Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 2.5.4.Мартеновское производство стали Устройство мартеновской печи Заправка печи Двухванные сталеплавильные печи 1 — газокислородные фурмы; 2 Технико-экономические показатели мартеновского процесса

Подобный материал:

• Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
• Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2007, 1378.97kb.
• Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический, 2776.63kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2004, 1302.72kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 1935.03kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 648.91kb.
• Новые поступления в библиотеку балтийского русского института, 158.89kb.
• Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003, 1310.56kb.

2.5.4.МАРТЕНОВСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

В мартеновских печах, переживших несколько технологических революций, возможно выплавлять сложнейшие марки стали. В отличие от конверторного мартеновский процесс производства стали не может проводиться без подачи дополнительного тепла извне. Нагрев и расплавление металла идет за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. В результате сложных физико-химических процессов при взаимодействии газовой, жидкой (шлак, металл) и твердой (под печи) фаз получается сталь.

Эмиль и Пьер Мартены выплавляли сталь, которая оказалась превосходным материалом для ружейных стволов. Спрос на нее возрастал, и Мартены занялись поиском способа получения стали, не уступающей по качеству тигельной, но более дешевой. Результатом поиска стал способ, основанный на плавке чугуна и скрапа на набивном поду регенеративной (сименсовской) печи (1864 г.). Сименс-мартеновский процесс успешно конкурировал с конверторным. Его преимущество состояло в возможности, используя лом, количество которого постоянно росло, получать высококачественную сталь.

Как это часто бывает, вскоре об изобретателях забыли, считая, что их нет в живых: в отношении Эмиля это было правдой, а Пьер прожил еще четыре десятилетия после зенита своей славы. в нужде и нищете. В 1910 г. “нашли” этого человека, которому черная металлургия очень обязана. Умер Пьер Мартен в 1915 г. в возрасте 91 год. Незадолго до его смерти Iron and Steel Institute присудил ему Бессемеровскую золотую медаль.

Для обеспечения полного сгорания топлива в печь подают несколько больше воздуха, чем теоретически необходимо. Избыток кислорода, СО₂ и Н₂О в продуктах сгорания создает окислительный характер атмосферы в рабочем пространстве печи, поэтому окисление железа и примесей металлической шихты начинается с момента завалки в печь при непосредственном взаимодействии газовой фазы с шихтой.


УСТРОЙСТВО МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ


Мартеновская печь является пламенной регенеративной печью и состоит из следующих элементов (рис. 33): рабочего пространства, головок, вертикальных каналов, шлаковиков, регенераторов, боровов с перекидными устройствами, котла-утилизатора и дымовой трубы.

Рабочее пространство, головки печи и вертикальные каналы расположены выше рабочей площадки цеха и условно называются верхним строением печи. Все остальные элементы находятся под рабочей площадкой и называются нижним строением.

Рабочее пространство ограничено сверху сводом, снизу — подом. Подина печи имеет наклон к задней стенке, в которой предусмотрено отверстие для выпуска готовой стали. В передней стенке имеются проемы — завалочные окна, которые служат для загрузки твердой шихты, заливки жидкого чугуна (по специальному желобу), взятия проб и наблюдения за ходом плавки.


Рис. 33. Устройство мартеновской печи: А — поперечный разрез рабочего пространства печи; Б — разрез головки печи; 1 — головка; 2 — вертикальный канал; 3 — шлаковик; 4 — борова; 5 — насадка регенератора; 6 — выпускное отверстие; 7 — свод; 8 — подина; 9 — завалочные окна; 10 — рабочая площадка; 11 — передняя стенка; 12 — задняя стенка; 13 — рабочее пространство


Обычно завалочные окна закрыты специальными футерованными крышками с отверстиями — “гляделками”, через которые сталевар наблюдает за ходом плавки и состоянием печи.

Из всех элементов печи рабочее пространство находится в наиболее тяжелых условиях — в нем идет плавка стали. Во время завалки твердой шихты огнеупорные материалы, из которых изготовлено рабочее пространство, подвергаются резким тепловым и механическим ударам, во время плавки они подвергаются химическому воздействию расплавленных металлов и шлака; в рабочем пространстве максимальная температура. Материалы, находящиеся в контакте с рабочим пространством, должны обладать максимальной огнеупорностью. Стойкостью элементов рабочего пространства печи определяют, как правило, стойкость печи и, следовательно, сроки промежуточных и капитальных ремонтов.

Продукты сгорания имеют температуру 1500–1600 °С и, проходя через насадку регенератора, отдают ей значительную часть тепла. Холодный же воздух, поступающий в рабочее пространство, нагревается за счет этого до 1100–1200 °С, а дымовые газы охлаждаются до 500–600 °С (для дальнейшего использования тепла их направляют в котел-утилизатор).

Головки обеспечивают подачу требуемого количества топлива. По вертикальному каналу к головке подводятся нагретый воздух и газ. Мазут подается через мазутную фурму — форсунку, устанавливаемую в торце головки.

