Мартеновское производство стали

«МАТИ» – Российская государственный технологический 

университет им. К.Э. Циолковского

 

Кафедра «Системы автоматизированного проектирования и технологии литейного производства»

 

 

 

 

 

 

Реферат

«Мартеновское производство стали»

по курсу «Общая металлургия»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         Выполнил (а): Чижова А. Г.

                Группа: 1ЭКУ–3ВС–40

                                       Проверил (а): Телицына О.В.

 

 

 

 

Москва 2012г.

 

Содержание

 

1. История развития  и сущность мартеновского процесса    2

2. Конструкция и механизм работы мартеновской печи    4

3. Особенности технологии плавки стали в мартеновских печах   6

4. Мартеновские процессы производства стали      9

    4.1 Основной  мартеновский процесс       9

    4.2 Кислый мартеновский процесс              12

5. Перспективы развития  и проблемы мартеновского производства         15

Литература                   17 
1. История развития и сущность мартеновского процесса.

Началом существования  мартеновского процесса можно считать           8 апреля 1864 г., когда Пьер Мартен на одном из французских заводов сварил первую плавку.

Сущность мартеновского  процесса заключается в ведении  плавки на поду пламенной отражательной  печи, оборудованной регенераторами для предварительного подогрева  воздуха (иногда и газа). В историческом аспекте идея получения литой стали на поду отражательной печи высказывалась многими учеными (например, еще в 1722 г. Реомюром). Однако долгое время сделать это не удавалось, так как температура факела обычного в то время топлива - генераторного газа - была недостаточной для нагрева металла выше 1500 ⁰С, чтобы получить жидкую сталь. В 1856г. братья Сименсы предложили использовать в пламенных печах для подогрева воздуха тепло горячих отходящих газов, устанавливая для этого регенераторы. Принцип регенерации тепла был использован Пьером Мартеном и для плавки стали.

В мартеновскую печь загружают  шихту (чугун, металлический лом  и др.), которая под воздействием тепла от факела сжигаемого топлива  постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки с тем, чтобы получить металл нужного состава и температуры; затем готовый металл выпускают в ковши и разливают.

В России первая мартеновская печь была построена С.И. Мальцевым в 1866-1867 гг. на Ивано-Сергиевском железоделательном заводе Мальцевского фабрично-заводского округа. В 1870 г. первые плавки проведены в печи вместимостью 2,5 т, построенной известными металлургами А.А. Износковым и Н.Н. Кузнецовым на Сормовском заводе. Эта печь хорошо работала и стала образцом для печей большой вместимости, построенных позже на других русских заводах.

Благодаря своим качествам  и дешевизне мартеновская сталь  нашла очень широкое применение. Уже в начале XX в. доля мартеновской стали составляла половину общего мирового производства стали. 

После Октябрьской революции 1917 г. мартеновский процесс стал основным в нашей металлургии. Огромную роль сыграли мартеновские печи и в  годы Великой Отечественной войны. Советским металлургам впервые  в мировой практике удалось удвоить  садку мартеновских печей без существенной их перестройки (ММК, КМК), удалось наладить производство высококачественной стали (броневой, подшипниковой и т. п.) на действовавших в то время мартеновских печах.

В 1986 г. производство стали  в СССР превысило 160 млн. т/год. Основная масса стали в мире выплавлялась тогда в мартеновских печах; наиболее крупные и высокопроизводительные (около 1 млн. т стали в год) работали в СССР. Однако в современных условиях мартеновский процесс уже не выдерживает конкуренции с конвертерным процессом и электроплавкой. Во многих странах производство мартеновской стали по этой причине прекращено. В России доля стали, выплавляемой в мартеновских печах, в последние десятилетия непрерывно уменьшается и составляет в настоящее время около 1/5 общего производства стали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Конструкция и механизм работы мартеновской печи.

