ОСНОВНОЙ МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС
В основной мартеновской печи можно переплавлять чугун и скрап любого состава и в любой пропорции и получать при этом качественную сталь любой марки.
С учетом угара железа и примесей на 1 т выплавляемой в мартеновских печах стали расходуется несколько больше 1 т металлической шихты (чугуна и скрапа). В среднем по стране на 1 т мартеновской стали расходуется 580-590 кг чугуна и 480-485 кг стального лома. Однако для отдельных заводов эти данные значительно отличаются: расход чугуна на 1 т стали колеблется от 300—400 кг для заводов, где нет доменных цехов, до 550-700 кг для заводов с полным металлургическим циклом.
16.8.1. Основные реакции.Кремний окисляется в основной мартеновской печи почти полностью еще во время плавления в результате взаимодействия с кислородом атмосферы или оксидами железа шлака. Параллельно с окислением кремния происходит образование силикатов железа, которые являются составной частью первичного шлака. Окисление кремния и образование силикатов сопровождаются выделением тепла. Реакция окисления кремния практически необратима, так как по мере растворения извести в шлаке происходит образование силикатов кальция
(FeO)2 • SiO 2+2(CaO)=(СаО)2 • SiO2+2(FeO)
и активность SiO2 в шлаке становится ничтожно малой.
Марганец (как и кремний) легко окисляется, взаимодействуя с кислородом атмосферы и оксидами железа |шлака.
При окислении марганца также выделяется тепло. Однако реакция окисления марганца в основной печи идет не до конца. При повышении температуры может протекать обратная реакция — восстановление марганца из шлака. Чем выше температура, тем более благоприятными оказываются условия для восстановления марганца. Практически всегда в конце плавки, если температура ванны достаточно велика, марганец восстанавливается из шлака. Поэтому марганец называют иногда «пирометром» мартеновского процесса: если плавка идет горячо, концентрация марганца постепенно возрастает; если же концентрация марганца понижается, значит, ванна холодная и возможен брак.
Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем в начале плавки. Практически фосфор стремятся удалить из металла в период плавления и в первой половине периода кипения, т. е. когда металл еще сильно не нагрелся. Для создания железисто-известкового шлака осуществляют присадку железной руды (или окалины, или агломерата) и извести (или известняка). Обычно для снижения содержания фосфора до 0,010— 0,015 % достаточно однократного скачивания шлака.
Десульфурация вследствие высокого содержания в мартеновских шлаках окислов железа имеет ограниченное развитие. Коэффициент распределения серы T|S = (S)/[S] весьма невелик и составляет обычно 3—10. При обычной шихте получение в готовой стали менее 0,040 % S (требования ГОСТа для большинства марок) особых трудностей не представляет, однако получение более низких (< 0,015—0,020 %) концентраций серы затруднительно. В связи с этим при выплавке металла с особо низким содержанием серы операцию удаления серы частично переносят в ковш.
Особое внимание обращают на содержание серы в топливе. Мазут для отопления мартеновских печей применяют низкосернистый. Наиболее чистым (по содержанию серы) топливом является природный газ.
Окисление углерода и кипение мартеновской ванны. Эффект кипения мартеновской ванны создается в результате протекания реакции окисления растворенного в металле углерода и выделения образующегося при этом СО. Эту реакцию часто считают основной реакцией мартеновского процесса, что обусловлено следующим. В результате протекания реакции обезуглероживания и сопровождающего ее эффекта кипения выравниваются химический состав ванны и температура металла, удаляются содержащиеся в металле газы, облегчается процесс всплывания и ассимиляции шлаком неметаллических включений, увеличивается поверхность соприкосновения металла со шлаком и тем самым облегчаются условия удаления из металла вредных примесей — фосфора и серы. Другими словами, ведение мартеновского процесса без реакции окисления углерода и кипения невозможно.
