Мартеновский способ получил широкое применение благодаря возможности использования различного сырья и разнообразного топлива. В настоящее время мартеновский процесс различают в зависимости от используемого сырья: скрап-процесс, если его шихта состоит из стального лома (60—70%) и твердого чушкового чугуна (30—40%). Эта разновидность процесса применяется на заводах, не имеющих доменного производства (Московский завод «Серп и молот» и др.). Широко применяется и скрап-рудный процесс, характерный тем, что его шихта состоит на 20—50% из скрапа и на 50—80% из жидкого чугуна, который после выпуска из доменных печей хранится в больших бочкообразных футерованных внутри огнеупорным кирпичом хранилищах, называемых миксерами. Этот процесс называется скрап-рудным потому, что для ускорения окисления примесей чугуна в печь загружают, кроме того, гемати-товую железную руду в количестве 15—30% от массы металлической части шихты.
Скрап-рудный процесс в кислой и основной мартеновских печах проходит различно (меняется состав флюсов и некоторых других шихтовых материалов, по-разному идет окисление примесей). Поэтому различают кислый и основной мартеновские процессы.
Рассмотрим кратко сущность широко применяемого на наших заводах основного скрап-рудного процесса. Мартеновские печи работают циклами, но нагрев печи ведется непрерывно, поэтому подготовка новой плавки стали начинается с осмотра печи и устранения изъяна в подине и боковых откосах печи путем их заварки новым слоем доломита или магнезита еще во время выпуска предыдущей плавки.
После выпуска металла выпускное отверстие заделывают и шихту загружают для новой плавки. Сыпучие шихтовые материалы (руда, известняк, скрап) загружают обычно первыми и отдельные их слои хорошо прогревают. На подину принято сначала загружать железную руду, а потом известняк и сверху стальной лом. Все эти материалы подвозят к печам составом платформ в так называемых мульдах (металлические коробки с приспособлением для захвата их хоботом завалочной машины).
Завалочная машина современных крупных печей — это самоходная тележка, перемещающаяся по рельсам вдоль продольных лицевых стенок нескольких мартеновских печей, обычно располагающихся в одну линию. На самоходной тележке установлен механизм управления с кабиной машиниста и загрузочный механизм с длинным штоком (хоботом). Хобот завалочной машины поднимает с платформы мульду с шихтой, вносит ее в печь и, поворачивая, высыпает ее содержимое, затем выносит пустую мульду из печи и ставит ее на платформу.
Во время загрузки твердых материалов в печь расходуется максимальное количество топлива для обеспечения быстрого прогрева и расплавления шихтовых материалов. Жидкий чугун загружают в печь через окно с помощью вставляемого в него стального желоба, Футерованного изнутри огнеупором. Жидкий чугун подают к печи в чугуновозном ковше с помощью мостового крана (рис. 53). Чугун заливают в печь, когда твердая шихта прогрета и начинает оплавляться. С заливкой жидкого чугуна резко ускоряется плавление металлической части шихты. Одновременно с прогревом шихты начинается окисление примесей.
К моменту расплавления шихты почти полностью окисляется кремний, более половины марганца, третья часть фосфора и частично углерод. Во время плавления образуется значительное количество закиси железа, так как количество воздуха, подаваемого в мартеновскую печь, обычно значительно ольще необходимого для сжигания топлива (125% теоретически необходимого) и пламя в мартеновской печи бывает окислительным.
Образующаяся закись железа, растворяясь в шлаке и металл окисляет примеси
Si + 2FeO = 2Fe + Si02; 2P + 8FeO = 5Fe + 3FeO • P205; Mn + FeO = Fe + MnO; C + FeO = Fe + CO
Окисление углерода в еще не прогретой ванне вызывает вспенивание шлака. Этим пользуются для удаления из печи самотеком через пороги загрузочных окон (в некоторых печах есть и отдельные летки ) части первичного шлака, содержащего значительное количество фосфора в виде 3FeO-P205 и кремнезем.