Мартеновская печь симметрична  по своей конструкции и состоит  из следующих основных элементов: рабочее  пространство, головки, вертикальные каналы, шлаковики, регенераторы, борова, реверсивные и регулирующие клапаны, котел-утилизатор, газоочистка и дымовая труба.

Рассмотрим механизм работы мартеновской печи в тот момент, когда топливо и воздух поступают  с её правой стороны. Проходя через предварительно нагретую насадку регенератора, воздух нагревается до 1000-1200°С и в нагретом состоянии через головку попадает в печь. При сгорании топлива образуется факел, температура которого 1800-1900 °С. Пройдя головку, расположенную в левой стороне печи, раскаленные продукты сгорания попадают в левую насадку регенератора и по системе боровов уходят к трубе. При этом насадка левого регенератора нагревается, а насадка регенератора правой стороны постепенно охлаждается. В момент, когда температура в регенераторе, через который поступал в печь воздух, уже снизилась настолько, что становится невозможным нагрев воздуха до нужного уровня, а противоположный регенератор, через который из печи уходят продукты сгорания, перегревается, осуществляют перекидку клапанов, изменяя направление движения потоков в печи. Операцию перекидки выполняют посредством перекидных клапанов. Холодный воздух в результате этой операции направляется через хорошо нагретый левый регенератор, а продукты сгорания уходят в правую сторону печи, постепенно нагревая остывший правый регенератор. В течение плавки циклы повторяются.

При рассмотрении существующих вариантов конструкций мартеновских печей исходят из следующих общих  признаков:

а) по характеру конструкций  мартеновские печи бывают стационарными и качающимися. Большинство мартеновских  печей  стационарные,  так как качающиеся печи более сложные по конструкции и эксплуатация их обходится дороже;

б) по   характеру   материалов,   используемых для изготовления подины, мартеновские печи бывают основными и кислыми;

в) в зависимости от вида топлива и его теплотворной способности мартеновские печи могут иметь две пары регенераторов - для подогрева и воздуха, и газа (при отоплении печи газом с невысокой теплотворной способностью) или одну пару регенераторов (когда печь отапливается высококалорийным топливом, подогрев которого либо не нужен, либо трудно осуществим);

г) в зависимости от емкости мартеновские печи делятся на печи малой емкости   (<125т),   средней   емкости (125-300т) и большегрузные печи. Из большегрузных печей металл обычно выпускается одновременно в два ковша (в исключительных случаях в три ковша).

Строение мартеновской печи делится на верхнее и нижнее. Деление это весьма условно. Обычно рабочая площадка мартеновского цеха расположена на 5-7 м выше уровня пола цеха. Верхнее строение печи расположено выше этой площадки. Оно включает собственно рабочее пространство и головки печи. Нижнее строение расположено под рабочей площадкой. Оно включает шлаковики, регенераторы и борова с перекидными устройствами. Под рабочей площадкой обычно размещают также вентиляторы для подачи через регенераторы в печь воздуха и другое вспомогательное оборудование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Особенности технологии  плавки стали в мартеновских  печах.

В мартеновских печах  можно переплавлять в сталь чугун и скрап (лом) любого состава в любой пропорции. В зависимости от состава шихты различают:

1. Скрап-процесс - процесс,  при котором основной составной  частью шихты служит стальной  скрап (лом). Скрап-процесс обычно  применяют в цехах заводов, в составе которых нет доменных печей. Кроме скрапа в шихту добавляют  некоторое  количество (25-45 %) чугуна.

2. Скрап-рудный процесс  - передел в мартеновских печах шихты, твердые     составляющие которой - скрап (лом) и железная руда. Основная масса шихты (55-75 %)    при этом - жидкий чугун; он заливается в печь непосредственно из чугуновозных ковшей.

