Министерство  образования и науки РФ 

   Волгоградский государственный технический университет

   Факультет Технологии конструкционных материалов 
 
 
 

Кафедра « Технология материалов»

   РЕФЕРАТ

   По  дисциплине: «Основы производства и  обработки металлов»

   Тема: «Получение стали в мартеновских печах» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Выполнил: студент группы М-333

   Басалаев Е. В. 

Проверил к.т.н., доцент

 Руцкий  Д.В.  
 
 
 
 
 
 
 

Волгоград  2011 г. 

Содержание

 

Введение

 

      Задумывались  ли Вы, как до появления мартеновских печей производили сталь?

      В истории металлургии железа было три революционных переворота, оказавших  глубочайшее влияние на весь ход  человеческой истории: первый имел место еще в глубокой древности, когда появились сыродутные горны; второй произошел в средние века, после открытия переделочного процесса; третий пришелся на вторую половину XIX века и был связан с началом производства литой стали. Сталь во все времена оставалась самым необходимым и желанным продуктом металлургии железа, потому что только она обладала той твердостью и крепостью, какие требовались для изготовления инструментов, оружия и деталей машин. Но прежде чем превратиться в стальное изделие, металл должен был подвергнуться целому ряду трудоемких операций. Сначала из руды выплавляли чугун. Потом чугун восстанавливали в мягкое железо. Наконец путем длительной проковки железной крицы получали из нее необходимую стальную деталь (или только заготовку к ней, которую затем подвергали окончательной отделке на металлорежущих станках). Производство мягкого железа и в особенности ковка долгое время оставались самыми узкими местами в процессе обработки железа. На них уходило больше всего сил и времени, а результаты далеко не всегда оказывались удовлетворительными. Особенно остро эта проблема стала ощущаться в XIX веке, когда резко возрос спрос на дешевую сталь. Естественным образом у многих ученых и изобретателей возникла мысль, которую потом высказал Бессемер: каким образом получить металл со свойствами железа и стали, но в жидком виде, чтобы его можно было использовать для отливки? Разрешение поставленной проблемы потребовало нескольких десятилетий упорного труда многих металлургов. На этом пути было сделано несколько важных открытий и изобретений, каждое из которых составило эпоху в истории обработки железа. Но в этом эссе мы поговорим именно о мартеновском процессе.

      Рассмотрим  производство в мартеновских печах металлургических или машиностроительных заводов литой стали. Сталь получается путём окислительной плавки загруженных в печь железосодержащих материалов — чугуна, стального лома, железной руды и флюсов в результате сложных физико-химических процессов взаимодействия между металлом, шлаком и газовой средой печи. М. п. наряду с другими видами производства стали  — второе звено в общем производственном цикле чёрной металлургии; два других основных звена — выплавка чугуна в доменных печах и прокатка стальных слитков или заготовок.

 

1 Историческая справка

 

      Идеи  организации передела железного  лома и чугуна в сталь на поду пламенной печи высказывались неоднократно. Наибольший вклад в создание М. п. принадлежит Ф. Сименсу (Германия), предложившему  в 1856 использовать принцип регенерации  тепла отходящих газов для повышения температуры в рабочем пространстве плавильных печей, и П. Мартену (Франция), которому в 1864 удалось построить и ввести в эксплуатацию первую регенеративную отражательную печь для плавки литой стали. В России первая мартеновская печь ёмкостью 2,5 т была пущена А. А. Износковым на Сормовском заводе (ныне завод «Красное Сормово» в Горьком) в 1870. Вначале мартеновские печи имели кислый под. Широкое распространение М. п. получило после создания печей с основным подом (в 1879—1880 во Франции на заводах Крёзо и Тернуар, в 1881 в России на Александровском заводе в Петербурге). В 1894 русские металлурги братья А. М. и Ю. М. Горяиновы разработали технологию мартеновской плавки на жидком чугуне и успешно применили её на Александровском заводе в Екатеринославе (ныне завод имени Петровского в Днепропетровске). Во Франции, России и других странах процесс получил название «мартеновского», в Германии — «сименс-мартеновского», в США — «Open hearth process» (то есть процесс на открытом поду).

