Основной мартеновский процесс

В основной мартеновской печи можно переплавлять чугун и скрап любого состава и в любой пропорции и полу­чать при этом качественную сталь лю­бой марки.

С учетом угара железа и примесей на 1 т выплавляемой в мартеновских печах стали расходуется несколько больше 1 т металлической шихты (чу­гуна и скрапа). В среднем по стране на 1 т мартеновской стали расходуется 580-590 кг чугуна и 480-485 кг сталь­ного лома. Однако для отдельных за­водов эти данные значительно отлича­ются: расход чугуна на 1 т стали колеб­лется от 300—400 кг для заводов, где нет доменных цехов, до 550-700 кг для заводов с полным металлургичес­ким циклом.

16.8.1. Основные реакции.Кремний окисляется в основной мартеновской печи почти полностью еще во время плавления в результате взаимодей­ствия с кислородом атмосферы или оксидами железа шлака. Параллельно с окислением кремния происходит об­разование силикатов железа, которые являются составной частью первично­го шлака. Окисление кремния и обра­зование силикатов сопровождаются выделением тепла. Реакция окисления кремния практически необратима, так как по мере растворения извести в шлаке происходит образование сили­катов кальция

(FeO)₂ • SiO ₂+2(CaO)=(СаО)₂ • SiO₂+2(FeO)

и активность SiO₂ в шлаке становится ничтожно малой.

Марганец (как и кремний) легко окисляется, взаимодействуя с кисло­родом атмосферы и оксидами железа |шлака.

При окислении марганца также выделяется тепло. Однако реакция окисления марганца в основной печи идет не до конца. При повышении температуры может протекать обрат­ная реакция — восстановление мар­ганца из шлака. Чем выше температу­ра, тем более благоприятными оказы­ваются условия для восстановления марганца. Практически всегда в конце плавки, если температура ванны дос­таточно велика, марганец восстанав­ливается из шлака. Поэтому марганец называют иногда «пирометром» мар­теновского процесса: если плавка идет горячо, концентрация марганца по­степенно возрастает; если же концент­рация марганца понижается, значит, ванна холодная и возможен брак.

Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем в начале плав­ки. Практически фосфор стремятся удалить из металла в период плавле­ния и в первой половине периода ки­пения, т. е. когда металл еще сильно не нагрелся. Для создания железисто-известкового шлака осуществляют присадку железной руды (или окали­ны, или агломерата) и извести (или известняка). Обычно для снижения содержания фосфора до 0,010— 0,015 % достаточно однократного ска­чивания шлака.

Десульфурация вследствие высокого содержания в мартеновских шлаках окислов железа имеет ограниченное развитие. Коэффициент распределе­ния серы T|_S = (S)/[S] весьма невелик и составляет обычно 3—10. При обыч­ной шихте получение в готовой стали менее 0,040 % S (требования ГОСТа для большинства марок) особых труд­ностей не представляет, однако полу­чение более низких (< 0,015—0,020 %) концентраций серы затруднительно. В связи с этим при выплавке металла с особо низким содержанием серы опе­рацию удаления серы частично пере­носят в ковш.

Особое внимание обращают на со­держание серы в топливе. Мазут для отопления мартеновских печей при­меняют низкосернистый. Наиболее чистым (по содержанию серы) топли­вом является природный газ.

Окисление углерода и кипение мар­теновской ванны. Эффект кипения мартеновской ванны создается в ре­зультате протекания реакции окисле­ния растворенного в металле углерода и выделения образующегося при этом СО. Эту реакцию часто считают ос­новной реакцией мартеновского про­цесса, что обусловлено следующим. В результате протекания реакции обе­зуглероживания и сопровождающего ее эффекта кипения выравниваются химический состав ванны и темпера­тура металла, удаляются содержащие­ся в металле газы, облегчается процесс всплывания и ассимиляции шлаком неметаллических включений, увели­чивается поверхность соприкоснове­ния металла со шлаком и тем самым облегчаются условия удаления из ме­талла вредных примесей — фосфора и серы. Другими словами, ведение мар­теновского процесса без реакции окисления углерода и кипения невоз­можно.

В сталях, выплавляемых в марте­новских печах, содержится обычно от 0,05 до 1,0 % С (это содержание зави­сит от марки стали). В шихте количе­ство углерода выше. Во всех случаях необходимо, чтобы в начале периода кипения ванна содержала углерода больше, чем требуется в готовом ме­талле. Это необходимо, чтобы избы­точный углерод во время плавки окис­лялся и ванна кипела.

