Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Основной мартеновский процесс

Основной мартеновский процесс
В основной мартеновской печи можно переплавлять чугун и скрап любого состава и в любой пропорции и получать при этом качественную сталь любого состава (кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в электропечах). Состав применяемой металлической шихты зависит от состава чугуна и скрапа и от расхода чугуна и скрапа на 1 т стали. Соотношение между расходом чугуна и скрапа зависит от многих условий.

Обычно на 1 т мартеновской стали в среднем расходуется 575-585 кг чугуна и 490-515 кг стального лома. Однако для отдельных заводов эти цифры значительно отличаются; расход чугуна на 1т стали колеблется от 300—400 кг для заводов, не имеющих доменных цехов, до 550-700 кг (остальное лом) для заводов с полным металлургическим циклом.

Из общего количества переплавляемого в основных мартеновских печах нашей страны стального лома около половины приходится на оборотный лом, т.е. на отходы сталеплавильных и прокатных цехов завода (обрезь при прокате, брак, отходы по разливке и др.), и около половины — на лом, который изготовляют специализированные организации. Состав оборотного лома известен, что же касается так называемого лома "покупного", то его состав практически не известен, что, конечно, затрудняет работу мастера-сталевара, особенно при производстве качественного металла.

Практически в стали любой марки содержится некоторое количество углерода, марганца, серы, фосфора, во многих случаях также кремния. Соответственно эти же элементы содержатся и в отходах, которые идут на переплавку в основной мартеновские печи. В отходах легированных и высоколегированных сталей содержится значительное количество хрома, никеля, кремния, марганца, меди и других элементов. Таким образом, мартеновская шихта, кроме железа, практически нсегда содержит еще то или иное количество углерода, кремния, марганца, серы, фосфора, меди, никеля и других примесей.

Основные реакции основного мартеновского процесса

Кремний, марганец, фосфор и углерод характеризуются большим сродством к кислороду, чем железо; эти примеси в условиях мартеновской плавки окисляются. Медь и никель характеризуются меньшим сродством к кислороду, чем железо, и они в условиях мартеновской плавки не окисляются.

Окисление кремния в основной мартеновские печи. Из перечисленных элементов наибольшим сродством к кислороду отличается кремний; он окисляется в основной мартеновской печи почти полностью еще во время плавления в результате взаимодействия с кислородом атмосферы по реакции [Si] + 02газ = (Si02) или с окислами железа шлака по реакции [Si] + 2(FeO) = (Si02) + 2Реж. Параллельно с окислением кремния происходит образование силикатов железа (FeO)2 • Si02, являющихся составной частью первичного шлака. Окисление кремния и образование силикатов сопровождается выделением тепла, что ускоряет процесс плавления металла. В основном процессереакция окисления кремния практически необратима, так как по мере растворения извести в шлаке происходит образование прочных силикатов кальция, протекающее по реакции

  • (FeO)2 + SiO2 + 2(CaO) = (СаО)2 • SiO2 + 2(FeO)
и активность (SiO2) становится ничтожно малой.

Окисление и восстановление марганца в основной печи

Марганец (как и кремний) легко окисляется, взаимодействуя с кислородом атмосферы и с окислением железа шлака:

  • [Mn] + 1/2O2газ = (MnО); [Mn] + (FeO) = (MnО) + Feж.

При окислении марганца также выделяется тепло. Однако реакция окисления марганца в основной печи протекает не до конца. При повышении температуры может протекать обратная реакция — восстановление марганца из шлака.

При высоких температурах марганец может восстанавливаться углеродом или железом:

  • (MnО) + [С] = [Mn] + СОгаз; (MnО) + Fe = [Mn] + (FeO).

Чем выше температура, тем более благоприятными оказываются условия для восстановления марганца. Практически всегда в конце плавки, если температура ванны достаточно высока, марганец восстанавливается из шлака. Поэтому его называют иногда "пирометром" мартеновского процесса: если плавка идет горячо, концентрация марганца в металле постепенно возрастает, если же концентрация марганца понижается, то это говорит о том, что ванна становится холодной и возможно возникновение брака.

Окисление фосфора.

Одновременно с кремнием и марганцем в основной мартеновской печи в начале плавки энергично окисляется фосфор. Для сталей большинства марок фосфор является вредной примесью, так как он ухудшает пластические свойства стали, повышает ее хрупкость (особенно при низких температурах), поэтому наиболее полному удалению его из металла уделяется особое внимание.

