Мартеновское производство

Основные сведения о мартеновском процессе

Исходные, или шихтовые, материалы при мартеновской плавке стали делятся на металлические и неметаллические.

К металлическим материалам, составляющим шихту, относятся:

передельный чугун, применяемый в виде чушек или в жидком состоянии; в последнем случае он подается в ковшах из миксера или непосредственно из доменного цеха;
стальной лом и оборотный скрап сталеплавильных цехов;
раскислители, к которым в основном относятся зеркальный чугун, ферромарганец, ферросилиций, алюминий и пр.;
легирующие добавки, предназначенные для выплавки специальных марок стали и включающие в себя феррохром, никель, ферромолибден, феррованадий и пр.

К неметаллическим составным частям шихты относятся железная руда, применяемая для окисления и последующего удаления ненужных примесей, и так называемые флюсы, предназначенные для образования шлака. Для основной печи флюсами являются известняк, негашеная известь, а также плавиковый шпат и боксит; последние два вида флюсов добавляются для разжижения шлака.

В зависимости от состава шлаков и качества получаемой стали мартеновский процесс может быть кислым или основным.

Кислый процесс ведется в печах с кислой (динасовой) футеровкой ванны печи. Некоторые качественные показатели кислой стали (упругость, вязкость, содержание водорода, плотность, однородность) выше, чем у стали, получаемой при основном процессе, при одинаковых показателях прочности. Однако при кислом процессе из металла нельзя удалить в нужной степени такие вредные примеси, как фосфор и серу. Поэтому для получения кислой стали должны применяться дорогостоящие высококачественные (чистые по сере и фосфору) чугуны, отборный лом II малосернистое топливо. Производительность кислых печей ниже основных. Все указанное вызывает значительное удорожание кислой стали, в результате чего она выплавляется в незначительных количествах и применяется в особо ответственных конструкциях (в основном в машиностроении), тем более что в настоящее время уровень технологии позволяет выплавлять многие качественные марки стали в основных печах.

Основной процесс благодаря основным шлакам дает возможность удалять из проплавляемой шихты значительные количества фосфора и серы.

Основной процесс имеет две разновидности:
скрап-процесс, применяемый на машиностроительных или металлургических заводах при отсутствии доменного цеха. Металлическая шихта, проплавляемая при скрап-процессе, состоит из 60—70% стального лома и 40—30% твердого чушкового чугуна;

скрап—рудный процесс, применяемый на металлургических заводах, в составе которых имеется доменный цех. В этом случае выплавка стали производится с использованием жидкого чугуна.

Для ускорения окисления (выгорания) примесей при скрап — рудном процессе в шихту вводится значительное количество железной руды с богатым содержанием железа. В настоящее время большая часть стали получается скрап — рудным процессом.

Процесс выплавки стали путем основного скрап—рудного процесса разделяется на следующие периоды: завалка шихты, плавление, кипение и раскисление.

Под влиянием высокой температуры в мартеновской печи, помимо изменения физического состояния вещества (перехода его из твердой фазы в жидкую), происходят химические реакции, главным образом реакции окисления.

Для получения стали в мартеновскую печь в расчетных количествах и определенном порядке загружают шихту — чугун, стальной лом, руду и флюсы.

Металлическая шихта кроме железа содержит следующие примеси: кремний (51), марганец (Мп), углерод (С), серу (Б) и фосфор (Р). Этих примесей в шихте больше, чем их должно быть в стали, поэтому излишек их надо удалить.

Удаление примесей происходит в результате их окисления. Окислы переходят в шлак или удаляются с продуктами горения. Для получения окислов необходим кислород, источником которого являются печная атмосфера и железная руда.

Течение химических реакций в печи начинается с начала завалки шихты в результате непосредственного контакта отдельных элементов (железа и примесей) с кислородом, содержащимся в печной атмосфере.
Под влиянием высокой температуры шихта расплавляется с образованием жидкого металла и шлака. В образовании шлака принимают участие окислы железа и примесей, а также флюсы, причем шлак, удельный вес которого меньше, чем у металла, всплывает вверх.

С этого момента прекращается непосредственное окисление железа и примесей за счет кислорода печной атмосферы. Дальнейшее развитие процессов окисления определяется реакциями между расплавленными металлом и шлаком, причем последний подвергается прямому химическому воздействию кислорода печной атмосферы и окислов железа, поступающих с добавляемой железной рудой. Получившаяся в результате окисления железа закись железа (БеО), взаимодействуя на поверхности шлака с кислородом печной атмосферы, образует в шлаке магнитную, окись железа (БезО*), которая, распределяясь В шлаке, граничащем с металлом, окисляет железо в закись железа. Поступившая в металл закись железа за счет своего кислорода окисляет находящиеся в нем примеси (кремний, марганец, фосфор и углерод).

В результате этих химических реакций и взаимодействия металла со шлаком окисленные кремний, марганец, фосфор и сера переходят в шлак, а углерод в виде СО всплывает пузырьками и сгорает на поверхности ванны.

Процесс выделения пузырьков окиси углерода из жидкого металла называется кипением ванны.
К концу процесса плавки в жидкой стали всегда остается некоторое количество кислорода, находящегося в неметаллических включениях— окислах и силикатах, а также в закиси железа. Кислородные включения ухудшают свойства стали. Удаление, кислорода из металла достигается раскислением, являющимся последней и наиболее ответственной операцией процесса получения качественной стали.

Раскислители, взаимодействуя с закисью железа, отбирают от нее кислород и переводят его либо в печную атмосферу в виде газов, либо в шлак в виде окислов. Наиболее распространенными раскислителями являются ферромарганец, ферросилиций, алюминий и др. В зависимости от степени раскисленности сталь при застывании в изложницах получается кипящей, полуспокойной и спокойной.

Кипящая сталь, получаемая при раскислении металла в печи ферромарганцем или зеркальным чугуном, является наиболее дешевой сталью. Из нее прокатываются профильные сорта, лист, проволока, трубы и другие изделия.

Спокойная сталь раскисляется присадкой ферромарганца в печи, ферросилиция в желобе и алюминия в ковше. Спокойная сталь применяется для плотных и однородных изделий. Большинство качественных и легированных сталей выплавляется по этому способу.

Полуспокойная сталь получается при раскислении ее теми же раскислителями, что и спокойной стали, но применяемыми в меньших количествах. По химической однородности она занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной» сталью.