На рис. 11.1 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 может лимитировать скорость проте­кания процесса в целом. Для повыше­ния скорости доставки кислорода осу­ществляют присадки железной руды (окалины и др.) или продувают ванну кислородом.

Важным звеном в развитии реак­ции обезуглероживания может быть выделение СО в газовую фазу. Зарож­дение новой фазы облегчается при на­рушении сплошности металла, при наличии каких-либо поверхностей, полостей, пузырей, при наличии ше­роховатой, плохо смачиваемой жидкостью твердой поверхности. В данном случае такой поверхностью может слу­жить под мартеновской печи. Поверх­ностные слои пода печи принимают активное участие в процессе обезугле­роживания металла. Тысячи пузырь­ков СО, выделяясь на границе ме­талл — под, пронизывают толщу мар­теновской ванны, вызывая ее кипе­ние; пузырьки СО могут выделяться также на границе металл — шлак, ме­талл — газовый пузырь и т. п.

К началу завалки шихты поверхно­стные слои пода насыщены оксидами железа. Насыщение происходит вслед­ствие смывания пода шлаком при вы­пуске плавки и главным образом вследствие воздействия окислитель­ной атмосферы печи на остающиеся на подине капли металла. Во время плавки поверхностные слои пода при­нимают активное участие в процессах окисления примесей: содержащиеся в поверхностных слоях оксиды железа восстанавливаются, и на поверхности образуются поры диаметром 1—2 мм.

В начальный период плавки повер­хность пода хорошо ошлакована, она хорошо смачивается металлом (малое межфазное натяжение между материа­лами пода и металлом _Ме._под). В про­цессе плавки тонкий ошлакованный слой в результате взаимодействия с расплавом исчезает, смачиваемость металлом подины ухудшается (величи­на _ме-под, возрастает). Силы поверхно­стного натяжения препятствуют за­полнению пор подины металлом, в ре­зультате на ставшей шероховатой по­верхности пода печи создаются более благоприятные условия для зарожде­ния пузырьков СО и соответственно для кипения ванны. Наблюдения за ходом плавки показывают, что через некоторое время после полного рас­плавления наступает момент, когда ванна начинает интенсивно кипеть по всей поверхности. Образовавшиеся на подине пузырьки СО начинают свое движение, приводя к перемешиванию ванны, выравниванию ее состава, тем самым облегчают протекание процес­сов передачи тепла сверху к нижним слоям, увеличивают поверхность со­прикосновения шлака и металла. В этой связи роль пода в мартеновском процессе очень велика. Поэтому мартеновские печи делают с неглубокой ванной, стремясь иметь при данной емкости печи возможно большую пло­щадь пода. Например, длина ванны 900-т мартеновской печи составляет 25 м, ширина — 6,4 м (площадь пода 160м²), а максимальная глубина ван­ны (в середине печи) — всего 1,3м.

Количество пузырьков СО, прохо­дящих через металл при кипении ван­ны, огромно. Обычно скорость окисле­ния углерода в период кипения колеб­лется в зависимости от емкости печи от 0,2 до 0,8 % С/ч. При скорости окисле­ния углерода 0,2 % С/ч в 900-т печи за 1 мин выгорает 0,2 • 900Д60 • 100) = = 0,03 т = 30 кг углерода. При окис­лении 30 кг углерода образуется: 30 • 28/12 = 70 кг СО, или 70 • 22,4/28 = = 56м³ СО.

Объем металла в ванне 900-т печи около 130м³. Если учесть расширение объема СО при нагреве до 1600°С примерно в 7 раз, то получается, что каждую минуту через ванну проходит количество газов, превышающее в не­сколько раз объем металла (в данном случае примерно в 3 раза). Кипение металла также облегчает протекание процессов его дегазации и всплывания неметаллических включений.

Содержание кислорода в металле при «закипании» ванны снижается и поддерживается на уровне, соответ­ствующем содержанию в нем углеро­да. До тех пор пока в мартеновской ванне идет процесс кипения, вызывае­мый протеканием реакции окисления углерода, металл не будет переокис­лен, так как поступающий в металл кислород будет немедленно удаляться в результате протекания реакции [С] + [О] -» СО_Г.

Пузырьки СО, уносящие кисло­род, очищают металл также от азота и водорода. Если по каким-то причи­нам реакция обезуглероживания и со­ответственно кипение ванны замед­лились или приостановились, то не­медленно начинает повышаться кон­центрация газов в металле. При отсутствии кипения получить металл в мартеновской печи с малым содер­жанием газов невозможно. Обычно в мартеновской стали содержится 0,003-0,005% N, т.е. меньше, чем обычное его содержание в бессемеровском и томасовском металле, а также в металле, выплавленном в ду­говых печах. Концентрация водорода колеблется в более широких преде­лах—от 0,0003 до 0,0010%, или от 3 - 4 до 10—12 см³/100 г металла.