В сталях, выплавляемых в мартеновских печах, содержится обычно от 0,05 до 1,0 % С (это содержание зависит от марки стали). В шихте количество углерода выше. Во всех случаях необходимо, чтобы в начале периода кипения ванна содержала углерода больше, чем требуется в готовом металле. Это необходимо, чтобы избыточный углерод во время плавки окислялся и ванна кипела.
На рис. 11.1 показана схема передачи кислорода из газовой фазы через шлак в металл. Скорость передачи кислорода из атмосферы через шлак к металлу невелика и во многих случаях может лимитировать скорость протекания процесса в целом. Для повышения скорости доставки кислорода осуществляют присадки железной руды (окалины и др.) или продувают ванну кислородом.
Важным звеном в развитии реакции обезуглероживания может быть выделение СО в газовую фазу. Зарождение новой фазы облегчается при нарушении сплошности металла, при наличии каких-либо поверхностей, полостей, пузырей, при наличии шероховатой, плохо смачиваемой жидкостью твердой поверхности. В данном случае такой поверхностью может служить под мартеновской печи. Поверхностные слои пода печи принимают активное участие в процессе обезуглероживания металла. Тысячи пузырьков СО, выделяясь на границе металл — под, пронизывают толщу мартеновской ванны, вызывая ее кипение; пузырьки СО могут выделяться также на границе металл — шлак, металл — газовый пузырь и т. п.
К началу завалки шихты поверхностные слои пода насыщены оксидами железа. Насыщение происходит вследствие смывания пода шлаком при выпуске плавки и главным образом вследствие воздействия окислительной атмосферы печи на остающиеся на подине капли металла. Во время плавки поверхностные слои пода принимают активное участие в процессах окисления примесей: содержащиеся в поверхностных слоях оксиды железа восстанавливаются, и на поверхности образуются поры диаметром 1—2 мм.
В начальный период плавки поверхность пода хорошо ошлакована, она хорошо смачивается металлом (малое межфазное натяжение между материалами пода и металлом Ме.под). В процессе плавки тонкий ошлакованный слой в результате взаимодействия с расплавом исчезает, смачиваемость металлом подины ухудшается (величина ме-под, возрастает). Силы поверхностного натяжения препятствуют заполнению пор подины металлом, в результате на ставшей шероховатой поверхности пода печи создаются более благоприятные условия для зарождения пузырьков СО и соответственно для кипения ванны. Наблюдения за ходом плавки показывают, что через некоторое время после полного расплавления наступает момент, когда ванна начинает интенсивно кипеть по всей поверхности. Образовавшиеся на подине пузырьки СО начинают свое движение, приводя к перемешиванию ванны, выравниванию ее состава, тем самым облегчают протекание процессов передачи тепла сверху к нижним слоям, увеличивают поверхность соприкосновения шлака и металла. В этой связи роль пода в мартеновском процессе очень велика. Поэтому мартеновские печи делают с неглубокой ванной, стремясь иметь при данной емкости печи возможно большую площадь пода. Например, длина ванны 900-т мартеновской печи составляет 25 м, ширина — 6,4 м (площадь пода 160м2), а максимальная глубина ванны (в середине печи) — всего 1,3м.
Количество пузырьков СО, проходящих через металл при кипении ванны, огромно. Обычно скорость окисления углерода в период кипения колеблется в зависимости от емкости печи от 0,2 до 0,8 % С/ч. При скорости окисления углерода 0,2 % С/ч в 900-т печи за 1 мин выгорает 0,2 • 900Д60 • 100) = = 0,03 т = 30 кг углерода. При окислении 30 кг углерода образуется: 30 • 28/12 = 70 кг СО, или 70 • 22,4/28 = = 56м3 СО.
Объем металла в ванне 900-т печи около 130м3. Если учесть расширение объема СО при нагреве до 1600°С примерно в 7 раз, то получается, что каждую минуту через ванну проходит количество газов, превышающее в несколько раз объем металла (в данном случае примерно в 3 раза). Кипение металла также облегчает протекание процессов его дегазации и всплывания неметаллических включений.
