузырьки окисла углерода, которые выделяются, играют важную роль в мартеновском процессе. Перемешивая нижние слои металла (менее нагретые) с верхними (более нагретыми), ускоряют процесс нагрева всего объема металла. Кроме того, СО захватывают по пути вверх некоторое количество др. газов и неметаллических частиц, присутствие которых в готовой стали ухудшает ее качество.

Чистое кипение.. В период чистого кипения происходит окончательное доведение металла до необходимой температуры и химического состава. Продолжительность чистого кипения строго регламентируется в зависимости от марки стали и составляет 25-40 мин. Общая продолжительность периода кипения 1-2,5 ч.

Выпуск металла из печи осуществляют со стороны задней стенки через сталевыпускное отверстие, которое открывают путем механического выбивания утрамбованного магнезитового порошка (или прожигают струей газообразного кислорода). Заранее устанавливают подготовленные желоб и сталеразливочный ковш. Метал по желобу стекает в сталеразливочный ковш (на большой печи плавку выпускают в 2 или 3 ковша). Общая продолжительность выпуска до 20 минут. После выпуска плавки и осмотра отверстие снова закладывают огнеупорными материалами. Из ковша метал разливают в изложницы или на установках непрерывной разливки стали. Для повышения качества мартеновской стали применяются разные методы внепечной обработки стали в ковше.

Раскисление и легирование - завершающий период плавки, основное назначение которого состаит в снижении содержания кислорода в металле и доведении химического состава металла до заданного. Раскислители и легирующие добавки в зависимости от марки стали вводят или в печь, или в сталеплавильный ковш в момент выпуска металла.

5.3 Роль шлака в мартеновском процессе

Основные источники образования шлака следующие:

1) продукты окисления примесей чугуна и скрапа -- кремния, марганца, фосфора, хрома и др., т.е. , МпО, , и др.;

2) продукты разъедания футеровки агрегата -- МgО и СаО в основных печах и в кислых;

3) загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина и др.), т.е. , , во время заливки жидкого чугуна, хранившегося в миксере, в ковш, а затем в мартеновскую печь попадает некоторое количество миксерного шлака, состоящего из 18-35% ; 2,5-5,0% ; 3,0-7,0 % ; 7-2,5 % ; 17-40 % ; 7-32 % ;

4) ржавчина, покрывающая скрап, т.е. , , ;

5) добавочные материалы (известняк, известь, железная руда, агломерат, марганцевая руда и др.) -- , , , , и др.

Таким образом, основная масса мартеновского шлака состоит из следующих окислов: , , , , , , причем , , , -- основные окислы, а , -- кислотные.

В мартеновской печи шлак должен обеспечивать в одни периоды плавки интенсивный переход кислорода из атмосферы печи через шлак в металл, а в другие -- предохранять металл от окисления. Одновременно шлак препятствовует процессам насыщения металла азотом и водородом.

Удаление из металла вредных примесей -- серы и фосфора (процессы, протекающие в значительной степени на границе раздела шлак--металл) -- заключается в переводе этих элементов в шлак и создании условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл.

5.4 Основной мартеновский процесс

В основной мартеновской печи можно переплавлять чугун и скрап любого состава и в любой пропорции и получать при этом качественную сталь любого состава (кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в электропечах). Состав применяемой металлической шихты зависит от состава чугуна и скрапа и от расхода чугуна и скрапа на 1 т стали. Соотношение между расходом чугуна и скрапа зависит от многих условий.

Обычно на 1 т мартеновской стали в среднем расходуется 575--585 кг чугуна и 490--515 кг стального лома. Мартеновская шихта, кроме железа, практически всегда содержит еще то или иное количество углерода, кремния, марганца, серы, фосфора, меди, никеля и других примесей.

Основные реакции

Кремний, марганец, фосфор и углерод характеризуются большим сродством к кислороду, чем железо; эти примеси в условиях мартеновской плавки окисляются. Медь и никель характеризуются меньшим сродством к кислороду, чем железо, и они в условиях мартеновской плавки не окисляются.

Окисление кремния. Из перечисленных элементов наибольшим сродством к кислороду отличается кремний; он окисляется в основной мартеновской печи почти полностью еще во время плавления в результате взаимодействия с кислородом атмосферы по реакции или с окислами железа шлака по реакции . Параллельно с окислением кремния происходит образование силикатов железа ?(, являющихся составной частью первичного шлака. Окисление кремния и образование силикатов сопровождается выделением тепла, что ускоряет процесс плавления металла. В основном процессе реакция окисления кремния практически необратима, так как по мере растворения извести в шлаке происходит образование прочных силикатов кальция, протекающее по реакции , и активность () становится ничтожно малой.