Кипение металла облегчает также процесс вспылывания и ассимиляции в шлаке неметаллических включений. Поверхностное натяжение на границе газовый пузырек — включение мень­ше, чем на границе металл - включе­ние, т. е. а_газ-вкл < стме-вкл- ^в результате включение как бы «прилипает» к под­нимающемуся пузырьку СО, т. е. пу­зырьки «промывают» ванну от вклю­чений. При прохождении пузырька через шлак включение остается в шлаке.

16.8.2. Раскисление металла в мар­теновской печи.При проведении рас­кисления мартеновской стали раскис-лители в металл вводят обычно в два приема: часть — в печь, а часть — на струю металла, вытекающего во время выпуска из печи в ковш, или непос­редственно в ковш. Таким образом происходит предварительное и оконча­тельное раскисление. Часть раскисли-телей попадает в шлак. В результате снижается активность оксидов железа в шлаке, в верхних слоях ванны возра­стает концентрация элементов-рас -кислителей, вследствие чего поток кислорода в глубь ванны из атмосфе­ры печи и из шлака на какое-то корот­кое время прекращается. Сверхравно­весный кислород, имеющийся в ван­не, продолжает еще некоторое время реагировать с растворенным в металле углеродом, но, поскольку приток но­вых порций кислорода в ванну пре­кращен, общее содержание кислорода снижается и кипение ванны прекра­щается (на языке мартеновцев «ванна успокоилась»).

Такое состояние ванны продолжа­ется недолго (10—20 мин, в зависимо­сти от емкости печи и количества вве­денных раскислителей); за это время сталевар должен уточнить состав ме­талла, ввести, если требуется, нужные добавки и выпустить плавку.

Угар раскислителей и легирующих добавок при вводе в печь выше, чем при вводе их в ковш, поэтому основ­ную массу раскислителей и легирующих добавок вводят для окончатель­ного раскисления в ковш (и на струю металла, падающую в ковш).

16.8.3. Особенности хода плавки при скрап-процессе.Ход мартеновской плавки в значительной степени зави­сит от состава шихты и марки выплав­ляемой стали. Соотношение между количествами заваливаемого лома и чугуна определяется составом чугуна и лома, окислительной способностью печи, маркой выплавляемой стали, а также диктуется экономическими со­ображениями. На характер протека­ния плавки влияют также качество лома, его вид: стружка, обрезь, тяже­ловесный лом и т. п.

Как уже неоднократно отмечалось, для получения качественной стали не­обходимо, чтобы металл в печи неко­торое время кипел. Эффект кипения вызывает реакция окисления углеро­да. Поэтому металл в начале периода кипения (при расплавлении) должен содержать углерода значительно боль­ше, чем в конце, перед выпуском плавки. Обычно в зависимости от мар­ки стали, емкости печи и других усло­вий избыточная величина содержания углерода составляет 0,4—0,8 %. На­пример, если нужно выплавить сталь с 0,4 % С, необходимо, чтобы при рас­плавлении в ванне металла содержа­лось 0,4 + 0,5 = 0,9 % С. Избыток угле­рода в период кипения выгорит; при этом металл нагреется, газы и включе­ния удалятся, произойдут дефосфора-ция, десульфурация и др. Необходи­мое количество углерода поступает в шихту обычно с чугуном, и лишь в ис­ключительных случаях, когда чугуна нет или он очень дорог, необходимое количество углерода вводят с карбю­раторами (углем, коксом, электро­дным боем и др.). В этом случае про­цесс называется карбюраторным.

Периоду кипения предшествуют периоды завалки и плавления шихты. Во время завалки и плавления углерод шихты тоже окисляется и величина угара зависит от таких факторов, как продолжительность завалки и плавле­ния, окисленность скрапа, содержа­ние Si и Мп в чугуне, мощность факе­ла и др. Например, если в чугуне мно­го кремния, то угар углерода будет меньше. Обычно угар углерода за время завалки и плавления составляет 30—40 %. Зная на основании опытных данных процент угара углерода, мож­но в каждом конкретном случае под­считать требуемое количество чугуна для завалки.

Например, для выплавки стали 45 (0,45 % С) необходимо, чтобы при расплавле­нии было около 0,45 + 0,50 = 0,95 % С. Если принять, что за время завалки и плавления выгорает 35 % углерода шихты (остается 65 %), то, чтобы после расплавления было 0,95 % С, необходимо иметь в шихте 0,95:0,65 = 1,46% С.

