2.2. Производство стали в мартеновских печах 

     В мартеновских печах сжигают мазут  или предварительно подогретые газы с использованием горячего дутья. Печь имеет рабочее (плавильное) пространство и две пары регенераторов (воздушный и газовый) для подогрева воздуха и газа. Газы и воздух проходят через нагретую до 1200° С огнеупорную насадку соответствующих регенераторов и нагреваются до 1000-1200° С. Затем по вертикальным каналам направляются в головку печи, где смешиваются и сгорают, в результате чего температура под сводом достигает 1680-1750° С. Большинство мартеновских печей отапливают смесью доменного, коксовального и генераторного газов. Также применяют и природный газ. Мартеновская печь, работающая на мазуте, имеет генераторы только для нагрева воздуха.

     Шихтовые материалы (скрапы, чугун, флюсы) загружают в  печь наполненной машиной через  завалочные окна. Разогрев шихты, расплавление металла и шлака в печи происходит в плавильном пространстве при контакте материалов с факелом раскаленных газов. Готовый металл выпускают из печи через отверстия, расположенные в самой низкой части подины. На время плавки выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной.

     Процесс плавки в  мартеновских печах может быть кислым или основным. При кислом процессе огнеупорная кладка печи выполнена из динасового кирпича. Верхние части подины наваривают кварцевым песком и ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавке получают кислый шлак с большим содержанием кремнезема .

     При основном процессе плавки подину и  стенки печи выкладывают из магнезитового  кирпича, а свод – из динасов ого  или хромомагнезитового кирпича. Верхние  слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым порошком и ремонтируют  после каждой плавки. В процессе плавки получают кислый шлак с большим  содержанием.

     Основной  мартеновский процесс. Перед началом плавки определяют количество исходных материалов (чушковый чугун, стальной скрап, известняк, железная руда) и последовательность их загрузки в печь. При помощи заливочной машины мульда (специальная коробка) с шахтой вводится в плавильное пространство печи и переворачивается, в результате чего шихта высыпается на подину печи. Сначала загружают мелкий скрап, затем более крупный и на него кусковую известь. После прогрева загруженных материалов подают оставшийся стальной лом и предельный чугун двумя тремя порциями.

     В период загрузки и плавления шихты  происходит частичная окисление  железа и фосфора почти полное окисление кремния и марганца и образования первичного шлака. Указанные элементы окисляются сначала  за счет кислорода печных газов и  руды, а затем за счет закиси железа растворенной в шлаке. После образования  шлака жидкий металл оказывается  изолированным от прямого контакта с газами, и окисление примесей происходит под слоем шлака. Кислород в этих условиях переносится закисью  железа, которая растворяется в металле  и шлаке. Увеличение концентрации закиси железа в шлаке приводит к возрастанию  ее концентрации в металле.

     Для более интенсивного питания металлической  ванны кислородом в шлак вводят железную руду. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, фосфор и  углерод по реакциям, рассмотренным  выше. К моменту расплавления всей шихты значительная часть фосфора переходит в шлак, так как последний содержит достаточное количество закиси железа и извести. После скачивания первичного шлака в печь загружают известь для образования нового и более основного шлака. Тепловая нагрузка печи увеличивается, для того чтобы тугоплавкая известь быстрее перешла в шлак, а температура металлической ванны повысилась. Через некоторое время 15 – 20 мин в печь загружают железную руду, которая увеличивает содержание окислов железа в шлаке, и вызывает в металле реакцию окисления углерода.

     Образуется  окись углерода выделяется из металла  в виде пузырьков, создавая впечатление  его кипения, что способствует перемешиванию  металла, выделение металлических  включений и растворенных газов, а также равномерному распределению  температуры по глубине ванны. Обычно железную руду добавляют в печь в первую периода кипения, называемого полировкой металла. В течение второй половины периода кипения железную руду в ванну не подают. Металл кипит мелкими пузырьками за счет накопленных в шлаке окислов железа. В период кипения, следя за основностью и жидкотекучестью шлака.

     Когда содержание углерода в металле окажется несколько ниже, чем требуется  для готовой стали, начинается последняя  стадия плавки – период доводки  и раскисления металла. В печь вводят определенное количество кускового  ферромарганца, а затем через 10 – 15 мин ферросилиций. Марганец и кремний взаимодействуют с растворенным в металле кислородом, в результате чего реакция окисления углерода приостанавливается. При основном процессе плавки происходит частичное удаление серы. Для этого необходимы высокая температура и достаточная основность шлака.

     Кислый  мартеновский процесс. Этот процесс состоит из тех же периодов, что и основной. Шихту применяют очень чистую по фосфору и сере. Объясняется это тем, что образующийся кислый шлак не может задерживать указанные вредные примеси.

     Печи  обычно работают на твердой шихте. Железную руду в печь подавать нельзя, так  как она может взаимодействовать  с кремнеземом подины и разрушать  ее в результате образования легкоплавкого  соединения. Для получения первичного шлака в печь загружают некоторое  количество кварцита или мартеновского  шлака. После этого шихта нагревается  печными газами; железо, кремний, марганец окисляются, их окислы сплавляются  с флюсами и образуют кислый шлак. В этом шлаке большая часть  закиси железа находится в силикатной форме, что затрудняет его переход  из шлака в металл. Кипение ванной при кислом процессе начинается позже, чем при основном, и происходит медленнее даже при хорошем нагреве  металла. Кроме того, кислые шлаки  имеют повышенную вязкость, что отрицательно сказывается на выгорании углерода. Так как сталь выплавляется под  слоем кислого шлака с низким содержанием свободной закиси железа, этот шлак защищает металл от насыщения  кислородом. Перед выпуском из печи в стали содержится меньше растворенного  кислорода, чем в стали, выплавленной при основном процессе.

