Мартеновский способ получения стали

13/12/2013 11:26am

Автор: редакционная статья

Категории: сталеплавильное производство

Получение металлов из руд. Способы выплавки металлических материалов.

metaljournal

Мартеновский способ получения стали.

            Производство в мартеновских печах металлургических или машиностроительных заводов литой стали заданного химического состава. 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.
Благодаря преимуществам, которыми мартеновский процесс отличался от других способов массового получения стали (большая гибкость и возможность применять его при любых масштабах производства; менее строгие требования к исходным материалам; относительная простота контроля и управления ходом плавки; высокое качество и широкий ассортимент выплавляемой стали; сравнительно небольшая стоимость передела), в конце 19 века и 1-й половины 20 века он был основным сталеплавильным процессом (в 1940—55 этим способом изготовлялось около 80 % производимой в мире стали). Однако в связи с бурным развитием в 60-х годах 20 века кислородно-конвертерного производства строительство мартеновских цехов практически прекратилось; относительная доля мартеновской стали непрерывно уменьшается. В 1970 в мартеновских печах выплавлено в мире ~240 млн. т стали (~40 %), в бывшем СССР — 84 млн. т (~72 %). Мартеновское производство в 20 веке — основной потребитель стального лома (около 50 %).

мартен
open hearth furnace 

Мартеновская печь

Мартеновская печь, предназначенная для выплавки стали из доменного чугуна была создана французским металлургом Пьером Мартеном в 1864 г. Ее преимуществом перед существовавшими ранее печами, выплавлявшими металл, например, бессемеровским конвертором, было то, что в ней можно переплавлять металлический лом в сталь. Кроме того, мартеновская печь позволяла контролировать качество металла, вносить в него необходимые добавки и, таким образом, получать сталь различных марок с заданными свойствами.
Мартеновская печь относится к типу отражательных печей. Ванна, где идет плавка, выложена огнеупорным кирпичом. Над ванной — сферический свод. Продукты горения топлива, а вместе с ними и тепло отражаются от свода и направляются в ванну, где и расплавляют металл. Такая конструкция обеспечивает равномерное распределение тепла по всей площади ванны.
Топливом в мартене служит газ. Раньше применяли- смесь доменного и коксового газов. В последние годы все шире используется природный горючий газ. Но прежде чем попасть в печь, газ и воздух нагревают в 4 регенераторах — камерах, выложенных огнеупорным кирпичом, а затем подают в верхнюю часть мартена. Здесь они смешиваются и сгорают, давая температуру до 1800—2000°С. Такая температура обеспечивает полное расплавление металла.
Для загрузки сырья в передней стене мартеновской печи имеются завалочные окна, закрываемые толстыми стальными задвижками. В задней стене — выпускное отверстие. Через него готовую сталь сливают в ковш. Когда идет плавка, выпускное отверстие забито «пробкой» из огнеупорной глины.

open hearth furnace 2

Работа в мартеновской печи происходит в несколько этапов. Сначала в печь загружают холодные материалы (шихту)—железный лом, руду, известь. Их насыпают в стальные ящики — мульд ы. Завалочная машина своим длинным хоботом захватывает мульду, вносит через завалочное окно в печь, переворачивает, высыпая содержимое. Когда загрузка заканчивается, опускают заслонки над окнами и в печь вводят максимальное количество газа и воздуха, чтобы лом и другие материалы быстро прогрелись и расплавились. После этого к печам подвозят ковши с доменным чугуном. Его доставляют из миксера — огромного хранилища, куда сливают чугун из домен для хранения его в жидком виде. Мостовой кран поочередно поднимает ковши, наклоняет их, и по специальному желобу чугун льется в печь.
Выплавка стали продолжается много часов. За это время сталевар несколько раз. длинной металлической «ложкой» зачерпывает из печи немного металла и отправляет его в цеховую экспресс-лабораторию, откуда сталевару сообщают, сколько в металле углерода, марганца, кремния, серы, фосфора и др. Сталевар тут же вводит в печь недостающие вещества, чтобы добиться нужного химического состава стали.
На последнем этапе происходит рафинирование стали (очищение ее от вредных примесей) и раскисление — удаление из металла кислорода. Для этого в ванну добавляют раскислители — ферросилиций, ферромарганец, алюминий.
Самые большие в мире мартеновские печи — у нас в стране, на Ждановском металлургическом заводе. Они имеют объем ванны 900 м3.
В последние годы в нашей стране созданы двухванные печи. В них применяют не воздух, а чистый кислород. Это дает такое большое количество тепла, что позволяет двухванным печам обходиться без регенераторов.
Производительность двухванных печей в 2—4 раза выше, чем однованных, а расход топлива в 10—15 раз меньше.

