Введение
Задумывались
ли Вы, как до появления мартеновских
печей производили сталь?
В истории
металлургии железа было три
революционных переворота, оказавших
глубочайшее влияние на весь
ход человеческой истории:
первый имел место еще в
глубокой древности, когда появились
сыродутные горны; второй произошел
в средние века, после открытия переделочного
процесса; третий пришелся на вторую половину
XIX века и был связан с началом производства
литой стали. Сталь во все времена оставалась
самым необходимым и желанным продуктом
металлургии железа, потому что только
она обладала той твердостью и крепостью,
какие требовались для изготовления инструментов,
оружия и деталей машин. Но прежде чем
превратиться в стальное изделие, металл
должен был подвергнуться целому ряду
трудоемких операций. Сначала из руды
выплавляли чугун. Потом чугун восстанавливали
в мягкое железо. Наконец путем длительной
проковки железной крицы получали из нее
необходимую стальную деталь (или только
заготовку к ней, которую затем подвергали
окончательной отделке на металлорежущих
станках). Производство мягкого железа
и в особенности ковка долгое время оставались
самыми узкими местами в процессе обработки
железа. На них уходило больше всего сил
и времени, а результаты далеко не всегда
оказывались удовлетворительными. Особенно
остро эта проблема стала ощущаться в
XIX веке, когда резко возрос спрос на дешевую
сталь. Естественным образом у многих
ученых и изобретателей возникла мысль,
которую потом высказал Бессемер: каким
образом получить металл со свойствами
железа и стали, но в жидком виде, чтобы
его можно было использовать для отливки?
Разрешение поставленной проблемы потребовало
нескольких десятилетий упорного труда
многих металлургов. На этом пути было
сделано несколько важных открытий и изобретений,
каждое из которых составило эпоху в истории
обработки железа. Но в этом эссе мы поговорим
именно о мартеновском процессе.
Рассмотрим
производство в мартеновских
печах металлургических или машиностроительных
заводов литой стали. Сталь
получается путём окислительной
плавки загруженных в печь
железосодержащих материалов —
чугуна, стального лома, железной
руды и флюсов в результате
сложных физико-химических процессов
взаимодействия между металлом,
шлаком и газовой средой печи.
М. п. наряду с другими видами
производства стали — второе
звено в общем производственном
цикле чёрной металлургии; два
других основных звена — выплавка
чугуна в доменных печах и
прокатка стальных слитков или
заготовок.
1 Историческая справка
. В России первая мартеновская
печь ёмкостью 2,5 т была пущена
А. А. Износковым на Сормовском заводе
(ныне завод «Красное Сормово» в Горьком)
в 1870. Вначале мартеновские печи имели
кислый под. Широкое распространение М.
п. получило после создания печей с основным
подом (в 1879—1880 во Франции на заводах Крёзо
и Тернуар, в 1881 в России на Александровском
заводе в Петербурге). В 1894 русские металлурги
братья А. М. и Ю. М. Горяиновы разработали
технологию мартеновской плавки на жидком
чугуне и успешно применили её на Александровском
заводе в Екатеринославе (ныне завод имени
Петровского в Днепропетровске). Во Франции,
России и других странах процесс получил
название «мартеновского», в Германии
— «сименс-мартеновского», в США — «Open
hearth process» (то есть процесс на открытом
поду).
Для развития
М. п. характерны 3 периода: в
первом (до начала 20 века) плавку
вели в печах небольшой ёмкости
(до 70 т), которые отапливались генераторным
газом, тяга была естественной
(дымовая труба); второй период (1-я
половина 20 века) характеризуется переходом
на коксодоменный газ, принудительной
подачей воздуха (вентиляторы), автоматизацией
теплового режима печи, установкой
котлов-утилизаторов, строительством
печей ёмкостью 185—250 т, затем
370—500 т; для начавшегося в 50-х
годах 20 века третьего периода
характерны интенсификация процесса
кислородом, переход на топливо
с высокой теплотой сгорания (главным
образом природный газ), строительство
новых цехов с агрегатами ёмкостью
600—900 т, создание печей нового
типа. Наибольших масштабов М.
п. достигло в СССР и США.