Шлаковики представляют собой камеры, вытянутые под головками параллельно поперечной оси печи. Основное назначение шлаковиков — предохранение насадок регенераторов от засорения плавильной пылью. Сечение шлаковиков больше сечения вертикального канала. Поэтому дымовые газы, попадая в шлаковик, резко теряют свою скорость, одновременно изменяя направление движения. При этом большая часть плавильной пыли (~60 %) оседает в шлаковиках. Шлаковики соединены с вертикальными каналами при помощи окон в сводах и сообщаются с регенератором через окна, расположенные над перевальной стенкой. Для очистки шлаковиков от осевшей пыли подину шлаковиков делают выкатной вместе со стеновыми блоками, скрепленными металлическими поясами. Это позволяет производить очистку вне печи.

Из шлаковиков отходящие газы их температура около 1600 °С попадают в регенераторы, в которых физическое тепло отходящих газов используется для подогрева направляемого в печь воздуха. Регенераторы представляют собой прямоугольные камеры, заполненные решеткой из огнеупорного кирпича, называемой насадкой.

Из поднасадочного пространства отходящие газы попадают в борова. Борова служат для подвода газа и воздуха к регенераторам и отвода продуктов сгорания от регенераторов к трубе или котлу-утилизатору.

Мартеновская печь — агрегат реверсивного действия, в котором направление движения газов по системе печи периодически меняется. Для этого в боровах, а также в газопроводах и воздухопроводах устанавливают систему шиберов, клапанов, дросселей, задвижек, объединяемых общим названием “перекидные клапаны”, которые переключаются автоматически.

Состав шихты определяет следующие виды мартеновского процесса:

скрап-процесс (основной составляющей шихты является стальной лом; в зависимости от содержания углерода в шихте добавляют твердый чугун в количестве, достаточном для проведения периода кипения, от 25 до 45 %; этот процесс применяют на заводах, где нет доменного производства);

скрап-рудный процесс (шихта состоит из 50–80 % жидкого чугуна и 20–40 % лома);

рудный процесс (шихта на 100 % состоит из жидкого чугуна; в твердом виде заваливают еще железную руду).

В зависимости от состава шлака и огнеупорных материалов для изготовления пода мартеновский процесс может быть основным и кислым.

В отличие от плавки в конвертере, продолжающейся менее часа, плавка в мартеновской печи длится много часов. Кроме того, жидкий металл все время находится под слоем шлака, поэтому все вводимые в печь добавки проходят в металл через шлак.

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.

Основные источники образования шлака следующие:

1. продукты окисления чугуна и скрапа;
   
2. продукты разъедания футеровки агрегата — MgO и СаО в основных печах и SiO₂ в кислых;
   
3. загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина и др.); во время заливки жидкого чугуна, хранившегося в миксере, в ковш, а затем в мартеновскую печь попадает некоторое количество миксерного шлака;
   
4. ржавчина, покрывающая скрап;
   
5. добавочные материалы (известняк, известь, железная руда, агломерат, марганцевая руда и др.).
   

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.

Шихтовые материалы делятся на две группы: металлическую и неметаллическую. К первой группе относятся чугун и стальной лом, раскислители и легирующие добавки. Ко второй группе — флюсы. Используются также железная и марганцевая руды, агломерат, окатыши.

Чугун используют в жидком или твердом виде. Соотношение чугуна и лома в шихте зависит от разновидности процесса, марки выплавляемой стали и др.

В качестве легирующих и раскислителей используют ферросплавы и некоторые чистые металлы (алюминий, никель).

Стальной лом, используемый в шихте мартеновских печей, подразделяют на оборотный (отходы сталеплавильных, прокатных, кузнечных и других металлообрабатывающих цехов своего завода) и покупной. Весь лом должен подвергаться предварительной подготовке для отделения цветных металлов, мусора и для соответствующего дробления.

Железная руда и агломерат применяются в качестве окислителей, а также в качестве флюса для ускорения образования активного шлака. С этой целью можно использовать окалину. Известняк, известь, боксит, плавиковый шпат служат для формирования шлака необходимого состава и вязкости. Вместо руды и известняка применяют иногда офлюсованный агломерат и известково-рудные брикеты.

В качестве примера рассмотрим скрап-рудный процесс в основной мартеновской печи. Он является наиболее распространенным вариантом, отличается от скрап-процесса повышенным количеством жидкого чугуна, твердых окислителей и известняка в шихте.

Процесс плавки состоит из заправки печи, завалки шихты, плавления, доводки и выпуска.

Заправка печи производится для восстановления изношенных участков пода и относов. Продолжительность заправки 15–25 мин.

Завалка шихты происходит следующим образом: сначала на подину загружают часть железной руды и известняка слоями с промежуточными нагревами, после этого — скрап. Его нагревают до 1300–1400 °С и заливают чугун. Прогрев лома предотвращает затвердевание чугуна и способствует активному плавлению шихты.

В период плавления идет расплавление лома, разложение известняка, растворение оксидов в жидком шлаке, окисление элементов металлической шихты (Si, Mn, P, C, Fe). Плавление сопровождается интенсивным выделением газов СО и СО₂, из-за чего металл фонтанирует.

