Современное металлургическое производство

     4.Известково-обжигательный цех

   Исходным  сырьем служат окисленные окатыши и  мелкодисперсная известь. В соответствии с требованиями технологии, для увеличения термостойкости окатышей, на них наносят покрытие из известкового молока, для приготовления которого используется мелкодисперсная известь, производимая собственным известково-обжигательным цехом (ИОЦ) на заводах. Пройдя нанесение покрытия, окисленные окатыши подаются системой конвейеров на два идентичных модуля, - модуль 1 и модуль 2, где специальным вертикальным конвейером загружаются в систему питания шахтной печи. Загруженные в печь окатыши подвергаются обработке восстановительным газом, в результате чего получают готовый продукт - железо прямого восстановления (ЖПВ). Восстановление окислов железа окисленных окатышей до металлического железа восстановительным газом осуществляется при температурах от 830 до 950 0С. Обволакивание окатышей известью позволяет повысить температурный уровень процесса до указанных значений, способствуя росту производительности печи, но должен оставаться ниже температуры плавления. Этот уровень обеспечивается физическим теплом и соответствующим составом восстановительного газа. 

     5.Мартеновское производство стали

   Сущность  мартеновского процесса заключается  в ведении плавки на поду пламенной  отражательной печи, оборудованной  регенераторами для предварительного подогрева воздуха (иногда и газа). Идея получения литой стали на поду отражательной печи высказывалась многими учеными, но осуществить это долгое время не удавалось, так как температура факела обычного в то время топлива – генераторного газа – была недостаточной для нагрева металла выше 1500 ^оС (т.е. недостаточна для получения жидкой стали). В 1856 г. Братья Сименс предложили использовать для подогрева воздуха тепло горячих отходящих газов, устанавливая для этого регенераторы. Принцип регенерации тепла был использован Пьером Мартеном для плавки стали. Началом существования мартеновского процесса можно считать 8 апреля 1864 г., когда П.Мартен на одном из заводов Франции выпустил первую плавку.

   В мартеновскую печь загружают шихту (чугун, скрап, металлический лом  и др.), которая под действием  тепла от факела сжигаемого топлива  постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки для получения металла заданного состава и температуры; затем готовый металл выпускают в ковши и разливают. Благодаря своим качествам и невысокой стоимости мартеновская сталь нашла широкое применение. Уже в начале ХХ в. в мартеновских печах выплавляли половину общего мирового производства стали. 

     5.1. Разновидности мартеновского процесса

   В мартеновских печах можно переплавлять в сталь чугун скрап любого состава и в любой пропорции.

   В зависимости от состава шихты  мартеновский процесс делят на несколько разновидностей:

   а) скрап-процесс – процесс, при  котором основной составной частью шихты является стальной скрап. Скрап-процесс  обычно применяют в цехах металлургических и машиностроительных заводов, в  составе которых нет доменных печей и которые расположены в крупных промышленных центрах, где много металлолома. Кроме скрапа, в шихту загружают некоторое количество (25 – 45 %) чугуна.

   б) скрап-рудный процесс – передел  в мартеновских печах шихты, твердая  составляющая которой – скрап и железная руда. Основная масса шихты (55 – 75 %) – жидкий чугун. Когда металлическая шихта на 100% состоит из жидкого чугуна (скрапа нет), а в печь в твердом виде заливают только железную руду, процесс называют рудным.

   В зависимости от состава шлака и материала пода мартеновский процесс может быть «основным» и «кислым». 

     5.1.1 Основной мартеновский процесс

   Ход плавки при скрап-процессе. В мартеновской печи при скрап-процессе чугун обычно поступает в цех в твердом состоянии в «чушках». В большинстве случаев завалку производят следующим образом: вначале заливают железный скрап, затем чугун. Капельки чугуна, расплавляющегося под воздействием факела, стекая вниз передают тепло нижним слоям шихты и науглероживают скрап, снижая тем самым температуру его плавления. В конце концов наступает момент, когда вся металлическая шихта расплавляется и начинается энергичное окисление находящегося в металле углерода: начинается период доводки и кипения. К этому моменту ванна оказывается покрытой шлаком.