Содержание кислорода в металле при «закипании» ванны снижается и поддерживается на уровне, соответствующем содержанию в нем углерода. До тех пор пока в мартеновской ванне идет процесс кипения, вызываемый протеканием реакции окисления углерода, металл не будет переокислен, так как поступающий в металл кислород будет немедленно удаляться в результате протекания реакции [С] + [О] -» СОГ.
Пузырьки СО, уносящие кислород, очищают металл также от азота и водорода. Если по каким-то причинам реакция обезуглероживания и соответственно кипение ванны замедлились или приостановились, то немедленно начинает повышаться концентрация газов в металле. При отсутствии кипения получить металл в мартеновской печи с малым содержанием газов невозможно. Обычно в мартеновской стали содержится 0,003-0,005% N, т.е. меньше, чем обычное его содержание в бессемеровском и томасовском металле, а также в металле, выплавленном в дуговых печах. Концентрация водорода колеблется в более широких пределах—от 0,0003 до 0,0010%, или от 3 - 4 до 10—12 см3/100 г металла.
Кипение металла облегчает также процесс вспылывания и ассимиляции в шлаке неметаллических включений. Поверхностное натяжение на границе газовый пузырек — включение меньше, чем на границе металл - включение, т. е. агаз-вкл < стме-вкл- в результате включение как бы «прилипает» к поднимающемуся пузырьку СО, т. е. пузырьки «промывают» ванну от включений. При прохождении пузырька через шлак включение остается в шлаке.
16.8.2. Раскисление металла в мартеновской печи.При проведении раскисления мартеновской стали раскис-лители в металл вводят обычно в два приема: часть — в печь, а часть — на струю металла, вытекающего во время выпуска из печи в ковш, или непосредственно в ковш. Таким образом происходит предварительное и окончательное раскисление. Часть раскисли-телей попадает в шлак. В результате снижается активность оксидов железа в шлаке, в верхних слоях ванны возрастает концентрация элементов-рас -кислителей, вследствие чего поток кислорода в глубь ванны из атмосферы печи и из шлака на какое-то короткое время прекращается. Сверхравновесный кислород, имеющийся в ванне, продолжает еще некоторое время реагировать с растворенным в металле углеродом, но, поскольку приток новых порций кислорода в ванну прекращен, общее содержание кислорода снижается и кипение ванны прекращается (на языке мартеновцев «ванна успокоилась»).
Такое состояние ванны продолжается недолго (10—20 мин, в зависимости от емкости печи и количества введенных раскислителей); за это время сталевар должен уточнить состав металла, ввести, если требуется, нужные добавки и выпустить плавку.
Угар раскислителей и легирующих добавок при вводе в печь выше, чем при вводе их в ковш, поэтому основную массу раскислителей и легирующих добавок вводят для окончательного раскисления в ковш (и на струю металла, падающую в ковш).
16.8.3. Особенности хода плавки при скрап-процессе.Ход мартеновской плавки в значительной степени зависит от состава шихты и марки выплавляемой стали. Соотношение между количествами заваливаемого лома и чугуна определяется составом чугуна и лома, окислительной способностью печи, маркой выплавляемой стали, а также диктуется экономическими соображениями. На характер протекания плавки влияют также качество лома, его вид: стружка, обрезь, тяжеловесный лом и т. п.
Как уже неоднократно отмечалось, для получения качественной стали необходимо, чтобы металл в печи некоторое время кипел. Эффект кипения вызывает реакция окисления углерода. Поэтому металл в начале периода кипения (при расплавлении) должен содержать углерода значительно больше, чем в конце, перед выпуском плавки. Обычно в зависимости от марки стали, емкости печи и других условий избыточная величина содержания углерода составляет 0,4—0,8 %. Например, если нужно выплавить сталь с 0,4 % С, необходимо, чтобы при расплавлении в ванне металла содержалось 0,4 + 0,5 = 0,9 % С. Избыток углерода в период кипения выгорит; при этом металл нагреется, газы и включения удалятся, произойдут дефосфора-ция, десульфурация и др. Необходимое количество углерода поступает в шихту обычно с чугуном, и лишь в исключительных случаях, когда чугуна нет или он очень дорог, необходимое количество углерода вводят с карбюраторами (углем, коксом, электродным боем и др.). В этом случае процесс называется карбюраторным.
