Мартеновский способ получения стали кратко

Обновлено: 04.07.2024

Мартеновский способ получения стали основан на переработке чугуна и стального скрапа на поду пламенной отражательной печи регенеративного типа. Процесс впервые был осуществлен в 1864 г. французским металлургом П.Мартеном. Благодаря относительной простоте организации и управления процессом мартеновская плавка быстро получила широкое распространение в мире до 1956 г. являлась основным сталеплавильным процессом.

В отличие от конвертерного процесса нагрев и расплавление металла в мартеновской печи осуществляется за счет теплоты, выделяющейся при сжигании топлива в струе нагретого до высоких температур воздуха. Для обеспечения максимального использования топлива воздух в печь подается в количестве, превышающем теоретически необходимое. Кроме того, окислитель в виде технологического кислорода может подаваться непосредственно в ванну металлического расплава.

Избыток кислорода, СО2 и Н2О в продуктах горения топлива создают окислительную атмосферу в печи, что обеспечивает окисление железа и его примесей в течение всей плавки, начиная с момента завалки (загрузки) шихтовых материалов в печь и вступления их в непосредственный контакт с газовой фазой.

Рабочее пространство печи, ограниченное подом, сводом и стенками печи и предназначенное для осуществления плавки, определяет своими размерами вместимость и производительность печи. В настоящее время более половины всей отечественной мартеновской стали выплавляют в печах вместимостью 400-600т; крупнейшая в мире печь имеет вместимость 900т.

Ванна печи, удерживающая расплав, имеет сферическую форму с уклоном лещади в сторону выпускной летки для стали. Современная мартеновская печь вместимостью 500 т имеет ванну длиной 19 м, шириной по зеркалу расплава 8 м и внизу 5 м и глубиной > 1 м.

Топливом для мартеновских печей служить мазу и все виды газообразного топлива (природный, смешанный и генераторный газы). Смешанный (коксовый и доменный) и генераторные газы из-за недостаточной теплоты сгорания перед поступлением в печь подогреваются в регенераторах примерно до 1150 ºС. Природный газ и мазут используются без подогрева.

Топливо и воздух для сжигания поступают из регенераторов через шлаковики и вертикальные каналы в головку печи. Обычно головка печи по ее ширине имеет три канала; по центральному подается газ, а по двум боковым - воздух. Кислород для интенсификации горения топлива вводится через фурмы, установленные в головках печи. Продукты горения отводятся из рабочего пространства соответственно с противоположной стороны. Шлаковики служат для улавливания пыли и шлаковых брызг, уносимых продуктами горения из рабочего пространства печи.

Головки мартеновской печи работают в чередующихся режимах сжигания топлива и отвода продуктов горения в регенераторы. Изменения движения газовых потоков, изменения направления факела в рабочем пространстве, осуществляется системой перекидных клапанов. Продукты горения топлива в смеси с технологическими газами с температурой 1500-1600 С поступают в регенераторы сверху через шлаковики и, проходят через насадку, отдают ей большую часть своей теплоты. При следующим прохождение через регенераторы дутья или газа они нагреваются до 1100- 1200 С. После регенераторов отходящие газы с температурой 500-600 С для дальнейшего использования Теплоты направляют в котлы - утилизаторы.

Загрузка в печь твердой шихты проводят через рабочие окна с помощью завалочных машин. Заливку жидкого чугуна осуществляют из чугуновозных ковшей с помощью заливочного крана по специальному желобу, установленному в рабочие окна. Выпуск стали и шлака из мартеновской печи после завершения плавки через летку, расположенную в задней продольной стене, не имеющей завалочных окон.

По характеру огнеупорной кладке ванны, выполняемой из высокоогнеупорных материалов различают кислый и основной мартеновские процессы. Кислый мартеновский процесс возник раньше, чем основной, но в настоящее время применяется редко из- за высоких требований к чистоте стали по фосфору и сере. В основной мартеновской печи для изготовления подины используют магнезитовый кирпич, на который наваривают рабочий слой из магнезитового порошка.

Шихтовые и материалы основного мартеновского процесса отличаются большим многообразием. Как правело, шихта состоит из металлической (чугун, стальной лм, раскеслители и легирующие добавки) и неметаллической частей (железная руда, флюсы и др). Чугун может применятся как в жидком виде, так и чушках. Соотношение количеств чугуна и стального лома в шихте зависит от вида процесса плавки, выплавляемой марки стали и ряда технико - экономических условий. Из нескольких возможных разновидностей мартеновских плавок наибольшее распространение получили так называемый скрап - и скрап-рудный процессы.