Окисление и восстановление марганца. Марганец (как и кремний) легко окисляется, взаимодействуя с кислородом атмосферы и с окислением железа шлака:

.

При окислении марганца также выделяется тепло. Однако реакция окисления марганца в основной печи протекает не до конца. При повышении температуры может протекать обратная реакция-- восстановление марганца из шлака.

При высоких температурах марганец может восстанавливаться углеродом или железом:

.

Чем выше температура, тем более благоприятными оказываются условия для восстановления марганца.

Практически всегда в конце плавки, если температура ванны достаточно высока, марганец восстанавливается из шлака. Поэтому его называют иногда "пирометром" мартеновского процесса: если плавка идет горячо, концентрация марганца в металле постепенно возрастает, если же концентрация марганца понижается, то это говорит о том, что ванна становится холодной и возможно возникновение брака.

Окисление фосфора. Одновременно с кремнием и марганцем в мартеновской печи в начале плавки энергично окисляется фосфор.

Практически фосфор стремятся удалить из металла во время периода плавления и первой половины периода кипения, т.е. тогда, когда металл еще сильно не нагрелся. Для создания железистоизвесткового шлака присаживают железную руду (или окалину, или агломерат) и известь или известняк. Для уменьшения активности соединений фосфора в шлаке стремятся, чтобы шлак был высокоосновным, тогда фосфор находится в виде прочного соединения типа (.

или

Во многих случаях для целей дефосфорации проводят скачивание шлака, после чего наводят новый шлак. Если в результате такой операции фосфор удалился недостаточно, операцию скачивания и смены шлака повторяют дважды и трижды. Обычно для удаления фосфора до 0,010--0,015 % достаточно однократного скачивания шлака, но если фосфора в шихте много, то однократное скачивание шлака оказывается недостаточным.

Скачивание шлака - операция сложная, многократное же скачивание шлака из мартеновской печи очень затруднительно, поэтому высокофосфористую шихту предпочитают перерабатывать в качающихся мартеновских печах.

В отличие от обычных стационарных печей рабочее пространство качающихся печей можно поворачивать относительно продольной оси. Печь можно наклонять в сторону выпускного отверстия примерно на 30--35° и в сторону печного пролета (в сторону передней стенки) на 15°, что значительно облегчает скачивание

Удаление серы. Вследствие высокого содержания в мартеновских шлаках оксидов железа процесс десульфурации приобретает ограниченное развитие. Однако получение очень низких концентраций серы в ряде случаев затруднительно. В связи с этим при выплавке стали с особо низким содержанием серы операцию удаления серы переносят в ковш.

Особое внимание следует обращать на содержание серы в топливе, так как при большом ее количестве возможно обогащение металла серой. Применяемый для отопления коксовый газ обязательно подвергают сероочистке. Допустимое содержание серы в нем не должно превышать 2 г/м³. Мазут для отопления мартеновских печей применяют низкосернистый. Наиболее чистым (по содержанию серы) топливом является природный газ.

Окисление углерода и кипение мартеновской ванны. Следует обратить внимание на то, что реакции удаления вредных примесей, как и вообще почти все реакции, происходящие в мартеновской ванне, протекают на границе металл--шлак, следовательно, величина поверхности соприкосновения металла со шлаком имеет большое значение. Поверхность раздела металл--шлак резко возрастает при кипении металла. Эффект кипения создается в результате протекания реакции окисления растворенного в металле углерода и выделения образующегося при этом оксида углерода СО. Эту реакцию часто считают основной реакцией мартеновского процесса. Это обусловлено тем, что в результате протекания реакции обезуглероживания и сопровождающего ее эффекта кипения выравниваются химический состав ванны и температура металла, удаляются содержащиеся в металле газы, облегчается процесс всплывания и ассимиляции шлаком неметаллических включений, увеличивается поверхность соприкосновения металла со шлаком и тем самым облегчаются условия удаления из металла вредных примесей -- фосфора и серы. Таким образом, ведение мартеновского процесса без реакции окисления углерода и "кипения" невозможно.

В сталях, выплавляемых в мартеновских печах, содержится (в зависимости от марки стали) обычно от 0,05 до 1 % С. В шихте содержание углерода выше.

