Основные периоды мартеновской плавки и их значение

Процесс выплавки стали в мартеновской печи при любой раз­новидности его включает следующие основные периоды: заправ­ка печи; завалка и прогрев твердых шихтовых материалов; заливка жидкого чугуна (завалка твердого чугуна) и плавление; доводка плавки; раскисление и легирование металла; выпуск металла и шлака.

Заправка печи производится для восстановления изношенных за время плавки участков наварки передней и задней стенок и откосов. Лучшее приваривание заправочных материа­лов наблюдается при высокой температуре рабочего пространства, поэтому заправка задней стенки выше уровня продуктов плавки производится в период доводки предыдущей плавки; заправка откосов на уровне шлака и ниже производится во время выпуска плавки.

Завалка твердых шихтовых материалов с помощью специальных мульдозава­лочных машин: стальной скрап, желез­ную руду, а также твердый чугун. Порядок завалки и расположение шихты в печи влияют на скорость плавления шихты, шлакообразова­ние и стойкость печи. При работе скрап-рудным процессом завал­ка осуществляется в следующем порядке. На подину равномерным слоем загружают часть железной руды (агломерата, окатышей), затем слой известняка (извести) и оставшуюся руду. Такой поря­док завалки предотвращает приваривание известняка к подине и обеспечивает образование в начале плавки железистого шлака, в котором в дальнейшем относительно легко растворяется извест­няк или известь. Во время и после завалки руду и известняк про­гревают, по крайней мере для полного удаления влаги. При этом на печах большой вместимости обычно сыпучие подвергают пере­мешиванию (шуровке).

После завалки и прогрева железной руды и известняка загружают лом, располагая мелкий лом внизу, круп­ный вверху. Твердый чугун или отходы (лом) чугуна загружают поверх лома.

При работе скрап-процессом на подину загружают легковесный лом, поверх которого загружают известняк (8-10 %). Затем заваливают ос­тальной лом. Поверх лома загружают чугун. При скрап-угольном процессе порядок завалки такой же, что и при скрап-процессе, но в слое лома располагают слой карбюратора.

Прогрев. Для обеспечения успешного плавления и уменьшения его длительности необходим прогрев шихтовых материалов, осо­бенно при скрап-рудном процессе. Продолжительность прогрева зависит от многих факторов: теплового режима работы печи, ско­рости завалки, количества загружаемых материалов (лома) и т.д. Для сокращения периода прогрева сыпучие загружают послойно и перемешивают для вскрытия непрогретой массы. Для повышения поглощения тепла шихтой во время прогрева наверх загружают более крупную металлическую шихту, имеющую большую теплопро­водность. Температура нагрева лома, по крайней мере верхних его слоев, должна быть не ниже температуры затвердевания чугуна (1250-1350°С)

В случае заливки чугуна на недостаточно прогретую шихту про­исходит его "закозление". Это приво­дит к существенному увеличению продолжительности периода плав­ления, так как одновременно ухудшается и теплопередача. Кроме того, во время неактивного состояния ванны в шлаке накапливается боль­шое количество оксидов железа, при нагреве чугуна до жидкоподвижного состояния это может привести к выбросам шлака и даже метал­ла из печи из-за интенсивного окисления углерода кислородом FeO. Перегрев шихты также недопустим, так как при заливке жидкого чугуна наблюдается бурная реакция окисления углерода, приводящая к выбросам шлака и металла из печи. После прогрева шихтовых материалов в печь заливают жидкий чугун.

Заливка жидкого чугуна осуществляется при помощи съемного или стационарного желоба. Продолжительность заливки чугуна оп­ределяется организационными возможностями и обычно составля­ет 15-30 мин. Чугун необходимо заливать медленно, иначе воз­можны бурное окисление углерода чугуна и выбросы металла и шлака из печи.

Плавление как самостоятельный период плавки начинается пос­ле заливки жидкого чугуна. Основной задачей этого периода являются расплавление металла и нагрев его выше температуры плавления (линии ликвидус) на 40-60°С, а также предварительное рафинирование металла.

