2.2.2. Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский способ производства стали позволяет использовать значительное количество стального и чугунного лома разнообразного состава. Способ был разработан французскими металлургами отцом и сыном Э. и П. Мартенами в 1865 г. В России первая мартеновская печь была построена в 1880 г.

По устройству и принципу работы мартеновская печь является пламенной регенеративной печью. В ее плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали обеспечивается регенерацией тепла печных газов. Необходимость применения регенераторов объясняется тем, что холодное топливо при сгорании в холодном воздухе позволяет развивать температуру не выше 1400оС, что недостаточно для расплавления стали. При подогреве топлива и воздуха примерно до 1000…1100оС температура пламени повышается до 1800…1900оС. Этой температуры достаточно для интенсивного ведения процесса плавки.

Мартеновская печь (рис.6) сложена из огнеупорного кирпича и стянута рядом стальных балок, образующих жесткий наружный каркас. Внутри печи находится рабочее пространство 3, сверху ограниченное сводом, и снизу – подом. Под выложен в виде овальной чаши, в которой происходит процесс плавки. В передней стенке печи имеются загрузочные окна 4, через которые загружают шихтовые материалы и следят за ходом плавки. В задней стенке устраиваются отверстия для выпуска стали и шлака.

В торцах печи расположены головки 2, соединяющие плавильное пространство с регенераторами 1, служащими для подогрева воздуха и газообразного топлива. Печи, работающие на низкокалорийном топливе, имеют с каждой стороны по два регенератора, а печи, работающие на жидком топливе и высококалорийном газе, имеют по одному регенератору с каждой стороны только для нагрева воздуха.

По конструкции мартеновские печи могут быть стационарными и качающимися. Большинство печей сооружают стационарными, т.е. неподвижными. Рабочее пространство таких печей располагается на железобетонных основаниях, перекрытых стальными опорами и балками. В качающихся печах рабочее пространство заключено в прочный стальной кожух, рама которого опирается на катки. Такое устройство печи позволяет производить ее наклон, что облегчает загрузку шихты, удаление шлака и разливку готовой стали.

В зависимости от материала, из которого выкладывают под печи, мартеновский процесс может быть основным или кислым. В основных печах под и стены рабочего пространства выкладываются магнезитовым кирпичом (93% MgO и 3% СаО) и навариваются магнезитом или доломитом (MgСО3•СаСО3). Огнеупорность такого кирпича до 2500оС. В кислых печах под выкладывается из динасового кирпича (93% SiO2), огнеупорность которого не превышает 1750оС, и наваривается слоем кварцевого песка.

Наиболее распространенным является основной процесс, позволяющий перерабатывать шихтовые материалы с относительно высоким содержанием фосфора и серы.

В зависимости от состава шихты различают два основных процесса плавки стали в мартеновских печах: скрап-рудный процесс и скрап-процесс.

В скрап-рудном процессе в состав твердой части шихты входят скрап и железные руды, а основной массой шихты является жидкий чугун (50…80%). Скрап – это отходы металла, образующиеся при прокатке, ковке, штамповке, обработке резанием на металлорежущих станках, а также устаревшее и пришедшие в негодность технологическое оборудование и оснастка. По скрап-рудному процессу работают металлургические предприятия, имеющие доменные печи.

Скрап-процесс обычно применяют в цехах машиностроительных заводов, в составе которых нет доменных печей и где в процессе производства образуется много скрапа. При этом стружку и мелкий скрап до загрузки в печь прессуют, превращая в пакеты. В скрап-процессе шихта состоит из стального лома (60…70%) и твердого чушкового чугуна (30…40%).

Мартеновские печи работают циклами, но нагрев печи ведется непрерывно. Поэтому подготовка новой плавки начинается с осмотра печи и устранения выбоин и ямок, разъеденных шлаком. С этой целью все обнаруженные изъяны устраняют путем их засыпки и заварки новым слоем доломита или магнезита.

Загрузка шихты производится завалочными машинами, которые перемещаются по рельсам вдоль мартеновских печей. Сначала загружают сыпучие шихтовые материалы – руду, известняк, скрап. Жидкий чугун загружают в печь через окно по специально установленному желобу, футерованному изнутри огнеупорами. Чугун заливается в печь после того, как твердая шихта прогрета и начинает плавиться. После заливки чугуна плавление твердой металлической части шихты резко ускоряется. Одновременно с прогревом шихты начинается окисление примесей. К концу расплавления шихты почти полностью окисляется кремний, более половины марганца, почти третья часть фосфора и частично углерод. Окисление примесей происходит по тем же реакциям, что и при конверторном процессе. Известняк переводит в шлак фосфор и серу.

После расплавления шихты начинается доводка стали до необходимого химического состава. Готовность плавки определяют взятием пробы и ее экспресс-анализом. После этого проводится раскисление и выпуск стали в ковши, из которых ее разливают в слитки.

Продолжительность плавки стали в мартеновской печи составляет 8…16 ч. Печь работает непрерывно. Длительность функционирования печи в основном зависит от стойкости ее свода. Средняя стойкость динасового свода 200…350 плавок, магнезитового – 300…1000 плавок. Расход металлошихты на 1 т годных слитков составляет 1100…1200 кг.

Основными показателями, характеризующими работу мартеновских печей, является съем стали с 1 м2 пода в сутки. Его определяют как отношение суточной производительности к площади пода печи. В настоящее время этот показатель составляет 10…12 т/м2. Расход условного топлива зависит от марки выплавляемой стали и качества шихты и составляет 130…150 кг/т. Вместимость современных мартеновских печей – 600…900 т. Одним из преимуществ мартеновского процесса является возможность выплавлять высококачественные углеродистые и легированные стали и с большой точностью регулировать их химический состав. Кроме того, этот способ получения стали позволяет использовать в качестве шихтовых материалов металлический лом различного состава.

Основными недостатками мартеновского процесса следует считать большую продолжительность процесса и значительный расход топлива.

Одним из путей повышения эффективности работы мартеновских печей является автоматизация контроля и управления технологическим процессом плавки. Экономичность процесса зависит также от качества подготовки шихтовых материалов, механизации их загрузки, от емкости печи и от других факторов.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008