open hearth furnace 3

Мартеновский процесс (1864-1865, Франция). В период до семидесятых годов являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла – стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.
Мартеновская печь по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.
Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Схема мартеновской печи

Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут.
Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора.
Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.
Отходящие от печи газы имеют температуру 1500…1600 0C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 0C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 0C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел, направленный на шихту. Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли и направляются во второй регенератор. Охлажденные газы покидают печь через дымовую трубу. После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.
Температура факела пламени достигает 18000C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.
Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных печей – до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400…600 плавок.

мартеновская печь на заводе


В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

 

  • скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома;
  • скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды, процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали, в шлаке преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые – кислым мартеновским процессом.
Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой. В печь загружают железную руду и известняк, а после подогрева подают скрап. После разогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и, частично, углерод. Оксиды образуют шлак с высоким содержанием оксидов железа и марганца (железистый шлак). После этого проводят период «кипения» ванны: в печь загружают железную руду и продувают ванну подаваемым по трубам 3 кислородом. В это время отключают подачу в печь топлива и воздуха и удаляют шлак.
Для удаления серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается.
В период «кипения» углерод интенсивно окисляется, поэтому шихта должна содержать избыток углерода. На данном этапе металл доводится до заданного химического состава, из него удаляются газы и неметаллические включения.
Затем проводят раскисление металла в два этапа. Сначала раскисление идет путем окисления углерода металла, при одновременной подаче в ванну раскислителей – ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное раскисление алюминием и ферросилицием осуществляется в ковше, при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в ковш.
В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.
В кислых мартеновских печах выплавляют качественные стали. Применяют шихту с низким содержанием серы и фосфора. Стали содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений. Следовательно, кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, ее используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.
Основными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются:

  • производительность печи – съем стали с 1м2 площади пода в сутки (т/м2 в сутки), в среднем составляет 10 т/м2; р
  • расход топлива на 1т выплавляемой стали, в среднем составляет 80 кг/т.

С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.

погрузочные окна
загрузка шихты
Работники мартеновского цеха
Работник мартеновского цеха

Назначение и устройство отдельных элементов печи

Все строение мартеновской печи делится на верхнее и нижнее. Верхнее строение расположено над площадкой мартеновского цеха, которую сооружают для обслуживания печи на высоте 5—7 м над уровнем пола цеха. Верхнее строение состоит из собственно рабочего пространства печи и головок с отходящими вниз вертикальными каналами. Нижняя часть расположена под рабочей площадкой и состоит из шлаковиков, регенеративных камер с насадками и боровов с перекидными устройствами.

загрузочное окно

Рабочее пространство печи

Рабочее пространство мартеновской печи ограничено сверху сводом, снизу — подом (или «подиной»). В передней стенке видны проемы — завалочные окна, через которые в рабочее пространство загружают твердую шихту и заливают (по специальному приставному желобу) жидкий чугун.
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. Стойкостью элементов рабочего пространства печи определяют, как правило, стойкость всей печи и, следовательно, сроки промежуточных и капитальных ремонтов.

Под (подина) печи

Верхний слой основной подины изготовляют обычно из магнезитового порошка (реже доломитового), который набивают или наваривают на служащий основанием магнезитовый кирпич.
Задняя и передняя стенки мартеновской печи работают (особенно в нижней части) почти в тех же условиях, что и подина, так как они также соприкасаются с жидким металлом и шлаком. Заднюю и переднюю стенки кислой мартеновской печи выкладывают из динасового кирпича, основной мартеновской печи — из магнезитового.
Несмотря на то что материал пода, а также задней и передней стенок по своим химическим свойствам соответствует характеру шлака (основного или кислого), шлак взаимодействует с огнеупорной футеровкой. Те места ванны, которые соприкасаются во время плавки со шлаком, оказываются после выпуска плавки несколько поврежденными (изъеденными шлаком). Если не принять специальных мер, то через несколько плавок степень износа может возрасти настолько, что печь будет в аварийном состоянии. Чтобы избежать этого, после каждой плавки подину ремонтируют (заправка печи): на изъеденные места кислой подины набрасывают песок, а основной подины — магнезитовый или доломитовый порошок. Заправке подвергают и торцовые части подины, прилегающие к головкам печи; их называют откосами. Заправку осуществляют с помощью специальных заправочных машин.