Удаление фосфора из металла в основной мартеновской печи схематично (условно) можно представить себе в следующей последовательности:

  • 2[Р] + 5(FeO) = (Р2O5) + 5Fe;
  • P2O5 + 3(FeO) = (FeO)3 • P2O5;
  • (FeO)3 • P2O5+ 4(СаО) - (СаО)4 • P2O5 + 3(FeO)
  • 2[Р] + 5(FeO) + 4(СаО) = (СаО)4 • P2O5 + 5Fe

Как отмечалось ранее, для успешного протекания процесса дефосфорации необходимо, чтобы обеспечивались:

  • наличие железисто-известкового шлака;
  • умеренные температуры;
  • минимум фосфора в шлаке и минимальная активность его соединений в шлаке.

Практически фосфор стремятся удалить из металла во время периода плавления и первой половины периода кипения, т.е. тогда, когда сталь еще сильно не нагрелась. Для создания железистоизвесткового шлака присаживают железную руду (или окалину, или агломерат) и известь или известняк. Для уменьшения активности соединений фосфора в шлаке стремятся, чтобы шлак был высокоосновным, тогда фосфор находится в виде прочного соединения типа (СаО)4 • Р2O5; во многих случаях для целей дефосфорации проводят скачивание шлака, после чего наводят новый шлак. Если в результате такой операции фосфор удалился недостаточно, операцию скачивания и смены шлака повторяют дважды и трижды. Обычно для удаления фосфора до 0,010—0,015 % достаточно однократного скачивания шлака, но если фосфора в шихте много, то однократное скачивание шлака оказывается недостаточным.

Скачивание шлака — операция сложная, многократное же скачивание шлака из мартеновской печи очень затруднительно, поэтому высокофосфористую шихту предпочитают перерабатывать в качающихся мартеновских печах.

В отличие от обычных стационарных печей рабочее пространство качающихся печей можно поворачивать относительно продольной оси. Печь можно наклонять в сторону выпускного отверстия примерно на 30—35° и в сторону печного пролета (в сторону передней стенки) на 15°, что значительно облегчает скачивание шлака. Головки печи неподвижны, между неподвижными головками и "качающимся" рабочим пространством оставляют зазор, размеры которого должны быть очень малыми. Однако мартеновская печь, вмещающая несколько сотен тонн металла, — агрегат очень громоздкий и зазор на практике получается довольно значительным.

Через зазор подсасывается холодный воздух, что приводит к увеличению расхода топлива и удлинению плавки. Кроме того, стойкость огнеупоров качающихся печей ниже, чем стационарных. Поэтому качающиеся печи строят тогда, когда применение стационарных печей или затруднено, или невозможно. К таким случаям прежде всего относится передел высокофосфористых чугунов, т.е. такой случай, когда для получения качественной стали с низким содержанием фосфора необходимо многократно скачивать шлак.

Удаление серы

Как указывалось выше, для успешного удаления серы из металла в шлак необходимы следующие условия:

  • высокая основность шлака, достигаемая подсадками извести;
  • невысокая концентрация оксидов железа в шлаке;
  • высокая температура;
  • увеличение поверхности раздела шлак—металл, достигаемое усилением перемешивания ванны;
  • низкая концентрация серы в шлаке, достигаемая скачиванием шлака и наведением нового или увеличением количества щлака в печи.

Вследствие высокого содержания в мартеновских шлаках оксидов железа процесс десульфурации приобретает ограниченное развитие. Коэффициент распределения серы (S)/[S] очень невелик и составляет обычно 3—10. При обычной шихте получение в готовой стали менее 0,040 % S (требование ГОСТа для большинства марок) особых трудностей не представляет. Однако получение очень низких концентраций серы в ряде случаев затруднительно. В связи с этим при выплавке стали с особо низким содержанием серы операцию удаления серы переносят в ковш (см. раздел "Внепечная обработка стали").

Особое внимание следует обращать на содержание серы в топливе, так как при большом ее количестве возможно обогащение металла серой. Применяемый для отопления коксовый газ обязательно подвергают сероочистке. Допустимое содержание серы в нем не должно превышать 2 г/м3. Мазут для отопления мартеновских печей применяют низкосернистый. Наиболее чистым (по содержанию серы) топливом является природный газ.

Окисление углерода и кипение мартеновской ванны.

Следует обратить внимание на то, что реакции удаления вредных примесей, как и вообще почти все реакции, происходящие в мартеновской ванне, протекают на границе сталь—шлак, следовательно, величина поверхности соприкосновения металла со шлаком имеет большое значение. Поверхность раздела сталь—шлак резко возрастает при кипении металла. Эффект кипения, как упоминалось выше, создается в результате протекания реакции окисления растворенного в металле углерода и выделения образующегося при этом оксида углерода СО.