Технология плавки стали  в мартеновских печах имеет ряд особенностей:

1. Окислительный характер  газовой фазы печи. Через рабочее  пространство мартеновской печи над ванной проходит огромное количество газа. Если учесть, например, что на 1 т стали в 500-т печи расходуется примерно 4200 МДж, то при отоплении печи газом с теплотой сгорания 8,4 МДж/м³ его количество, требуемое на плавку, составит 500 • 4200/8,4 = 250 тыс. м³. Продолжительность плавки в 500-т печи составляет 7-10ч, т.е. из рабочего пространства печи вылетает в час 75-100 тыс. м³ продуктов сгорания. Расчет выполнен на объем газов в холодном состоянии. Если учесть расширение газов при нагреве до 1700 °С примерно в 7 раз, то можно представить, с какой скоростью печные газы проносятся над ванной (до 25 м/с).

В состав газов входят углерод- и водородсодержащие соединения, а также кислород, так как воздух для горения подают с избытком. При горении углерод- и водородсодержащих соединений образуются СО₂ и Н₂О. Следовательно, продукты сгорания любого топлива будут обязательно иметь в своем составе кислород, окислительные газы СО₂ и Н₂О и некоторое количество азота N₂.

Таким образом, характер атмосферы мартеновской печи во все периоды плавки окислительный и парциальное давление кислорода в атмосфере почти всегда велико. В результате за плавку ванна поглощает от 1 до 3 % кислорода от массы металла. Этот кислород расходуется в основном на окисление примесей, часть его расходуется на окисление железа.

2. Тепло к ванне  поступает сверху, а отводится снизу через подину, поэтому температура шлака выше, чем металла, и по глубине ванны имеет место  разность температур  металла. Толщина шлака в мартеновских печах колеблется от 50 до 500мм, глубина ванны металла - от 500 до 1500 мм (в зависимости от емкости и конструкции печи). Выравниванию температуры по глубине ванны способствуют пузыри СО, выделяющиеся в результате окисления углерода и приводящие к кипению ванны. Если кипение отсутствует, то верхние слои ванны чрезмерно перегреваются,  а нижние слои, наоборот, будут нагреты недостаточно.

Однако, несмотря на кипение  ванны, некоторый перепад температур по глубине ванны все же сохраняется, особенно между шлаком и металлом. В начале кипения перепад составляет 70-100 °С, в конце - 20-50 °С.

По длине печи температура  металла также неодинакова. Под факелом температура металла несколько выше, чем у отводящей головки.

3. Участие пода печи  в протекающих процессах. В отличие от плавки в конвертерах, которая продолжается всего 30-35 мин, плавка в мартеновской печи продолжается несколько часов. Поэтому влияние взаимодействия металла с подиной оказывается весьма ощутимым.

4. Жидкий металл все  время находится под слоем шлака (шлак примерно вдвое легче металла). Практически все добавки, которые вводят в печь, попадают на шлак или проходят в металл через шлак. Если учесть, что и тепло от факела к металлу передается через шлак, то становится ясным, насколько велика роль шлака в мартеновском процессе. По существу, управление ходом плавки заключается в том, что изменяют состав, температуру и консистенцию шлака и таким образом добиваются получения металла нужного состава и качества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Мартеновские процессы производства стали.

4.1 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.

Среди основных реакций перечислим следующие.

Так, 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.

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.

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 и извести.

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.

При проведении раскисления мартеновской стали раскислители 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 раскислителей попадает в шлак. В результате снижается активность оксидов железа в шлаке, в верхних слоях ванны возрастает концентрация элементов-раскислителей, 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.

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.

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 др.

Как уже неоднократно отмечалось, для получения качественной стали необходимо, чтобы металл в печи некоторое время кипел. Периоду кипения предшествуют периоды завалки и плавления 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. Общее количество шлака после расплавления составляет 8-10 % от массы металла.

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.

За период плавления  полностью окисляется кремний, почти  полностью марганец и большая часть углерода.

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.

Поскольку составы металла  и шлака после расплавления при  скрап-процессе и скрап-рудном процессе практически не различаются, период кипения металла протекает также одинаково.

 

4.2 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.

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 %.

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.