Если принять, что в чугуне 4 % С, а в скрапе 0,3 % С и обозначить количество чу­гуна через х, а количество скрапа (100 — х), то получим

4,0х + 0,3(100 -х) = 1,46 _∙100; х=34%.

Таким образом, для выплавки стали 45 необходимо при данных условиях иметь в шихте 34 % чугуна и соответственно 66 % скрапа.

Обычно доля чугуна в шихте при скрап-процессе в зависимости от за­данной марки стали колеблется от 25 до 40 % массы металлической шихты. Заваливаемый в мартеновские печи при скрап-процессе чугун обычно по­ступает в цех в твердом состоянии — в чушках.

Тепло экзотермических реакций окисления примесей (Si и Мп) состав­ляет при скрап-процессе 8-10 % от общего прихода тепла в рабочем про­странстве печи. Кремний и марганец, находящиеся в шихте в значительных количествах, предохраняют в извест­ной мере от окисления железо и угле­род, позволяя таким образом вести процесс с меньшим содержанием чу­гуна в шихте. Однако слишком высо­кие концентрации кремния и марган­ца в шихте приводят, во-первых, к увеличению угара и уменьшению вы­хода жидкой стали (ведь Si и Мп за время завалки и плавления окисляют­ся) и, во-вторых, к образованию чрез­мерного количества шлака, затрудня­ющего передачу тепла ванне.

Обычно вначале заваливают в печь железный скрап, затем чугун. Капель­ки чугуна, расплавляющегося под воз­действием факела, стекают вниз, пе­редают тепло нижним слоям шихты и науглероживают скрап, снижая тем самым температуру его плавления.

Наконец наступает момент, когда вся металлическая шихта расплавляется и начинается период так называемого кипения. К этому моменту ванна ока­зывается покрытой шлаком.

Для удаления фосфора и серы ос­новность шлака должна быть доста­точно высокой. С этой целью в шихту основной мартеновской плавки вводят известняк (СаСО₃) или известь (СаО), расход которых на завалку зависит от состава шихты и требований, предъяв­ляемых к составу шлака после рас­плавления.

Например, если шихта 100-т печи состоит из 40т чугуна, содержащего 1,5 % Si, и 60т скрапа, содержащего 0,25% Si, то всего кремния в шихте будет

.

Во время завалки и плавления кремний шихты окисляется практически полностью. В данном случае образуется 0,75 • 60/28 = 1,61 т Si0₂.

Для получения шлака (после расплавле­ния ванны) с основностью CaO/SiO₂ = 2,2 необходимо ввести 1,61 • 2,2 = 3,54т СаО. Если принять, что в известняке около 50 % СаО, то в данном случае необходимо зава­лить в печь 3,54 : 0,50 = 7,08 т известняка.

Если в шихте находится повышен­ное количество фосфора или исполь­зуются добавки, содержащие кремний или кремнезем, то расход известняка (или извести) соответственно возрас­тает. Обычно расход известняка при скрап-процессе составляет 5—10 % от массы металлической шихты. Извест­няк заваливают в нижние слои шихты вперемежку со скрапом. При нагрева­нии СаСО₃ разлагается, СаО перехо­дит в шлак, а пузырьки СО₂ участвуют в процессе перемешивания ванны. Кроме того, пузырьки СО₂, проходя через расплавляющуюся ванну, уча­ствуют также в процессе окисления углерода:

СО₂ + С = 2СО.

Известняк — материал с малой теп­лопроводностью. Процесс разложения известняка длительный, поэтому часто вместо известняка в печь заваливают известь. При этом ускоряется шлако­образование, сокращается расход теп­ла, уменьшается расход чугуна. Применяемая в мартеновских цехах из­весть содержит обычно не менее 85 % СаО. Расход извести на завалку со-\ ставляет 4—8 % от массы металличес­кой шихты.

Во время завалки и плавления окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть марганца. Кроме того, за это же время окисляется некоторое количество же­леза. Оксиды железа, кремния и мар­ганца вместе со всплывшей известью образуют основной шлак, обычный состав которого, %: СаО 35—40, SiO₂ 20-25, FeO 10-15, MnO 13-17.

Общее количество шлака после расплавления составляет 8—10 % от массы металла.

16.8.4. Особенности хода плавки при скрап-рудном процессе. На заводе с полным металлургическим циклом чугун из доменного цеха в мартенов­ский подают в жидком состоянии. Количество подвозимого чугуна за­висит от производительности домен­ного цеха и общего баланса металла по заводу.

