3.4. Варіанти мартенівської плавки

У залежності від складу шихти (від співвідношення чавуна й лома в шихти) мартенівський процес поділяють на декілька технологічних варіантів:

1. Карбюраторний (скрап-вугільний) процес. Металева частина шихти складається практично тільки зі стального лому (скрапу), а кількість вуглецю (навуглецювачів), що вимагається, вводиться в шихту матеріалами, що містять вуглець (карбюраторами): антрацит, кокс, графіт, порошкоподібне кам'яне вугілля, бій графітових електродів тощо з урахуванням відсотка засвоєння вуглецю. Цей процес не набув великого поширення.

2. Скрап-процес характеризується тим, що шихта складається в основному зі скрапу. Витрата твердого чавуну при цьому залежить від необхідного для проведення періоду кипіння вмісту вуглецю в розплавленому металі і коливається від 25 до 45 %. Кількість необхідного для окислення домішок кисню приблизно дорівнює його кількості, що надходить з атмосфери печі, тому плавку проводять без добавок залізняку в завалку і з невеликими добавками в період доведення. Кислі мартенівські печі працюють тільки скрап-процесом. Скрап-процес зазвичай застосовується на заводах, що не мають доменних печей, а також у мартенівських печах машинобудівних заводів.

3. Скрап - рудний процес. Тверда частина шихти складається зі скрапу, руди і вапняку (як носіїв кисню і шлакоутворюючих), набув найбільшого поширення; для процесу характерна підвищена кількість чавуну (5580 % від маси металевої частини шихти), що заливається в піч у рідкому вигляді. Кількості кисню, що передається з атмосфери печі, недостатньо для окислення домішок (вуглецю, марганцю, кремнію, фосфору), тому необхідно давати в завалку додаткову кількість залізняку або використовувати кисень для продування рідкої ванни. Скрап-рудний процес застосовується в мартенівських цехах заводів, що мають доменні печі.

4. Рудний процес. Шихта складається в основному тільки з рідкого чавуну з використанням стального лому і з продуванням ванни газоподібним киснем (широкого застосування не отримав).

Понад 95 % мартенівської сталі виплавляється основним процесом (скрап-рудним і скрап-процесом). Кислий мартенівський процес значно менш поширений, ніж основний, в зв'язку з тим, що в ньому ускладнюється видалення сірки й фосфору і тому потрібні більш чисті (а, отже, більш дорогі) шихтові матеріали; плавка при кислому процесі триває довше, ніж при основному. Однак кислий процес дозволяє отримати сталь високої якості, чисту від шкідливих домішок, що характеризується дуже малою анізотропністю властивостей вздовж і впоперек напряму подальшої обробки тиском. Широко використовувалася для виробництва роторів турбін, великих колінчастих валів, стовбурів артилерійських знарядь і ін. виробів, які повинні мати високу механічну міцність вздовж і впоперек волокна.

Окислювальні процеси в мартенівській печі протікають в контакті чотирьох фаз: металу, шлаку, пічної атмосфери й футерівки (див. малюнок 3.1). Основним джерелом кисню для окислювальних процесів є газова фаза в робочому просторі над ванною печі. Для інтенсифікації окислювальних процесів застосовують окислювачі: залізняк, агломерати, окатиші, технічний кисень, стисле повітря, пару.

У мартенівському процесі (на відміну від конвертерних) тепла, що виділяється внаслідок хімічних реакцій окислення домішок металевої ванни, недостатньо для проведення плавки. Тому в піч додатково подається тепло, що отримується внаслідок спалення палива в робочому просторі. Паливом служать природний газ, мазут, коксовий і доменний гази. Для забезпечення повного згоряння палива повітря на горіння подається в кількості, трохи більшій теоретично необхідного. Це створює надлишок кисню в продуктах згоряння, в яких присутні також газоподібні оксиди СО₂ і Н₂О, що частково дисоціюють при високій температурі. У результаті відбувається окислення заліза й ін. елементів, що містяться в шихти (для інтенсифікації горіння палива частина повітря, що подається в піч може замінюватися киснем, але при цьому погіршується екологічність процесу; газоподібний кисень подається також у ванну для інтенсифікації окислювальних процесів).

Окислювальний потенціал атмосфери печі визначається кількістю надлишкового кисню, повітря, а також киснем СО₂ і Н₂О, що частково дисоціюють при температурі плавки. Зразковий хімічний склад газів, що відходять: ~1,0 % О₂, 1518 % СО₂, 1015 % Н₂О (інше азот й ін. газоподібні продукти). Парціальний тиск О₂ в робочому просторі печі 12 кПа (0,010,02 ат.).

Окислення шихти починається відразу після її завалки. Поверхня шматків лома сплавляється з утворенням окалини, яка стікаючи зі шматків металу, звільняє нові його поверхні для окислення. Кількість кисню, засвоєного шихтою, залежить від тривалості завалки, прогрівання й типу металолому. Чим довше завалка і більш легковаговий лом (велика його поверхня), тим довший процес накопичення кисню ванною.

Рис. 3.1. – Схема переходу кисню з газової атмосфери печі через шлак у метал [2].

1 – пічна атмосфера; 2 – шлак; 3 – рідкий метал; 4 – футерування.

Окислювальна здатність мартенівської печі вимірюється кількістю кисню, що переданий металу, на одиницю маси металу в одиницю часу або через 1 м² площі поду в одиницю часу. При роботі мартенівських печей без продування ванни киснем в період, коли ванна покрита шлаком, окислювальна здатність коливається в межах 1,36,5 кг О₂/(тч). При використанні інтенсифікаторів (О₂, повітря) величина окислювальної здатності печі значно зростає.

При роботі скрап-процесом (2545 % рідкого чавуну) кількість необхідного для окислення домішок кисню приблизно дорівнює кількості, що надходить з атмосфери печі. Тому плавки можна проводити без добавок окислювачів або з невеликими добавками залізняку в період доведення.

Перехід кисню з атмосфери печі в метал багатостадійний і включає турбулентну дифузію, адсорбцію на поверхні границь розділу і безпосередньо хімічні реакції:

2(FeO) + {O}_адс = (Fe₂O₃)

(Fe₂O₃) + [Fe] = 3(FeO)

(FeO)_ш-м = [Fe]_м-ш + [O]_м-ш

При переділі скрап-рудним процесом (5580 % рідкого чавуну) для прискорення процесу окислення домішок використовують кисень залізняку і технічний кисень для збагачення факела або проводять подачу кисню в метал. При використанні в якості інтенсифікатора процесу залізняку перехід кисню в метал спрощується й описується постадійно:

(Fe₂O₃) + [Fe] = 3(FeO)

(FeO) = [Fe] + [O]

При продуванні металу технічним киснем він реагує безпосередньо з металом

{O₂} + 2[Fe] = 2(FeO)

(FeO) = [Fe] + [O]

Потрібно зазначити, що описаний механізм переходу кисню дещо спрощений, більш повно він розглядається в курсі «Теоретичні основи сталеплавильних процесів» [4].

З метою рафінування (очищення) розплаву у ванну присаджують шлакоутворюючі. У основному процесі для отримання необхідних властивостей шлаку у ванну присаджують вапняк, вапно й боксит.