Мартеновское производство стали

«МАТИ» – Российская государственный технологический 

университет им. К.Э. Циолковского

 

Кафедра «Системы автоматизированного проектирования и технологии литейного производства»

 

 

 

 

 

 

Реферат

«Мартеновское производство стали»

по курсу «Общая металлургия»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         Выполнил (а): Чижова А. Г.

                Группа: 1ЭКУ–3ВС–40

                                       Проверил (а): Телицына О.В.

 

 

 

 

Москва 2012г.

 

Содержание

 

1. История развития  и сущность мартеновского процесса    2

2. Конструкция и механизм работы мартеновской печи    4

3. Особенности технологии плавки стали в мартеновских печах   6

4. Мартеновские процессы производства стали      9

    4.1 Основной  мартеновский процесс       9

    4.2 Кислый мартеновский процесс              12

5. Перспективы развития  и проблемы мартеновского производства         15

Литература                   17 
1. История развития и сущность мартеновского процесса.

Началом существования  мартеновского процесса можно считать           8 апреля 1864 г., когда Пьер Мартен на одном из французских заводов сварил первую плавку.

Сущность мартеновского  процесса заключается в ведении  плавки на поду пламенной отражательной  печи, оборудованной регенераторами для предварительного подогрева  воздуха (иногда и газа). В историческом аспекте идея получения литой стали на поду отражательной печи высказывалась многими учеными (например, еще в 1722 г. Реомюром). Однако долгое время сделать это не удавалось, так как температура факела обычного в то время топлива - генераторного газа - была недостаточной для нагрева металла выше 1500 ⁰С, чтобы получить жидкую сталь. В 1856г. братья Сименсы предложили использовать в пламенных печах для подогрева воздуха тепло горячих отходящих газов, устанавливая для этого регенераторы. Принцип регенерации тепла был использован Пьером Мартеном и для плавки стали.

В мартеновскую печь загружают  шихту (чугун, металлический лом  и др.), которая под воздействием тепла от факела сжигаемого топлива  постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки с тем, чтобы получить металл нужного состава и температуры; затем готовый металл выпускают в ковши и разливают.

В России первая мартеновская печь была построена С.И. Мальцевым в 1866-1867 гг. на Ивано-Сергиевском железоделательном заводе Мальцевского фабрично-заводского округа. В 1870 г. первые плавки проведены в печи вместимостью 2,5 т, построенной известными металлургами А.А. Износковым и Н.Н. Кузнецовым на Сормовском заводе. Эта печь хорошо работала и стала образцом для печей большой вместимости, построенных позже на других русских заводах.

Благодаря своим качествам  и дешевизне мартеновская сталь  нашла очень широкое применение. Уже в начале XX в. доля мартеновской стали составляла половину общего мирового производства стали. 

После Октябрьской революции 1917 г. мартеновский процесс стал основным в нашей металлургии. Огромную роль сыграли мартеновские печи и в  годы Великой Отечественной войны. Советским металлургам впервые  в мировой практике удалось удвоить  садку мартеновских печей без существенной их перестройки (ММК, КМК), удалось наладить производство высококачественной стали (броневой, подшипниковой и т. п.) на действовавших в то время мартеновских печах.

В 1986 г. производство стали  в СССР превысило 160 млн. т/год. Основная масса стали в мире выплавлялась тогда в мартеновских печах; наиболее крупные и высокопроизводительные (около 1 млн. т стали в год) работали в СССР. Однако в современных условиях мартеновский процесс уже не выдерживает конкуренции с конвертерным процессом и электроплавкой. Во многих странах производство мартеновской стали по этой причине прекращено. В России доля стали, выплавляемой в мартеновских печах, в последние десятилетия непрерывно уменьшается и составляет в настоящее время около 1/5 общего производства стали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Конструкция и механизм работы мартеновской печи.

Мартеновская печь симметрична  по своей конструкции и состоит  из следующих основных элементов: рабочее  пространство, головки, вертикальные каналы, шлаковики, регенераторы, борова, реверсивные и регулирующие клапаны, котел-утилизатор, газоочистка и дымовая труба.