Создание в период плавления оптимальных шлакового режима и баланса кислорода позволяет в этот период провести основную часть рафинирования металла, например, во многих случаях обес­печить требуемую степень дефосфорации его. Кроме фосфора, в период плавления окисляются и другие примеси углерод, кремний и марганец, а также может иметь место значительное окисление железа. Продолжительность плавления, кроме вместимости и теп­ловой мощности печи, зависит от шлакового режима периода плав­ления, количества чугуна в шихте, температуры жидкого чугуна и степень нагрева твердых шихтовых материалов, осо­бенно лома.

При работе на шихте, содержащей значительное количество жидкого чугуна (> 50%), и ведении процесса в печах большой вместимости удаление шлака из печи в период плавления являет­ся важным фактором уменьшения продолжительности плавления. В этот период должно быть удалено максимально возможное ко­личество шлака для уменьшения толщины слоя шлака в печи и улучшения теплопередачи от факела к ванне. Это вызывает сни­жение расхода известняка при хорошей дефосфорации и десульфурации металла. Уменьшение расхода известняка связано с тем, что основность шлаков, спускаемых в период плавления, мала (0,5-1,0).

Образующаяся в результате окисления углерода окись углерода вспенивает шлак и он начинает вытекать, «сбегать» из печи. Шлак, стекающий из печи во время плавления после заливки жидкого чугуна, называют «сбегающим» первичным шлаком. Состав этого шлака характери­зуется низкой основностью и высоким содержанием FeO и МnО (если в чугуне содержится больше 1 % Мп). Железистые шлаки и пониженная температура благоприятствуют дефосфорации. Фосфор в этих шлаках находится главным образом в виде (FeO)₃P₂O₅. Средний состав первичного сбегающего шлака следующий, %: SiO₂ 20—35; А1₂О₃ 3—5; FeO 25—35; Fe₂O₃ 3—5; CaO 12—20; MgO 5—9; МnО 15—35; P₂O₅ 2—4.

Со сбегающим шлаком из печи удаляется значительное коли­чество нежелательных окислов SiO₂ и Р₂О₅, а вместе со шлаком уходит также большое количество окислов железа и мар­ганца. Поэтому в тех случаях, когда в шихте мало серы и фосфора, сбегающий шлак стараются задержать в печи и уменьшить тем самым потери металла. Количество сбегающего шлака составляет 8—10 % от массы металла (50—70 % от всего образующегося во время плавления шлака). Спуск шлака продолжается почти до полного расплавления шихты.

Обычно продолжительность периода плавления при работе на жидком чугуне 2-3 ч. При работе на твердом чугуне период плавления продолжительнее (3-4 ч), так как для нагрева чугуна необходим дополнительный расход тепла.

За период плавления полностью окисляется кремний, почти полностью марганец и большая часть углерода (30-40%)

Состав шлака, сформировавшегося к моменту расплавления и после него, имеет обычно следующий состав: 35—45 % СаО, 20—25 % SiO₂, 10—15 % FeO, 13—17 % МnО.

Доводка плавки для различных вариантов мартеновского про­цесса проводится примерно по одной схеме. Задача этого периода состоит в окончательном рафинировании металла и дополнитель­ном нагреве ванны. Доводка обычно состоит из двух стадий: поли­ровки (рудного кипения) и чистого (свободного) кипения.

Полировка - это период наводки шлака для обес­печения требуемой степени дефосфорации и десульфурации ме­талла. Для этого сначала скачивают из печи шлак, а затем приса­живают шлакообразующие материалы: известь, боксит, плавиковый шпат и т. д.

Скачивание шлака проводят следующим образом. После расплавления ванны в печь подают некоторое количество же­лезной руды или продувают ванну кислородом или сжатым возду­хом. Углерод начинает интенсивно окисляться, уровень шлака в печи несколько поднимается. В это время отключают подачу топлива, давление в печи падает и шлак вспенивается и уходит из печи в спе­циально подготовленные шлаковые чаши. На печах малой и средней емкости шлак скачивается через среднее завалочное окно, на больше­грузных печах шлак скачивается еще и через специальные отвер­стия в задней стенке печи. В тот момент, когда шлаковые чаши на­полнятся шлаком, топливо вновь подают в печь, давление в печи возрастает, шлак оседает и перестает уходить из печи.

Часто для ускоре­ния скачивания шлак сгребают с помощью гребков, помещаемых на хоботе завалочной машины. Отключать подачу топлива при этом не следует. Основность скачиваемого шлака гораздо выше, чем «сбега­ющего» во время плавления. Вместе со скачиваемым шлаком из печи уходят значительная часть оставшегося в ванне фосфора и некоторое количество серы.

