3. Технология основного мартеновского процесса

В загружаемый шихте для плавки (чугун, скрап) всегда содержится некоторое количество примесей: углерод, кремний, марганец, фосфор, сера и некоторые другие элементы.

Ход плавки в мартеновской печи следующий. После осмотра и ремонта пода на него с помощью завалочной машины заваливают железную руду и известняк и после прогрева загружают скрап: сначала легковесный и сверху тяжеловесный. Когда скрап прогреется, в печь заливают чугун и с помощью заливочного крана и сливного желоба, который устанавливается в одном из рабочих окон. Жидкий чугун проходит через слой скрапа и взаимодействует с холодной рудой, что приводит к интенсивному шлакообразованию. Примеси чугуна энергично реагируют с окислами железа руды:

2Fe₂O₃ + 3[Si] = 3(SiO₂) + Fe_ж; (8.2‑1)

Fe₂O₃ + 3[Mn] = 3(MnO) + Fe_ж; (8.2‑2)

5 Fe₂O₃ + 6[P] = 3(P₂O₅) + 10Fe_ж; (8.2‑3)

Fe₂O₃+ 3[C] = 3{CO} + 2Fe_ж., (8.2‑4)

при этом образуется большое количество шлака.

Образующаяся в результате окисления углерода окись углерода вспенивает шлак – уровень его в ванне поднимается, и он начинает вытекать из печи через среднее завалочное окно. Этот шлак называют первичным, он характеризуется низкой основностью, так как известняк к этому времени не успевает нагреться и раствориться. В составе шлака повышенное содержание FeO и возможно MnO (если в составе чугуна больше 1 % Mn). Железистые шлаки и пониженная температура благоприятствуют дефосфорации. Фосфор в этих шлаках находится главным образом в виде (FeO)₃ ∙P₂O₅. Со сбегающим шлаком из печи удаляется значительное количество нежелательных окислов SiO₂иP₂O₅, одновременно с этим шлаком теряется большое количество окислов железа и марганца. Спуск шлака продолжается до полного расплавления шихты. Для ускорения этого процесса применяют продувку ванны сжатым воздухом или кислородом.

По окончании периода плавления, когда начинает формироваться основной шлак, производят дополнительную операцию скачивания шлака. Вместе со шлаком из печи уходят часть фосфора и некоторое количество серы.

Чтобы перевести оставшиеся в шлаке фосфор и серу в прочные соединения наводят новый шлак присадками свежеобожженой извести и доводят основность шлака до 2,5 и более. Если такой шлак оказывается вязким 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 ее постоянно растет.

Основная задача технолога, чтобы к моменту, когда температура металла окажется для выпуска достаточной ванна хорошо прокипела, очисталась бы от газов и неметаллических включений, в металле содержалось бы необходимое количество углерода и минимум серы и фосфора. При соблюдении этих требований период кипения заканчивают, и металл раскисляют, а затем выпускают в ковш.

В некоторых мартеновских цехах установили установки по доводке стали и доводочные операции проводят в сталеразливочном ковше, особенно глубокое удаление серы, так как вследствие высокого содержания в мартеновских шлаках окислов железа процесс десульфурации приобретает ограниченное развитие.

Поскольку процесс кипения является важным фактором плавки стали, то обратим внимание на механизм реакции обезуглероживания. Процесс этот можно представить в следующей последовательности:

1. Кислород из шлака переходит в металл (включая диффузию кислорода в шлаке, переход кислорода через межфазную границу шлак – металл и диффузию кислорода в металле к месту реакции).

2. Кислород и углерод взаимодействуют в металле по реакции [O] + [C] → [CO].

3. Выделяются пузырьки окиси углерода [CO] →CO.

Химическая реакция образования COпри высоких температурах сталеварения происходит практически мгновенно. Следовательно, скорость процесса окисления углерода может лимитироваться диффузионными стадиями реакции или последним звеном - выделением пузырьковCOв газовую фазу.

Процесс перехода кислорода из шлака в металл выражают схемой (FeO) → Fe_ж+ [O] или условно (FeO) → [FeO].

На рис. 8.1 - показана схема передачи кислорода из газовой фазы через шлак в металл.

Скорость передачи кислорода из атмосферы через шлак к металлу невелика и во многих случаях не удовлетворяет требованиям технологии. Для повышения скорости доставки кислорода осуществляют присадку железной руды или продувают ванну кислородом.

Рис. 8.1‑3 Схема передачи кислорода из газовой фазы и металла

Кроме того ускорить реакцию можно путем повышения температуры ванны.

Лимитирующим звеном реакции обезуглероживания могут стать также условия зарождения газовой фазы и всплывание пузырька.