В СССР работают (1974) крупнейшие
в мире печи ёмкостью 900 т. Существенный
вклад в развитие теории и
практики М. п. внесли советские
учёные-металлурги В. Е. Грум-Гржимайло,
А. А. Байков, М. А. Павлов, М. М. Карнаухов,
Н. Н. Доброхотов, В. И. Тыжнов, К. Г. Трубин
и другие.
2 Устройство мартеновской
печи
Устройство
мартеновской печи.
Мартеновская
печь называется пламенной регенеративной,
так как принцип ее работы
основан на регенерации тепла,
обеспечивающей высокую температуру
печи, необходимую для ведения
плавки.
Рисунок 1 – Схема и
устройство мартеновской печи.
Важнейшей
частью мартеновской печи является
рабочее пространство А (рис. 1). Здесь
происходят важнейшие физико-химические
процессы: горение топлива, окисление
примесей, расплавление шихты, образование
металла и шлака. Сверху рабочее пространство
ограничено сводом 1, снизу — подом (или
подиной) 10, задней и передней стенками,
а с боковых сторон — головками 2. В передней
стенке сделаны завалочные окна 11 (их бывает
от трех до семи в зависимости от величины
печи). Через них загружают печь, берут
пробы, наблюдают за процессом, а также
наваривают или исправляют под.
Завалочные окна закрываются огнеупорными
заслонками. В задней стенке внизу имеется
отверстие для выпуска металла и шлака,
забитое огнеупорной пробкой, которую
при выпуске пробивают. Головки печи расположены
симметрично. В них находятся каналы 3
и 4, через которые в печь поступают газ
и воздух и отходят продукты горения. В
нижней части головки соединяются с регенераторами
5 и б, установленными попарно с обеих сторон
печи (всего их четыре); при работе на жидком
топливе можно ограничиться двумя регенераторами
(по одному с каждой стороны). Регенераторы
представляют собой камеры, выложенные
огнеупорным кирпичом. Внутри регенератора
имеется огнеупорная насадка с вертикальными
каналами. В нижней части регенераторы
соединены с каналами 7 и 8, по которым поступают
воздух и газ и отходят продукты горения.
Чтобы регулировать направление движения
газа и воздуха в печь, а продуктов горения
— к дымовой трубе, в каналах имеются
перекидные клапаны 9.
Работа
мартеновской печи начинается
с ее загрузки. печь загружается
завалочными машинами. При скрап-процессе
вначале заваливают лом и известняк, затем
чугун, при скрап-рудном процессе — сначала
железную руду и известняк, а затем жидкий
чугун. чугун заливают из ковша по желобу,
устанавливаемому в завалочном окне. В
зависимости от величины печи и степени
механизации завалка длится от двух до
трех часов. Одновременно с завалкой шихты
в печь подают топливо и воздух (попеременно
через правые и левые головки печи).
Подогрев
продуктов горения обеспечивает
при сгорании топлива в рабочем пространстве
температуру около 2000° С. При работе на
жидком топливе регенераторы подогревают
только воздух, а нефть или мазут подаются
форсунками, установленными в каналах
головок печей.
Процесс получения стали
в мартеновской печи делится на три
периода.
Первый период — плавление
— начинается вскоре после
начала загрузки. После окончания
загрузки расплавление идет интенсивнее,
так как уменьшаются потери
тепла.
Во время плавления
надо вводить в печь наибольшее количество
тепла. Это предохранит металл от
растворения в нем газов и
от излишнего окисления.
Период плавления характеризуется
окислительными реакциями: окисляются
кремний, марганец, железо, фосфор.
Одновременно образуется
большое количество закиси железа FeO,
которая является основным окислителем
примесей — кремния, марганца, фосфора.
Второй период — окисление
— характеризуется энергичным
окислением углерода за счет
FeO. Это окисление протекает по реакции
С + FeO= СО + Fe— Q
Образующиеся при этом газы, стремясь
вырваться из ванны, приходят
в состояние кипения, поэтому
второй период плавки называют
периодом кипения. Выгорание углерода
длится 2—3 часа. По получении
требуемого процента углерода
заканчивается второй период
плавки.