Чтобы перевести оставшиеся в шлаке фосфор и серу в прочные соединения, наводят новый шлак присадками свежеобожженной извести. Основность шлака CaO/SiO₂ при этом возрастает до 2,5 и более. Если такой шлак оказывается чрезмерно густым и вязким, то его разжижают присадками боксита или плавикового шпата. Окислительная атмосфера печи непрерывно питает ванну кислородом и содержащийся в металле углерод окисляется и ванна кипит. Вызываемое этим перемешивание благоприятствует передаче тепла от факела к ванне, и температура металла постепенно возрастает.

Чтобы ускорить шлакообразование, иногда одновре­менно присаживают и железную руду (агломерат, окатыши). Кис­лород твердого окислителя интенсивно окисляет углерод, что обес­печивает хорошее перемешивание ванны и ускоряет шлакообразо­вание. Успешно проводить полировку можно лишь в том случае, если металл достаточно нагрет к концу плавления, так как присад­ка железной руды и флюсов охлаждает ванну. Для нормального проведения полировки необходим перегрев металла выше темпе­ратуры плавления на 40-60°С. При указанной степени перегрева количество единовременно присаживаемых материалов не должно превышать 2-2,5%. Если по условиям дефосфорации и десульфурации необходимо приса­живать большее количество материалов, то их дают в два и не­сколько приемов, обеспечивая соответствующий нагрев ванны. При этом следует иметь в виду, что 1 % твердого окислителя охлаждает ванну на 20-25°С, извести - на 10-15°С, боксита - на 15-20°С (В конвертерных процессах, то есть без поглощения тепла от факела, охлаждающее действие выше, соответственно 35-40, 15-20, 20-25°С). При необходимости глубокой дефосфорации и десульфурации ме­талла производят одно или два дополнительных скачивания и на­водки нового шлака в период доводки.

Кроме того, для нормального проведения периода полировки необходим некоторый запас углерода, который обычно составляет 0,2-0,5% и зависит от продолжительности периода (какое количе­ство и во сколько приемов присаживаются материалы), вместимо­сти печи (чем меньше вместимость, тем больше требуется запас углерода).

Период чистого кипения необходим для окончательной подго­товки металла к выпуску: нагрев его до заданной температуры, удаление газов и неметаллических включений. В этот период угле­род окисляется практически только горячим кислородом газовой фазы печи при непрерывном поступлении тепла факела в ванну. Это создает благоприятные условия для нагрева металла. В этот период не рекомендуется присаживать в шлак флюсы и твердые окислители, за исключением случаев выплавки низкоуглеродистой стали, когда для интенсификации реакции окисления углерода разрешается присадка руды небольшими порциями.

Скорость нагрева металла в период чистого кипения обычно составляет 1-2°С/мин и зависит от вместимости и тепловой мощно­сти печи, а также состояния шлака. Шлак в этот период должен иметь нормальную жидкоподвижность. Скорость окисления углерода в этот период обычно колеблется в пределах 0,003-0,006% С/мин и зависит от вместимости печи (удельной нагрузки на подину), окислитель­ной способности газовой фазы и содержания углерода в металле При достижении концентрации углерода менее 0,10-0,15% скорость его окисления существенно снижается. Содержание марганца в период чистого кипения, когда [С]>0,1%, обычно увеличивается вследствие восстановления его из шлака ввиду повышения темпе­ратуры ванны.

Основность шлака в этот период должна быть достаточной для предупреждения восстановления фосфора и обеспечения некото­рого удаления серы. Это наблюдается при основности ~ 2,5. Но при чрезмерном повышении основности увеличивается вязкость шлака, что препятствует удалению серы из металла и нормально­му нагреву его.

Скорость удаления серы из металла тем больше, чем больше скорость окисления углерода, так как, во-первых, сера частично удаляется вместе с СО в печные газы из металла и шлака; во-вторых, чем выше скорость окисления углерода, тем лучше исполь­зование десульфурирующей способности шлака. Повышение тем­пературы ванны в этот период обеспечивает получение гомогенного шлака, увеличение скорости окисления углерода, а это улучшает не только десульфурацию металла, но и дегазацию его.