      Для развития М. п. характерны 3 периода: в первом (до начала 20 века) плавку вели в печах небольшой ёмкости (до 70 т), которые отапливались генераторным газом, тяга была естественной (дымовая труба); второй период (1-я половина 20 века) характеризуется переходом на коксодоменный газ, принудительной подачей воздуха (вентиляторы), автоматизацией теплового режима печи, установкой котлов-утилизаторов, строительством печей ёмкостью 185—250 т, затем 370—500 т; для начавшегося в 50-х годах 20 века третьего периода характерны интенсификация процесса кислородом, переход на топливо с высокой теплотой сгорания (главным образом природный газ), строительство новых цехов с агрегатами ёмкостью 600—900 т, создание печей нового типа. Наибольших масштабов М. п. достигло в СССР и США. В СССР работают (1974) крупнейшие в мире печи ёмкостью 900 т. Существенный вклад в развитие теории и практики М. п. внесли советские учёные-металлурги В. Е. Грум-Гржимайло, А. А. Байков, М. А. Павлов, М. М. Карнаухов, Н. Н. Доброхотов, В. И. Тыжнов, К. Г. Трубин и другие.

 

2 Устройство мартеновской печи

 

      Устройство мартеновской печи.

      Мартеновская печь называется пламенной регенеративной, так как принцип ее работы основан на регенерации тепла, обеспечивающей высокую температуру печи, необходимую для ведения плавки.

Рисунок 1 – Схема и устройство мартеновской печи.

       Важнейшей частью мартеновской печи является рабочее пространство А (рис. 1). Здесь происходят важнейшие физико-химические процессы: горение топлива, окисление примесей, расплавление  шихты, образование металла и шлака. Сверху рабочее пространство ограничено сводом 1, снизу — подом (или подиной) 10, задней и передней стенками, а с боковых сторон — головками 2. В передней стенке сделаны завалочные окна 11 (их бывает от трех до семи в зависимости от величины печи). Через них загружают печь, берут  пробы, наблюдают за процессом, а также наваривают или исправляют под.      Завалочные окна закрываются огнеупорными  заслонками. В задней стенке внизу имеется отверстие для выпуска металла и  шлака, забитое огнеупорной пробкой, которую при выпуске пробивают. Головки печи расположены симметрично. В них находятся каналы 3 и 4, через которые в печь поступают газ и воздух и отходят продукты горения. В нижней части головки соединяются с регенераторами 5 и б, установленными попарно с обеих сторон печи (всего их четыре); при работе на жидком топливе можно ограничиться двумя регенераторами (по одному с каждой стороны). Регенераторы представляют собой камеры, выложенные огнеупорным кирпичом. Внутри регенератора имеется огнеупорная насадка с вертикальными каналами. В нижней части регенераторы соединены с каналами 7 и 8, по которым поступают воздух и газ и отходят продукты горения. Чтобы регулировать направление движения газа и воздуха в печь, а продуктов горения — к дымовой  трубе, в каналах имеются перекидные клапаны 9.

        Работа мартеновской печи начинается с ее загрузки. печь загружается завалочными машинами. При скрап-процессе вначале заваливают лом и  известняк, затем чугун, при скрап-рудном процессе — сначала железную руду и известняк, а затем жидкий чугун. чугун заливают из ковша по  желобу, устанавливаемому в завалочном окне. В зависимости от величины печи и степени механизации завалка длится от двух до трех часов. Одновременно с завалкой шихты в печь подают топливо и воздух (попеременно через правые и левые головки печи).

         Подогрев продуктов горения обеспечивает при сгорании топлива в рабочем пространстве температуру около 2000° С. При работе на жидком топливе регенераторы подогревают только воздух, а нефть или мазут подаются  форсунками, установленными в каналах головок печей.

Процесс получения стали в мартеновской печи делится на три периода.

          Первый   период — плавление — начинается вскоре после начала загрузки. После окончания загрузки расплавление идет интенсивнее, так как уменьшаются потери тепла.

Во время  плавления надо вводить в печь наибольшее количество тепла. Это предохранит  металл от растворения в нем газов  и от излишнего окисления.

          Период плавления характеризуется окислительными реакциями: окисляются кремний, марганец, железо, фосфор.

Одновременно  образуется большое количество закиси железа FeO, которая является основным окислителем примесей — кремния, марганца, фосфора.

