Мартеновский способ получения стали

 

Введение

 

 

      Задумывались  ли Вы, как до появления мартеновских  печей производили сталь?

 

      В истории  металлургии железа было три  революционных переворота, оказавших   глубочайшее влияние на весь  ход  человеческой истории:  первый имел место еще в  глубокой древности, когда появились  сыродутные горны; второй произошел в средние века, после открытия переделочного процесса; третий пришелся на вторую половину XIX века и был связан с началом производства литой стали. Сталь во все времена оставалась самым необходимым и желанным продуктом металлургии железа, потому что только она обладала той твердостью и крепостью, какие требовались для изготовления инструментов, оружия и деталей машин. Но прежде чем превратиться в стальное изделие, металл должен был подвергнуться целому ряду трудоемких операций. Сначала из руды выплавляли чугун. Потом чугун восстанавливали в мягкое железо. Наконец путем длительной проковки железной крицы получали из нее необходимую стальную деталь (или только заготовку к ней, которую затем подвергали окончательной отделке на металлорежущих станках). Производство мягкого железа и в особенности ковка долгое время оставались самыми узкими местами в процессе обработки железа. На них уходило больше всего сил и времени, а результаты далеко не всегда оказывались удовлетворительными. Особенно остро эта проблема стала ощущаться в XIX веке, когда резко возрос спрос на дешевую сталь. Естественным образом у многих ученых и изобретателей возникла мысль, которую потом высказал Бессемер: каким образом получить металл со свойствами железа и стали, но в жидком виде, чтобы его можно было использовать для отливки? Разрешение поставленной проблемы потребовало нескольких десятилетий упорного труда многих металлургов. На этом пути было сделано несколько важных открытий и изобретений, каждое из которых составило эпоху в истории обработки железа. Но в этом эссе мы поговорим именно о мартеновском процессе.

 

      Рассмотрим  производство в мартеновских  печах металлургических или машиностроительных  заводов литой стали. Сталь  получается путём окислительной  плавки загруженных в печь  железосодержащих материалов —  чугуна, стального лома, железной  руды и флюсов в результате  сложных физико-химических процессов  взаимодействия между металлом, шлаком и газовой средой печи. М. п. наряду с другими видами  производства стали  — второе  звено в общем производственном  цикле чёрной металлургии; два  других основных звена — выплавка  чугуна в доменных печах и  прокатка стальных слитков или  заготовок.

 

 

1 Историческая справка

 

 

. В России первая мартеновская  печь ёмкостью 2,5 т была пущена  А. А. Износковым на Сормовском заводе (ныне завод «Красное Сормово» в Горьком) в 1870. Вначале мартеновские печи имели кислый под. Широкое распространение М. п. получило после создания печей с основным подом (в 1879—1880 во Франции на заводах Крёзо и Тернуар, в 1881 в России на Александровском заводе в Петербурге). В 1894 русские металлурги братья А. М. и Ю. М. Горяиновы разработали технологию мартеновской плавки на жидком чугуне и успешно применили её на Александровском заводе в Екатеринославе (ныне завод имени Петровского в Днепропетровске). Во Франции, России и других странах процесс получил название «мартеновского», в Германии — «сименс-мартеновского», в США — «Open hearth process» (то есть процесс на открытом поду).

 

      Для развития  М. п. характерны 3 периода: в  первом (до начала 20 века) плавку  вели в печах небольшой ёмкости  (до 70 т), которые отапливались генераторным  газом, тяга была естественной (дымовая труба); второй период (1-я  половина 20 века) характеризуется переходом  на коксодоменный газ, принудительной  подачей воздуха (вентиляторы), автоматизацией  теплового режима печи, установкой  котлов-утилизаторов, строительством  печей ёмкостью 185—250 т, затем  370—500 т; для начавшегося в 50-х  годах 20 века третьего периода  характерны интенсификация процесса  кислородом, переход на топливо  с высокой теплотой сгорания (главным  образом природный газ), строительство  новых цехов с агрегатами ёмкостью 600—900 т, создание печей нового  типа. Наибольших масштабов М.  п. достигло в СССР и США.  В СССР работают (1974) крупнейшие  в мире печи ёмкостью 900 т. Существенный  вклад в развитие теории и  практики М. п. внесли советские  учёные-металлурги В. Е. Грум-Гржимайло, А. А. Байков, М. А. Павлов, М. М. Карнаухов, Н. Н. Доброхотов, В. И. Тыжнов, К. Г. Трубин и другие.

 

 

2 Устройство мартеновской  печи

 

 

      Устройство  мартеновской печи.

 

      Мартеновская  печь называется пламенной регенеративной, так как принцип ее работы  основан на регенерации тепла,  обеспечивающей высокую температуру  печи, необходимую для ведения  плавки.

 

 

Рисунок 1 – Схема и  устройство мартеновской печи.

 

       Важнейшей  частью мартеновской печи является  рабочее пространство А (рис. 1). Здесь происходят важнейшие физико-химические процессы: горение топлива, окисление примесей, расплавление  шихты, образование металла и шлака. Сверху рабочее пространство ограничено сводом 1, снизу — подом (или подиной) 10, задней и передней стенками, а с боковых сторон — головками 2. В передней стенке сделаны завалочные окна 11 (их бывает от трех до семи в зависимости от величины печи). Через них загружают печь, берут пробы, наблюдают за процессом, а также наваривают или исправляют под.      Завалочные окна закрываются огнеупорными  заслонками. В задней стенке внизу имеется отверстие для выпуска металла и шлака, забитое огнеупорной пробкой, которую при выпуске пробивают. Головки печи расположены симметрично. В них находятся каналы 3 и 4, через которые в печь поступают газ и воздух и отходят продукты горения. В нижней части головки соединяются с регенераторами 5 и б, установленными попарно с обеих сторон печи (всего их четыре); при работе на жидком топливе можно ограничиться двумя регенераторами (по одному с каждой стороны). Регенераторы представляют собой камеры, выложенные огнеупорным кирпичом. Внутри регенератора имеется огнеупорная насадка с вертикальными каналами. В нижней части регенераторы соединены с каналами 7 и 8, по которым поступают воздух и газ и отходят продукты горения. Чтобы регулировать направление движения газа и воздуха в печь, а продуктов горения — к дымовой трубе, в каналах имеются перекидные клапаны 9.

 

        Работа  мартеновской печи начинается  с ее загрузки. печь загружается завалочными машинами. При скрап-процессе вначале заваливают лом и известняк, затем чугун, при скрап-рудном процессе — сначала железную руду и известняк, а затем жидкий чугун. чугун заливают из ковша по  желобу, устанавливаемому в завалочном окне. В зависимости от величины печи и степени механизации завалка длится от двух до трех часов. Одновременно с завалкой шихты в печь подают топливо и воздух (попеременно через правые и левые головки печи).

 

         Подогрев  продуктов горения обеспечивает при сгорании топлива в рабочем пространстве температуру около 2000° С. При работе на жидком топливе регенераторы подогревают только воздух, а нефть или мазут подаются  форсунками, установленными в каналах головок печей.

 

Процесс получения стали  в мартеновской печи делится на три  периода.

 

          Первый   период — плавление  — начинается вскоре после  начала загрузки. После окончания  загрузки расплавление идет интенсивнее,  так как уменьшаются потери  тепла.

 

Во время  плавления  надо вводить в печь наибольшее количество тепла. Это предохранит  металл от растворения в нем газов  и  от излишнего окисления.

 

          Период плавления характеризуется  окислительными реакциями: окисляются  кремний, марганец, железо, фосфор.

 

Одновременно  образуется большое количество закиси железа FeO, которая является основным окислителем примесей — кремния, марганца, фосфора.

 

           Второй   период — окисление  — характеризуется энергичным  окислением углерода за счет  FeO. Это окисление протекает по реакции

 

С + FeO= СО + Fe— Q

 

          Образующиеся при этом газы, стремясь  вырваться из  ванны, приходят  в состояние кипения, поэтому  второй период плавки называют  периодом кипения. Выгорание углерода  длится 2—3 часа. По получении  требуемого процента углерода  заканчивается второй период  плавки.