Рассмотрим механизм работы мартеновской печи в тот момент, когда топливо и воздух поступают  с её правой стороны. Проходя через предварительно нагретую насадку регенератора, воздух нагревается до 1000-1200°С и в нагретом состоянии через головку попадает в печь. При сгорании топлива образуется факел, температура которого 1800-1900 °С. Пройдя головку, расположенную в левой стороне печи, раскаленные продукты сгорания попадают в левую насадку регенератора и по системе боровов уходят к трубе. При этом насадка левого регенератора нагревается, а насадка регенератора правой стороны постепенно охлаждается. В момент, когда температура в регенераторе, через который поступал в печь воздух, уже снизилась настолько, что становится невозможным нагрев воздуха до нужного уровня, а противоположный регенератор, через который из печи уходят продукты сгорания, перегревается, осуществляют перекидку клапанов, изменяя направление движения потоков в печи. Операцию перекидки выполняют посредством перекидных клапанов. Холодный воздух в результате этой операции направляется через хорошо нагретый левый регенератор, а продукты сгорания уходят в правую сторону печи, постепенно нагревая остывший правый регенератор. В течение плавки циклы повторяются.

При рассмотрении существующих вариантов конструкций мартеновских печей исходят из следующих общих  признаков:

а) по характеру конструкций  мартеновские печи бывают стационарными и качающимися. Большинство мартеновских  печей  стационарные,  так как качающиеся печи более сложные по конструкции и эксплуатация их обходится дороже;

б) по   характеру   материалов,   используемых для изготовления подины, мартеновские печи бывают основными и кислыми;

в) в зависимости от вида топлива и его теплотворной способности мартеновские печи могут иметь две пары регенераторов - для подогрева и воздуха, и газа (при отоплении печи газом с невысокой теплотворной способностью) или одну пару регенераторов (когда печь отапливается высококалорийным топливом, подогрев которого либо не нужен, либо трудно осуществим);

г) в зависимости от емкости мартеновские печи делятся на печи малой емкости   (<125т),   средней   емкости (125-300т) и большегрузные печи. Из большегрузных печей металл обычно выпускается одновременно в два ковша (в исключительных случаях в три ковша).

Строение мартеновской печи делится на верхнее и нижнее. Деление это весьма условно. Обычно рабочая площадка мартеновского цеха расположена на 5-7 м выше уровня пола цеха. Верхнее строение печи расположено выше этой площадки. Оно включает собственно рабочее пространство и головки печи. Нижнее строение расположено под рабочей площадкой. Оно включает шлаковики, регенераторы и борова с перекидными устройствами. Под рабочей площадкой обычно размещают также вентиляторы для подачи через регенераторы в печь воздуха и другое вспомогательное оборудование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Особенности технологии  плавки стали в мартеновских  печах.

В мартеновских печах  можно переплавлять в сталь чугун и скрап (лом) любого состава в любой пропорции. В зависимости от состава шихты различают:

1. Скрап-процесс - процесс,  при котором основной составной  частью шихты служит стальной  скрап (лом). Скрап-процесс обычно  применяют в цехах заводов, в составе которых нет доменных печей. Кроме скрапа в шихту добавляют  некоторое  количество (25-45 %) чугуна.

2. Скрап-рудный процесс  - передел в мартеновских печах шихты, твердые     составляющие которой - скрап (лом) и железная руда. Основная масса шихты (55-75 %)    при этом - жидкий чугун; он заливается в печь непосредственно из чугуновозных ковшей.

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. Если учесть, например, что на 1 т стали в 500-т печи расходуется примерно 4200 МДж, то при отоплении печи газом с теплотой сгорания 8,4 МДж/м³ его количество, требуемое на плавку, составит 500 • 4200/8,4 = 250 тыс. м³. Продолжительность плавки в 500-т печи составляет 7-10ч, т.е. из рабочего пространства печи вылетает в час 75-100 тыс. м³ продуктов сгорания. Расчет выполнен на объем газов в холодном состоянии. Если учесть расширение газов при нагреве до 1700 °С примерно в 7 раз, то можно представить, с какой скоростью печные газы проносятся над ванной (до 25 м/с).

В состав газов входят углерод- и водородсодержащие соединения, а также кислород, так как воздух для горения подают с избытком. При горении углерод- и водородсодержащих соединений образуются СО₂ и Н₂О. Следовательно, продукты сгорания любого топлива будут обязательно иметь в своем составе кислород, окислительные газы СО₂ и Н₂О и некоторое количество азота N₂.

