Мартеновский способ производства стали

Конвертерный и мартеновский способы производства стали

Конвертерный процесс плавки осуществляют в конвертерах — плавильных агрегатах грушевидной формы, изготовленных из стального листа и выложенных внутри основным кирпичом. В процессе работы конвертер можно поворачивать па цапфах вокруг горизонтальной оси на 360° для загрузки скрапа и других компонентов (известь, боксит, плавиковый шпат), заливки чугуна, слива стали, шлака и т.д.

Исходные шихтовые материалы (чугун, скрап, известь, боксит, плавиковый шпат) вводят в конвертер через горловину (рис. 2.8, а, б). Количество скрапа составляет 25. 30 % от массы чугуна. Чугун, используемый для переработки в кислородных конвертерах, должен содержать 3,7. 4,4 % углерода, 0,7. 1,1 % марганца, 0,4. 0,8 % кремния,

Рис. 2.8. Последовательность операций при выплавке стали в кислородных конвертерах:

а — загрузка твердых исходных материалов; 6 — заливка жидкого чугуна; в — кислородное дутье; г — выпуск стали; д — слив шлака

0,03. 0,08 % серы, ОД5. 0,30 % фосфора. Температура заливки чугуна — 1250. 1400 °С. Известь необходима для наведения шлака, боксит и плавиковый шпат для его разжижения.

После ввода исходных шихтовых материалов внутрь конвертера через горловину вводят водоохлаждаемую кислородную фурму и начинают подавать кислород (рис. 2.8, в). Фурму устанавливают строго вертикально по оси конвертера. Ее поднимают специальным механизмом, сблокированным с механизмом вращения так, что конвертер нельзя повернуть, пока из него не удалена фурма. Во время продувки чугуна кислородом конвертер находится в вертикальном положении. Одновременно с началом продувки и далее, по мере надобности, в конвертер загружают шлакообразующие материалы.

В зоне контакта кислородной струи с металлом (0,9. 1,4 МПа) кислород окисляет все примеси, но наиболее интенсивно — железо, так как его концентрация во много раз выше концентрации примесей:

Образовавшийся оксид железа FeO растворяется в металле и частично в шлаке. Растворяясь в металле, он обогащает его кислородом:

В результате этого окисление примесей происходит как кислородом, растворенным в металле, так и оксидом железа на границе шлак — металл по реакциям:

Удаление фосфора происходит путем связывания его известью и оксидом с образованием фосфата кальция, поглощенного шлаком:

При повышенном содержании фосфора в жидком металле (более 0,15 %) производят промежуточный слив шлака и наведение нового путем загрузки шлакообразующих элементов.

Удаление серы происходит по реакции:

Поскольку высокое содержание оксида железа FeO (до 7. 20 %) затрудняет протекание реакции удаления серы из металла, то для передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с ограниченным содержанием серы (до 0,07 %).

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному содержанию его в стали. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.8, г), раскисляя ее. Для этого в ковш добавляют ферромарганец, затем ферросилиций и алюминий. Раскисляющие элементы, соединяясь с кислородом, образуют нерастворимые в металле окислы, всплывающие в шлак. Затем шлак сливают из конвертера (рис. 2.8, д).

В кислородных конвертерах трудно выплавлять легированные стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому такие конвертеры используют для получения конструкционных углеродистых и низколегированных сталей, содержащих 2. 3 % легирующих элементов. Последние вводят в ковш в виде ферросплавов, предварительно расплавив их в электропечи.

К технико-экономическим показателям конвертерной плавки относятся производительность (т/ч), себестоимость 1 т конвертерной стали и расход 02 на 1 т металла. В связи с тем что процесс плавки составляет 25. 50 мин, производительность конвертеров достигает

400. 500 т/ч. Расход кислорода колеблется от 1,8 до 4,0 м 3 на 1 т стали.

Процесс плавки мартеновским способом осуществляется в мартеновских печах — пламенных отражательных регенеративных плавильных агрегатах (рис. 2.9). Основной частью мартеновской печи является плавильное пространство 12, образуемое передней 5 и задней 10 боковыми стенками и сводом 11. В передней стенке печи нахо-

Рис. 2.9. Схема мартеновской печи

дятся загрузочные окна 4 для подачи шихтовых материалов в печь. В задней стенке расположено сталевыпускное отверстие 9. С обоих торцов сталеплавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с нагретым воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство.

Для подогрева воздуха печь оборудована двумя воздухонагревателями (регенераторами) 1, в которых размещены насадки из огнеупорного кирпича, выложенного в клетку. Оходящие от печи газы при температуре 1500. 1600 °С попадают, например, в левый воздухонагреватель и нагревают его насадку до температуры 1250. 1280 °С. Воздух, поступая в печь через нагретый, например, правый воздухонагреватель, нагревается до температуры 1100. 1200 °С, в головке 2 печи смешивается с топливом (мазут, газ) и на выходе из головки образует горящий факел 7, направленный на шихту 6. Факел имеет температуру

1750. 1800 °С, нагревает рабочее пространство и шихту и способствует окислению примесей шихты при плавке.

Отходящие газы, направляясь в левую головку, очищаются в очистных устройствах (шлаковиках) от шлака и пыли, нагревают насадку и в охлажденном виде покидают печь через дымовую трубу 8.

За расплавлением шихты, окислением значительной части примесей и разогревом металла наступает период «кипения» ванны. При этом в печь загружается руда или ванна продувается поступающим по трубам 3 кислородом, способствующим созданию оксида углерода. В это время может отключаться подача смеси топлива и воздуха в печь и удаляться шлак.

В качестве топлива в мартеновских печах используют природный газ или мазут. Футеровка печи может быть основной и кислой. Если при плавлении стали в шлаке преобладают кислотные оксиды, мартеновский процесс называется кислым, если основные соединения — основным. Кислую футеровку изготовляют из динасового кирпича, верхний рабочий слой набивают кварцевым песком, а о с н о в — н у ю — футеровку выполняют из магнезитового кирпича, на который набивают магнезитовый порошок.

