Раздел 3. Производство стали

 

Цель раздела 3:

Ознакомиться с современными технологиями при производстве стали

 

План раздела 3:

3.1. Конвертерное производство стали

3.2. Мартеновское производство стали

3.3. Выплавка стали в электрических печах

3.4. Внепечная обработка стали

3.5. Комплексные технологии внепечной обработки чугуна и стали

 

Цель раздела 3.2:

Ознакомиться с современными технологиями при мартеновском производстве стали

 

План подраздела 3.2:

3.2.1. Конструкция и работа мартеновской печи

3.2.2. Общая характеристика мартеновского процесса

3.2.3. Основной и Кислый мартеновские процессы

3.2.4. Современное состояние и перспективы развития мартеновского производства. Двухванные печи.

3.2.5. Автоматизация работы мартеновской печи

 

3.2.1. Конструкция и работа мартеновской печи

 

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 (например, в 1722 г. Реомюром), 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 °С (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.

По мере расширения конвертерного и электросталеплавильного производств масштабы   производства мартеновской стали   сокращаются.

Мартен состоит из:

-       ванны, где происходит плавка. Обычно она выкладывается огнеупорным кирпичом.

-       сферического свода, расположенного над ванной. Его основное назначение – отражать продукты горения, тепло, направляя их обратно к ванне с плавящимся металлом.

Основное преимущество мартеновского процесса: легкость контроля за процессами переработки.

В настоящее время мартеновский способ производства стали практически вытеснен гораздо более эффективным кислородно-конвертерным способом, а также электроплавкой.

Начиная с 1970-х годов новые мартеновские печи в мире больше не строятся!

Мартеновское изобретение относят по классу к отражательной регенеративной конструкции.

Преимущества мартеновских печей:

-       возможность переплавки в сталь металлического лома (предшественники, вроде конверторов бессемеровских были на такое неспособны);

-       контроль качества металла;

-       возможность вносить необходимые добавки, получать на выходе сталь разных марок и свойств;

-       высокая гибкость производства;

-       большая лояльность к исходному сырью;

-       возможность применения технологии во многих производственных масштабах;

-       относительно простой контроль, управление процессом;

-       невысокая стоимость передела производства;

-       высокое качество выплавки.

 

3.2.2. Общая характеристика мартеновского процесса

 

Основной принцип действия мартеновского процесса:

-       Вдувание раскаленной смеси горючего газа и воздуха в печь с низким сводчатым потолком, отражающим жар вниз, на расплав.

-       Нагревание воздуха происходит посредством продувания его через предварительно нагретый регенератор (специальная камера, в которой выложены каналы огнеупорным кирпичом).

-       Нагрев регенератора до нужной температуры осуществляется очищенными горячими печными газами.

-       Происходит попеременный процесс: сначала нагрев регенератора продувкой печных газов, затем продувка холодного воздуха.

Основные этапы процесса:

-        Плавление (начинается еще до полной загрузки печи)

-        Окисление (происходит окисление углерода за счёт ранее образованного FeO)

-        Раскисление (к окончанию плавки в стали растворено большое количество FeO, что в горячем состоянии увеличивает красноломкость)

Периоды процесса получения стали – 5-8 часов; при скоростном сталеварении – до 4,5-5,5 часа.

 

3.2.3. Основной и Кислый мартеновские процессы

 

В основной мартеновской печи можно переплавлять чугун и скрап любого состава и в любой пропорции и получать при этом качественную сталь любого состава (кроме высоколеги­рованных сталей и сплавов, которые получают в электропе­чах). Состав применяемой металлической шихты зависит от состава чугуна и скрапа и от расхода чугуна и скрапа на 1 т стали. Соотношение между расходом чугуна и скрапа зависит от многих условий.

Виды мартеновского процесса:

-       Скрап-процесс: 55-75% стальной лом, 25-45% передельный чугун

-       Скрап-рудный процесс: 55-75% жидкий чугун, 25-45% стальной лом и руда.

Дополнительно: известь, природный газ, мазут, доменный газ, ферросплавы.

Содер­жание газов в кислой стали ниже, чем в стали того же сос­тава, выплавленной в основных мартеновских печах, дуговых электропечах или конвертерах. Этому способствует следую­щее:

1) чистота шихты;

2) небольшое количество вводимых в печь шлакообразующих;

3) насыщенные кремнеземом вязкие шлаки, обладающие малой газопроницаемостью;

4) более низ­кое содержание кислорода по ходу плавки в кислой печи, чем в основной, так как, помимо раскисляющего действия кремния, протекает процесс взаимодействия оксида FeO, растворенного в металле, с кремнеземом шлака и футеровки;

5) уменьшение количества вводимых в печь или ковш раскис­ляющих и легирующих добавок, которые вносят соответствен­но меньшее количество газов, в частности водорода и азота и нежелательных примесей.

В некоторых случаях металл по­лучается настолько раскисленным, что раскислители не вво­дят.