Третий
период — раскисление. Цель раскисления
та же, что и в конверторе, и применяются
те же раскислители: ферросилиций, ферромарганец,
алюминий. Более тяжелые раскислители
загружают прямо в печь, более легкие —
в желоб или в ковш. Иногда для проверки
раскисленности стали делают пробу. Застывший
раскаленный кусок стали подвергают ковке;
при плохой раскисленности образуются
трещины. Если в мартеновской печи выплавляют
легированную сталь, после раскисления
в нее вводят легирующие элементы: ферротитан,
феррохром, высококремнистый ферросилиций
и др. Для получения никелевой стали вводят
чистый никель.
После окончания плавки сталь
выпускают в ковш. процесс плавки
длится 5—8 часов, при скоростном сталеварении
сроки сокращаются до 4,5—5,5 часа. Важнейшим
фактором повышения производительности
мартеновских печей является внедрение
новой прогрессивной технологии, в первую
очередь применение кислорода в мартеновской
плавке.
Кислород
вводят при плавке двумя способами:
а) путем обогащения факела
пламени в период завалки и
расплавления шихтовых материалов
и б) продувкой жидкой ванны
в период выгорания углерода.
Применение
кислорода повышает производительность
мартеновской плавки на 15—25%. Особенно
эффективные результаты достигаются
в печах большой мощности.
В мартеновских печах выплавляют
качественную углеродистую конструкционную
и инструментальную сталь, а также
низколегированную и среднелегированную.
Сталь, выплавленная в мартеновских
печах, идет на изготовление проката
и поковок. Из нее делают рельсы,
рессоры, балки и другие детали машин.
3 Мартеновский процесс
Шихта мартеновских
печей подразделяется на металлическую
часть (чугун, стальной лом, раскислители
и легирующие добавки) и неметаллическую
(железная руда, мартеновский агломерат,
известняк, известь, боксит, плавиковый
шпат). Чугун, применяемый либо в жидком
состоянии, либо в виде чушек, служит основным
источником углерода, обеспечивающим
нормальное протекание мартеновского
процесса. Количество чугуна и стального
лома в шихте может колебаться в любых
соотношениях в зависимости от разновидности
процесса, экономических условий, выплавляемых
марок сталей. В качестве раскислителей
и легирующих добавок, в М. п. используют
Ферросплавы и некоторые чистые металлы
(алюминий, никель). Железная руда и мартеновский
агломерат применяются в М. п. в качестве
окислителей, а также в качестве флюса,
способствующего ускоренному формированию
активного шлака. В роли окислителя может
использоваться также окалина. Известняк,
известь, боксит, плавиковый шпат в мартеновском
процессе служат для формирования шлака
необходимого состава и консистенции,
обеспечивающего протекание окислительных
реакций, удаление вредных примесей и
нагрев металла.
В мартеновском
процессе (в отличие от конвертерных)
тепла, выделяющегося в результате
химических реакций окисления
примесей металлической ванны,
недостаточно для проведения
плавки. Поэтому в печь дополнительно
подаётся тепло, получаемое в
результате сжигания топлива
в рабочем пространстве. Топливом
служат природный газ, мазут,
коксовый и доменный газы. Для
обеспечения полного сгорания
топлива воздух на горение
подаётся в количестве, несколько
большем теоретически необходимого.
Это создаёт избыток кислорода
в продуктах сгорания, в которых
присутствуют также газообразные
окислы CO2 и H2O, частично диссоциирующие
при высокой температуре. В результате
происходит окисление железа и других
элементов, содержащихся в шихте (для интенсификации
горения топлива часть подаваемого в печь
воздуха может заменяться кислородом;
газообразный кислород подаётся также
в ванну для интенсификации окислительных
процессов). FeO, Fe2O3, CaO, SiO2, MnO, P2O5 и другие
окислы вместе с постепенно разрушающимися
огнеупорами кладки, флюсами и примесями,
вносимыми шихтой, образуют шлак, покрывающий
металл во все последующие периоды плавки.
Шлак играет важную роль: связывает все
примеси, которые надо удалить из шихты;
передаёт кислород из атмосферы печи к
жидкому металлу; передаёт тепло от факела
к металлу; защищает металл от насыщения
газами, содержащимися в атмосфере печи,
и от чрезмерного окисления железа. В различные
периоды плавки шлак должен иметь нужный
химический состав, необходимую жидкоподвижность
и находиться в печи в определённом количестве.
и т.д.................