Свод мартеновской печи не соприкасается со шлаком, поэтому его делают из динасового или шамотного кирпича независимо от типа процесса, осуществляемого в печи.

Наибольшее количество стали получают в мартеновских печах с основной футеровкой, так как в этом случае возможно переделывать в сталь различные шихтовые материалы, в том числе и с повышенным содержанием фосфора и серы.

Посредством кислого мартеновского процесса выплавляют качественные стали, которые содержат значительно меньшее количество растворенных газов, неметаллических включений, чем стали, полученные в основной печи. Поскольку в печах с кислой футеровкой нельзя навести основный шлак, способствующий удалению фосфора и серы, то при плавке в таких печах применяют металлическую шихту с низким содержанием серы и фосфора. Благодаря этому кислая сталь имеет более высокие показатели механических свойств, особенно ударной вязкости и пластичности. Ее используют для ответственных деталей: коленчатых валов судовых двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников, стволов орудий и т.д.

В зависимости от состава металлической шихты, используемой при плавке, различают следующие разновидности мартеновского процесса:

  • 1) скрап-процесс, при котором основной частью шихты является стальной скрап (кроме скрапа входит 25. 46 % чушкового передельного чугуна);
  • 2) скрап-рудный процесс, при котором основная часть шихты состоит из жидкого чугуна (55. 75 %), а твердая часть — из скрапа и железной руды; применяется на заводах, имеющих доменные печи.

При скрап-рудном процессе по окончании прогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун, который, проходя через слой скрапа, взаимодействует с железной рудой. В период плавления примеси чугуна интенсивно окисляются за счет восстановления железа из руды и скрапа:

В этот период плавления полностью окисляется кремний и марганец, большая часть углерода и фосфора.

Для ускорения плавления и окисления производят продувку ванны кислородом через специальные фурмы, опускаемые в расплав через отверстия в своде печи. При этом в процессе плавления происходит дальнейшее удаление фосфора по реакции

Образовавшийся фосфат кальция удаляется со скачиваемым из печи шлаком. Но окончании расплавления шихты наступает период кипения.

В процессе кипения в печь дополнительно подают некоторое количество железной руды или продувают ванну кислородом, что создает условия для окисления содержащегося в металле углерода с образованием оксида углерода. В это время отключают подачу топлива и воздуха в печь, в результате чего давление газов в плавильном пространстве печи уменьшается, и выделяющийся оксид углерода вспенивает шлак. Появляющиеся при кипении пузырьки оксида углерода интенсивно перемешивают металл, выравнивая его состав и температуру по объему ванны. Кроме того, на своем пути они захватывают растворенные в металле водород и азот и способствуют всплытию взвешенных неметаллических включений. Сера удаляется в конце периода кипения:

Шлак начинает вытекать из печи через завалочные окна в шлаковые чаши. Эта операция называется скачиванием шлака. Вместе со шлаком удаляется значительное количество фосфора и серы. После этого вновь включают подачу топлива и воздуха, давление газов в печи возрастает, шлак перестает вспениваться и его скачивание прекращается.

Для более полного удаления из металла серы и фосфора в печи наводят новый шлак. Процесс кипения считают закончившимся, если содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание серы и фосфора минимально.

После этого приступают к раскислению. Металл раскисляют в два этапа: в период кипения, путем прекращения подачи руды в печь (вследствие чего раскисление происходит за счет углерода, содержащегося в металле) и подачи в ванну раскислителей: ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное раскисление стали производят в ковше при выпуске ее из печи. При выплавке легированных сталей легкоокисляющиеся легирующие элементы вводят в ванну после раскисления, перед выпуском металла из печи. Плавку считают готовой, когда сталь имеет заданный химический состав и температуру.

Мартеновской плавкой получают углеродистые и разнообразные марки легированных сталей. Посредством основного скрап-рудного процесса преимущественно выплавляют углеродистые стали, так как чугун, известняк и железная руда вносят в металл много вредных примесей. Наиболее качественную, чаще всего легированную сталь получают в кислых мартеновских печах.

Технико-экономические показатели мартеновской плавки:

  • ? средний объем стали с 1 м 2 площади в сутки (в современных печах составляет приблизительно 10 т/сут.);
  • ? расход топлива на 1 т выплавки стали (до 80 кг/т);
  • ? расход кислорода на 1 т стали;
  • ? расход жидкого чугуна на 1 т стали (кг/т);
  • ? себестоимость 1 т стали.

Пути повышении эффективности мартеновской плавки:

  • ? интенсификация металлургических процессов (обогащение дутья кислородом);
  • ? улучшение конструкции печи;
  • ? увеличение интенсивности продувки ванны кислородом и вдувание угольной пыли в жидкую ванну.

Наиболее эффективной является замена обычных мартеновских печей прямоточными двухванными сталеплавильными агрегатами. В этих печах имеются две ванны: в то время как в одной из них протекают процессы загрузки, прогрева, плавления, в другой происходят металлургические процессы получения стали. Двухванные печи не имеют регенераторов, просты по конструкции, в обслуживании и ремонте. Производительность таких печей в 2. 3 раза выше при снижении затрат топлива в 4. 6 раз.

3.2. Мартеновские способы производства стали

Мартеновский способ является основным способом, дающим около 70% высококачественной стали выплавляемой в мире. В 1865 г. во Франции инженеру П. Мартену после многочисленных попыток удалось получить на поду пламенной печи жидкую сталь. Мартен применил для сталеплавильной печи принцип регенерации тепла отходящих печных газов для подогрева топлива и воздуха, подаваемого в печь. По этому принципу строятся и работают мартеновские сталеплавильные печи до настоящего времени.

