Особенности технологии мартеновской плавки

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 ~ 4200 МДж, то при отоплении печи смесью коксового и доменного газов с теп­лотой сгорания 8,4 МДж/м³ потребуется На плавку газа 500 ■ 4200/8,4 = 250000 м³. На 1 м³ газа при а = 1,15*1,20 расходуется ~ 2 м³ воздуха и образуется ~ 3 м³ продуктов сгорания. Следовательно, за плавку через рабочее пространство печи пройдет 250000 • 3 = 750000 м³ продуктов сгорания. Продолжительность плавки в 500-т печи составляет 7—10 ч, т.е. из рабочего пространства печи вы­летает за 1ч 75000—100000 м³ продуктов сгорания (расчет ведут на объем газов в холодном состоянии). Если учесть расширение газов при нагреве (до 1700 °С примерно в семь раз), то можно представить, с какой скоростью печные газы проносятся над ванной. Газы имеют в своем составе угле-родсодержащие и водородсодержащие соединения (СО, различ­ные углеводороды, сажистые частички углерода, некоторое количество С0₂, а также и 0₂, так как воздух Для горения подают с избытком). При горении углерод- и водородсодер-жащих соединений образуются С0₂ и Н₂0. Следовательно, продукты сгорания любого топлива содержат кислород, окис­лительные газы С0₂ и Н₂0 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. За плавку ван­на поглощает 1—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, поэтому температура шлака выше, чем металла, и по глубине ванны имеет место различие температур металла. Толщина шлака в мартеновских печах колеблется в пределах от 50 до 500 мм, глубина ван­ны металла — от 500 до 1500 мм (в зависимости от вмести­мости конструкции печи). Выравниванию температуры по глу­бине ванны способствуют пузыри СО, выделяющиеся в резуль-

тате окисления углерода, и, как следствие, кипение ванны. При отсутствии кипения мог бы происходить перегрев верх­них слоев ванны и недостаточный нагрев нижних. Однако, несмотря на кипение ванны, некоторый перепад температур по глубине ванны сохраняется, особенно между шлаком и металлом. В начале кипения этот перепад составляет 70—100 °С, а 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 15—30 мин, плавка в мартеновской печи продолжается не­сколько часов, поэтому влияние взаимодействия металла с подиной оказывается очень ощутимым. Подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже.

4. Четвертая особенность технологии мартеновской плав­ки заключается в том, что жидкий металл все время нахо­дится под слоем шлака (шлак примерно вдвое легче метал­ла). Практически все вводимые в печь добавки попадают на шлак или проходят в металл через шлак. Кислород из атмо­сферы печи в металл переходит также через шлак. Если учесть, что тепло от факела к металлу также передается через шлак, то становится понятной огромная роль шлака в мартеновском процессе. По существу руководство ходом плавки заключается в том, что меняют состав, температуру и консистенцию шлака и таким образом добиваются получения металла нужного состава и качества.

3. Шлакообразование и роль шлака в мартеновском процессе

Основные источники образования шлака следующие:

1) продукты окисления примесей чугуна и скрапа — крем­ния, марганца, фосфора, хрома и др., т.е. Si0₂, MnO, Р₂0₅, Сг₂О_э и др.;

2) продукты разъедания футеровки агрегата — MgO и СаО в основных печах и Si0₂ в кислых;

3) загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина и др.), т.е. Si0₂, А1₂О_э; во время заливки жидкого чугуна, хра­нившегося в миксере, в ковш, а затем в мартеновскую печь попадает некоторое количество миксерного шлака, состояще-

го (%) из 18-35 SiO_z; 2,5-5,0 Al₂0₃; 3,0-7,0 СаО; 7-2,5 FeO; 17-40 MnO; 7-32 MnS;

4) ржавчина, покрывающая скрап, т.е. Fe₃0₄, Fe₂0₃, FeO;

5) добавочные материалы (известняк, известь, железная руда, агломерат, марганцевая руда и др.) — СаО, Fe₂0₃, MnO, Si0₂, А1₂0₃ и др.

Таким образом, основная масса мартеновского шлака сос­тоит из следующих окислов: СаО, Si0₂, FeO, Fe₂0₃, MnO, A1₂0₃, MgO, причем СаО, MgO, FeO, MnO- основные окислы, a Si0₂, P₂O_s — кислотные.

В каждом конкретном случае приходится учитывать боль­
шую или меньшую степень влияния того или иного из пере­
численных окислов. Для характеристики состава основного
шлака пользуются величиной отношения концентраций в нем
основных окислов к кислотным: чаще используют более прос­
тое выражение (CaO)/(Si0₂). Эту величину называют основ­
ностью шлака. Шлаки, в которых величины
(CaO)/(Si0₂) < 1,5, называют низкоосновными, для шлаков
средней основности (CaO)/(Si0₂) = 1,6*2,5 и для высоко­
основных шлаков (CaO)/(Si0₂) > 2,5. Кислый шлак более чем
наполовину состоит из кислотных окислов (кремнезема).
Характеристикой кислых шлаков может служить отношение
(Si0₂)/(FeO) + (MnO) или (Si0₂)/(FeO) + (MnO) + (СаО),
которое называют кислотностью шлака.

Как уже отмечалось, металл в процессе плавки взаимо­действует со шлаком; количество и состав шлака, темпера­тура, жидкоподвижность и другие его параметры оказывают огромное, а во многих случаях и решающее влияние на про­цесс плавки и качество металла. В мартеновской печи шлак должен обеспечивать в одни периоды плавки интенсивный переход кислорода из атмосферы печи через шлак в металл, а в другие- предохранять металл от окисления. Одновре­менно шлак должен препятствовать процессам насыщения ме­талла азотом и водородом.

Удаление из металла вредных примесей — серы и фосфора (процессы, протекающие в значительной степени на границе раздела шлак—металл) — заключается в переводе этих эле­ментов в шлак и создании условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл. Изменяя состав шла­ка, его количество и температуру, можно добиться увеличе-

иия или уменьшения содержания в металле марганца, крем­ния, хрома и других элементов.