Содержание углерода в металле при скрап-рудном процессе регули­руют не посредством увеличения или уменьшения расхода чугуна (как при скрап-процессе), а введением в за­валку большего или меньшего коли­чества железной руды (или продув­кой ванны кислородом). Расход же­лезной руды может колебаться от 5 до 15 % от массы металлической шихты. Если при том же расходе чу­гуна расход руды в завалку увели­чить, то содержание углерода по рас­плавлении металла в ванне умень­шится и наоборот.

Чтобы получить по расплавлении шлак нужной основности, в состав шихты при скрап-рудном процессе, так же как и при скрап-процессе, вво­дят известняк. Ход плавки при скрап-рудном процессе следующий.

После осмотра и ремонта пода на него заваливают железную руду и из­вестняк, затем после некоторого про­грева—лом. После того как лом на­грелся, в печь заливают чугун. Жид­кий чугун, проходя через слой лома, взаимодействует с железной рудой. Начинается интенсивное шлакообра­зование. Примеси чугуна энергично реагируют с оксидами железа руды:

2Fe₂0₃ + 3[Si] = 2(Si0₂) + 4Fe_X)

Fe₂O₃ + 3[Mn] = 3(MnO) + 2Fе_ж,

5Fe₂0₃ + 6[P] = 3(Р₂0₅) + 10Fе_ж,

Ре₂О₃ + 3[С] = ЗСО_г + 2Fе_ж.

Шлак получается в очень большом количестве. Образующиеся в резуль­тате окисления углерода пузырьки СО вспенивают шлак, и он начинает вытекать, «сбегать» из печи. Шлак, который стекает из печи во время плавления после заливки жидкого чу­гуна, называют «сбегающим» первич­ным шлаком. Состав этого шлака ха­рактеризуется низкой основностью и высоким содержанием FeO и МпО (если в чугуне > 1 % Мп). Железис­тые шлаки и пониженная температу­ра благоприятствуют дефосфорации. Фосфор в этих шлаках находится главным образом в виде (FeO)₃ • Р₂О₅. Средний состав первичного (сбегаю­щего) шлака следующий, %: SiO₂ 20— 35; СаО 12-20; А1₂О₃ 3-5; MgO 5-9; FeO 25-35; MnO 15-35; Fe₂O₃ 3-5; P₂0₅ 2-4.

Содержание СаО в этом шлаке не­велико; поскольку известняк еще не успел достаточно прогреться, процесс его разложения и всплывания образу­ющегося СаО в шлак только начался. Со сбегающим шлаком из печи удаля­ется значительное количество нежела­тельных оксидов: SiO₂ и Р₂О₅. К сожа­лению, вместе со шлаком уходит так­же определенное количество оксидов железа и марганца. Поэтому в тех слу­чаях, когда в шихте мало серы и фос­фора, сбегающий шлак стараются за­держать в печи и уменьшить тем са­мым потери металла.

Количество сбегающего шлака со­ставляет 50—70 % от всего образующе­гося во время плавления шлака. Спуск шлака продолжается почти до полного расплавления шихты.

За период плавления полностью окисляется кремний, почти полнос­тью марганец и большая часть угле­рода.

Описанный выше процесс завалки шихты, заливки чугуна и плавления протекает довольно медленно (около 70 % времени всей плавки); при этом расходуется значительное количество тепла топлива (до 80 % от общего рас­хода топлива на плавку). Для ускоре­ния процесса плавления и окисления примесей вскоре после заливки чугуна ванну начинают продувать кислоро­дом. Продувку ведут через водоохлаждаемые фурмы, опускаемые в отвер­стия в своде печи. Поскольку при про­дувке значительная часть примесей окисляется за счет вдуваемого кисло­рода, расход железной руды в завал­ку резко сокращают. При окислении железа и примесей за счет газообраз­ного кислорода выделяется значитель­ное количество тепла, металл энергич­но перемешивается, часть примесей окисляется за счет горячего кислорода воздуха, поступающего из регенерато­ров. Продолжительность плавления при таком методе работы сокращается в 2—3 раза; соответственно сокращает­ся расход топлива. Расход кислорода на продувку ванны во время плавле­ния достигает 30 м³/т стали.

Несмотря на то что при скрап-руд­ном процессе в печь загружают боль­ше чугуна, а вместе с ним больше кремния, марганца, фосфора и других элементов, состав шлака после рас­плавления оказывается примерно та­ким же, как при скрап-процессе, так как значительное количество образу­ющихся оксидов SiO₂, MnO, Р₂О₅ вы­водится из печи со сбегающим шла­ком еще до полного расплавления ме­талла.