Современные мартеновские печи (рис. 12) отапливают обычно газом (чаще всего смесью доменного газа с коксовальным или природным газом) и оборудуют четырьмя регенераторами (по два с каждой стороны печи), заполненные кирпичной решетчатой кладкой для раздельного подогрева газообразного топлива и воздуха, подаваемых в печь. Продукты горения из рабочего пространства печи направляются в одну пару регенераторов (например, правую) и нагревают их насадку (решетчатую внутреннюю кладку), а затем выпускаются в дымовую трубу. В это время газовое топливо и воздух подают в печь через вторую пару регенераторов (например, левую), насадка которых была нагрета раньше. Через некоторое время с помощью автоматически переключающихся клапанов меняется направление выхода печных газов и подачи топлива. Мартеновские печи строят разной вместимости и производительности – от 10 до 500÷900 т. На некоторых заводах работают печи, отапливаемые мазутом или природным газом, в которых подогревается только воздух, подающийся в печь.

Читать еще:  Как наточить топор в домашних условиях

Ванна печи, удерживающая расплавленные материалы, имеет форму чаши, и ее длину и ширину обычно определяют на уровне порогов садочных окон, через которые и производят загрузку в печь твердых материалов. Современная 500-тонная печь имеет ванну 16,4 м длины, 5,9 м ширины и более 1 м глубины. Произведение этой длины на ширину принято считать условной площадью пода мартеновской печи. Глубиной ванны считают размер в самой глубо­кой ее части, которая расположена около выпускного отверстия, от подины, до уровня порогов садочных окон. Горячий газ подают в печь по центральному каналу, воздух – по двум боковым. Сходясь в рабочем пространстве печи, эти каналы образуют так называемую головку печи, формирующую газовое пламя. Внутрь стенок головки обычно вставляют кессоны, в которых циркулирует вода для сохранения огнеупоров головки от быстрого разгара. Перед регенераторами в мартеновской печи устанавливают шлаковики для сбора пыли и капель шлака, выносимых из печи с отходящими газами, и предохранения регенераторов от быстрого загрязнения. Загрузку твердой шихты в печь производят через окна с помощью завалочных машин. Выпуск стали и шлака из мартеновской печи после завершения плавки проводят через летку, которую располагают в так называемой задней продольной стенке печи, не имеющей загрузочных окон. Некоторое количество шлака выпускают иногда через так называемые ложные пороги загрузочных окон на лицевую сторону печи. На время плавки летку (выпускное отверстие) заделывают магнезитовым порошком и огнеупорной глиной.

Кроме стационарных мартеновских печей иногда для переработки чугунов, содержащих много фосфора, применяют качающиеся мартеновские печи, рабочее пространство которых располагают на катках, что облегчает и ускоряет удаление (скачивание) по ходу передела фосфористых шлаков и тем самым повышает производительность печи.

Мартеновский способ получил широкое применение благодаря возможности использования различного сырья и разнообразного топлива. В настоящее время мартеновский процесс различают в зависимости от используемого сырья: скрап-процесс, если его шихта состоит из стального лома (60÷70%) и твердого чушкового чугуна (30÷40%). Эта разновидность процесса применяется на заводах, не имеющих доменного производства (Московский завод «Серп и молот» и др.).

Рис. 12. Мартеновская печь (разрез и план)

1 – под печи, 2 – передняя стенка. 3 – задняя стенка, 4 – свод, 5 – загрузочные окна,

6 – бетонные опоры, 7 – откос, 8 – воздушный канал, 9 – газовый канал,

10 – вертикальные каналы, 11 – шлаковики газового регенератора,

12 – шлаковики воздушного регенератора

Широко применяется и скрап-рудный процесс, характерный тем, что его шихта состоит на 20÷50% из скрапа и на 50÷80% из жидкого чугуна, который после выпуска из доменных печей хранится в больших бочкообразных футерованных внутри огнеупорным кирпичом хранилищах, называемых миксерами. Этот процесс называется скрап-рудным потому, что для ускорения окисления примесей чугуна в печь загружают, кроме того, гематитовую железную руду в количестве 15÷30% от массы металлической части шихты.

Рассмотрим кратко сущность широко применяемого на наших заводах основного скрап-рудного процесса. Мартеновские печи работают циклами, но нагрев печи ведется непрерывно, поэтому подготовка новой плавки стали начинается с осмотра печи и устранения изъяна в подине и боковых откосах печи путем их заварки новым слоем доломита или магнезита еще во время выпуска предыдущей плавки. После выпуска металла выпускное отверстие заде­лывают и шихту загружают для новой плавки. Сыпучие шихтовые материалы (руда, известняк, скрап) загружают обычно первыми и отдельные их слои хорошо прогревают. На подину принято сначала загружать железную руду, а потом известняк и сверху стальной лом.

Во время загрузки твердых материалов в печь расходуется максимальное количество топлива для обеспечения быстрого прогрева и расплавления шихтовых материалов. Жидкий чугун загружают в печь через окно с помощью вставляемого в него стального желоба, футерованного изнутри огнеупором. Жидкий чугун подают к печи чугуновозном ковше. Чугун заливают в печь, когда твердая шихта прогрета и начинает оплавляться. С заливкой жидкого чугуна резко ускоряется плавление металлической части шихты. Одновременно с прогревом шихты начинается окисление примесей. К моменту расплавления шихты почти полностью окисляется кремний, более половины марганца, третья часть фосфора и частично углерод. Во время плавления образуется значительное количество закиси железа, так как количество воздуха, подаваемого в мартеновскую печь, обычно значительно больше необходимого для сжигания топлива (125% теоретически необходимого) и пламя в мартеновской печи бывает окислительным. После расплавления шихты, начинается период доводки стали. В печи образуется ванна металла, покрытая сверху слоем шлака, содержащего значительное количество окислов железа.