Эту реакцию часто считают основной реакцией мартеновского процесса. Это обусловлено тем, что 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. Таким образом, ведение мартеновского процесса без реакции окисления углерода и "кипения" невозможно.

В сталях, выплавляемых в мартеновских печах, содержится (в зависимости от марки стали) обычно от 0,05 до 1 % С. В шихте содержание углерода выше. Почему?

Во всех случаях необходимо, чтобы ванна содержала углерода больше, чем требуется в готовом металле. Это нужно для того, чтобы избыточный углерод во время плавки окислялся и ванна "кипела". Углерод, растворенный в металле, окисляется растворенным в металле кислородом.

Процесс этот можно представить в следующей последовательности:

  • Кислород из шлака переходит в сталь (этот процесс включает диффузию кислорода в шлаке, переход кислорода через межфазную границу шлак—сталь и диффузию кислорода в металле к месту реакции).
  • Кислород и углерод взаимодействуют в металле по реакции [О] + [С] —*[СО].
  • Выделяются пузырьки оксида углерода [СО] + СОгаз.

Химическая реакция образования СО при высоких температурах сталеварения происходит практически мгновенно. Следовательно, скорость процесса окисления углерода может лимитироваться или первым звеном - подводом к месту реакции реагента (кислорода или углерода), или последним звеном — выделением пузырька СО в газовую фазу.

На рис. 1 показана схема передачи кислорода из газовой фазы через шлак в металл. Образующий на поверхности шлак—газ оксид железа Fe2O3, диффундируя через шлак, реагирует с жидким железом на поверхности шлак—металл, восстанавливаясь до FeO и обогащая шлак этим окислом, который в свою очередь передает кислород металлу. Реакции окисления примесей могут проходить в металле и на границе шлак—металл. Скорость передачи кислорода из атмосферы через шлак металлу невелика и во многих случаях не удовлетворяет требованиям сталеплавильщиков. Для повышения скорости доставки кислорода осуществляют присадки железной руды (окалины, агломерата) или продувают ванну кислородом.

Схема передачи кислорода из газовой фазы в сталь
Рисунок 1. Схема передачи кислорода из газовой фазы в сталь

Реакция (FeO) + [С] = Fеж + СОгаз протекает с поглощением тепла; во избежание охлаждения металла необходимо ограничивать интенсивность присадок железной руды или других материалов.

Реакция 1/2O2газ + [С] = СОгаз протекает с выделением тепла и интенсивность питания ванны основной мартеновской печи кислородом может быть очень велика. Повышение температуры во всех случаях способствует протеканию реакции окисления углерода.

Таким образом, чем выше температура металла и чем лучше питание ванны кислородом, тем интенсивнее развивается реакция окисления углерода.

Вторым лимитирующим звеном в развитии реакции обезуглероживания может быть в определенных условиях выделение СО в газовую фазу.

К началу завалки шихты поверхностные слои пода насыщены оксидами железа. Насыщение происходит вследствие омывания пода шлаком при выпуске плавки и главным образом вследствие воздействия окислительной атмосферы печи на остающийся после выпуска плавки на подине металл. Во время плавки поверхностные слои пода принимают активное участие в процессах окисления примесей, в результате содержащиеся в поверхностных слоях оксиды железа восстанавливаются и на поверхности образуются поры диаметром 1—2 мм.

На шероховатой поверхности пода основной мартеновской печи создаются благоприятные условия для образования и выделения пузырьков СО, т.е. она становится местом преимущественного протекания реакции окисления углерода. Образовавшиеся на подине пузырьки окиси углерода перемешивают ванну, выравнивают ее состав, облегчают протекание процессов передачи тепла сверху к нижним слоям, увеличивают поверхность соприкосновения шлака с металлом.

Таким образом, роль пода в мартеновском процессе, как уже говорилось выше, очень велика. По этой причине мартеновские печи делают с длинной, но неглубокой ванной, стремясь обеспечить при данной емкости печи возможно большую площадь пода.

Например, длина ванны современной 900-т мартеновской печи составляет 25 м, ширина 6,4 м (площадь пода 160 м2), а максимальная глубина ванны (в середине печи) — всего около 1,3 м.

Количество окиси углерода, проходящей 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.

Объем металла в ванне 900-т основной мартеновской печи равен примерно 130 м3. Если учесть увеличение объема СО при нагреве до 1600 °С (примерно в семь раз), то окажется, что каждую минуту через ванну проходит количество газов, превышающее в несколько раз объем металла (в данном случае примерно в три раза).

Источник [2] → список литературы.

Читайте также:

Вернуться в начало раздела: мартеновское производство стали
Вернуться на главную: Черная металлургия