16.8.5. Проведение периода кипения.Поскольку составы металла и шлака после расплавления при скрап-про­цессе и скрап-рудном процессе прак­тически не различаются, период ки­пения металла протекает также оди­наково.

16.8.6. Технико-экономические по­казатели основного мартеновского про­цесса.Производительность печей оп­ределяется несколькими показателя­ми: съемом стали с 1 м² площади пода в сутки — т/(м² • сут), часовой произво­дительностью — т/ч и годовой произво­дительностью — т/год. Съем стали и часовая производительность могут быть отнесены к календарному и но­минальному времени (номинальное время равно календарному за вычетом времени на ремонт печи). Продолжительность горячих и холодных ремон­тов обычно составляет 6—7 % (т. е. из 365 дней в году 340—343 сут печь рабо­тает и 25—22 сут в течение года нахо­дится на ремонте).

Например, если площадь пода 250-т печи составляет 75 м², плавка длится 6 ч (четыре плавки в сутки) и за каж­дую плавку получают в среднем 245 т годных слитков, то для такой печи: съем стали

245 • 4/75 = 13,0 т/(м² • сут);

часовая производительность

245/6 = 41,0 т/ч;

годовая производительность

245 • 4 • 340 = 330 тыс. т/год (при 340 рабочих сутках в году).

Себестоимость мартеновской стали в значительной мере определяется стоимостью шихтовых материалов. Расход шихтовых материалов (на 1 т годных слитков) зависит от вида раз­ливки (сверху, сифоном или непре­рывная), брака металла, количества скрапа, образования недолитых слит­ков (так называемые недоливки) и др. Расход металлошихты на 1 т годных слитков составляет 1050—1100кг для скрап-рудного процесса и 1100— 1200кг для скрап-процесса. Выход годного соответственно равен 91—95 и 89-91 % (при скрап-рудном процессе расходуется больше железной руды и часть железа руды восстанавливается и переходит в металл).

Большое значение для снижения себестоимости стали имеет повыше­ние производительности труда, т. е. увеличение количества выплавленной стали на одного рабочего. Выплавка стали на одного рабочего мартеновс­кого цеха колеблется в широких пре­делах. В современных крупных марте­новских цехах, работающих скрап-рудным процессом, на одного рабо­чего приходится 2000—6000 т стали в год.

Из себестоимости стали вычитает­ся стоимость пара, полученного на котлах-утилизаторах. Этот пар прода­ется другим потребителям. При пере­работке фосфористой шихты себесто­имость снижается за счет продажи фосфористого шлака. Себестоимость легированной стали возрастает вслед­ствие повышения расходов на ферро­сплавы и легирующие добавки.

КИСЛЫЙ МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС

В первых мартеновских печах, построенных в 1854-1855 гг. П.Мартеном, подина была кислой, ее изготавливали из кварцевого пес­ка. Мартеновский процесс существовал именно как кислый процесс вплоть до 1878 г., когда успехи применения основной футеровки в томасовском конвертере оказали существенное влияние на дальнейшее разви­тие мартеновского производства и стал раз­виваться основной процесс.

В случае кислого процесса шлак также кислый и, следовательно, ни серу, ни фос­фор удалить из металла в кислой печи невоз­можно. Поэтому к шихте и топливу, предназ­наченным для кислой мартеновской печи, предъявляются особые жесткие требования.

В отличие от основного мартеновского процесса, когда в печь заваливают значитель­ное количество известняка или извести, а при скрап-рудном процессе также и желез­ную руду, в кислом процессе источников для образования шлака меньше. Металл может оказаться покрытым недостаточным слоем шлака; в результате возможны его интенсив­ное окисление и насыщение газами. Для пре­дотвращения этого на подину до завалки шахты загружают конечный кислый шлак (от предыдущих плавок), шамотный бой и квар­цевый песок — всего в количестве 2—4 % от массы металла. Образующиеся во время плавления основные оксиды железа и мар­ганца вступают во взаимодействие с кремне­земом, образующимся в результате окисле­ния кремния шихты. В результате получают­ся сравнительно легкоплавкие силикаты же­леза и марганца. Однако того количества SiO2, которое образуется при окислении кремния шихты, для ошлакования FeO и МпО обычно недостаточно. Недостающее количество кремнезема переходит в шлак из футеровки пода, например:

2(FeO) + Si0₂. _пода = (FeO)₂ • SiO₂;

2(MnO) + SiO_{2 пода} = (МпО)₂ • SiO₂.