Образующаяся закись железа частично растворяется в шлаке, но частично переходит и в металл, так как она хорошо растворяется в нем. Растворившаяся в металле закись железа продолжает окислять примеси, в том числе и углерод. Образующаяся окись углерода в виде газовых пузырьков хорошо перемешивает ванну и способствует выделению из металла газовых и других включений. Этот процесс выделения угарного газа называют кипением ванны. В это время для интенсификации процесса кипения в печь добавляют железную руду. Увеличение окислов железа в шлаке ускоряет процесс. При перемешивании шлака образовавшаяся в нем закись железа, соприкасаясь с окислительными газами печи, переходит в окись, которая в свою очередь окисляет металл. Таким образом, шлак в ванне мартеновской печи, интенсивно перемешиваемый тепловыми потоками и выделяющимся из металла газом, передает металлу тепло и кислород. В этот же период из шихтовых материалов удаляют фосфор путем периодического скачивания шлака. Важную роль для связывания окислов фосфора в этот период играет известь, так как известь связывает фосфор. Для успешного удаления фосфора необходимо иметь в шлаке максимальное количество извести.

Процесс доводки металладо нужного химического состава производится в так называемый период чистого кипения металла, начищающегося после прекращения добавок в него железной руды. Чистое кипение ванны протекает не менее одного часа. Готовность заданной плавки стали определяют взятием пробы и экспресс-анализом в цеховой лаборатории.

После этого проводится раскисление и выпуск стали в ковши, из которых ее разливают в слитки. Общая продолжительность получения стали в мартеновской печи занимает несколько часов. Раскисление стали в ванне мартеновской печи проводят сначала доменным ферромарганцем, а затем доменным ферросилицием. Кремний ферросилиция отнимает кислород от закиси железа и образует сложные силикаты железа и марганца, которые обладают низкой температурой плавления и малой плотностью. Они всплывают в ванне и переходят в шлак. После этого сталь начинают выпускать из печи и завершают раскисление в ковше (или на желобе, по которому она вытекает в ковш), богатым ферросилицием (45% или 75% Si), и вводят небольшое количество более сильного восстановителя – обычно алюминия или силикоалюминия:

Алюминий является активным раскислителем стали, но образующаяся окись алюминия тугоплавка и в виде тонкой взвеси почти вся остается в стали. Принято считать, что эти частички окиси алюминия являются центрами кристаллизации при формировании слитка, и с увеличением количества алюминия, вводимого для раскисления, можно получить более мелкую структуру слитка или отливки. Обычно для раскисления берут 100÷400 г алюминия на 1 т выплавляемой стали в зависимости от ее марки. Скрап-процесс в основной печи отличается от скрап-рудного процесса, особенно в период завалки и расплавления шихты; заключительная часть процесса отличается меньше.

Мартеновские печи разной мощности принято сравнивать по суточной производительности, отнесенной к площади пода печи, то есть суточному съему стали с 1 м 2 условной площади пода. Наши мартеновские печи непрерывно улучшают этот показатель. Так, в 1932 г. он равнялся 2,68 т, в 1980 г. – более 8 т; в настоящее время достигает 11÷12 т, а с применением кислорода он еще выше.

Общая продолжительность плавки стали 220÷260 т в печах, обычно составляет 7÷10 ч при расходе условного топлива 130÷150 кг на 1 т стали. Таким образом, основными недостатками мартеновского процесса следует считать большую продолжительность процесса и значительный расход топлива. Важнейшим фактором, совершенствующим и ускоряющим мартеновский процесс, является применение кислорода. В мартеновском процессе наметились два реальных и экономически целесообразных пути применения кислорода. Первый путь – это обогащение воздушного дутья кислородом до 25÷35%. В результате интенсификации горения и повышения окислительной способности печи сокращается общая продолжительность плавки, снижается расход топлива, увеличивается производительность. Так, например, при обогащении дутья печи в 100 т кислородом до 29÷30% расход кислорода составляет 55÷70 м 3 на 1 т стали, производительность печи увеличивается в 2,5 раза при сокращении продолжительности плавки с 9 ч до 3 ч 30 мин; расход топлива при этом снижается с 150 кг/т стали до 92 кг/т. Такое обогащение дутья кислородом и форсирование плавки возможно при наличии свода печи, сделанного из высокотермостойких огнеупоров.

Второй путь – это применение кислорода для интенсификации окисления примесей путем кратковременного введения в печь кислорода. Наиболее перспективным в этом направлении является введение кислорода водоохлаждаемыми фурмами через свод печи (по аналогии с кислородно-конверторным производством). Введение кислорода, таким образом, резко сокращает продолжительность окисления примесей в ванне печи, но сильно увеличивает (в 5÷8 раз) содержание пыли в печных газах, за счет разбрызгивания шлака и испарения металла.

На ряде заводов успешно комбинируют эти два способа применения кислорода в мартеновских печах. В последние годы начали применять специально построенные для этих целей двухванные мартеновские печи.

Очень важна автоматизация мартеновских печей, особенно их теплового режима. В период расплавления по заданной программе в газовую смесь вводят больше коксового газа, в период пониженной тепловой нагрузки – меньше. Автоматизируется перекидка клапанов в зависимости от температуры насадок и многое другое. Эти меры приводят к уменьшению расхода топлива, особенно его дорогих компонентов.

Производство стали

Сталь является одним из самых распространенных материалов на сегодняшний день. Она представляет собой сочетание железа и углерода в определенном процентном соотношении. Существует огромное количество разновидностей этого материала, так как даже незначительное изменение химического состава приводит к изменению физико-механических качеств. Сырье для производства стали сегодня представлено отработанными стальными изделиями. Также было налажено производство конструкционной стали из чугуна. Страны-лидеры в металлургической промышленности проводят выпуск заготовок согласно стандартам, установленным в ГОСТ. Рассмотрим особенности производства стали, а также применяемые методы и то, как проводится маркировка полученных изделий.

Особенности процесса производства стали

В производстве чугуна и стали применяются разные технологии, несмотря на достаточно близкий химический состав и некоторые физико-механические свойства. Отличия заключаются в том, что сталь содержит меньшее количество вредных примесей и углерода, за счет чего достигаются высокие эксплуатационные качества. В процессе плавки все примеси и лишний углерод, который становится причиной повышения хрупкости материала, уходят в шлаки. Технология производства стали предусматривает принудительное окисление основных элементов за счет взаимодействия железа с кислородом.

