5.1.4.2. Шлаковый режим сталеплавильного процесса
Характерной особенностью сталеплавильных шлаков в окислительный период является повышенное содержание в них оксидов железа (около 15% FeO и 5% Fe2О3). С одной стороны, это неизбежный (негативный) процесс - горение железа (угар может доходить до 1,5-2,0%), а с другой стороны, оксиды железа в шлаке при получении стали в печах являются как бы посредниками, передающими кислород из газовой фазы в металлическую ванну для окисления углерода и других примесей чугуна.
Главным источником поступления в шлак SiО2 является окисление [Si]. При взаимодействии SiО2 с FeO шлака образуются легкоплавкие силикаты железа. Такой кислый шлак недопустим для плавки по двум причинам: во-первых, он интенсивно разъедает основную футеровку конвертеров и печей, а во-вторых, в такой шлак не переходят ни фосфор, ни сера. Поэтому в период формирования шлака для нейтрализации SiО2 в металлургический агрегат вводят известь (СаО).
В начале периода окисления при сравнительно невысоких температурах идет окисление фосфора. В результате взаимодействия Р2О5 с СаО шлака образуется прочное химическое соединение Са3(РО4)2. Удалению фосфора способствует также взаимодействие Р2О5 с FeO - образуется Fe3(PО4)2. Во избежание обратного перехода фосфора в металл при более высоких температурах этот шлак с повышенным содержанием фосфора удаляется из конвертера или печи - производят скачивание шлака. При переработке высокофосфористых чугунов эту операцию повторяют 2-3 раза. Таким образом, удается во много раз уменьшить содержание фосфора в стали.
Несмотря на высокую основность сталеплавильных шлаков (СаО : SiО2 = 2,0 - 2,5), сера из стали удаляется значительно хуже, чем из чугуна в доменной печи - в сталеплавильном процессе в сталь переходит около 50% серы шихты (а в доменной печи - около 5%). Главной причиной плохой десульфации, как уже отмечалось, является высокое содержание FeO в сталеплавильных шлаках, обусловленное окислительным характером процесса.
5.1.4.3. Мартеновское производство стали
Более 100 лет мартеновское производство было главным способом производства стали в мире. Основным достоинством является его универсальность - можно получать любые марки стали при использовании любых типов чугунов при любом соотношении жидкого и твердого металла (чугуна и скрапа).
Устройство мартеновской печи (рис. 5.19). Рабочее пространство печи ограждено от окружающего пространства передней и задней стенками, сверху - сводом, снизу - дном печи, который называется подом. Для достижения высокой скорости передачи кислорода и тепла от газового потока металлу печь имеет большую поверхность расплавленного металла при небольшой глубине ванны; для мартеновской печи емкостью 500 т поверхность составляет около 100 м2, а глубина металла - 1 м. С обоих торцов печи установлены каналы - головки 2, через одну из которых в печь подают топливо и воздух, а через другую из печи удаляются продукты горения (дым). Внутреннее пространство печи футеровано огнеупорным кирпичом 4, как правило, основным: магнезитовым или хромомагнезитовым.
Загрузка мартеновской печи шихтой и заливка жидкого чугуна осуществляются через рабочие окна в передней стенке 3 с помощью специальных завалочных машин. Через эти же окна производится промежуточное скачивание шлака. Готовую сталь выпускают через летку 5, находящуюся в середине печи на стыке задней стенки и пода.
Обязательным элементом мартеновских печей являются регенераторы 8, главным назначением которых является повышение температуры продуктов горения топлива до значений, при которых сталь получается в расплавленном состоянии - благодаря внесению в зону горения дополнительного тепла с нагретым воздухом. При этом происходит также существенная экономия топлива.
Обогрев мартеновской печи производится следующим образом. Подаваемый вентилятором воздух проходит через разогретые насадки регенераторов снизу вверх и с температурой около 1200°С поступает в печь (на рис. 5.19 - с правой стороны), обеспечивая горение газа с образованием факела. Температура продуктов горения составляет 1900-2000°С. Отдав определенное количество тепла металлической ванне, газ выходит из печи через головку на другом (левом) конце печи. Пройдя предварительно через шлаковики (в которых осаждаются капельки и частички шлака), горячий газовый поток подается в регенераторы, где отдает основное количество тепла огнеупорной насадке. И лишь после этого газ направляют либо в трубу, либо в котел-утилизатор.