Скачивание шлака продолжается в крупных печах в течение 1—2 ч; оно сокращает потребность в известняке и уменьшает слой шлака в печи, благодаря чему улучшается прогрев металла. К концу плавления шихты известняк, прогревшись, переходит в известь СаС03 –>СаО + С02 и, всплывая, растворяется в шлаке.
После расплавления шихты начинается период доводки стали. В печи образуется ванна металла, покрытая сверху слоем шлака, содержащего значительное количество окислов железа. Окись железа, имеющаяся в шлаке, взаимодействует с металлом
Fe203 + Fe = 3FeO
Образующаяся закись железа частично растворяется в шлаке, но частично переходит и в металл, так как она хорошо растворяется в нем. Растворившаяся в металле закись железа продолжает окислять примеси, в том числе и углерод:
FeO + C = Fe + CO
Образующаяся окись углерода в виде газовых пузырьков хорошо перемешивает ванну и способствует выделению из металла газовых и других включений. Этот процесс выделения угарного газа называют кипением ванны. В это время для интенсификации процесса кипения в печь добавляют железную руду. Увеличение окислов железа в шлаке ускоряет процесс. При перемешивании шлака образовавшаяся в нем закись железа, соприкасаясь с окислительными газами печи, переходит в окись, которая в свою очередь окисляет металл.
Таким образом, шлак в ванне мартеновской печи, интенсивно перемешиваемый тепловыми потоками и выделяющимся из металла газом, передает металлу тепло и, кислород.
В этот же период из шихтовых материалов удаляют фосфор путем периодического скачивания шлака. Важную роль для связывания окислов фосфора в этот период играет известь, так как соединения типа 3FeO•P205 при высоких температурах оказываются не стойкими. Фосфор связывают в этих условиях с известью по уравнению
3FeO • Р205 + 4СаО = 4 СаО • Р205 + 3FeO
Для успешного удаления фосфора необходимо иметь в шлаке максимальное количество извести, не связанное кислотными окислами (главным образом Si02). Однако большой избыток извести затрудняет мартеновскую плавку, так как такие шлаки тугоплавки. Наличие свободной окиси кальция способствует также и переводу в шлак соединений серы, присутствующих в металле в виде сульфидов железа и марганца, по уже известной нам реакции
FeS + CaO=FeO + CaS
Но в условиях мартеновской плавки эта равновесная реакция не доводится/до конца, поэтому присутствие серы в компонентах шихты крайне нежелательно.
Процесс доводки металла до нужного химического состава производится в так называемый период чистого кипения металла, начинающегося после прекращения добавок в него железной руды. Чистое кипение ванны протекает не менее одного часа. Готовность заданной плавки стали определяют взятием пробы и экспресс-анализом в цеховой лаборатории.
После этого проводится раскисление и выпуск стали в ковши, из которых ее разливают в слитки. Общая продолжительность получения стали в мартеновской печи занимает несколько часов. Раскисление стали в ванне мартеновской печи проводят сначала доменным ферромарганцем, а затем доменным ферросилицием. Кремний ферросилиция отнимает кислород от закиси железа и образует сложные силикаты железа и марганца, которые обладают низкой температурой плавления и малой плотностью. Они всплывают в ванне и переходят в шлак. После этого сталь начинают выпускать из печи и завершают раскисление в ковше (или на желобе, по которому она вытекает в ковш), богатым ферросилицием (45% или 75% Si), и вводят небольшое количество более сильного восстановителя — обычно алюминия или силикоалюминия
3FeO + 2Al = Al203 + Fe
Алюминий является активным раскислителем стали, но образующаяся окись алюминия тугоплавка и в виде тонкой взвеси почти вся остается в стали. Принято считать, что эти частички окиси алюминия являются центрами кристаллизации при формировании слитка, и с увеличением количества алюминия, вводимого для раскисления, можно получить более мелкую структуру слитка или отливки. Обычно для раскисления берут 100—400 г алюминия на 1 т выплавляемой стали в зависимости от ее марки.
Итсочник: metallsity.ru