Разновидности мартеновского процесса

В зависимости от переплавляемых материалов применяют следующие виды мартеновского процесса:

1 Скрап-процесс, при котором используют твердую шихту (основная часть – стальной лом; 25…46% – передельный чугун).

2 Скрап-рудный процесс, при котором основная часть шихты – жидкий чугун (55…75%), остальное – стальной лом (скрап) и железная руда.

Большое распространение получил скрап-рудный процесс, как более экономичный. При этом наибольшее количество стали получают в печах с основной футеровкой, позволяющей использовать шихтовые материалы с повышенным содержанием серы и фосфора.

Скрап-рудный основный процесспроисходит следующим образом.

1 Завалка шихты.Вначале загружают железную руду и известняк. После хорошего прогрева загружают стальной скрап.

2 Прогрев шихты проводят при дополнительной подаче кислорода в ванну печи и повышенных тепловых нагрузках.

3 Заливка жидкого чугуна производится в конце периода прогрева, когда оплавится твердая часть шихты.

4 Плавление шихты. В этот период за счет окислов железа руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна (C, Si, Mn, P, S). В этот период плавления полностью окисляется Si, почти полностью Mn и большая часть С, а также интенсивно переходят в шлак P и S.

5 Период кипения ванны наступает по окончании расплавления шихты. Для этого в печь загружают железную руду, которая увеличивает содержание FeO и вызывает реакцию окисления углерода:

C+FeО ® Fe +CO­

Образующаяся окись углерода выделяется из металла, создавая впечатление его кипения, что способствует выделению неметаллических включений, перемешиванию металла и вспениванию шлака. Эта реакция является главной в мартеновской плавке, т.к. способствует обезуглероживанию металла, выравниванию его температуры, частичному удалению газов, неметаллических включений, серы и фосфора. Процесс кипения считают окончившимся, если содержание С соответствует заданному, а содержание S и P – минимально.

6 Раскисление стали проводят в два этапа: 1) В период кипения, путем прекращения подачи руды в печь, вследствие чего раскисление происходит за счет углерода металла и введения в ванну ферросплавов: ферромарганца и ферросилиция. Mn и Si взаимодействуют с растворенным в металле кислородом, в результате чего реакция окисления углерода прекращается. 2) При выпуске стали из печи в ковше проводят ее окончательное раскисление путем введения алюминия и ферросилиция.

В мартеновской печи можно выплавлять легированные стали. При этом легко окисляемые элементы вводят в ванну после раскисления, перед выпуском металла из печи.

Общая продолжительность плавки зависит от емкости печи и условий производства (для печей ёмкостью 200 т – 8…9 часов).

Кислый мартеновский процесссостоит из тех периодов, что и основный. Особенностью является то, что при этом используют металлическую шихту с низким содержанием S и P (не более 0,025%), т.к. в печи с кислой футеровкой нельзя навести основный шлак, способствующий их удалению. Железную руду в печь не загружают во избежание ее взаимодействия с подиной. Шлак имеет повышенную вязкость, что уменьшает выгорание углерода. Кислый процесс дороже основного вследствие большей стоимости исходных материалов, большей длительности плавки (процесса кипения), однако т.к. при этом применяются более чистые по S и P шихтовые материалы, кислые стали имеют более высокие показатели вязкости и пластичности. Поэтому кислый мартеновский процесс используют для получения качественных сталей, используемых для ответственных деталей.

2.3.4 Производство стали в электрических печах

Электропечь – наиболее совершенный агрегат для производства стали. В них выплавляются качественные легированные стали. Это объясняется тем, что здесь можно точно регулировать температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум, более полно раскислить металл.

Электропечи бывают дуговыми и индукционными.

В дуговых печах [6, рис. 26] в качестве источника тепла используют электрическую дугу, возникающую между графитовыми электродами и металлической шихтой.

Печь загружают при снятом своде. Шихта состоит из скрапа углеродистой или легированной стали, чугунного лома и флюса. Флюс – обожженная известь с добавкой плавикового шпата. После загрузки начинается процесс плавки, при этом различают окислительный и восстановительный период плавки.

В окислительный периодшихта расплавляется, при этом окисляются Si, Mn, P избыточный С, частично Fe и другие элементы, образуется первичный шлак. Фосфор из металла удаляется, когда он еще не сильно разогрелся. Образовавшийся фосфористый шлак удаляется. Наводят новый шлак (известь + железная руда). Наведение шлака повторяют 2…3 раза, что позволяет уменьшить содержание фосфора до 0,01% и одновременно уменьшается содержание углерода.

Восстановительный период включает раскисление металла, удаление серы и доведение химического состава до заданного. В печь подают ферромарганец в количестве, обеспечивающем заданное содержание его в стали, производят науглероживание, если выплавляют высокоуглеродистые стали (до 1,5%). Раскисление проводят осаждением (ферромарганцем и ферросилицием) и диффузионным методом (измельчённой раскислительной смесью: известь, плавиковый шпат, молотый кокс и ферросилиций).

Когда достигнуты заданный состав и температура металла, выполняют конечное раскислениестали алюминием и силикокальцием, после чего металл сливают в ковш.

При выплавке легированных сталей Ni, Мo вводят в период плавления шихты или в окислительный период, Cr – в восстановительный, Si, V, Ti – перед выпуском металла в ковш.

Индукционные печи [6, рис. 28] отличаются от дуговых способом подвода энергии к расплавленному металлу.

Основным элементом печи служит охлаждаемый водой индуктор, на который подается ток высокой частоты (500…2500 Гц). При этом вокруг индуктора создается переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит в загруженной металлической шихте вихревые переменные токи (токи Фуко), под влиянием которых металл нагревается и плавится.

Тигли печей изготавливают из кислых и основных огнеупорных материалов (молотый кварц, магнезит). При этом жидкий металл не науглероживается. Под действием электромагнитных сил жидкий металл перемешивается, что ускоряет химические реакции, способствует получению однородного металла.

Применяются индукционные печи для выплавки высоколегированных сталей и сплавов особого назначения. Индукционные печи имеют небольшие размеры, что позволяет помещать их в закрытые камеры с контролируемой атмосферой или вакуумом.

Однако эти печи имеют низкую стойкость футеровки, шлак нагревается теплотой металла, и его температура недостаточна для интенсивного протекания металлургических реакций. Обычно здесь выплавляют стали из легированных отходов методом переплава.

2.3.5 Комбинированные способы производства сталей

Возможны следующие сочетания плавильных агрегатов:

1) основная и кислая мартеновская печь;

2) основная мартеновская печь и электропечь;

3) конвертер и электропечь.

В некоторых случаях комбинированные способы получения стали являются очень экономичными и единственно возможными.

Например, сочетание конвертера с основной мартеновской печью позволяет использовать высокую производительность конвертерного способа и возможность удаления вредных примесей (S, P, N) в мартеновской печи. Сочетание мартеновской и электродуговой печей позволяет сократить расход электроэнергии на расплавление твердой шихты и получать стали высокого качества.