2.3. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

    Для выплавки стали используют электрические  печи двух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные). Первые из них получили более широкое применение в металлургической промышленности.

     Дуговые печи имеют емкость 3 - 80 т и более. В электрических печах можно  получать очень высокие температуры, расплавлять металл с высокой  концентрацией тугоплавких компонентов  иметь, иметь основной шлак, хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную атмосферу  или вакуум (индукционные печи) и  достигать высокого раскисления  и дегазации металла.

     Дуговая печь имеет следующие основные части: сварной или клепанный кожух  цилиндрической формы, со сфероидальным  днищем; подины и стенок; съемный  арочный свод с отверстиями для  электродов; механизм для закрепления  вертикального перемещения электродов; две опорные станины; механизм наклона  печи, позволяющий поворачивать печь при выпуске стали по желобу и  в сторону загрузочного окна для  скачивания шлака.

     В сталеплавильных печах применяют  угольный и графитированные электроды. Диаметр электродов определяется мощностью  потребляемого тока. В процессе плавки нижние концы электродов сгорают. Поэтому электроды постепенно опускают и в необходимых случаях наращивают сверху.

     Технология  выплавки стали в  дуговых печах. В электрических дуговых печах высококачественную углеродистую или легированную сталь. Обычно для выплавки стали, применяют шихту в твердом состоянии. Твердую шихту в дуговых печах с основной футеровкой используют при плавке стали с окислением шихты и при переплавке металла без окисления шихты.

     Технология  плавки с окислением шихты в основной дуговой печи подобна технологии плавки стали в основных мартеновских печах. После заправки падины в печь загружают шихту. Среднее содержание углерода в шихте на 0,5 –0,6% выше, чем в готовой стали. Углерод  выгорает и обеспечивает хорошее  кипение ванны. На подину печи загружают  мелкий стальной лом, затем более  крупный. Укладывать шихту в печи надо плотно. Особенно важно хорошо уложить куски шихты в месте нахождения электродов. Шихту в дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большой емкости через свод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки кокса, включают ток, и начинают плавку стали.

     При плавки стали в дуговых печах  различают окислительный и восстановительный  периоды.

     Во  время окислительного периода расплавляется  шихта, окисляется кремний, марганец, фосфор, избыточный углерод, частично железо и  другие элементы, например хром, титан, и образуется первичный шлак. Реакция  окисления такие же, как и при  основном мартеновском процессе. Фосфор из металла удаляется в течение  первой половины окислительного периода, пока металл в ванне сильно не разогрелся. Образовавшийся при этом первичный  фосфористый шлак в количестве 60 – 70% удаляют из печи.

     Для получения нового шлака в основную дуговую печь подают обожженную известь  и другие необходимые материалы. После удаления фосфора и скачивания первичного шлака металл хорошо прогревается и начинается горение углерода. Для  интенсивного кипения ванны в  печь забрасывают необходимое количество железной руды или окалины и шлакообразующих  веществ.

     Во  время кипения ванны в течение 45-60 мин избыточный углерод сгорает, растворенные газы и неметаллические  включения удаляются. При этом отбирают пробы металла для быстрого определения  в нем содержания углерода и марганца и пробы шлака для определения  его состава. Основность шлака поддерживается равной 2-2,5, что необходимо для задержания в нем фосфора.

     После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период окисления  углерода содержится меньше, чем требуется  по химическому анализу, то в печь вводят куски графитовых электродов или кокс.

     В восстановительный период плавки раскисляют металл, переводят максимально возможное  количество серы в шлак, доводят  химический состав металла до заданного  и подготовляют его к выпуску  из печи.

     Восстановительный период плавки в основных дуговых  печах при выплавке сталей с низким содержанием углерода проводится под  белым (известковым) слоем шлаком, а  при выплавке высокоуглеродистых сталей – под карбидным шлаком.

     Для получения белого шлака в печь загружают шлаковую смесь, состоящую  из извести и плавикового шпата. Через некоторое время на поверхности  образуется слой шлака с достаточно высокой концентрацией FeO и MnO. Пробы шлака имеют темный цвет.

     Перед раскислением металла в печь двумя-тремя  порциями забрасывают второю шлаковую смесь, состоящей из кусковой извести, плапикового шпата, молотого древесного угля и кокса. Через некоторое  время содержание FeО и MnO понижается. Пробы шлака становятся светлее, закись железа из металла начинает переходить в шлак. Для усиления раскисляющего действия к концу восстановительного периода в печь забрасывают порошок ферросилиция, под влиянием которого содержание FeO в шлаке понижается. В белом шлаке содержится до 50 – 60% СаО, а на поверхности его плавает древесный уголь, что позволяет эффективно удалять серу из металла. Во время восстановительного периода плавки в металл вводят необходимые добавки, в том числе и легирующие. Окончательно металл раскисляют в печи алюминием.

     Выплавка  стали под карбидным шлаком на первой стадии восстановительного процесса происходит так же, как и под  белым шлаком. Затем на поверхность  шлака загружают карбидообразующую  смесь, состоящую из кокса, извести  и плавикого шпата. Образующийся карбид кальция увеличивает раскислительную и обессеривающую способность карбидного шлака. Для ускорения образования карбидного шлака печь хорошо герметизируют. Карбидный шлак содержит 55 –65% СаО и 0,3 – 0,5% FeO; он обладает науглероживающей способностью.