Металлургия » Металлургия стали » Основные периоды мартеновской плавки и их значение

Основные периоды мартеновской плавки и их значение

 (голосов: 0)
Основные периоды мартеновской плавки и их значениеОсновные периоды мартеновской плавки и их значение

Процесс выплавки стали в мартеновской печи при любой разновидности его включает следующие основные периоды: заправка печи; завалка и прогрев твердых шихтовых материалов; заливка жидкого чугуна (завалка твердого чугуна) и плавление; доводка плавки; раскисление и легирование металла; выпуск металла и шлака.
Заправка печи производится для восстановления изношенных за время плавки участков наварки передней и задней стенок и откосов. Лучшее приваривание заправочных материалов наблюдается при высокой температуре рабочего пространства, поэтому заправка задней стенки выше уровня продуктов плавки производится в период доводки предыдущей плавки; заправка откосов на уровне шлака и ниже производится во время выпуска плавки.
Завалка твердых шихтовых материалов с помощью специальных мульдозавалочных машин: стальной скрап, железную руду, а также твердый чугун. Порядок завалки и расположение шихты в печи влияют на скорость плавления шихты, шлакообразование и стойкость печи. При работе скрап-рудным процессом завалка осуществляется в следующем порядке. На подину равномерным слоем загружают часть железной руды (агломерата, окатышей), затем слой известняка (извести) и оставшуюся руду. Такой порядок завалки предотвращает приваривание известняка к подине и обеспечивает образование в начале плавки железистого шлака, в котором в дальнейшем относительно легко растворяется известняк или известь. Во время и после завалки руду и известняк прогревают, по крайней мере для полного удаления влаги. При этом на печах большой вместимости обычно сыпучие подвергают перемешиванию (шуровке).
После завалки и прогрева железной руды и известняка загружают лом, располагая мелкий лом внизу, крупный вверху. Твердый чугун или отходы (лом) чугуна загружают поверх лома.
При работе скрап-процессом на подину загружают легковесный лом, поверх которого загружают известняк (8-10 %). Затем заваливают остальной лом. Поверх лома загружают чугун. При скрап-угольном процессе порядок завалки такой же, что и при скрап-процессе, но в слое лома располагают слой карбюратора.
Прогрев. Для обеспечения успешного плавления и уменьшения его длительности необходим прогрев шихтовых материалов, особенно при скрап-рудном процессе. Продолжительность прогрева зависит от многих факторов: теплового режима работы печи, скорости завалки, количества загружаемых материалов (лома) и т.д. Для сокращения периода прогрева сыпучие загружают послойно и перемешивают для вскрытия непрогретой массы. Для повышения поглощения тепла шихтой во время прогрева наверх загружают более крупную металлическую шихту, имеющую большую теплопроводность. Температура нагрева лома, по крайней мере верхних его слоев, должна быть не ниже температуры затвердевания чугуна (1250-1350°С)
В случае заливки чугуна на недостаточно прогретую шихту происходит его "закозление". Это приводит к существенному увеличению продолжительности периода плавления, так как одновременно ухудшается и теплопередача. Кроме того, во время неактивного состояния ванны в шлаке накапливается большое количество оксидов железа, при нагреве чугуна до жидкоподвижного состояния это может привести к выбросам шлака и даже металла из печи из-за интенсивного окисления углерода кислородом FeO. Перегрев шихты также недопустим, так как при заливке жидкого чугуна наблюдается бурная реакция окисления углерода, приводящая к выбросам шлака и металла из печи. После прогрева шихтовых материалов в печь заливают жидкий чугун.
Заливка жидкого чугуна осуществляется при помощи съемного или стационарного желоба. Продолжительность заливки чугуна определяется организационными возможностями и обычно составляет 15-30 мин. Чугун необходимо заливать медленно, иначе возможны бурное окисление углерода чугуна и выбросы металла и шлака из печи.
Плавление как самостоятельный период плавки начинается после заливки жидкого чугуна. Основной задачей этого периода являются расплавление металла и нагрев его выше температуры плавления (линии ликвидус) на 40-60°С, а также предварительное рафинирование металла.