Качество металла, выплавленного в кислых печах, характеризуется тем, что кислая сталь содержит меньше газов, чем сталь тех же марок, выплавленная в основных мартеновских печах, дуговых печах или конвертерах.

Низкое содержание серы в шихте и топливе дает возможность получать в кислых печах сталь с небольшим содержанием серы и соответственно сульфидных включений.

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.

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 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Перспективы развития  и проблемы мартеновского производства.

В 1984 г. около 60 % всего  производства стали в стране приходилось  на сталь, выплавленную в мартеновских печах. Современное мартеновское производство характеризуется высокой   концентрацией  мощностей   в   крупных  цехах,   основное количество мартеновской стали выплавляют в печах емкостью 300-400 т и более.

Традиционный мартеновский процесс совершенствуется в направлении  улучшения технико-экономических показателей работы печей (экономия металлошихты и добавочных материалов, повышение стойкости сводов и других элементов кладки) в результате оптимизации теплового и технологического режимов плавки, конструктивных изменений и внедрения современных систем и средств автоматического контроля и управления плавкой. Широкое распространение методов внепечной обработки стали способствует повышению качества металла и использованию мартеновских печей для производства дорогой стали высококачественных марок. Одновременно техническая мысль работает над изысканием новых технически и экономически целесообразных процессов плавки в агрегатах, которые могли бы быть установлены в уже существующих зданиях мартеновских цехов. Из многих такого рода предложений практически реализованы два, а именно: а) установка на месте старых мартеновских печей дуговых сталеплавильных печей; б) реконструкция работающих мартеновских печей на двухванные.

Достоинствами двухванных печей являются: 1) высокая производительность; 2) меньшая трудоемкость ремонтов; 3) возможность размещения печей в существующих мартеновских цехах (габариты, использование кранового оборудования, коммуникаций и т.д.).

Эти достоинства определили распространение печей такого типа для замены мартеновских печей, работающих скрап-рудным процессом с интенсивной продувкой кислородом.

Вместе с тем целый  ряд проблем организации работы двухванных печей оказался нерешенным: а) тепловая работа печи осложняется  большими подсосами холодного воздуха (в результате подсоса основная масса СО окисляется в том рабочем пространстве, где происходит продувка, не успевая перейти в то пространство, где идет подогрев твердой шихты); б) в двухванных печах при интенсивной продувке кислородом наблюдается повышенный угар металла; в) не решена проблема удаления из атмосферы цеха бурого дыма, выбивающегося при интенсивной продувке через щели в кладке; не решены и некоторые другие проблемы. 

Однако самый главный  недостаток - неудовлетворительные условия  работы в экологическом отношении: значительный вынос плавильной пыли и газов, содержащих СО, S0₂.

Характеризуя ситуацию в целом, следует отметить, что  как мартеновские печи с интенсивной  продувкой ванны кислородом, так и двухванные печи в экологическом отношении представляют собой агрегаты, не удовлетворяющие условиям современных высоких требований по охране природы и охране труда из-за интенсивного выделения пыли, а также газов, содержащих С0₂, S0₂ и др.

Работа этих агрегатов  связана с достаточно высоким  расходом огнеупоров, большими затратами труда на ремонты (проводимые к тому же в условиях горячего цеха). Производительность труда (в тыс. т стали на одного работающего) в мартеновском производстве ниже, чем в конвертерном.

Таким образом, становится понятным, почему строительство новых мартеновских цехов не ведется.

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия: учебник для вузов. – М., 2005.
2. Григорьев В.П., Нечкин Ю.М., Егоров А.В., Никольский Л.Е. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства: Учебник для   вузов. – М., 1995.
3. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. – М., 2003.
4. Линчевский Б.В. Теория металлургических процессов: Учебник для вузов. – М., 1995.
5. Лисин В.С., Юсфин Ю.С. Ресурсо-экологические   проблемы   XXI века   и   металлургия. – М., 1998.