   Для удаления фосфора и серы основность шлака должна быть достаточно высокой, для этого в шихту основной мартеновской плавки вводят известняк или известь.

   Во  время завалки и плавления  окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть  марганца и некоторое количество железа. Оксиды железа, кремния и марганца вместе со всплывшей известью образуют основной шлак. Общее количество шлака после расплавления составляет 8 – 10 %  от массы металла. В таком основном шлаке к моменту расплавления находится и некоторое количество фосфора и серы, удаленных из металла за время плавления шихты. Продолжительность периодов завалки и плавления 5 – 6 ч.

   Ход плавки при скрап-рудном процессе. Если в состав завода входят доменный, мартеновский и прокатные цехи, то чугун поступает в мартеновский цех в жидком состоянии.

   Содержание  углерода в металле при скрап-рудном процессе регулируют не увеличением  или уменьшением расхода чугуна (как при скрап-процессе), а введением  в завалку большего или меньшего количества железной руды.

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

   На  под с помощью завалочных машин  заваливают железную руду и известняк, после некоторого подогрева подают скрап. После того как скрап нагрелся, в печь заваливают чугун. Жидкий чугун  проходит через слой скрапа и взаимодействует  с железной рудой. Начинается интенсивное шлакообразование. Примеси чугуна энергично реагируют с окислами железной руды.

   Шлак  образуется в очень большом количестве. Образующийся в результате окисления  углерода оксид углерода вспенивает шлак и он начинает вытекать, «сбегать»  из печи. Его называют «сбегающим» первичным шлаком. Он составляет 8 – 10 % от массы металла.

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

   Для ускорения процесса плавления и  окисления примесей вскоре после  окончания заливки чугуна ванну начинают продувать кислородом. 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 подаваемого газообразного кислорода выделяется значительное количество тепла, металл энергично перемешивается, в то же время часть примесей окисляется за счет горячего кислорода, содержащегося в воздухе, поступающем из регенераторов. Продолжительность плавления при таком методе работы сокращается в 2 – 3 раза, соответственно уменьшается расход топлива.

   Состав  шлака, сформировавшегося к моменту  расплавления и после него, оказывается  почти таким же, как при скрап-процессе. Несмотря на то, что при скрап-рудном процессе в печь загружают больше чугуна, а вместе с ним и больше кремния, марганца, фосфора и других элементов; объясняется это тем, что значительное количество образующихся оксидов уходит из печи со сбегающим первичным шлаком еще до полного расплавления металла.

   Проведение  периода кипения (доводки). Поскольку составы металла и шлака после расплавления при скрап- и скрап-рудном процессах практически не различаются, период доводки протекает в обоих случаях также одинаково. Обычно после расплавления ванны в печь подают некоторое количество железной руды или продувают ванну кислородом или сжатым воздухом. Продолжительность периода доводки 1 – 3ч. 

     5.1.2 Кислый мартеновский процесс

   Кислым  мартеновским процессом называют процесс  выплавки стали в мартеновской печи, подина которой изготовлена из кислых огнеупорных материалов (~95 % SiO₂). В первых мартеновских печах подина была кислой, ее изготавливали из кварцевого песка. Мартеновский процесс существовал как кислый процесс вплоть до 1878 г., когда успехи применения основной футеровки в томасовском конвертере определили дальнейшее развитие мартеновского производства и начал развиваться основной процесс.