Если в завалку вводят шамот или песок, то количество футеровки, перешедшей в шлак, уменьшается. Кислая футеровка печи регулирует, таким образом, состав шлака после расплавления. Практически, несмотря на существенные различия в составе шихты и типе процесса, во всех случаях состав кис­лого мартеновского шлака после расплавле­ния примерно одинаков, %: FeO 15-20, МпО 20—30, SiO₂ 42—47, изменяется лишь количество шлака. Суммарное содержание (FeO) + (MnO) в кислом шлаке после рас­плавления составляет 45-50 %.

Находясь в соприкосновении с кислой футеровкой пода, шлак кислого мартеновс­кого процесса непрерывно обогащается кремнеземом. Содержание SiO₂ в шлаке к концу плавки достигает 55—60 %. Из рас­смотрения диаграммы состояния FeO-MnO-SiO₂ следует, что для расплавления шлака, содержащего более 55 % SiO₂, требуется тем­пература, значительно превышающая темпе­ратуру ванны (1600 °С), поэтому к концу плавки кислый шлак становится гетероген­ным. (Избыточное по отношению к концент­рации насыщения количество кремнезема находится в шлаке во взвешенном состоя­нии.)

Таким образом, в отличие от основного процесса, где активность SiO₂ в шлаке нич­тожна мала, ванна кислого мартеновского процесса насыщена кремнеземом. Это обсто­ятельство создает благоприятные условия для восстановления кремния из кремнезема шла­ка и пода.

В кислой печи непрерывно идут два про­цесса:

1) окисление кремния оксидами железа шлака, в результате чего содержание крем­ния в металле уменьшается;

2) восстановление кремния из шлака и из пода, в результате чего содержание кремния в металле повышается.

Содержание кремния в ванне определя­ется соотношением скоростей этих двух про­цессов. Скорость восстановления кремния из пода примерно постоянна, скорость же окис­ления в значительной степени зависит от со­става шлака и его жидкотекучести. Интенси­фицировать процессы окисления примесей в кислой печи можно путем введения желез­ной руды, марганцевой руды, извести или мелкораздробленного известняка, а также продувкой ванны кислородом. Например, при введении в печь извести (или известня­ка) образуются более прочные, чем силикаты железа, силикаты кальция

(FeO)₂ • SiO₂ + 2CaO = (СаО)₂ • SiO₂ + 2(FeO),

в результате чего активность оксидов железа в шлаке возрастает. Влияние состава шлака на его жидкотекучесть показано на рис. 16.11. Изменения скорости протекания реак­ции окисления можно добиться, изменяя также характер атмосферы печи. При умень­шении коэффициента расхода воздуха уменьшаются парциальные давления окис-

Рис. 16.11. Влияние состава кислого шлака на его жидкотекучесть

лительных составляющих газовой фазы (О₂, НаО, СО₂) и скорость перехода кислорода в металл снижается.

Если после расплавления в печь не вво­дят никаких добавок, то по мере повышения температуры металла шлак постепенно насы­щается кремнеземом (как в результате окис­ления восстанавливающегося из подины кремния, так и вследствие простого разъеда­ния подины). Шлак становится все более вязким; скорость перехода кислорода из ат­мосферы печи через шлак в металл уменьша­ется. В результате через некоторое время после расплавления скорость восстановления кремния оказывается выше скорости его окисления и концентрация кремния в метал­ле растет. Такой метод ведения плавки назы­вается пассивным, а процесс — кремневосста-новительным. Если по ходу плавки вводят руду, известь или известняк, в результате чего повышается жидкоподвижность шлака, растет его окислительная способность и ме­талл интенсивно кипит, то содержание крем­ния выше определенных пределов (0,10— 0,12%) не возрастает. Такой метод ведения плавки называется активным, а процесс — с ограничением восстановления кремния.

Кремневосстановительный процесс на­чинается так же, как и активный, — присад­кой руды и кипением ванны. После того как металл нагрелся, а шлак начал заметно гус­теть, обогащаясь кремнеземом, ход кремне-восстановительного процесса уже отличается от хода активного процесса. Присадок руды или извести больше не делают, окислитель­ную роль факела сводят к минимуму; в ме­талле заметно возрастает содержание крем­ния (в результате его восстановления из пода и из шлака); кипение металла практически прекращается. Если в это время взять из печи пробу металла, то она застынет совершенно спокойно, т. е. металл в печи раскислен. Этот период мертвого состояния ванны, когда ки­пение практически прекратилось (скорость окисления углерода всего ~ 0,05 % С/ч) и идет постепенное восстановление кремния, называется периодом стабилизации. Во время этого периода кремний восстанавливается до пределов, установленных для стали данной марки (иногда до 0,60 % Si) с тем, чтобы из­бежать введения раскислителей, в частности ферросилиция. Продолжительность периода стабилизации 1-2 ч.

