13.1.2. Производство стали в мартеновских печах

Печь состоит из ванны 1т, где варится сталь, регенераторов 5 для нагревания воздуха и топлива. У ванны есть окна 4, в которые загружают шихту, берут пробы металла и шлака на анализ и следят за процессом. Рабочее пространство ограничено сверху сводом, снизу ванной. Оно выполнено из огнеупорного кирпича сверху со стальной арматурой. Готовую сталь выпускают через лётки, расположенные в дне ванны. Отверстия для выпуска шлака расположены выше.

Принцип регенерации тепла заключается в том, что насадка одной пары регенераторов некоторое время нагревается до 1250-1300 ⁰С отходящими газами. Затем при помощи клапанов направление движения газов меняется автоматически. Через один из нагретых регенераторов в рабочее пространство печи подается воздух, через другой – газ. Проходя через насадку они нагреваются до 110-1200 ⁰С.

Рис. 13.1. Схема мартеновской печи

В отличие от конвертеров мартеновские печи – это агрегаты непрерывного действия. Их останавливают только для капитального ремонта через 200-1000 раз плавок стали. Объем современных мартеновских печей 200-900 тонн. Самые распространенные – 250-500 тонн с размерами ванны 20х6м и площадью пода до 115 м². Продолжительность плавки в малых печах – 3-6 ч, в больших – до 12 ч. Усовершенствование мартеновских печей приводит к использованию подвижных и двухванновых печей.

Основными составляющими шихты являются твердый и расплавленный чугун и скрап (стальные отходы). В зависимости от соотношения этих составляющих плавка делится на скрап-процесс и скрап-рудный процесс. В ходе скрап-процесса в ванну загружают 55-75% скрапа, 25-45% твердого чугуна; в ходе скрап-рудного процесса – 55-75% расплавленного чугуна, 12-20% руды и скрап. Чаще используют скрап-рудный процесс.

Скрап процесс применяют в печах емкостью до 100 тонн для выплавки качественной стали на машиностроительных и малых металлургических заводах, где нет доменных цехов. Флюсом служит известняк. Заправка печи проводится перед каждой плавкой.

В период плавления очень важное значение имеет процесс шлакообразования. Химический состав, свойства, количество и температура определяют ход плавки. При плавлении чугуна и скрапа входящие в их состав марганец и кремний почти полностью окисляются избыточным кислородом печных газов, а также окисью железа , образующейся в результате его окисления по реакции : 2Fе+О₂=2FeO. Из окислов SiO₂, MnO, FeO, CaO (флюс) и др. образуется железистый шлак. Содержащий до 45% CaO и до 15% FeO. Слой шлака покрывает поверхность металла и его непосредственное окисление кислородом прекращается. Дальнейшее взаимодействие происходит через шлак. Происходит восстановление железа и опять его окисление до окиси по реакциям: 2(FeO) + 1/2 O₂ = (Fe₂O₃); (Fe₂O₃) + Fe = 3(FeO).

Для дефосфорации стали по реакции 2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)₄P₂O₅ + 5Fe в процессе плавления создается высокая основность шлака (CaO), большое количество окиси железа и невысокая температура. Чтобы фосфор опять не попал в сталь, часть шлака сливают. Для наведения нового шлака дополнительно загружают известь.

Для доводки (обезуглероживания) небольшими порциями загружают железную руду или через фурмы в своде продувают кислородом, создавая благоприятные условия для окисления углерода. Пузырьки окиси углерода СО вызывают энергичное перемешивание – кипение металла. Они всплывают вверх. Унося за собой вредные газы азот и водород. Кроме того, они способствуют коагуляции и всплыванию вверх неметаллических включений.

Удаление серы по реакции FeS + CaO = FeО+ CaS хорошо происходит в конце плавки (более высокая температура).

Раскисление проводят в желобе или ковше ферросплавами и алюминием.

Кроме углеродистых в мартене производят некоторые легированные стали. Неокисляющиеся элементы (никель и молибден) обычно вводят в виде скрапа. Недостающее их количество вводят в процессе кипения. Легко окисляющиеся (хром, ванадий и др.) вводят после раскисления.

После взятия контрольный проб (удовлетворительных) разделывают выпускное отверстие и выпускают металл по желобу в ковш, а шлак после в шлаковый ковш.

Скрап-рудный процесс применяется для выплавки основной массы мартеновской стали. Добавление железной руды ускоряет окислительные процессы. Для ускорения процесс в печь сначала загружают руду, известняк, скрап, хорошо их прогревают и заливают расплавленный чугун. По окончании заливки чугуна ванну продувают кислородом через фурмы в своде. Шлакообразование и кипение проходят так же, как и в скрап-процессе.

Этим процессом выплавляют только углеродистые стали, т.к. чугун и руда приносят в металл много вредных примесей. Вместе с тем этот процесс более экономичен.