Свод печи

Свод мартеновской печи практически не соприкасается со шлаком, поэтому его можно изготовлять из кислых и основных огнеупорных материалов независимо от типа процесса. Своды изготовляют из динасового или термостойкого магнезитохромитового кирпича.

Головки печи

Рабочее пространство с торцов оканчивается головками. Правильный выбор конструкции головок имеет большое значение для хорошей работы печей. Через головки в печь подают воздух и топливо. От того, с какой скоростью вводят в рабочее пространство воздух и топливо и насколько хорошо струи топлива и воздуха перемешиваются, зависят форма и ряд других характеристик факела, а от факела зависит и вся работа печи.
Головки должны обеспечить:

 

  • хорошую настильность факела по всей длине ванны (чтобы максимум тепла передать ванне и минимум — своду и стенкам);
  • минимальное сопротивление при отводе продуктов сгорания из рабочего пространства;
  • хорошее перемешивание топлива и воздуха для полного сжигания топлива в рабочем пространстве печи.

Чтобы удовлетворить первому и третьему требованиям, сечение выходных отверстий должно быть малым (чтобы скорости ввода воздуха и топлива были максимальными); для удовлетворения второго требования сечение, наоборот, должно быть максимальным. Эта двоякая роль головок (с одной стороны, служить для ввода в печь воздуха и топлива, а с другой — отводить продукты сгорания) ставит очень непростую задачу перед конструкторами при проектировании печей.

Шлаковики

Отходящие из рабочего пространства печи дымовые газы проходят через головку и по вертикальным каналам попадают в шлаковики. В шлаковиках оседает 50—75 % плавильной пыли, причем оседает крупная пыль, более мелкие фракции в значительной степени уносятся в трубу (10—25 % пыли оседает в насадках регенераторов). На пути движения дымовых газов плавильная пыль, содержащаяся в них, реагирует с материалами кладки. Это обстоятельство приходится учитывать при выборе материалов для кладки вертикальных каналов и шлаковиков.

погрузочное окно мартеновской печи

Почти вся пыль представляет собой основные окислы (в том числе 60—80 % оксидов железа). Если вертикальные каналы и шлаковики футерованы динасовым кирпичом, то основные окислы, из которых состоит пыль, энергично взаимодействуют с кислым материалом футеровки с образованием легкоплавких силикатов железа. Стойкость футеровки оказывается недостаточной, и, кроме того, оседающая в шлаковиках пыль образует плотный монолит, который во время ремонта очень трудно извлекать.
В связи с этим для кладки вертикальных каналов и шлаковиков часто применяют термостойкий магнезитохромитовый кирпич. В этом случае взаимодействие футеровки с плавильной пылью не влияет так сильно на материал футеровки, а осевшая в шлаковике пыль представляет собой более рыхлую массу. Однако очистка шлаковиков от массы осевшей в них пыли (шлака) — операция также очень трудоемкая, для ее осуществления используют специальное оборудование.
В шлаковиках должна вмещаться вся плавильная пыль, вылетающая из печи. В газах, выходящих из рабочего пространства мартеновской печи, содержится пыли 2—4,5 г/м³, в моменты продувки ванны кислородом количество пыли возрастает почти в десять раз.

Регенераторы

Из шлаковиков отходящие газы с температурой 1500—1600 °С попадают в насадки регенераторов. Объем насадки регенераторов и площадь поверхности ее нагрева, то есть поверхности кирпича насадки, омываемой движущимися газами, взаимосвязаны. Эти величины определяют специальным теплотехническим расчетом, от них зависят основные показатели работы печи — производительность и расход топлива. Регенераторы должны обеспечивать постоянную высокую температуру подогрева газа и воздуха. В более тяжелых условиях работают верхние ряды насадок, поскольку в этой части регенератора температура и осаждение пыли наиболее высокие, поэтому верхние ряды насадок выкладывают из термостойкого магнезитохромитового или форстеритового кирпича. Нижние ряды насадок работают при температурах 1000—1200 °С (и менее), их выкладывают из более дешевого и прочного шамотного кирпича.