Таким образом, характер атмосферы мартеновской печи во все периоды плавки окислительный и парциальное давление кислорода в атмосфере почти всегда велико. В результате за плавку ванна поглощает от 1 до 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, а отводится снизу через подину, поэтому температура шлака выше, чем металла, и по глубине ванны имеет место  разность температур  металла. Толщина шлака в мартеновских печах колеблется от 50 до 500мм, глубина ванны металла - от 500 до 1500 мм (в зависимости от емкости и конструкции печи). Выравниванию температуры по глубине ванны способствуют пузыри СО, выделяющиеся в результате окисления углерода и приводящие к кипению ванны. Если кипение отсутствует, то верхние слои ванны чрезмерно перегреваются,  а нижние слои, наоборот, будут нагреты недостаточно.

Однако, несмотря на кипение  ванны, некоторый перепад температур по глубине ванны все же сохраняется, особенно между шлаком и металлом. В начале кипения перепад составляет 70-100 °С, в конце - 20-50 °С.

По длине печи температура  металла также неодинакова. Под факелом температура металла несколько выше, чем у отводящей головки.

3. Участие пода печи  в протекающих процессах. В отличие от плавки в конвертерах, которая продолжается всего 30-35 мин, плавка в мартеновской печи продолжается несколько часов. Поэтому влияние взаимодействия металла с подиной оказывается весьма ощутимым.

4. Жидкий металл все  время находится под слоем шлака (шлак примерно вдвое легче металла). Практически все добавки, которые вводят в печь, попадают на шлак или проходят в металл через шлак. Если учесть, что и тепло от факела к металлу передается через шлак, то становится ясным, насколько велика роль шлака в мартеновском процессе. По существу, управление ходом плавки заключается в том, что изменяют состав, температуру и консистенцию шлака и таким образом добиваются получения металла нужного состава и качества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Мартеновские процессы производства стали.

4.1 Основной мартеновский процесс.

В основной мартеновской печи можно переплавлять чугун и  скрап любого состава и в любой  пропорции и получать при этом качественную сталь любой марки.

Среди основных реакций перечислим следующие.

Так, кремний окисляется в основной мартеновской печи почти полностью еще во время плавления в результате взаимодействия с кислородом атмосферы или оксидами железа шлака. Параллельно с окислением кремния происходит образование силикатов железа, которые являются составной частью первичного шлака. Окисление кремния и образование силикатов сопровождаются выделением тепла.

Марганец, как и кремний, легко окисляется, взаимодействуя с кислородом атмосферы и оксидами железа шлака. При окислении марганца также выделяется тепло. Однако реакция окисления марганца в основной печи идет не до конца. При повышении температуры может протекать обратная реакция - восстановление марганца из шлака.

Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем в начале плавки. Практически фосфор стремятся удалить из металла в период плавления и в первой половине периода кипения, т. е. когда металл еще сильно не нагрелся. Для создания железисто-известкового шлака осуществляют присадку железной руды и извести.

Эффект кипения мартеновской ванны создается в результате протекания реакции окисления растворенного в металле углерода и выделения образующегося при этом СО. Эту реакцию часто считают основной реакцией мартеновского процесса, что обусловлено следующим. 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. Другими словами, ведение мартеновского процесса без реакции окисления углерода и кипения невозможно.

При проведении раскисления мартеновской стали раскислители в металл вводят обычно в два приема: часть - в печь, а часть - на струю металла, вытекающего во время выпуска из печи в ковш, или непосредственно в ковш. Таким образом происходит предварительное и окончательное раскисление. Часть раскислителей попадает в шлак. В результате снижается активность оксидов железа в шлаке, в верхних слоях ванны возрастает концентрация элементов-раскислителей, вследствие чего поток кислорода в глубь ванны из атмосферы печи и из шлака на какое-то короткое время прекращается. Сверхравновесный кислород, имеющийся в ванне, продолжает еще некоторое время реагировать с растворенным в металле углеродом, но, поскольку приток новых порций кислорода в ванну прекращен, общее содержание кислорода снижается и кипение ванны прекращается.