16.9.1. Качество металла, выплавленного в кислых печах. Кислая сталь содержит меньше газов, чем сталь тех же марок, выплавленная в основных мартеновских печах, дуговых пе­чах или конвертерах. Этому способствуют: а) чистота шихты; б) небольшое количество вводимых в печь шлакообразующих; в) насы­щенные кремнеземом вязкие шлаки, облада­ющие очень малой газопроницаемостью; г) более низкое содержание кислорода по ходу плавки в кислой печи по сравнению с основной, так как помимо раскисляющего действия кремния протекает процесс взаимо­действия FeO, растворенной в металле, с SiO₂ шлака и футеровки; д) уменьшение количе-

ства раскисляющих и легирующих добавок, вводимых в печь или в ковш, которые вносят с собой соответственно меньшее количество газов (в частности, водорода и азота) и неже­лательных примесей. В некоторых случаях металл получается настолько раскисленным, что раскислители не вводят вообще (кремне-восстановительный процесс). Расход легиру­ющих добавок (феррохрома, феррованадия и др.^при кислом процессе также ниже, чем в основном. Это обусловлено тем, что концен­трация кислорода в металле и активность ок­сидов железа в шлаке низкие, а следователь­но, и угар легирующих добавок невысок.

В обычной кислой мартеновской стали содержится всего 0,006-0,10% [О], 0,0010-0,0015% [N] и 2-4см³/100г [Н].

Низкое содержание серы в шихте и топ­ливе дает возможность получать в кислых пе­чах сталь с небольшим содержанием серы и соответственно сульфидных включений. Вы­сокое качество шихтовых материалов, само­раскисление металла под воздействием кис­лой футеровки и углерода, растворенного в металле, и малая газопроницаемость шла­ка — все это, вместе взятое, обеспечивает по­лучение металла с ничтожным количеством газов и неметаллических включений.

Особенностью включений в кислой стали является округлая форма, сохраняющаяся после прокатки, в то время как включения основной стали часто представляют собой вытянутые пластинки или цепочки; длинная ось включений в этом случае совпадает с на­правлением вытяжки металла при обработке давлением, поэтому свойства основного ме­талла в поперечных образцах значительно ниже, чем в продольных. В отличие от основ­ной стали, механические свойства кислой стали в продольном и поперечном направле­ниях относительно направления прокатки или ковки примерно одинаковы. В результа­те отличительной чертой кислой стали явля­ется меньшая, чем у основной стали, анизо­тропия¹ механических свойств, особенно ударной вязкости и упругости. Кроме того, механические свойства кислой стали, как правило, стабильнее, ровнее (от плавки к плавке), чем основной стали той же марки. Поэтому для изготовления изделий, которые при эксплуатации испытывают нагрузки в поперечном (относительно оси обработки давлением) направлении, предпочитали ис­пользовать кислую сталь.

'От греч. anisos — неравный + tropos — свойство. Неодинаковые физические свой­ства тела в разных направлениях.

Кислая мартеновская сталь идет на изго­товление коленчатых валов различных двига­телей, роторов крупных турбин электростан­ций, шариковых и роликовых подшипников большого диаметра, артиллерийских орудий и других изделий ответственного назначения. Стабильность технологии и незначительное содержание вредных примесей в кислой ста­ли дают возможность получить крупные

слитки для подковок (200 т и более) с мини­мальным развитием неоднородности состава и свойств по высоте и поперечному сечению.

Несмотря на исключительно высокие ка­чества кислой мартеновской стали, область ее применения постепенно сужается, так как, во-первых, непрерывно улучшается качество основной мартеновской стали, конвертерной стали и электростали и, во-вторых, сто­имость кислой мартеновской стали значи­тельно (в 1,5—2,0 раза) выше, чем основной. В настоящее время кислая мартеновская сталь идет лишь на изготовление особо от­ветственных изделий, а также изделий, сто­имость обработки которых в дальнейшем (после выплавки и разливки) настолько ве­лика, что во много раз превышает стоимость слитка.

Это относится, в частности, к агрегатам высокой единичной мощности, используе­мым в химической, газонефтедобывающей, атомной промышленности.

ДВУХВАННЫЕ ПЕЧИ

Широкое развитие кислородно-кон­вертерного производства показало возможность интенсивной переработ­ки больших масс чугуна при его про­дувке кислородом и одновременной пер<