Во время чистого кипения благодаря нормальному состоянию ванны (наличию гомогенного шлака и равномерному кипению) ско­рость поступления водорода из газовой фазы снижается, а скорость удаления его в пузырях СО возрастает. В результате содержание водорода в металле снижается. По многочисленным исследованиям, содержание водорода в металле в начале чистого кипения обычно составляет 4-6 см³/100 г, в процессе чистого кипения снижается на 1-2 см³/100 г.

Продолжительность чистого кипения для дегазации металла, включая снятие его переокисленности, составляет 20-30 мин. Но этого времени часто бывает недостаточно для нагрева металла, особенно при выплавке легированной стали, требующей введения в конце плавки большого количества холодных ферросплавов, поэтому продолжительность чистого кипения обычно составляет 30-45 мин.

Задача мастера-сталевара заключается в том, чтобы к моменту, когда температура металла окажется достаточной для выпуска, ванна хорошо прокипела, очистилась бы от газов и неметаллических включений, в металле содержалось бы необходимое количество углерода и минимум серы и фосфора. При соблюдении всех этих требований период кипения заканчивают и металл раскисляют. Если раскислители вводят в ковш, то кипящий металл выпускают из печи без раскисления.

Раскисление и легирование металла могут быть проведены как в печи, так и в ковше (на желобе) во время выпуска плавки. В печь обычно присаживают тугоплавкие и труднорастворимые ферроспла­вы, например, феррохром. Для уменьшения угара раскисляющих и легирующих элементов металл предварительно раскисляют низко­процентным ферросилицием (15-20% Si).

Выпуск плавки всегда является ответственной операцией. Чтобы выпуск плавки протекал нормально, необходимо поддерживать нормальными размеры сталевыпускного отверстия и хорошо его заделывать. Продолжительность выпуска плавки из мартеновских печей обычно колеблется в пределах 10-20 мин и в основном зависит от вместимости печи (чем меньше вместимость печи, тем меньше продолжительность выпуска). По ходу выпуска в ковш присаживают раскислители и легирующие, в современной практике эту операцию стараются перенести полностью из печи в ковш.

Общая длительность плавки в мартеновских печах колеблется в пределах от 5-6 до 10-15 ч и зависит от многих факторов вместимости печи, вида применяемого чугуна (жидкий или твер­дый), его доли в шихте, системы отопления, степени интенсифи­кации сжигания топлива и окисления примесей, степени механиза­ции работ по обслуживанию печи и т. д. Увеличение вместимости печи, при постоянстве других условий, приводит к возрастанию длительности плавки.

Плавки на жидком чугуне имеют меньшую продолжительность чем на твердом, поскольку при использовании жидкого чугуна уменьшается длительность периодов загрузки шихты и плавления. С увеличением доли чугуна в шихте также уменьшается продолжи­тельность периодов загрузки и плавления.

Применение топлива с высокой теплотой сгорания (мазута природного газа) и интенсификация его сжигания кислородом обес­печивает уменьшение продолжительности плавки до 20-25% по сравнению с использованием для отопления печи смеси доменно­го и коксового газов Наибольшее уменьшение продолжительности плавки и повышение производительности мартеновских печей без увеличения их вместимости обеспечивает использование кислород­ного дутья для прямого окисления примесей металла.

При конструировании мартеновских печей стре­мятся максимально увеличить тепловоспринимающую площадь (пло­щадь подины), следовательно, уменьшить толщину слоя металла (глубину ванны, которая для крупных печей не превышает 1,5-2,0 м). К тому же мартеновские печи обязательно должны иметь рабочие окна, расположенные непосредственно над ванной. В этих условиях продувка ванны кислородом возможна с ограниченной интенсивнос­тью, максимально до 10-20 м³/(тч), тогда как в конвертерах она достигает 5-6 м³/(т мин) и более. Поэтому при одинаковой вместимости мар­теновские печи имеют годовую производительность пример­но в 10 раз меньшую. Низкая производительность является основным недостатком мартеновских печей. Кроме того, ремонт мартеновских печей требует больших материальных и трудовых затрат. Глав­ное их достоинство - возможность ведения процесса при любом расходе чугуна в шихту. Другим преимуще­ством мартеновских печей является использование первичной энер­гии (тепла газообразного и жидкого топлив).