Рис. 5.19. Схема мартеновской печи:
1 - расплавленный металл; 2 - головка; 3 - рабочие окна■ 4 - огнеупорная футеровка;
5 -летка; б - шлаковый ковш; 7 – шлаковики; 8- регенераторы; 9 - кислородные фурмы;
10 - горелка (форсунка); 11 - сталеразливочный ковш
Минут через 10-15, когда температура воздуха, выходящего из правого регенератора, опустится до нижнего предельного значения, производят «перекидку клапанов», в результате которой направление потока газа меняется на обратный: газ сжигается у левой головки, а дымовые газы уходят из печи через правую; левый регенератор используется для подогрева воздуха, а в правом разогревается огнеупорная насадка.
Некоторые мартеновские печи имеют цилиндрическую нижнюю поверхность, благодаря чему могут отклоняться от вертикали на 20-30° (см. рис. 5.25, с. 126). Такие качающиеся печи строят на заводах, где перерабатываются высокофосфористые чугуны (для многократного скачивания шлака), а также в сталелитейных цехах машиностроительных предприятий, где требуется часто выдавать жидкую сталь небольшими порциями.
Различают две разновидности мартеновского процесса: скрап-рудный и скрап-процесс. Отличительной особенностью наиболее распространенного скрап-рудного процесса является высокое содержание в шихте жидкого чугуна - до 60%; доля скрапа - 25-30%. Повышенное количество в шихте углерода (внесенного чугуном) требует повышенного расхода твердых окислителей - руды (агломерата, окатышей) - 9-10%.
В редко применяемом скрап-процессе основой металлической части шихты является стальной лом. В этом процессе требуется только переплав металла. Как уже отмечалось, для получения качественной стали (хорошо прогретой, с малым содержанием газов и неметаллических включений) необходимо организовать ее «кипение». Так как в стальном ломе углерода мало, то в шихту специально вводят углерод в составе твердого чугуна.
Технико-экономические показатели. Основные затраты в себестоимости стали составляет стоимость шихтовых материалов: чугуна, скрапа, агломерата, ферросплавов, флюса. А в расходах по переделу главные затраты - это стоимость ремонта оборудования и стоимость технологического топлива. Одним из наиболее эффективных мероприятий по снижению расхода топлива является сокращение продолжительности мартеновской плавки путем вдувания в металлическую ванну чистого кислорода с помощью водоохлаждаемых фурм (через отверстия в своде - рис. 5.19). Скорость процесса окисления углерода при этом возрастает в 2-2,5 раза, благодаря чему производительность печи увеличивается на 8-10%, а удельный расход топлива сокращается на 6-8%.
Интенсивность работы мартеновских печей оценивают показателем «съём стали с
1 м2 пода в сутки». Для лучших отечественных цехов этот показатель достигает 10-13 т/(м2.сут). Эффективность сталеплавильного производства характеризуется также выходом годного - 91-95%; простои на ремонты составляют 6-7% календарного времени.
На рисунке 5.20 изображен поперечный разрез мартеновского цеха, из которого понятна организация работ в нем.
Рис. 5.20. Поперечный разрез главного здания мартеновского цеха:
1 - разливочный кран; 2 - заливочный кран; 3 - тележки с твердой шихтой; 4 - чугуновозный ковш; 5 - завалочная машина; 6 - мартеновская печь; 7 - сталеразливочный ковш; 8 - шлаковый ковш; 9 - состав с изложницами; пунктирной линией показан путь движения дымовых газов от регенераторов к трубе
В шихтовом окрылке осуществляют взвешивание отдельных компонентов твердой части шихты и их загрузку в специальные стальные контейнеры - мульды; в печном пролете производят загрузку твердой части шихты и заливку чугуна в печи; готовую сталь выпускают из печи в сталеразливочный ковш 7, установленный в разливочном пролете; по окончании выпуска ковш мостовым краном 1 подается на разливочную канаву или на MJIH3 (см. с. 128).
В заключение необходимо отметить, что несмотря на хорошо отработанную технологию плавки мартеновский процесс из-за присущих ему недостатков: большой продолжительности плавки (6-10 ч), обусловленной низкой скоростью процессов окисления в металлической ванне, высоких капитальных затрат на строительство печей и особенно регенераторов, необходимостью расходования большого количества топлива из-за неудовлетворительных условий теплообмена в последние годы вытесняется кислородно-конвертерным процессом - при переделе жидкого чугуна и электроплавкой - при переплаве металлического лома.