Выплавка стали в электропечи

Рассматривая процесс производства углеродистой и других видов стали, следует выделить несколько основных этапов процесса:

  1. Расплавление породы. Сырье, которое используется для производства металла, называют шихтой. На данном этапе при окислении железа происходит раскисление и примесей. Уделяется много внимания тому, чтобы происходило уменьшение концентрации вредных примесей, к которым можно отнести фосфор. Для обеспечения наиболее подходящих условий для окисления вредных примесей изначально выдерживается относительно невысокая температура. Формирование железного шлака происходит за счет добавления железной руды. После выделения вредных примесей на поверхности сплава они удаляются, проводится добавление новой порции оксида кальция.
  2. Кипение полученной массы. Ванны расплавленного металла после предварительного этапа очистки состава нагреваются до высокой температуры, сплав начинает кипеть. За счет кипения углерод, находящийся в составе, начинает активно окисляться. Как ранее было отмечено, чугун отличается от стали слишком высокой концентрацией углерода, за счет чего материал становится хрупким и приобретает другие свойства. Решить подобную проблему можно путем вдувания чистого кислорода, за счет чего процесс окисления будет проходить с большой скоростью. При кипении образуются пузырьки оксида углерода, к которым также прилипают другие примеси, за счет чего происходит очистка состава. На данной стадии производства с состава удаляется сера, относящаяся к вредным примесям.
  3. Раскисление состава. С одной стороны, добавление в состав кислорода обеспечивает удаление вредных примесей, с другой, приводит к ухудшению основных эксплуатационных качеств. Именно поэтому зачастую для очистки состава от вредных примесей проводится диффузионное раскисление, которое основано на введении специального расплавленного металла. В этом материале содержатся вещества, которые оказывают примерно такое же воздействие на расплавленный сплав, как и кислород.
Читать еще:  Класс подшипников какой лучше?

Кроме этого, в зависимости от особенностей применяемой технологии могут быть получены материалы двух типов:

  1. Спокойные, которые прошли процесс раскисления до конца.
  2. Полуспокойные, которые имеют состояние, находящееся между спокойными и кипящими сталями.

При производстве материала в состав могут добавляться чистые металлы и ферросплавы. За счет этого получаются легированные составы, которые обладают своими определенными свойствами.

Способы производства стали

Существует несколько методов производства стали, каждый обладает своими определенными достоинствами и недостатками. От выбранного способа зависит то, с какими свойствами можно получить материал. Основные способы производства стали:

  1. Мартеновский метод. Данная технология предусматривает применение специальных печей, которые способны нагревать сырье до температуры около 2000 градусов Цельсия. Рассматривая способы производства легированных сталей, отметим, что этот метод также позволяет проводить добавление различных примесей, за счет чего получаются необычные по составу стали. Мартеновский метод основан на применении специальных печей.
  2. Электросталеплавильный метод. Для того чтобы получить материал высокого качества проводится производство стали в электропечах. За счет применения электрической энергии для нагрева сырья можно точно контролировать прохождение процесса окисления и выделения шлаков. В данном случае важно обеспечить появление шлаков. Они являются передатчиком кислорода и тепла. Данная технология позволяет снизить концентрацию вредных веществ, к примеру, фосфора и серы. Электрическая плавка может проходить в самой различной среде: избыточного давления, вакуума, при определенной атмосфере. Проводимые исследования указывают на то, что электросталь обладает самым высоким качеством. Применяется технология для производства качественных высоколегированных, коррозионностойких, жаропрочных и других видов стали. Для преобразования электрической энергии в тепловую применяется дуговая печь цилиндрической формы с днищем сферического типа. Для обеспечения наиболее благоприятных условий плавки внутреннее пространство отделывается при использовании жаропрочного металла. Работа устройства возможна только при подключении к трехфазной сети. Стоит учитывать, что сеть электрического снабжения должна выдерживать существенную нагрузку. Источником тепловой энергии становится электрическая дуга, возникающая между электродом и расплавленным металлом. Температура может быть более 2000 градусов Цельсия.
  3. Кислородно-конвертерный. Непрерывная разливка стали в данном случае сопровождается с активным вдуванием кислорода, за счет чего существенно ускоряется процесс окисления. Применяется этот метод изготовления и для получения чугуна. Считается, что данная технология обладает наибольшей универсальностью, позволяет получать металлы с различными свойствами.

Способы производства оцинкованной стали не сильно отличаются от рассматриваемых. Это связано с тем, что изменение качеств поверхностного слоя проходит путем химико-термической обработки.

Существуют и другие технологии производства стали, которые обладают высокой эффективностью. Например, методы, основанные на применении вакуумных индукционных печей, а также плазменно-дуговой сварки.

Мартеновский способ

Суть данной технологии заключается в переработке чугуна и другого металлолома при применении отражательной печи. Производство различной стали в мартеновских печах можно охарактеризовать тем, что на шихту оказывается большая температура. Для подачи высокой температуры проводится сжигание различного топлива.

Схема мартеновской печи

Рассматривая мартеновский способ производства стали, отметим нижеприведенные моменты:

  1. Мартеновские печи оборудованы системой, которая обеспечивает подачу тепла и отвода продуктов горения.
  2. Топливо подается в камеру сгорания поочередно, то с правой, то с левой стороны. За счет этого обеспечивается образование факела, который и приводит к повышению температуры рабочей среды и ее выдерживание на протяжении длительного периода.
  3. На момент загрузки шихты в камеру сгорания попадает достаточно большое количество кислорода, который и необходим для окисления железа.

При получении стали мартеновским способом время выдержки шихты составляет 8-16 часов. На протяжении всего периода печь работает непрерывно. С каждым годом конструкция печи совершенствуется, что позволяет упростить процесс производства стали и получить металлы различного качества.