Периоду кипения предшествуют периоды завалки и плавления шихты. Во время завалки и плавления углерод шихты тоже окисляется и величина угара зависит от таких факторов, как продолжительность завалки и плавления, окисленность скрапа, содержание Si и Мп в чугуне, мощность факела и др. Например, если в чугуне много кремния, то угар углерода будет меньше. Обычно угар углерода за время завалки и плавления составляет 30—40 %. Зная на основании опытных данных процент угара углерода, можно в каждом конкретном случае подсчитать требуемое количество чугуна для завалки.
Например, для выплавки стали 45 (0,45 % С) необходимо, чтобы при расплавлении было около 0,45 + 0,50 = 0,95 % С. Если принять, что за время завалки и плавления выгорает 35 % углерода шихты (остается 65 %), то, чтобы после расплавления было 0,95 % С, необходимо иметь в шихте 0,95:0,65 = 1,46% С.
Если принять, что в чугуне 4 % С, а в скрапе 0,3 % С и обозначить количество чугуна через х, а количество скрапа (100 — х), то получим
4,0х + 0,3(100 -х) = 1,46 ∙100; х=34%.
Таким образом, для выплавки стали 45 необходимо при данных условиях иметь в шихте 34 % чугуна и соответственно 66 % скрапа.
Обычно доля чугуна в шихте при скрап-процессе в зависимости от заданной марки стали колеблется от 25 до 40 % массы металлической шихты. Заваливаемый в мартеновские печи при скрап-процессе чугун обычно поступает в цех в твердом состоянии — в чушках.
Тепло экзотермических реакций окисления примесей (Si и Мп) составляет при скрап-процессе 8-10 % от общего прихода тепла в рабочем пространстве печи. Кремний и марганец, находящиеся в шихте в значительных количествах, предохраняют в известной мере от окисления железо и углерод, позволяя таким образом вести процесс с меньшим содержанием чугуна в шихте. Однако слишком высокие концентрации кремния и марганца в шихте приводят, во-первых, к увеличению угара и уменьшению выхода жидкой стали (ведь Si и Мп за время завалки и плавления окисляются) и, во-вторых, к образованию чрезмерного количества шлака, затрудняющего передачу тепла ванне.
Обычно вначале заваливают в печь железный скрап, затем чугун. Капельки чугуна, расплавляющегося под воздействием факела, стекают вниз, передают тепло нижним слоям шихты и науглероживают скрап, снижая тем самым температуру его плавления.
Наконец наступает момент, когда вся металлическая шихта расплавляется и начинается период так называемого кипения. К этому моменту ванна оказывается покрытой шлаком.
Для удаления фосфора и серы основность шлака должна быть достаточно высокой. С этой целью в шихту основной мартеновской плавки вводят известняк (СаСО3) или известь (СаО), расход которых на завалку зависит от состава шихты и требований, предъявляемых к составу шлака после расплавления.
Например, если шихта 100-т печи состоит из 40т чугуна, содержащего 1,5 % Si, и 60т скрапа, содержащего 0,25% Si, то всего кремния в шихте будет
.
Во время завалки и плавления кремний шихты окисляется практически полностью. В данном случае образуется 0,75 • 60/28 = 1,61 т Si02.
Для получения шлака (после расплавления ванны) с основностью CaO/SiO2 = 2,2 необходимо ввести 1,61 • 2,2 = 3,54т СаО. Если принять, что в известняке около 50 % СаО, то в данном случае необходимо завалить в печь 3,54 : 0,50 = 7,08 т известняка.