Создание в период плавления оптимальных шлакового режима и баланса кислорода позволяет в этот период провести основную часть рафинирования металла, например, во многих случаях обеспечить требуемую степень дефосфорации его. Кроме фосфора, в период плавления окисляются и другие примеси углерод, кремний и марганец, а также может иметь место значительное окисление железа. Продолжительность плавления, кроме вместимости и тепловой мощности печи, зависит от шлакового режима периода плавления, количества чугуна в шихте, температуры жидкого чугуна и степень нагрева твердых шихтовых материалов, особенно лома.
При работе на шихте, содержащей значительное количество жидкого чугуна (> 50%), и ведении процесса в печах большой вместимости удаление шлака из печи в период плавления является важным фактором уменьшения продолжительности плавления. В этот период должно быть удалено максимально возможное количество шлака для уменьшения толщины слоя шлака в печи и улучшения теплопередачи от факела к ванне. Это вызывает снижение расхода известняка при хорошей дефосфорации и десульфурации металла. Уменьшение расхода известняка связано с тем, что основность шлаков, спускаемых в период плавления, мала (0,5-1,0).
Образующаяся в результате окисления углерода окись углерода вспенивает шлак и он начинает вытекать, «сбегать» из печи. Шлак, стекающий из печи во время плавления после заливки жидкого чугуна, называют «сбегающим» первичным шлаком. Состав этого шлака характеризуется низкой основностью и высоким содержанием FeO и МnО (если в чугуне содержится больше 1 % Мп). Железистые шлаки и пониженная температура благоприятствуют дефосфорации. Фосфор в этих шлаках находится главным образом в виде (FeO)3P2O5. Средний состав первичного сбегающего шлака следующий, %: SiO2 20—35; А12О3 3—5; FeO 25—35; Fe2O3 3—5; CaO 12—20; MgO 5—9; МnО 15—35; P2O5 2—4.
Со сбегающим шлаком из печи удаляется значительное количество нежелательных окислов SiO2 и Р2О5, а вместе со шлаком уходит также большое количество окислов железа и марганца. Поэтому в тех случаях, когда в шихте мало серы и фосфора, сбегающий шлак стараются задержать в печи и уменьшить тем самым потери металла. Количество сбегающего шлака составляет 8—10 % от массы металла (50—70 % от всего образующегося во время плавления шлака). Спуск шлака продолжается почти до полного расплавления шихты.
Обычно продолжительность периода плавления при работе на жидком чугуне 2-3 ч. При работе на твердом чугуне период плавления продолжительнее (3-4 ч), так как для нагрева чугуна необходим дополнительный расход тепла.
За период плавления полностью окисляется кремний, почти полностью марганец и большая часть углерода (30-40%)
Состав шлака, сформировавшегося к моменту расплавления и после него, имеет обычно следующий состав: 35—45 % СаО, 20—25 % SiO2, 10—15 % FeO, 13—17 % МnО.
Доводка плавки для различных вариантов мартеновского процесса проводится примерно по одной схеме. Задача этого периода состоит в окончательном рафинировании металла и дополнительном нагреве ванны. Доводка обычно состоит из двух стадий: полировки (рудного кипения) и чистого (свободного) кипения.
Полировка - это период наводки шлака для обеспечения требуемой степени дефосфорации и десульфурации металла. Для этого сначала скачивают из печи шлак, а затем присаживают шлакообразующие материалы: известь, боксит, плавиковый шпат и т. д.
Скачивание шлака проводят следующим образом. После расплавления ванны в печь подают некоторое количество железной руды или продувают ванну кислородом или сжатым воздухом. Углерод начинает интенсивно окисляться, уровень шлака в печи несколько поднимается. В это время отключают подачу топлива, давление в печи падает и шлак вспенивается и уходит из печи в специально подготовленные шлаковые чаши. На печах малой и средней емкости шлак скачивается через среднее завалочное окно, на большегрузных печах шлак скачивается еще и через специальные отверстия в задней стенке печи. В тот момент, когда шлаковые чаши наполнятся шлаком, топливо вновь подают в печь, давление в печи возрастает, шлак оседает и перестает уходить из печи.
Часто для ускорения скачивания шлак сгребают с помощью гребков, помещаемых на хоботе завалочной машины. Отключать подачу топлива при этом не следует. Основность скачиваемого шлака гораздо выше, чем «сбегающего» во время плавления. Вместе со скачиваемым шлаком из печи уходят значительная часть оставшегося в ванне фосфора и некоторое количество серы.