В кислородных конвертерах

Сегодня проводится производство различной стали в кислородных конвертерах. Данная технология предусматривает продувку жидкого чугуна в конвертере. Для этого проводится подача чистого кислорода. К особенностям этой технологии можно отнести нижеприведенные моменты:

  1. Конвертор – специальное оборудование, которое представлено стальным сосудом грушевидной формы. Вместительность подобного устройства составляет 100-350 тонн. С внутренней стороны конструкция выкладывается огнеупорным кирпичом.
  2. Конструкция верхней части предполагает горловину, которая необходима для загрузки шихты и жидкого чугуна. Кроме этого, через горловину происходит удаление газов, образующихся в процессе плавления сырья.
  3. Заливка чугуна и добавление другой шихты проводится при температуре около 1400 градусов Цельсия. Для того чтобы обеспечить активное окисление железа чистый кислород подается под давлением около 1,4 МПа.
  4. При подаче большого количества кислорода чугун и другая шихта окисляется, что становится причиной выделения большого количества тепла. За счет сильного нагрева происходит расплавка всего шихтового материала.
  5. В тот момент, когда из состава удаляется излишек углерода, продувка прекращается, фурма извлекается из конвертора. Как правило, продувка продолжается в течение 20 минут.
  6. На данном этапе полученный состав содержит большое количество кислорода. Именно поэтому для повышения эксплуатационных качеств в состав добавляют различные раскислители и легирующие элементы. Образующийся шлак удаляется в специальный шлаковый ковш.
  7. Время конверторного плавления может меняться, как правило, оно составляет 35-60 минут. Время выдержки зависит от типа применяемой шихты и объема получаемой стали.

Стоит учитывать, что производительно подобного оборудования составляет порядка 1,5 миллионов тонн при вместительности 250 тонн. Применяется данная технология для получения углеродистых, низкоуглеродистых, а также легированных сталей. Кислородно-конвертерный способ производства стали был разработан довольно давно, но сегодня все равно пользуется большой популярностью. Это связано с тем, что при применении этой технологии можно получить качественные металлы, а производительность технологии весьма высока.

В заключение отметим, что в домашних условиях провести производство стали практически невозможно. Это связано с необходимостью нагрева шихты до достаточно высокой температуры. При этом процесс окисления железа весьма сложен, как и удаления вредных примесей

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Мартеновский способ производства высококачественной стали

В XIX–XX веках весь мир активно переживал процесс индустриализации. В это же время широкое распространение получил мартеновский способ производства стали.

Общая информация

Везде строились огромные промышленные комплексы, разрабатывалась сложная сельскохозяйственная и производственная техника, основные усилия многих государств были направлены на увеличение промышленных мощностей и получение большого количества нужных для развития материалов.

Одним из таких материалов была сталь, так как именно она является незаменимым компонентом в очень многих сферах применения.

Ее производство было поставлено основательно и исчислялось огромными цифрами ежегодно.

Хоть многие неискушенные люди и думают, что эта технология была наработкой советских ученых, но ее автором является французский инженер П. Мартен. Разработал он эту технологию в 1865 году.

В специальную печь, нагреваемую продуктами сгорания топлива, закладываются чугун, шихта, металлический лом, различные другие компоненты стали. Все это под воздействием высокой температуры расплавляется до однородного состояния, куда добавляют еще и другие нужные примеси. Следующим шагом после формирования нужной смеси является ее выпускание в ковши и разливание по формам.

Достоинствами подобного способа создания стали выступает возможность переработки любого исходного сырья, многообразные варианты используемого для нагрева печей топлива.

Технология позволяет получать качественную чистую сталь. Типичная печь Мартена имеет вместительность от 10 до 900 тонн жидкого материала, поэтому с использованием этого способа несложно создавать детали довольно внушительного размера.

Конструкция

Элементами мартеновской печи выступают (стандартный вариант сборки):

  • Под печи.
  • Передняя и задняя стенки.
  • Свод.
  • Загрузочные окна, через которые в печь подается материал для обработки.
  • Мощные бетонные опоры.
  • Откосы по направлению к стенкам.
  • Воздушный канал, который еще называют головками.
  • Газовый канал для подачи нагревающего материала – газа.
  • Вертикальные каналы.
  • Важной частью конструкции являются так называемые шлаковики воздушного и газового регенераторов.

Передняя стенка печки оборудована загрузочными окнами, сюда подается шихта. Задняя стенка имеет отверстие для выгрузки уже готовой стали.

Принцип работы мартеновской печи

Если кратко рассмотреть принцип функционирования такой печи, то выглядит он следующим образом. В загруженную печь подается мощный поток заранее нагретого воздуха и газа.

Проходя через насадки регенераторов, такой поток приобретает температуру приблизительно в 1000–1200 градусов по Цельсию. Потом происходит сгорание этого топлива, благодаря чему рабочая температура в установке повышается еще больше – до 1,9–2 тыс. градусов.

Пройдя через одну пару насадок регенераторов, поток продуктов сгорания топлива направляется в другую пару головок. Здесь он отдает свое оставшееся тепло и спускается в дымоход, как отработанный материал.

Попеременное задействование насадок регенераторов помогает добиться того, что они не претерпевают перегрева, перегрев способен негативно сказаться на работе всей печи. В случае когда какие-то насадки не в состоянии нагреться до нужной рабочей температуры, в действие вступает автоматическое перенаправление горящего пламени от топлива именно в эту головку.

Благодаря такому подходу все насадки работают с одинаковой нагрузкой, периодически, меняясь, совей ролью. Подающие головки выполняют функции выкачивающих элементов продукты сгорания и наоборот. Мартеновский способ производства все еще применяется в металлургии, но процент, выработанной благодаря ему стали, быстро уменьшается, уступая место более современным технологиям.

Предусмотренные в конструкции печи шлаковики нужны для того, чтобы прочищать газы из регенераторов от пыли, частиц шлака и других загрязнений. Только после прохождения шлаковиков газ поступает на другие участки устройства, благодаря чему его срок службы существенно увеличивается, а продукция выходит более качественной. Чем больше температуры рабочего газа, тем эффективнее движется производство.

Разновидности мартеновского процесса

Процесс выплавки стали в мартеновской печи бывает нескольких основных типов. Это зависит от того, шихта какого состава загружается в печь. Существует несколько вариантов:

  • скап-рудный процесс;
  • кислый метод;
  • двухванный.