 

регенераторы

Перекидные клапаны

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». Операция «перекидки клапанов» в современных мартеновских печах автоматизирована.
Из боровов дымовые газы поступают в дымовую трубу. Высоту трубы рассчитывают таким образом, чтобы создаваемая ею тяга (разрежение) была достаточной для преодоления сопротивления движению дымовых газов на всем пути. Дымовая труба — сложное и дорогостоящее сооружение. Высота дымовых труб современных крупных мартеновских печей превышает 100 м. Дымовые трубы обычно выкладывают из красного кирпича с внутренней футеровкой из шамотного кирпича. Таким образом, в конструкциях современных мартеновских печей широко используют следующие огнеупорные материалы: магнезит, магнезитохромит, форстерит, динас и шамот. Объем огнеупорной кладки 500-тонной печи составляет около 3750 м³. Ряд элементов печи изготовляют из металла, некоторые из них (рамы и заслонки завалочных окон, балки, поддерживающие свод рабочего пространства, перекидные клапаны и др.) соприкасаются с горячими газами и нуждаются в непрерывном охлаждении.
Расход воды на охлаждение этих элементов печи очень значителен. Современные большие мартеновские печи требуют для охлаждения более 400 м³ воды в 1 ч. С охлаждающей водой теряется 15—25 % общего количества тепла, вводимого в печь. Расход воды зависит от ее жесткости. Допустимая температура нагрева воды тем выше, чем меньше жесткость воды. Обычно допускается нагрев охлаждающей воды на 20—25 °С, что равносильно тому, что 1 л воды уносит 85—105 кДж.
Для уменьшения расхода воды водяное охлаждение ряда элементов печи заменяют испарительным. Если применять не техническую, а химически очищенную воду, то можно, не боясь выпадения осадка (накипи), нагревать ее до 100 °С и выше. При этом от охлаждаемого элемента отводится не только тепло, затрачиваемое на нагревание воды до кипения, но и скрытая теплота парообразования (2,26 МДж/кг), то есть 1 л воды отводит от охлаждаемого элемента печи не 85—105 кДж, а 2,58—2,6 МДж. Таким образом, расход воды можно сократить почти в 30 раз, кроме того, на больших печах получают при этом некоторое количество пара (до 10 т/ч), который может быть использован.
Существует также так называемое «горячее» охлаждение печей. Система горячего охлаждения технологически мало отличается от обычного способа охлаждения обычной производственной водой. Все охлаждаемые элементы печи остаются без изменения, но через них вместо обычной производственной воды с температурой 15—30 °С пропускают химически очищенную теплофикационную воду из оборотной теплофикационной сети с температурой 50—80 °С, которая, пройдя охлаждаемые элементы печи и подогревшись в них на 20—30 °С, возвращается обратно в теплофикационную сеть, где передает полученное тепло потребителю.

Перекидные клапаны

панорама на мартеновскую печь

Заводы, использовавшие мартеновские печи

Жидкий металл

  • Бежицкий сталелитейный завод
  • Выксунский металлургический завод 
  • Гурьевский металлургический завод
  •  Златоустовский металлургический завод — мартеновский цех выведен из эксплуатации
  • Кулебакский металлургический завод — остановлена 20 декабря 2011 г.
  • Металлургический завод Петросталь (дочернее предприятие ОАО Кировский завод)
  • Орско-Халиловский металлургический комбинат (ОАО «Уральская Сталь») 
  •  Северский трубный завод — мартеновское производство остановлено в 2008 г.
  • Таганрогский металлургический завод — мартеновское производство прекращено в октябре 2013 г.
  • Челябинский трубопрокатный завод
  • Череповецкий металлургический комбинат — остановлен в 2011 г.
  • Чусовской металлургический завод
  • Ижевский металлургический завод (ОАО «Ижсталь»)
  • Омутнинский металлургический завод (ЗАО «ОМЗ»)
  • Челябинский металлургический комбинат
  • Металлургический комбинат «Запорожсталь»
  • «Интерпайп – НТЗ» --выведены из эксплуатации в 2011 году.

Мартеновский цех


Презентация

Контакты

 

 

Контакты

[email protected]

[email protected]

 г. Днепр

тел. +38 (056) 794-36-74

факс. +38 (056) 794-36-75

моб. +38 (050) 320 69 72

ISSN 20760507

Руководитель проекта - Гринев Владимир Анатольевич

Партнеры