   Требования  к сырым материалам и топливу. Для перевода фосфора и серы из металла в шлак необходимо, чтобы в печи был основной шлак, поэтому в кислой печи с кислым шлаком ни серу, ни фосфор удалить из металла невозможно. В связи с этим к шихте и топливу предъявляют особые требования: топливо не должно содержать серы, а чугун должен содержать не более 0,025 % фосфора и серы. Вследствие высоких требований к чистоте шихты привозной стальной лом и скрап практически не используют, а в качестве основной железосодержащей составляющей шихты обычно используют заготовку, специально выплавляемую в основных мартеновских печах. Выплавленный при этом металл называют шихтовой заготовкой или полупродуктом (если металл заливают в жидком виде). Процесс, при котором жидкий полупродукт выпускают из основной печи в ковш и затем через отверстие в днище ковша при помощи специального желоба переливают в кислую печь, называют дуплекс-процессом.

   Под кислой печи. Под печи наваривают чистым высококремнистым песком, молотым кварцитом или кварцитом с примесью конечного кислого шлака. Под кислой печи принимает активное участие в протекающих в ванне процессах, и высокое качество кислой стали определяется реакциями материала кислого пода с металлической ванной, поэтому состоянию пода уделяют особое внимание. Общая продолжительность заправки кислой печи значительно больше, чем основной, и занимает в зависимости от состояния пода 1,5 – 2,5 часа.

   Ход плавки при кислом процессе. Так же, как в основном мартеновском скрап-процессе, соотношение между загружаемыми в печь чугуном и скрапом зависит от заданного содержания углерода в металле, при котором обеспечивалось бы проведение периода кипения. В отличие от основного мартеновского процесса, при котором в печь заваливают значительное количество известняка или извести, а при скрап-рудном – также железную руду, в кислом процессе источников для образования шлака меньше. Металл может оказаться покрытым недостаточным слоем шлака, в результате он интенсивно окисляется и насыщается газами. Для предотвращения этого на подину до завалки шихты загружают конечный кислый шлак (от предыдущих плавок), шамотный бой и кварцевый песок.

   При работе дуплекс-процессом для ускорения начала кипения ванны в печь вводят некоторое количество железной руды. В шлак переходит некоторое количество футеровки пода. Образующиеся во время плавления основные оксиды железа и марганца вступают во взаимодействие с кремнеземом, образовавшимся в результате окисления кремния шихты. В результате получаются сравнительно легкоплавкие силикаты железа и марганца.

   В кислой печи непрерывно идут два процесса:

   а) окисление кремния кислородом оксидов  железа шлака, в результате чего содержание кремния в металле уменьшается;

   б) восстановление кремния из шлака  и пода, в результате чего содержание кремния в металле повышается. Содержание кремния в ванне определяется соотношением скоростей этих процессов. Скорость восстановления кремния из пода примерно постоянна, скорость его окисления в большей степени зависит от состава шлака и его жидкотекучести. Интенсифицировать процессы окисления примесей в кислой печи можно введением железной или марганцевой руд, извести или мелкораздробленного известняка, а также продувкой ванны воздухом или кислородом.

   Если  после расплавления в печь не вводят никаких добавок, то по мере повышения  температуры металла шлак постепенно насыщается кремнеземом, 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 называют пассивным, а процесс – кремневосстановительным. Если походу 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 не возрастает. Такой метод ведения плавки называют активным, а процесс – с ограничением восстановления кремния. При активном процессе после расплавления и при достаточно высокой температуре металла в печь присаживают небольшими порциями железную руду. Начинается интенсивное кипение. За 30 – 40 минут до раскисления подачу в печь добавок прекращают, однако к этому моменту уже сформировался шлак такого состава, который способствует продолжению кипения металла.

   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 кремневосстановительного процесса отличается от хода активного процесса. Руду или известь больше не присаживают, окислительную роль факела сводят к минимуму, в металле заметно возрастает содержание кремния, кипение металла практически прекращается. Этот период «мертвого» состояния ванны, когда кипение практически прекратилось и происходит постепенное восстановление кремния, называют периодом стабилизации. Продолжительность этого периода составляет 1 – 2 ч. Промежуточное положение между активным и пассивным методами ведения плавки занимает полуактивный метод.