Скап-рудный процесс

Применяется на объектах, оборудованных доменными печами. Состав стали в этом случае выглядит так: 55–75% чугуна, железная руда, скрап. Такой мартеновский способ производства помогает получать стали с низким уровнем опасных для здоровья примесей, таких как сера, фосфор и ряд других веществ.

Начинается производство этим способом с загрузки твердых компонентов шихты (известняка, лома, железной руды) в печь и ее прогрева. Следующим шагом выполняется заливка жидкого чугуна. Происходит стремительный процесс плавление шихты и все примеси очень активно окисляются.

И при невысоких рабочих температурах фосфор, кремний, марганец, углерод и другие примеси очень активно окисляются и переходят в шлак.

Читать еще:  Резка зеркала в домашних условиях

Однократного скачивания шлака достаточно, чтобы получить качественную сталь. Но иногда, к примеру, если обрабатывается фосфористый чугун, то скачивание шлака проводится по несколько раз.

Кислый мартеновский процесс

Реализуется с помощью высокочистой шихты, он способен давать сталь с очень низким содержанием неметаллических примесей, того же водорода или кислорода. Именно из-за слишком больших требований к чистоте шихты кислый процесс применяется не так часто.

Такой метод плавления работает с применением кислого шлака, а это исключает возможность убрать с металла фосфор, серу и другие опасные вещества. Работа в кислой печи требует применения чугуна с количеством примесей не более 0,025%.

В этом случае металлический лом заранее перерабатывается в основных печах, откуда он в жидком виде переливается ковшом в кислую мартеновскую печь. Благодаря использованию двух печей (основной и кислой), подобный процесс часто называют дуплекс-процессом.

Получаемая в результате сталь отличается высокими механическими свойствами, обладает хорошей пластичность, вязкостью и применяется исключительно для изготовления важнейших и ответственных деталей в технике – роторов турбин, валов больших двигателей, в производстве артиллерийских установок.

Двухванный сталеплавильный агрегат

Еще одна разновидность мартеновской печи, имеющей две ванны, соединенные между собой каналом для перехода материала из одной емкости в другую. Процесс стальной выплавки происходит следующим образом:

  • В одной ванне залит чугун и проводится его продувка кислородом.
  • В это же время во второй ванне проводится завалка и подогрев шихты в твердом виде, для чего используются уходящие из первого резервуара горячие газы.
  • Постепенно процесс меняется и ванны также выполняют функции предыдущих.

При определенном количество чугуна в шихте (больше 65%) двухванная печь начинает работать без расхода топлива, чем-то копируя кислородный конвертор.

В качестве заключения стоит сказать, мартеновский способ производства стали в свое время стал настоящим прорывом и помог мировой индустрии совершить значительный рывок.

Сейчас доля его использования в мировой металлургии не превышает 2–3%, так как современные методы выплавки (тот же конвертерный процесс) гораздо более эффективны. Правда, в некоторых странах, он все еще занимает до 50% от всех объемов производства.

Видео по теме: Устройство мартеновских печей

Мартеновский способ производства стали

Началом осуществления мартеновского процесса считается 1864 г., когда П. Мартен провел на одном из французских заводов первую плавку. Мартеновский процесс ведут на поду пламенной отражательной печи, снабженной регенераторами. В печь загружают шихту, чугун, лом и другие компоненты, которая под воздействием факела сжигаемого топлива плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки с тем, чтобы получить металл нужного состава. Затем готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Мартеновская печь (рисунок 22) имеет рабочее плавильное пространство, ограниченное снизу подиной, сверху сводом, а с боков передней и задней стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Футеровка печи может быть основной или кислой. Если в процессе плавки в шлаке преобладают основные окислы, процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые шлаки, процесс называют кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичом, а кислую – динасовым кирпичом.

В передней стенке печи имеются загрузочные окна для подачи шихты, а в задней – отверстие для выпуска готовой стали. Современные мартеновские печи имеют емкость 200 – 900 тонн жидкой стали.

Принцип работы мартеновской печи представлен на рисунке 22 в положении подачи топлива и воздуха с правой стороны и отвода продуктов сгорания через левые каналы. Проходя через предварительно нагретые насадки регенераторов (воздух через воздушный регенератор, газ через газовый), воздух и газ нагреваются до 1000 – 1200 °C и в нагретом состоянии через головку попадают в печь. При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800 – 1900 °C. Пройдя головку расположенную в противоположной стороне печи, раскаленные продукты сгорания направляются в другую пару насадок регенераторов, отдавая тепло им, и уходят в дымоход.

При такой работе насадки регенераторов правой стороны охлаждаются, а насадки левой стороны нагреваются. В момент когда регенераторы правой стороны не в состоянии нагреть воздух и газ до нужной температуры, происходит автоматическое реверсирование пламени. Холодный воздух и газ направляются через хорошо нагретые левые регенераторы, а продукты сгорания уходят в правую сторону печи, нагревая остывшие правые регенераторы. Таким образом, подающая и отсасывающая головки мартеновской печи периодически изменяют функции при помощи переводных клапанов, а факел сгорающего топлива формируют то слева, то справа, поддерживая максимальную регенерацию тепла и избегая перегрева насадок регенераторов.

Газы из регенератора попадают сначала в шлаковик, а уже потом по вертикальному каналу в головку печи. Шлаковики служат для улавливания плавильной пыли и шлаковых частиц, уносимых продуктами сгорания из рабочего пространства, предохраняя насадки регенератора от засорения. Сечение шлаковиков больше сечения вертикальных каналов. Поэтому при попадании дымовых газов в шлаковики их скорость резко уменьшается и меняется направление движения. Это приводит к тому, что значительная часть плавильной пыли оседают в шлаковиках.
При нагреве поступающих в печь газа и воздуха обеспечивается высокая температура факела (1800 — 1900 °C). Факел нагревает рабочее пространство печи и способствует окислению примесей шихты. Чем выше температура поступающих в печь газа и воздуха, тем выше температура факела и тем лучше работает печь. Однако можно добиться достаточно высокой температуры факела без предварительного подогрева газа и воздуха, обогащая воздух кислородом (вплоть до полной замены воздуха кислородом). Это приводит к уменьшению количества продуктов сгорания и уноса ими тепла и соответственно к повышению температуры. В этом случае регенераторы оказываются ненужными.
Из рабочего пространства печи дымовые газы выходят с температурой 1650 – 1750 °C. Попадая в регенераторы, газы нагревают насадку до 1200 – 1250 °C и удаляются в дымоход.