           Второй   период — окисление — характеризуется энергичным окислением углерода за счет FeO. Это окисление протекает по реакции

С + FeO= СО + Fe— Q

          Образующиеся при этом газы, стремясь вырваться из  ванны, приходят в состояние кипения, поэтому второй период плавки называют периодом кипения. Выгорание углерода длится 2—3 часа. По получении требуемого процента углерода заканчивается второй период плавки.

         Третий   период — раскисление. Цель раскисления та же, что и в конверторе, и применяются те же раскислители: ферросилиций, ферромарганец, алюминий. Более тяжелые раскислители загружают прямо в печь, более легкие — в желоб или в ковш. Иногда для проверки раскисленности стали делают пробу. Застывший раскаленный кусок стали подвергают ковке; при плохой раскисленности образуются трещины. Если в мартеновской печи выплавляют легированную  сталь, после раскисления в нее вводят легирующие элементы: ферротитан, феррохром, высококремнистый ферросилиций и др. Для получения никелевой стали вводят чистый никель.

После окончания плавки сталь выпускают в ковш. процесс плавки длится 5—8 часов, при скоростном сталеварении сроки сокращаются до 4,5—5,5 часа. Важнейшим фактором повышения производительности мартеновских печей является внедрение новой прогрессивной технологии, в первую очередь применение кислорода в мартеновской плавке.

         Кислород вводят при плавке двумя способами: а) путем обогащения факела пламени в период завалки и расплавления шихтовых материалов и б) продувкой жидкой ванны в период выгорания углерода.

         Применение кислорода повышает производительность мартеновской плавки на 15—25%. Особенно эффективные результаты достигаются в печах большой мощности.

В мартеновских печах выплавляют качественную углеродистую конструкционную и инструментальную  сталь, а также низколегированную и среднелегированную.  Сталь, выплавленная в мартеновских печах, идет на изготовление проката и поковок. Из нее делают  рельсы, рессоры, балки и другие детали машин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Мартеновский процесс

 

      Шихта мартеновских печей подразделяется на металлическую часть (чугун, стальной лом, раскислители и легирующие добавки) и неметаллическую (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит, плавиковый шпат). Чугун, применяемый либо в жидком состоянии, либо в виде чушек, служит основным источником углерода, обеспечивающим нормальное протекание мартеновского процесса. Количество чугуна и стального лома в шихте может колебаться в любых соотношениях в зависимости от разновидности процесса, экономических условий, выплавляемых марок сталей. В качестве раскислителей и легирующих добавок, в М. п. используют Ферросплавы и некоторые чистые металлы (алюминий, никель). Железная руда и мартеновский агломерат применяются в М. п. в качестве окислителей, а также в качестве флюса, способствующего ускоренному формированию активного шлака. В роли окислителя может использоваться также окалина. Известняк, известь, боксит, плавиковый шпат в мартеновском процессе служат для формирования шлака необходимого состава и консистенции, обеспечивающего протекание окислительных реакций, удаление вредных примесей и нагрев металла.

      В мартеновском процессе (в отличие  от конвертерных) тепла, выделяющегося в результате химических реакций окисления примесей металлической ванны, недостаточно для проведения плавки. Поэтому в печь дополнительно подаётся тепло, получаемое в результате сжигания топлива в рабочем пространстве. Топливом служат природный газ, мазут, коксовый и доменный газы. Для обеспечения полного сгорания топлива воздух на горение подаётся в количестве, несколько большем теоретически необходимого. Это создаёт избыток кислорода в продуктах сгорания, в которых присутствуют также газообразные окислы CO2 и H2O, частично диссоциирующие при высокой температуре. В результате происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте (для интенсификации горения топлива часть подаваемого в печь воздуха может заменяться кислородом; газообразный кислород подаётся также в ванну для интенсификации окислительных процессов). FeO, Fe2O3, CaO, SiO2, MnO, P2O5 и другие окислы вместе с постепенно разрушающимися огнеупорами кладки, флюсами и примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак, покрывающий металл во все последующие периоды плавки. Шлак играет важную роль: связывает все примеси, которые надо удалить из шихты; передаёт кислород из атмосферы печи к жидкому металлу; передаёт тепло от факела к металлу; защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи, и от чрезмерного окисления железа. В различные периоды плавки шлак должен иметь нужный химический состав, необходимую жидкоподвижность и находиться в печи в определённом количестве.