 

         Третий   период — раскисление. Цель раскисления та же, что и в конверторе, и применяются те же раскислители: ферросилиций, ферромарганец, алюминий. Более тяжелые раскислители загружают прямо в печь, более легкие — в желоб или в ковш. Иногда для проверки раскисленности стали делают пробу. Застывший раскаленный кусок стали подвергают ковке; при плохой раскисленности образуются трещины. Если в мартеновской печи выплавляют легированную  сталь, после раскисления в нее вводят легирующие элементы: ферротитан, феррохром, высококремнистый ферросилиций и др. Для получения никелевой стали вводят чистый никель.

 

После окончания плавки сталь  выпускают в ковш. процесс плавки длится 5—8 часов, при скоростном сталеварении сроки сокращаются до 4,5—5,5 часа. Важнейшим фактором повышения производительности мартеновских печей является внедрение новой прогрессивной технологии, в первую очередь применение кислорода в мартеновской плавке.

 

         Кислород  вводят при плавке двумя способами:  а) путем обогащения факела  пламени в период завалки и  расплавления шихтовых материалов  и б) продувкой жидкой ванны  в период выгорания углерода.

 

         Применение  кислорода повышает производительность  мартеновской плавки на 15—25%. Особенно  эффективные результаты достигаются  в печах большой мощности.

 

В мартеновских печах выплавляют качественную углеродистую конструкционную  и инструментальную  сталь, а также  низколегированную и среднелегированную.  Сталь, выплавленная в мартеновских печах, идет на изготовление проката  и поковок. Из нее делают  рельсы, рессоры, балки и другие детали машин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Мартеновский процесс

 

 

      Шихта мартеновских печей подразделяется на металлическую часть (чугун, стальной лом, раскислители и легирующие добавки) и неметаллическую (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит, плавиковый шпат). Чугун, применяемый либо в жидком состоянии, либо в виде чушек, служит основным источником углерода, обеспечивающим нормальное протекание мартеновского процесса. Количество чугуна и стального лома в шихте может колебаться в любых соотношениях в зависимости от разновидности процесса, экономических условий, выплавляемых марок сталей. В качестве раскислителей и легирующих добавок, в М. п. используют Ферросплавы и некоторые чистые металлы (алюминий, никель). Железная руда и мартеновский агломерат применяются в М. п. в качестве окислителей, а также в качестве флюса, способствующего ускоренному формированию активного шлака. В роли окислителя может использоваться также окалина. Известняк, известь, боксит, плавиковый шпат в мартеновском процессе служат для формирования шлака необходимого состава и консистенции, обеспечивающего протекание окислительных реакций, удаление вредных примесей и нагрев металла.

 

      В мартеновском  процессе (в отличие  от конвертерных) тепла, выделяющегося в результате  химических реакций окисления  примесей металлической ванны,  недостаточно для проведения  плавки. Поэтому в печь дополнительно  подаётся тепло, получаемое в  результате сжигания топлива  в рабочем пространстве. Топливом  служат природный газ, мазут,  коксовый и доменный газы. Для  обеспечения полного сгорания  топлива воздух на горение  подаётся в количестве, несколько  большем теоретически необходимого. Это создаёт избыток кислорода  в продуктах сгорания, в которых  присутствуют также газообразные  окислы CO2 и H2O, частично диссоциирующие при высокой температуре. В результате происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте (для интенсификации горения топлива часть подаваемого в печь воздуха может заменяться кислородом; газообразный кислород подаётся также в ванну для интенсификации окислительных процессов). FeO, Fe2O3, CaO, SiO2, MnO, P2O5 и другие окислы вместе с постепенно разрушающимися огнеупорами кладки, флюсами и примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак, покрывающий металл во все последующие периоды плавки. Шлак играет важную роль: связывает все примеси, которые надо удалить из шихты; передаёт кислород из атмосферы печи к жидкому металлу; передаёт тепло от факела к металлу; защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи, и от чрезмерного окисления железа. В различные периоды плавки шлак должен иметь нужный химический состав, необходимую жидкоподвижность и находиться в печи в определённом количестве.

 

 и т.д.................