По конструкции мартеновские печи делятся на:

Стационарные печи получили наибольшее распространение.

Качающиеся печи преимущественно распространены в литейных цехах машиностроительных заводов, когда необходимо выпускать металл отдельными порциями или скачивать большое количество шлака.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

  • скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55 – 75%), скрапа и железной руды. Процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи;
  • скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома и чушкового передельного чугуна (25 – 45%). Процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома.

Скрап-рудный процесс плавки стали в основной мартеновской печи.

Особенностью основного мартеновского процесса является то что он позволяет получать сталь с низким содержанием вредных примесей (фосфора, серы) из рядовых шихтовых материалов.

Плавку начинают с загрузки твердой составляющей шихты (железная руда, известняк, лом) с помощью завалочной машины. После загрузки твердой части шихты и прогрева ее, заливают жидкий чугун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. С этого момента начинается период плавления шихты, в результате которого за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна (кремний, фосфор, марганец и частично углерод).

Кремний окисляется и переходит в шлак почти полностью в период плавления под действием окислительной атмосферы, а также кислорода вводимого с железной рудой.

Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем, когда температура металла еще не высока.

Оксиды кремния (SiO2), фосфора (P2O5), марганца (MnO), кальция (CaO) образуют железисто-углеродистый шлак, способствующий удалению фосфора. При переработке обычного чугуна для понижения содержания фосфора в металле проводят однократное скачивание шлака. Если же перерабатывают фосфористый чугун, то скачивание проводят многократно.

После расплавления шихты, окисления значительной части примесей и разогрева металла начинается период кипения ванны. В печь загружают железную руду или продувают ванну кислородом. Углерод в металле интенсивно окисляется, образуя оксид углерода (CO), выделяющегося в виде газовых пузырей, и вызывая кипение мартеновской ванны. Этот процесс играет очень важную роль, так как выравнивание состава и температуры металла в мартеновской печи осуществляется за счет кипения ванны. При кипении происходит удаление газов из металла, всплывание и поглощение шлаком неметаллических включений, увеличивается поверхность раздела между шлаком и металлом, что способствует ускорению процессов удаления вредных примесей (фосфора, серы).

Ввиду высокой окисленности шлака, удаление серы из металла менее эффективно, чем фосфора. Для удаления серы наводят новый шлак, загружая известь с добавлением боксита или плавикового шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается, создаются условия для удаления из металла серы. Для получения стали с низким содержанием серы, проводят обработку металла внепечными методами в ковше.

В период кипения ванны интенсивно окисляется углерод. Поэтому при составлении шихты для плавки необходимо предусмотреть, чтобы в ванне к моменту расплавления содержание углерода было на 0,5 – 0,6% выше, чем требуется в готовой стали. Процесс кипения считают закончившимся, когда содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание фосфора минимально. После этого сталь раскисляют и после отбора контрольных проб выпускают в сталеразливочный ковш через отверстие в задней стенке печи.

Кислый мартеновский процесс.

В настоящее время кислый мартеновский процесс имеет ограниченное применение в виду высоких требований к чистоте шихты. В кислой печи процесс ведут с кислым шлаком, поэтому удаление из металла серы и фосфора невозможно. Для ведения кислого процесса используют высококачественные древесно-угольные или коксовые чугуны, в которых содержание вредных примесей не превышает 0,025%.

Металлический лом, поступающий с других предприятий, переплавляют в основных печах для получения шихтовой заготовки, загружаемой вместо лома и полупродукта, когда металл заливают в кислую печь в жидком виде. Жидкий полупродукт выпускают из основной печи в ковш и затем переливают в кислую печь. Такой процесс называют дуплекс-процессом, так как в нем участвуют два агрегата – основная и кислая мартеновская печи.

Топливо при кислом процессе должно содержать минимальное количество серы. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше неметаллических включений, водорода и кислорода, чем выплавляемые в основной печи. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, и ее используют для особо ответственных деталей (коленчатых валов крупных двигателей, артиллерийских орудий, роторов мощных турбин).

Производство стали в двухванных сталеплавильных агрегатах.

Двухванные сталеплавильные агрегаты имеют две ванны, соединенные каналом для перехода из одной ванны в другую (рисунок 23). Принцип работы двухванной печи следующий. Когда в одной ванне после заливки чугуна ведут продувку металла кислородом, в другой производят завалку и подогревают твердую шихту отходящими из первой ванны газами. После выпуска металла из первой ванны проводят завалку шихты. Одновременно начинается продувка второй ванны кислородом. Топливо в двухванные агрегаты подается через топливно-кислородные горелки, установленные в своде и торцах печи. Если в шихте содержится жидкого чугуна больше 65%, то двухванная печь может работать без расхода топлива, так как количество физического тепла и тепла выделяющегося при окислении примесей чугуна, а также окисления СO до CO2 увеличивается. В этом случае двухванная печь становится аналогичной кислородному конвертеру.

Качество металла, производимого в двухванных агрегатах не отличается от качества мартеновской или кислородно-конвертерной стали. Технико-экономические показатели процесса в двухванных сталеплавильных агрегатах характеризуются:

  • высокой производительностью;
  • низким удельным расходом топлива и огнеупоров.

К основным недостаткам процесса, ограничивающим его широкое распространение, относятся:

  • более высокий расход жидкого чугуна по сравнению с мартеновским скрап-рудным процессом;
  • более высокий угар железа;
  • ограниченность сортамента выплавляемого металла.
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector