КИСЛЫЙ МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС

В первых мартеновских печах, построенных в 1854-1855 гг. П.Мартеном, подина была кислой, ее изготавливали из кварцевого пес­ка. Мартеновский процесс существовал именно как кислый процесс вплоть до 1878 г., когда успехи применения основной футеровки в томасовском конвертере оказали существенное влияние на дальнейшее разви­тие мартеновского производства и стал раз­виваться основной процесс.

В случае кислого процесса шлак также кислый и, следовательно, ни серу, ни фос­фор удалить из металла в кислой печи невоз­можно. Поэтому к шихте и топливу, предназ­наченным для кислой мартеновской печи, предъявляются особые жесткие требования.

В отличие от основного мартеновского процесса, когда в печь заваливают значитель­ное количество известняка или извести, а при скрап-рудном процессе также и желез­ную руду, в кислом процессе источников для образования шлака меньше. Металл может оказаться покрытым недостаточным слоем шлака; в результате возможны его интенсив­ное окисление и насыщение газами. Для пре­дотвращения этого на подину до завалки шахты загружают конечный кислый шлак (от предыдущих плавок), шамотный бой и квар­цевый песок — всего в количестве 2—4 % от массы металла. Образующиеся во время плавления основные оксиды железа и мар­ганца вступают во взаимодействие с кремне­земом, образующимся в результате окисле­ния кремния шихты. В результате получают­ся сравнительно легкоплавкие силикаты же­леза и марганца. Однако того количества SiO2, которое образуется при окислении кремния шихты, для ошлакования FeO и МпО обычно недостаточно. Недостающее количество кремнезема переходит в шлак из футеровки пода, например:

2(FeO) + Si0₂. _пода = (FeO)₂ • SiO₂;

2(MnO) + SiO_{2 пода} = (МпО)₂ • SiO₂.

Если в завалку вводят шамот или песок, то количество футеровки, перешедшей в шлак, уменьшается. Кислая футеровка печи регулирует, таким образом, состав шлака после расплавления. Практически, несмотря на существенные различия в составе шихты и типе процесса, во всех случаях состав кис­лого мартеновского шлака после расплавле­ния примерно одинаков, %: FeO 15-20, МпО 20—30, SiO₂ 42—47, изменяется лишь количество шлака. Суммарное содержание (FeO) + (MnO) в кислом шлаке после рас­плавления составляет 45-50 %.

Находясь в соприкосновении с кислой футеровкой пода, шлак кислого мартеновс­кого процесса непрерывно обогащается кремнеземом. Содержание SiO₂ в шлаке к концу плавки достигает 55—60 %. Из рас­смотрения диаграммы состояния FeO-MnO-SiO₂ следует, что для расплавления шлака, содержащего более 55 % SiO₂, требуется тем­пература, значительно превышающая темпе­ратуру ванны (1600 °С), поэтому к концу плавки кислый шлак становится гетероген­ным. (Избыточное по отношению к концент­рации насыщения количество кремнезема находится в шлаке во взвешенном состоя­нии.)

Таким образом, в отличие от основного процесса, где активность SiO₂ в шлаке нич­тожна мала, ванна кислого мартеновского процесса насыщена кремнеземом. Это обсто­ятельство создает благоприятные условия для восстановления кремния из кремнезема шла­ка и пода.

В кислой печи непрерывно идут два про­цесса:

1) окисление кремния оксидами железа шлака, в результате чего содержание крем­ния в металле уменьшается;

2) восстановление кремния из шлака и из пода, в результате чего содержание кремния в металле повышается.

Содержание кремния в ванне определя­ется соотношением скоростей этих двух про­цессов. Скорость восстановления кремния из пода примерно постоянна, скорость же окис­ления в значительной степени зависит от со­става шлака и его жидкотекучести. Интенси­фицировать процессы окисления примесей в кислой печи можно путем введения желез­ной руды, марганцевой руды, извести или мелкораздробленного известняка, а также продувкой ванны кислородом. Например, при введении в печь извести (или известня­ка) образуются более прочные, чем силикаты железа, силикаты кальция

(FeO)₂ • SiO₂ + 2CaO = (СаО)₂ • SiO₂ + 2(FeO),

в результате чего активность оксидов железа в шлаке возрастает. Влияние состава шлака на его жидкотекучесть показано на рис. 16.11. Изменения скорости протекания реак­ции окисления можно добиться, изменяя также характер атмосферы печи. При умень­шении коэффициента расхода воздуха уменьшаются парциальные давления окис-

Рис. 16.11. Влияние состава кислого шлака на его жидкотекучесть

лительных составляющих газовой фазы (О₂, НаО, СО₂) и скорость перехода кислорода в металл снижается.

Если после расплавления в печь не вво­дят никаких добавок, то по мере повышения температуры металла шлак постепенно насы­щается кремнеземом (как в результате окис­ления восстанавливающегося из подины кремния, так и вследствие простого разъеда­ния подины). Шлак становится все более вязким; скорость перехода кислорода из ат­мосферы печи через шлак в металл уменьша­ется. В результате через некоторое время после расплавления скорость восстановления кремния оказывается выше скорости его окисления и концентрация кремния в метал­ле растет. Такой метод ведения плавки назы­вается пассивным, а процесс — кремневосста-новительным. Если по ходу плавки вводят руду, известь или известняк, в результате чего повышается жидкоподвижность шлака, растет его окислительная способность и ме­талл интенсивно кипит, то содержание крем­ния выше определенных пределов (0,10— 0,12%) не возрастает. Такой метод ведения плавки называется активным, а процесс — с ограничением восстановления кремния.

Кремневосстановительный процесс на­чинается так же, как и активный, — присад­кой руды и кипением ванны. После того как металл нагрелся, а шлак начал заметно гус­теть, обогащаясь кремнеземом, ход кремне-восстановительного процесса уже отличается от хода активного процесса. Присадок руды или извести больше не делают, окислитель­ную роль факела сводят к минимуму; в ме­талле заметно возрастает содержание крем­ния (в результате его восстановления из пода и из шлака); кипение металла практически прекращается. Если в это время взять из печи пробу металла, то она застынет совершенно спокойно, т. е. металл в печи раскислен. Этот период мертвого состояния ванны, когда ки­пение практически прекратилось (скорость окисления углерода всего ~ 0,05 % С/ч) и идет постепенное восстановление кремния, называется периодом стабилизации. Во время этого периода кремний восстанавливается до пределов, установленных для стали данной марки (иногда до 0,60 % Si) с тем, чтобы из­бежать введения раскислителей, в частности ферросилиция. Продолжительность периода стабилизации 1-2 ч.

16.9.1. Качество металла, выплавленного в кислых печах. Кислая сталь содержит меньше газов, чем сталь тех же марок, выплавленная в основных мартеновских печах, дуговых пе­чах или конвертерах. Этому способствуют: а) чистота шихты; б) небольшое количество вводимых в печь шлакообразующих; в) насы­щенные кремнеземом вязкие шлаки, облада­ющие очень малой газопроницаемостью; г) более низкое содержание кислорода по ходу плавки в кислой печи по сравнению с основной, так как помимо раскисляющего действия кремния протекает процесс взаимо­действия FeO, растворенной в металле, с SiO₂ шлака и футеровки; д) уменьшение количе-

ства раскисляющих и легирующих добавок, вводимых в печь или в ковш, которые вносят с собой соответственно меньшее количество газов (в частности, водорода и азота) и неже­лательных примесей. В некоторых случаях металл получается настолько раскисленным, что раскислители не вводят вообще (кремне-восстановительный процесс). Расход легиру­ющих добавок (феррохрома, феррованадия и др.^при кислом процессе также ниже, чем в основном. Это обусловлено тем, что концен­трация кислорода в металле и активность ок­сидов железа в шлаке низкие, а следователь­но, и угар легирующих добавок невысок.

В обычной кислой мартеновской стали содержится всего 0,006-0,10% [О], 0,0010-0,0015% [N] и 2-4см³/100г [Н].

Низкое содержание серы в шихте и топ­ливе дает возможность получать в кислых пе­чах сталь с небольшим содержанием серы и соответственно сульфидных включений. Вы­сокое качество шихтовых материалов, само­раскисление металла под воздействием кис­лой футеровки и углерода, растворенного в металле, и малая газопроницаемость шла­ка — все это, вместе взятое, обеспечивает по­лучение металла с ничтожным количеством газов и неметаллических включений.

Особенностью включений в кислой стали является округлая форма, сохраняющаяся после прокатки, в то время как включения основной стали часто представляют собой вытянутые пластинки или цепочки; длинная ось включений в этом случае совпадает с на­правлением вытяжки металла при обработке давлением, поэтому свойства основного ме­талла в поперечных образцах значительно ниже, чем в продольных. В отличие от основ­ной стали, механические свойства кислой стали в продольном и поперечном направле­ниях относительно направления прокатки или ковки примерно одинаковы. В результа­те отличительной чертой кислой стали явля­ется меньшая, чем у основной стали, анизо­тропия¹ механических свойств, особенно ударной вязкости и упругости. Кроме того, механические свойства кислой стали, как правило, стабильнее, ровнее (от плавки к плавке), чем основной стали той же марки. Поэтому для изготовления изделий, которые при эксплуатации испытывают нагрузки в поперечном (относительно оси обработки давлением) направлении, предпочитали ис­пользовать кислую сталь.

'От греч. anisos — неравный + tropos — свойство. Неодинаковые физические свой­ства тела в разных направлениях.

Кислая мартеновская сталь идет на изго­товление коленчатых валов различных двига­телей, роторов крупных турбин электростан­ций, шариковых и роликовых подшипников большого диаметра, артиллерийских орудий и других изделий ответственного назначения. Стабильность технологии и незначительное содержание вредных примесей в кислой ста­ли дают возможность получить крупные

слитки для подковок (200 т и более) с мини­мальным развитием неоднородности состава и свойств по высоте и поперечному сечению.

Несмотря на исключительно высокие ка­чества кислой мартеновской стали, область ее применения постепенно сужается, так как, во-первых, непрерывно улучшается качество основной мартеновской стали, конвертерной стали и электростали и, во-вторых, сто­имость кислой мартеновской стали значи­тельно (в 1,5—2,0 раза) выше, чем основной. В настоящее время кислая мартеновская сталь идет лишь на изготовление особо от­ветственных изделий, а также изделий, сто­имость обработки которых в дальнейшем (после выплавки и разливки) настолько ве­лика, что во много раз превышает стоимость слитка.

Это относится, в частности, к агрегатам высокой единичной мощности, используе­мым в химической, газонефтедобывающей, атомной промышленности.

ДВУХВАННЫЕ ПЕЧИ

Широкое развитие кислородно-кон­вертерного производства показало возможность интенсивной переработ­ки больших масс чугуна при его про­дувке кислородом и одновременной переработке некоторого количества металлического лома.

Конструкторы двухванных печей предложили помимо интенсивной продувки ванны кислородом утилизи­ровать непосредственно в рабочем пространстве хотя бы часть тепла вы­деляющихся газов для нагрева шихты.

При этом используется как физичес­кое тепло отходящих газов, так и теп­ло, выделяющееся при окислении СО до СО₂.

Двухванные печи представляют собой плавильные агрегаты с двумя ваннами, двумя головками, двумя вертикальными каналами, двумя шлаковиками и системой боровов и перекидных клапанов. Принцип ра­боты двухванной печи заключается в том, что в то время как в одной ван­не идет продувка металла кислоро­дом, в другой твердая шихта (метал­лолом, добавочные материалы) по­догревается за счет тепла отходящих от первой ванны газов (рис. 16.12). Поскольку плавки в такой печи вы­даются одна за другой, печи эти иногда называют тандем-печами, а процесс — тандем-процессом. Про­изводительность печи при таком ме­тоде работы возрастает.

Расчет показывает, что при продув­ке кислородом обычного передельно­го чугуна приход тепла на 1 т чугуна составляет ~3150МДж. Это количе­ство тепла складывается из трех при­мерно равных слагаемых: 1) физичес­кого тепла жидкого чугуна; 2) тепла, выделяющегося при окислении при­месей чугуна; 3) тепла сгорания СО до СО₂.

Статьи расхода тепла в двухванной печи распределяются следующим об-

Рис. 16.12. Схема двухванной сталеплавильной печи:

/ — первая ванна; 2— вторая ванна; 3 — кислородные фурмы; 4 — топливно-кислородные горелки

разом: ~ 50 % — тепло жидкой стали и шлака (энтальпия ванны); ~ 10 % — тепло отходящих газов (в основном СО₂); остальные 40 % — тепло, расхо­дуемое на компенсацию потерь тепла через кладку с охлаждающей отдель­ные элементы печи водой и на перера­ботку лома или железной руды (избы­ток тепла).

Количество переработанного лома (или железной руды) определяется на основе теплового баланса. При содер­жании в шихте более 65—68 % жидкого чугуна двухванные печи могут рабо­тать без расхода топлива. Если же по условиям производства в печь загру­жается лома больше, чем соответству­ет тепловому балансу, то недостаток тепла компенсируется подачей топли­ва. Естественно, что тепловой баланс зависит также от состава чугуна, глав­ным образом от содержания в нем кремния. Топливо в двухванные печи подается с помощью топливно-кисло-родных горелок, установленных в сво­де и торцах печи.

Поскольку на двухванных печах ре­генераторов нет, то нет и необходимо­сти сохранять тепло газов, попадаю­щих из печи в шлаковик. Для сниже­ния температуры отходящих газов в шлаковики впрыскивается вода, и это, в свою очередь, приводит к получе­нию в шлаковика-х рыхлого шлака, удаляемого легко, без взрывов и нару­шения кладки.

Технология плавки в двухванной печи принципиально не отличается от технологии плавки в мартеновс­кой печи, работающей с интенсив­ной продувкой ванны кислородом, однако имеется некоторое различие. В момент окончания заливки чугу­на, когда начинается интенсивная продувка ванны сверху кислородом, технология плавки имеет сходство с технологией плавки в конвертере. В момент начала продувки ванны в шлаке наблюдается высокое содер­жание оксидов железа (30-40 %, а на некоторых плавках оно еще выше). В период интенсивного обез­углероживания содержание оксидов железа в шлаке несколько снижает­ся, однако в конце плавки, при по­нижении концентрации углерода, содержание оксидов железа вновь возрастает.

Основное количество тепла в ванне печи выделяется в результате окисле­ния железа и его примесей, а относи­тельная величина теплоотдающей по­верхности в двухванной печи выше, чем в конвертере, поэтому температу­ра в рабочем пространстве ниже, чем в мартеновских печах (в периоды плав­ления и доводки) и в конвертерах. Температура шлака в двухванной печи, как правило, не превышает тем­пературы металла, а на отдельных плавках даже ниже. Вследствие более низкой температуры шлака наведение активного жидкоподвижного высоко­основного шлака затрудняется, поэто­му предпочитают по ходу плавки не вводить значительных порций извес­ти, а для полного ошлакования извес­ти или известняка, загруженных во время завалки, практикуют метод подъема одной или двух фурм. При этом начинает интенсивно окисляться железо (так же, как в начальный пери­од конвертерной плавки); в результате повышения температуры шлака и его окисленности быстро формируется достаточно жидкоподвижный и гомо­генный шлак.

Достоинствами двухванных печей являются: 1) высокая производи­тельность (по сравнению с марте­новскими печами); 2) возможность размещения печей в условиях суще­ствующих мартеновских цехов. Эти достоинства определили некоторое распространение (в период нехватки стали) печей такого типа для замены мартеновских агрегатов. Накоплен­ный опыт выявил и ряд серьезных •' недостатков, а именно: большие под­сосы холодного воздуха, увеличен­ный расход кислорода, повышенный угар металла, значительный вынос плавильной пыли, серьезные пробле­мы в организации безопасной рабо­ты персонала по причине интенсив­ного выделения пыли из рабочего пространства печи непосредственно в цех и др.

Эти недостатки предопределили постепенный отказ производственни­ков от использования сталеплавиль­ных агрегатов этого типа.