Несмотря на высокие качества кислой мартеновской ста­ли, область ее применения постепенно сужается, так как, во-первых, непрерывно улучшается качество стали, выплав­ляемой в основных мартеновских печах, конвертерах и дуго­вых электропечах и, во-вторых, стоимость кислой марте­новской стали значительно выше (в 1,5-2,0 раза), чем основной.

Недостатки мартеновских печей:

1.      Длительный процесс выплавки, особенно сопоставимо с электрической плавкой;

2.      Значительный расход топлива;

3.      Пониженная экономичность сравнительно к кислородно-конверторной технологии;

4.      Повышенный угар металла;

5.      Качество стали хуже;

6.      Большие затраты по ремонту;

7.      Высокий расход огнеупоров;

8.      Неудовлетворительное количество загрязняющих среду отходов;

9.      Граничащие с нарушением современных норм условия труда;

10.  Низкая производительность труда.

 

3.2.4. Современное состояние и перспективы развития мартеновского производства. Двухванные печи.

 

Современное мартеновское производство характеризуется вы­сокой   концентрацией  мощностей   в   крупных  цехах,   основное количество мартеновской стали выплавляют в печах емкостью 300-400 т и более. Тем не менее, среди действующих в на­стоящее время мартеновских печей имеется определенное число построенных 40-50 лет тому назад агрегатов малой емкости, характеризуемых невысокой производительностью и низкими технико-экономическими показателями. В ближайшие годы будет выведена из эксплуатации большая часть мало­производительных печей, однако определенное число крупных высокопроизводительных мартеновских цехов, оснащенных современным оборудованием, будет обеспечивать потребности в металле еще некоторое время.

Традиционный мартеновский процесс будет совершенство­ваться в направлении улучшения технико-экономических по­казателей работы печей (экономия металлошихты и добавоч­ных материалов, повышение стойкости сводов и других эле­ментов кладки) в результате оптимизации теплового и тех­нологического режимов плавки, конструктивных изменений и внедрения современных систем и средств автоматического контроля и управления плавкой. Одновременно техническая мысль работает над изысканием новых технически и экономически целесообразных процессов плавки в агрегатах, которые могли бы быть установлены в уже существующих зданиях мартеновских цехов. Из многих такого рода предложений практически реализованы два, а именно:

а) установка на месте старых мартеновских печей дуговых сталеплавильных печей;

б) реконструкция работаю­щих мартеновских печей на двухванные.

Существенным обстоятельством, ускорившим процесс широкого распространения двухванных печей, явились трудности обс­луживания и ремонта регенеративных насадок мартеновских печей, работающих с продувкой ванны кислородом.

Кроме этого, по мере увеличения степени обогащения дутья кислородом возрастает температура отходящих газов и соответственно температура верха насадок регенераторов, что также усложняет условия их эксплуатации.

Конструкторы двухванных печей предложили, помимо интенсивной продувки ванны кислородом, утилизировать хотя бы часть тепла выделяющихся газов для нагрева шихты. При этом используется как физическое тепло отходящих газов, так и тепло, выделяющееся при окислении СО до СО2. Даже частичная утилизация тепла отходящих газов позволяет по­высить долю металлического лома в шихте до 40-45 %.

Таким образом, достоинствами двухванных печей являют­ся:

1) высокая производительность;

2) меньшая трудоем­кость ремонтов;

3) возможность размещения печей в сущест­вующих мартеновских цехах (габариты, использование крано­вого оборудования, коммуникаций и т.д.).

 

3.2.5. Автоматизация работы мартеновской печи

 

Автоматизация управления тепловой работой современной мартеновской печи – необходимый элемент прогресса стале­плавильного производства. Автоматизация позволяет упрос­тить и облегчить труд сталевара и повышает технико-экономические результаты работы, способствуя снижению удельного расхода топлива, повышению производительности печи и увеличению ее стойкости.

Автоматическому регулированию подвергаются следующие основные операции:

1.     Подача топлива в печь и горение топлива. В зависи­мости от периода автомати­чески поддерживается определенный расход топлива.

2.     Поддержание на определенном уровне давления газов в
рабочем пространстве печи. Если давление в рабочем пространстве печи возрастает то регулирующий шибер в борове автоматически поднимается, если давление падает, то шибер опускается.

3.     Перекидка клапанов. На основании предварительных исследований автоматику печи настраивают так, что подача топлива и воздуха в одну пару насадок автоматически прекращается и они направляются в другую пару насадок.

4.     Распределение продуктов сгорания между насадками
регенераторов. Количество горячих продуктов сгорания, направляемых в тот или иной регенера­тор, автоматически регулируется с помощью специального шибера, устанавливаемого в воздушном борове (борове от воздушного регенератора).

Важно: увеличение производительности мартеновских печей и улучшение технико-экономических показателей их работы в большинстве случаев зависит от возможности самой печи и организацией производства в цехе!