Чтобы перевести оставшиеся в шлаке фосфор и серу в прочные соединения, наводят новый шлак присадками свежеобожженной извести. Основность шлака CaO/SiO2 при этом возрастает до 2,5 и более. Если такой шлак оказывается чрезмерно густым и вязким, то его разжижают присадками боксита или плавикового шпата. Окислительная атмосфера печи непрерывно питает ванну кислородом и содержащийся в металле углерод окисляется и ванна кипит. Вызываемое этим перемешивание благоприятствует передаче тепла от факела к ванне, и температура металла постепенно возрастает.
Чтобы ускорить шлакообразование, иногда одновременно присаживают и железную руду (агломерат, окатыши). Кислород твердого окислителя интенсивно окисляет углерод, что обеспечивает хорошее перемешивание ванны и ускоряет шлакообразование. Успешно проводить полировку можно лишь в том случае, если металл достаточно нагрет к концу плавления, так как присадка железной руды и флюсов охлаждает ванну. Для нормального проведения полировки необходим перегрев металла выше температуры плавления на 40-60°С. При указанной степени перегрева количество единовременно присаживаемых материалов не должно превышать 2-2,5%. Если по условиям дефосфорации и десульфурации необходимо присаживать большее количество материалов, то их дают в два и несколько приемов, обеспечивая соответствующий нагрев ванны. При этом следует иметь в виду, что 1 % твердого окислителя охлаждает ванну на 20-25°С, извести - на 10-15°С, боксита - на 15-20°С (В конвертерных процессах, то есть без поглощения тепла от факела, охлаждающее действие выше, соответственно 35-40, 15-20, 20-25°С). При необходимости глубокой дефосфорации и десульфурации металла производят одно или два дополнительных скачивания и наводки нового шлака в период доводки.
Кроме того, для нормального проведения периода полировки необходим некоторый запас углерода, который обычно составляет 0,2-0,5% и зависит от продолжительности периода (какое количество и во сколько приемов присаживаются материалы), вместимости печи (чем меньше вместимость, тем больше требуется запас углерода).
Период чистого кипения необходим для окончательной подготовки металла к выпуску: нагрев его до заданной температуры, удаление газов и неметаллических включений. В этот период углерод окисляется практически только горячим кислородом газовой фазы печи при непрерывном поступлении тепла факела в ванну. Это создает благоприятные условия для нагрева металла. В этот период не рекомендуется присаживать в шлак флюсы и твердые окислители, за исключением случаев выплавки низкоуглеродистой стали, когда для интенсификации реакции окисления углерода разрешается присадка руды небольшими порциями.
Скорость нагрева металла в период чистого кипения обычно составляет 1-2°С/мин и зависит от вместимости и тепловой мощности печи, а также состояния шлака. Шлак в этот период должен иметь нормальную жидкоподвижность. Скорость окисления углерода в этот период обычно колеблется в пределах 0,003-0,006% С/мин и зависит от вместимости печи (удельной нагрузки на подину), окислительной способности газовой фазы и содержания углерода в металле При достижении концентрации углерода менее 0,10-0,15% скорость его окисления существенно снижается. Содержание марганца в период чистого кипения, когда [С]>0,1%, обычно увеличивается вследствие восстановления его из шлака ввиду повышения температуры ванны.
Основность шлака в этот период должна быть достаточной для предупреждения восстановления фосфора и обеспечения некоторого удаления серы. Это наблюдается при основности ~ 2,5. Но при чрезмерном повышении основности увеличивается вязкость шлака, что препятствует удалению серы из металла и нормальному нагреву его.
Скорость удаления серы из металла тем больше, чем больше скорость окисления углерода, так как, во-первых, сера частично удаляется вместе с СО в печные газы из металла и шлака; во-вторых, чем выше скорость окисления углерода, тем лучше использование десульфурирующей способности шлака. Повышение температуры ванны в этот период обеспечивает получение гомогенного шлака, увеличение скорости окисления углерода, а это улучшает не только десульфурацию металла, но и дегазацию его.
Во время чистого кипения благодаря нормальному состоянию ванны (наличию гомогенного шлака и равномерному кипению) скорость поступления водорода из газовой фазы снижается, а скорость удаления его в пузырях СО возрастает. В результате содержание водорода в металле снижается. По многочисленным исследованиям, содержание водорода в металле в начале чистого кипения обычно составляет 4-6 см3/100 г, в процессе чистого кипения снижается на 1-2 см3/100 г.
Продолжительность чистого кипения для дегазации металла, включая снятие его переокисленности, составляет 20-30 мин. Но этого времени часто бывает недостаточно для нагрева металла, особенно при выплавке легированной стали, требующей введения в конце плавки большого количества холодных ферросплавов, поэтому продолжительность чистого кипения обычно составляет 30-45 мин.
Задача мастера-сталевара заключается в том, чтобы к моменту, когда температура металла окажется достаточной для выпуска, ванна хорошо прокипела, очистилась бы от газов и неметаллических включений, в металле содержалось бы необходимое количество углерода и минимум серы и фосфора. При соблюдении всех этих требований период кипения заканчивают и металл раскисляют. Если раскислители вводят в ковш, то кипящий металл выпускают из печи без раскисления.
Раскисление и легирование металла могут быть проведены как в печи, так и в ковше (на желобе) во время выпуска плавки. В печь обычно присаживают тугоплавкие и труднорастворимые ферросплавы, например, феррохром. Для уменьшения угара раскисляющих и легирующих элементов металл предварительно раскисляют низкопроцентным ферросилицием (15-20% Si).
Выпуск плавки всегда является ответственной операцией. Чтобы выпуск плавки протекал нормально, необходимо поддерживать нормальными размеры сталевыпускного отверстия и хорошо его заделывать. Продолжительность выпуска плавки из мартеновских печей обычно колеблется в пределах 10-20 мин и в основном зависит от вместимости печи (чем меньше вместимость печи, тем меньше продолжительность выпуска). По ходу выпуска в ковш присаживают раскислители и легирующие, в современной практике эту операцию стараются перенести полностью из печи в ковш.
Общая длительность плавки в мартеновских печах колеблется в пределах от 5-6 до 10-15 ч и зависит от многих факторов вместимости печи, вида применяемого чугуна (жидкий или твердый), его доли в шихте, системы отопления, степени интенсификации сжигания топлива и окисления примесей, степени механизации работ по обслуживанию печи и т. д. Увеличение вместимости печи, при постоянстве других условий, приводит к возрастанию длительности плавки.
Плавки на жидком чугуне имеют меньшую продолжительность чем на твердом, поскольку при использовании жидкого чугуна уменьшается длительность периодов загрузки шихты и плавления. С увеличением доли чугуна в шихте также уменьшается продолжительность периодов загрузки и плавления.
Применение топлива с высокой теплотой сгорания (мазута природного газа) и интенсификация его сжигания кислородом обеспечивает уменьшение продолжительности плавки до 20-25% по сравнению с использованием для отопления печи смеси доменного и коксового газов Наибольшее уменьшение продолжительности плавки и повышение производительности мартеновских печей без увеличения их вместимости обеспечивает использование кислородного дутья для прямого окисления примесей металла.
При конструировании мартеновских печей стремятся максимально увеличить тепловоспринимающую площадь (площадь подины), следовательно, уменьшить толщину слоя металла (глубину ванны, которая для крупных печей не превышает 1,5-2,0 м). К тому же мартеновские печи обязательно должны иметь рабочие окна, расположенные непосредственно над ванной. В этих условиях продувка ванны кислородом возможна с ограниченной интенсивностью, максимально до 10-20 м3/(тч), тогда как в конвертерах она достигает 5-6 м3/(т мин) и более. Поэтому при одинаковой вместимости мартеновские печи имеют годовую производительность примерно в 10 раз меньшую. Низкая производительность является основным недостатком мартеновских печей. Кроме того, ремонт мартеновских печей требует больших материальных и трудовых затрат. Главное их достоинство - возможность ведения процесса при любом расходе чугуна в шихту. Другим преимуществом мартеновских печей является использование первичной энергии (тепла газообразного и жидкого топлив).
Печать

РЕКЛАМА

Видео металлургия

Счетчики