Если в шихте находится повышенное количество фосфора или используются добавки, содержащие кремний или кремнезем, то расход известняка (или извести) соответственно возрастает. Обычно расход известняка при скрап-процессе составляет 5—10 % от массы металлической шихты. Известняк заваливают в нижние слои шихты вперемежку со скрапом. При нагревании СаСО3 разлагается, СаО переходит в шлак, а пузырьки СО2 участвуют в процессе перемешивания ванны. Кроме того, пузырьки СО2, проходя через расплавляющуюся ванну, участвуют также в процессе окисления углерода:
СО2 + С = 2СО.
Известняк — материал с малой теплопроводностью. Процесс разложения известняка длительный, поэтому часто вместо известняка в печь заваливают известь. При этом ускоряется шлакообразование, сокращается расход тепла, уменьшается расход чугуна. Применяемая в мартеновских цехах известь содержит обычно не менее 85 % СаО. Расход извести на завалку со-\ ставляет 4—8 % от массы металлической шихты.
Во время завалки и плавления окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть марганца. Кроме того, за это же время окисляется некоторое количество железа. Оксиды железа, кремния и марганца вместе со всплывшей известью образуют основной шлак, обычный состав которого, %: СаО 35—40, SiO2 20-25, FeO 10-15, MnO 13-17.
Общее количество шлака после расплавления составляет 8—10 % от массы металла.
16.8.4. Особенности хода плавки при скрап-рудном процессе. На заводе с полным металлургическим циклом чугун из доменного цеха в мартеновский подают в жидком состоянии. Количество подвозимого чугуна зависит от производительности доменного цеха и общего баланса металла по заводу.
Содержание углерода в металле при скрап-рудном процессе регулируют не посредством увеличения или уменьшения расхода чугуна (как при скрап-процессе), а введением в завалку большего или меньшего количества железной руды (или продувкой ванны кислородом). Расход железной руды может колебаться от 5 до 15 % от массы металлической шихты. Если при том же расходе чугуна расход руды в завалку увеличить, то содержание углерода по расплавлении металла в ванне уменьшится и наоборот.
Чтобы получить по расплавлении шлак нужной основности, в состав шихты при скрап-рудном процессе, так же как и при скрап-процессе, вводят известняк. Ход плавки при скрап-рудном процессе следующий.
После осмотра и ремонта пода на него заваливают железную руду и известняк, затем после некоторого прогрева—лом. После того как лом нагрелся, в печь заливают чугун. Жидкий чугун, проходя через слой лома, взаимодействует с железной рудой. Начинается интенсивное шлакообразование. Примеси чугуна энергично реагируют с оксидами железа руды:
2Fe203 + 3[Si] = 2(Si02) + 4FeX)
Fe2O3 + 3[Mn] = 3(MnO) + 2Fеж,
5Fe203 + 6[P] = 3(Р205) + 10Fеж,
Ре2О3 + 3[С] = ЗСОг + 2Fеж.
Шлак получается в очень большом количестве. Образующиеся в результате окисления углерода пузырьки СО вспенивают шлак, и он начинает вытекать, «сбегать» из печи. Шлак, который стекает из печи во время плавления после заливки жидкого чугуна, называют «сбегающим» первичным шлаком. Состав этого шлака характеризуется низкой основностью и высоким содержанием FeO и МпО (если в чугуне > 1 % Мп). Железистые шлаки и пониженная температура благоприятствуют дефосфорации. Фосфор в этих шлаках находится главным образом в виде (FeO)3 • Р2О5. Средний состав первичного (сбегающего) шлака следующий, %: SiO2 20— 35; СаО 12-20; А12О3 3-5; MgO 5-9; FeO 25-35; MnO 15-35; Fe2O3 3-5; P205 2-4.
Содержание СаО в этом шлаке невелико; поскольку известняк еще не успел достаточно прогреться, процесс его разложения и всплывания образующегося СаО в шлак только начался. Со сбегающим шлаком из печи удаляется значительное количество нежелательных оксидов: SiO2 и Р2О5. К сожалению, вместе со шлаком уходит также определенное количество оксидов 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 50—70 % от всего образующегося во время плавления шлака. Спуск шлака продолжается почти до полного расплавления шихты.