Плавление даже при благоприятных условиях протекает довольно медленно. Его длительность составляет 30–40 % продолжительности всей плавки. А суммарная продолжительность завалки шихты, заливки чугуна и плавления составляет 70 % длительности всей плавки. Для ускорения процесса плавления и окисления примесей продувают ванну кислородом, сжатым воздухом или их смесью. Конец периода плавления определяют по прекращению фонтанирования металла в печи. К этому времени содержание углерода в металле должно превышать его содержание в конце доводки на 0,3–0,5 %. Температура металла должна быть 1520–1550 °С.

Доводка состоит из двух стадий: полировки и чистого кипения. Задачами этого периода являются удаление избытка примесей и нагрев металла до температуры выпуска. При этом регулируют содержание углерода, фосфора, серы, основность шлака. В период чистого кипения одновременно с нагревом металла идет удаление из ванны газов, неметаллических включений, окисление углерода до требуемого в готовом металле содержания.

После периода доводки металл раскисляют (если нужно — легируют) и выпускают в ковш. В процессе плавки отбирают пробы металла и шлака на анализ. Температуру металла контролируют термопарами погружения.


ДВУХВАННЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ


Первая двухванная печь в России начала работать в 1965 г. на Магнитогорском металлургическом комбинате. Эти печи, как и мартеновские, являются подовыми отражательными, имеют две головки, два шлаковика, два вертикальных канала, а также систему боровов и перекидных клапанов. В такой печи производится интенсивная продувка металла кислородом, а тепло газов, отходящих из рабочего пространства одной из ванн, используется для нагрева шихты, находящейся в другой ванне. Также используется тепло, выделяющееся при окислении СО и СО₂. Схема печи представлена на рис. 34.


Рис. 34. Схема двухванной печи: А — положение фурмы в период доводки; Б — положение фурмы в период подогрева скрапа; 1 — газокислородные фурмы; 2 — кислородные фурмы; 3 — факел газокислородной фурмы; 4 — шлаковики


Выплавка стали в двухванной печи осуществляется следующим образом: в одной ванне металл продувают кислородом, в другую ванну в это время загружают лом и сыпучие материалы. Выделяющийся при продувке ванны кислородом СО догорает над заваливаемой шихтой, благодаря чему шихта быстрее подогревается и плавится. Обе ванны имеют свод, и в каждой есть отверстие для спуска шлака и загрузочные окна.

После выпуска плавки из первой ванны в нее загружают лом, а во вторую ванну заливают чугун и проводят додувку (доводку) с подачей кислорода и топлива. Поток газов направляется из второй ванны в первую.

При работе на шихте, содержащей 65–68 % жидкого чугуна, двухванные печи могут работать без подачи топлива. Если же по условиям производства в печь загружается меньшее количество чугуна, то необходимо отопление печи. Топливо в двухванные печи подается с помощью топливно-кислородных горелок, установленных в своде и торцах печи. Горелки могут быть стационарными и подвижными.

Технология плавки стали в двухванных печах принципиально не отличается от технологии плавки в мартеновских печах, работающих с интенсивной продувкой кислородом, хотя некоторые отличия имеются.

Производительность двухванной печи может достигать 1,5–1,8 млн. т стали в год; расход кислорода составляет 70–75 м³/т, огнеупоров 3–4 кг/т. Фактически двухванная печь по существу процесса и по технико-экономическим показателям приближается к конвертеру с верхним дутьем.

Недостатком этих печей являются повышенный угар металла (выход годного 87–89 %), интенсивное пылевыделение. Большой подсос холодного воздуха осложняет тепловую работу печи. Сложными являются осмотр печи и ее заправка.


ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МАРТЕНОВСКОГО ПРОЦЕССА


Технико-экономические показатели мартеновского процесса зависят от многих факторов и для разных заводов изменяются в широких пределах. Основной характеристикой работы мартеновских печей является количество получаемой стали в тоннах, приходящееся на 1 м² площади пода в сутки. Характеристикой печи служит также часовая (т/ч) и годовая (т/год) производительность.

Производительность печей характеризуется следующими данными:

Вместимость печи, т	200	400	650	900
Годовая производительность, тыс. т/год	200–300	300–400	400–600	700–800

Выход годного при скрап процессе 89–92 %, при скрап-рудном процессе 92–96 %. Выход годного — это отношение массы стали к количеству металла, нагруженного в печь (чугун, лом, ферросплавы).

Себестоимость 1 т стали определяется стоимостью материалов (60 — 80 %) от общей стоимости стали и затратами по переделу (зарплата, топливо, электроэнергия, вода, пар, кислород, сжатый воздух, отчисления на амортизацию и т. д.). В цехах, использующих скрап-процесс, расходы по переделу выше, чем в цехах, работающих скрап-рудным процессом. Себестоимость легированной стали возрастает за счет расходов на ферросплавы и легирующие добавки. Расходы условного топлива составляют 110–130 кг/т. Важнейшим резервом уменьшения себестоимости стали является повышение производительности труда, т. е. увеличение количества стали, выплавляемой в течение года, приходящейся на одного работника. Этот показатель может быть значительно улучшен благодаря механизации трудоемких работ, автоматизации теплового и технологического режимов плавки.