нужно для того, чтобы избыточный углерод во время плавки окислялся и ванна "кипела". Углерод, растворенный в металле, окисляется растворенным в металле кислородом.

Процесс этот можно представить в следующей последовательности:

1. Кислород из шлака переходит в металл (этот процесс включает диффузию кислорода в шлаке, переход кислорода через межфазную границу шлак--металл и диффузию кислорода в металле к месту реакции).

2. Кислород и углерод взаимодействуют в металле по реакции

3. Выделяются пузырьки оксида углерода.

Химическая реакция образования СО при высоких температурах сталеварения происходит практически мгновенно. Процесс перехода кислорода из шлака в металл принято выражать следующим образом:

На рис. 6.2 показана схема передачи кислорода из газовой фазы через шлак в металл. Образующий на поверхности шлак--газ оксид железа , диффундируя через шлак, реагирует с жидким железом на поверхности шлак--металл, восстанавливаясь до и обогащая шлак этим окислом, который в свою очередь передает кислород металлу. Реакции окисления примесей могут проходить в металле и на границе шлак--металл. Скорость передачи кислорода из атмосферы чрез шлак металлу невелика и во многих случаях не удовлетворяет требованиям сталеплавильщиков. Для повышения скорости доставки кислорода осуществляют присадки железной руды (окалины, агломерата) или продувают ванну кислородом.

Рис. 2. Схема передачи кислорода из газовой фазы в металл

Реакция протекает с поглощением тепла; во избежание охлаждения металла необходимо ограничивать интенсивность присадок железной руды или других материалов.

Реакция протекает с выделением тепла и интенсивность питания ванны кислородом может быть очень велика. Повышение температуры во всех случаях способствует протеканию реакции окисления углерода.

Дегазация металла. Кипение металла облегчает протекание процессов его дегазации и всплывания неметаллических включений.

Мартеновская сталь всегда содержит некоторое количество кислорода, азота, водорода. Это обусловлено тем, что в ходе плавки газовая атмосфера воздействует на металл и шлак, в результате чего некоторое количество кислорода, водорода и азота из газовой атмосферы поглощается металлом. Кроме того, определенное количество кислорода (в виде окислов), водорода и азота вносится с шихтовыми материалами. Кипение металла в мартеновской печи оказывает большое влияние на уменьшение газонасыщенности стали.

Содержание кислорода в металле при "закипании" ванны снижается и поддерживается на уровне, соответствующем содержанию в нем углерода. До тех пор, пока в мартеновской ванне происходит процесс кипения, вызываемый протеканием реакции окисления углерода, металл не будет переокислен, так как поступающий в металл кислород будет немедленно удаляться в результате протекания реакции.

Пузырьки оксида углерода, уносящие кислород, очищают металл также от азота и водорода. При отсутствии кипения получить металл в мартеновской печи с малым содержанием газов невозможно. Обычно в мартеновской стали содержится 0,003--0,005 % N. Концентрация водорода колеблется в более широких пределах- от 0,0003 и до 0,0006 %, или от 3-4 до 6-7 см³ на 100 г металла.

Содержание водорода, превышающее 5--6 см ³ на 100 г металла, уже заметно сказывается на качестве стали. Флокеночувствительные марки стали приходится длительное время выдерживать в специальных устройствах в нагретом состоянии, чтобы часть водорода выделить из металла.

Удаление неметаллических включений. Кипение металла облегчает также процесс всплывания и ассимиляции в шлаке неметаллических включений.

Основные источники неметаллических включений в мартеновской стали следующие:

а) шихтовые материалы -- чугун, скрап;

б) огнеупорная футеровка печи, желоба, ковша, которая вымывается в результате механического воздействия металла;

в) шлак, частички которого запутываются в металле при выпуске плавки из печи;

г) взаимодействие металла со шлаком (например, переход кислорода или серы из шлака в металл) или введение в металл раскислителей или легирующих элементов, а также выделение включений из металла при кристаллизации стали в результате уменьшения их растворимости при понижении температуры. Практика показывает, что последняя причина в большинстве случаев является основным источником неметаллических включений в мартеновской стали.

При кипении ванны поднимающиеся пузырьки СО увлекают с собой неметаллические включения, существенно ускоряя процессы их укрупнения и всплывания; при этом поверхность раздела металл--шлак возрастает, условия контакта всплывающих включений со шлаком облегчаются.

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. 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.

Размещено на Allbest.ru

...