За период плавления полностью окисляется кремний, почти полностью марганец и большая часть углерода.
Описанный выше процесс завалки шихты, заливки чугуна и плавления протекает довольно медленно (около 70 % времени всей плавки); при этом расходуется значительное количество тепла топлива (до 80 % от общего расхода топлива на плавку). Для ускорения процесса плавления и окисления примесей вскоре после заливки чугуна ванну начинают продувать кислородом. Продувку ведут через водоохлаждаемые фурмы, опускаемые в отверстия в своде печи. Поскольку при продувке значительная часть примесей окисляется за счет вдуваемого кислорода, расход железной руды в завалку резко сокращают. При окислении железа и примесей за счет газообразного кислорода выделяется значительное количество тепла, металл энергично перемешивается, часть примесей окисляется за счет горячего кислорода воздуха, поступающего из регенераторов. Продолжительность плавления при таком методе работы сокращается в 2—3 раза; соответственно сокращается расход топлива. Расход кислорода на продувку ванны во время плавления достигает 30 м3/т стали.
Несмотря на то что при скрап-рудном процессе в печь загружают больше чугуна, а вместе с ним больше кремния, марганца, фосфора и других элементов, состав шлака после расплавления оказывается примерно таким же, как при скрап-процессе, так как значительное количество образующихся оксидов SiO2, MnO, Р2О5 выводится из печи со сбегающим шлаком еще до полного расплавления металла.
16.8.5. Проведение периода кипения.Поскольку составы металла и шлака после расплавления при скрап-процессе и скрап-рудном процессе практически не различаются, период кипения металла протекает также одинаково.
16.8.6. Технико-экономические показатели основного мартеновского процесса.Производительность печей определяется несколькими показателями: съемом стали с 1 м2 площади пода в сутки — т/(м2 • сут), часовой производительностью — т/ч и годовой производительностью — т/год. Съем стали и часовая производительность могут быть отнесены к календарному и номинальному времени (номинальное время равно календарному за вычетом времени на ремонт печи). Продолжительность горячих и холодных ремонтов обычно составляет 6—7 % (т. е. из 365 дней в году 340—343 сут печь работает и 25—22 сут в течение года находится на ремонте).
Например, если площадь пода 250-т печи составляет 75 м2, плавка длится 6 ч (четыре плавки в сутки) и за каждую плавку получают в среднем 245 т годных слитков, то для такой печи: съем стали
245 • 4/75 = 13,0 т/(м2 • сут);
часовая производительность
245/6 = 41,0 т/ч;
годовая производительность
245 • 4 • 340 = 330 тыс. т/год (при 340 рабочих сутках в году).
Себестоимость мартеновской стали в значительной мере определяется стоимостью шихтовых материалов. Расход шихтовых материалов (на 1 т годных слитков) зависит от вида разливки (сверху, сифоном или непрерывная), брака металла, количества скрапа, образования недолитых слитков (так называемые недоливки) и др. Расход металлошихты на 1 т годных слитков составляет 1050—1100кг для скрап-рудного процесса и 1100— 1200кг для скрап-процесса. Выход годного соответственно равен 91—95 и 89-91 % (при скрап-рудном процессе расходуется больше железной руды и часть железа руды восстанавливается и переходит в металл).
Большое значение для снижения себестоимости стали имеет повышение производительности труда, т. е. увеличение количества выплавленной стали на одного рабочего. Выплавка стали на одного рабочего мартеновского цеха колеблется в широких пределах. В современных крупных мартеновских цехах, работающих скрап-рудным процессом, на одного рабочего приходится 2000—6000 т стали в год.
Из себестоимости стали вычитается стоимость пара, полученного на котлах-утилизаторах. Этот пар продается другим потребителям. При переработке фосфористой шихты себестоимость снижается за счет продажи фосфористого шлака. Себестоимость легированной стали возрастает вследствие повышения расходов на ферросплавы и легирующие добавки.
Дата добавления: 2016-01-29; просмотров: 840;