Скрап-процесс характеризуется переработкой шихты, металлическая часть которой на 55-75 % состоит из металлического лома. Чугун в этом случае загружается в печи в твердом виде. Такой процесс применяется на заводах, не имеющих доменного производства, включая крупные машиностроительные заводы, в состав которых входят сталелитейные производства.

При скрап-рудном процессе основную массу металлической шихты (от 55 до 75 %) составляет жидкий чугун. Этот процесс применяется на заводах черной металлургии с полным металлургическим циклом.

Мартеновская плавка обычно состоит из нескольких последовательно проводимых операций (стадий). Основными из них являются заправка твердой шихты и заливка чугуна, Плавления, кипение стали, ее раскисление и легирование и выпуск прадуктов плавки. Цель заправки состоит в поддержании в рабочем состоянии всех элементов огнеупорной кладки плавильного пространства и особенно подины.

Завалка твердой шихты, подготовленной к плавке, проводится из мульд- специальных чугунных коробов вместимостью до 3,5 м3 установленных на тележках . Завалочная машина (шаржирный кран) специальным хоботом подхватывает мульду и вводит ее в печь через рабочие окно. При повороте хобота с закрепленной на нем мульдой содержимое ее вываливается на подину печи. Пред заливкой жидкого чугуна загруженная твердая шихта подогревается в печи течение 1- 1,5 ч.

Стадия плавления начинается сразу после заливки чугуна и продолжается до тех пор, пока вся твердая шихта не будет расплавлена. Однако с расплавлением шихты начинается ее окисление кислородом газовой атмосферы печи. К моменту полного расплавления твердых материалов практически полностью окисляется кремний, более половины марганца, около одной третий фосфора и частично углерод. В период плавления образуется также значительное количество оксида железа FeO, который активно участвует в окисление примесей по реакциям.

Химический состав металлической ванны к концу периода плавления заметно отличаются от состава выплавляемой в печи стали. При этом ванна с поверхности покрыта слоем шлака с повышенным количеством FeO, обладающего высокой окислительной способностью по отношению к примесям и углероду. Образующиеся при окисление углерода CO выделяется из расплава в виде многочисленных газовых пузырей, которые способствуют интенсивному перемешиванию ванны и удалению из нее газовых и других включений - кипению ванны. Для интенсификации процесса кипения в этот период плавки добавляют железную руду, которая повышает окислительную способность шлака и усиливает кипение. В этот же период из шихтовых материалов и расплава в шлак переходит значительное количество фосфора. Важную роль в связывании оксидов фосфора играет известь:

Наличие в печи свободной извести способствуют также десульфурации стали по реакции. Шлак из печи периодически скачивают.

Процесс доводки металла до заданного состава проводится также во вовремя чистого кипения металла, начинающегося с момента загрузки в печь железной руды и продолжается не менее 1ч. Готовность стали конкретной плавки контролируется взятием проб и их экспресс- анализом. Процесс плавки заканчивается раскислением и выпускам стали в ковш. Раскислением стали в печи проводят сначала доменным ферромарганцем, а затем ферросилицием. Кремний ферросилиций связывает растворенный кислород в сложные силикаты железа и марганца, которые всплывают и переходят в шлак. После выпуска стали из печи процесс раскисления продолжают ковшах, забрасывают в них куски богатого ферросилиция и алюминия или силикоалюминия. Главным достоинством мартеновского процесса является его универсальность как получение сталей широкого ассортимента марок - от углеродистых до высоколегированных, так использование многообразных шихтовых материалов. Работу мартеновских печей различной мощности принято оценивать их удельной производительностью по выплавке стали, которая в настоящие время достигает 11- 12 т(м2*сут). Общая продолжительность плавки в печах вместимостью 250 тонн составляет 7-10 часов. Расход условного топлива колеблется от 130 до 150 кг на 1 тонну стали.

К основным недостаткам мартеновского процесса относится большая продолжительность процесса и значительный расход топлива при отсутствие теоретической необходимости в его применении. Совершенствованию технологии мартеновской плавки и ее интенсификации способствует применение кислорода. Для его использования в мартеновском производстве наметились два пути.

Один из путей интенсификации плавки предусматривает кратковременное введение кислорода в печь с помощью водоохлаждаемых вертикальных фурм через свод. Этот метод резко сокращает продолжительность окисления примесей, но 5-8 раз увеличивает пылевынос за счет разбрызгивания шлака и испарения металла.

Второй путь связан с использованием двухванных мартеновских печей. В такой печи над обеими ваннами устанавливают горелки для сжигания газа и водоохлаждаемые кислородные фурмы, опускаемые через свод. Рассмотрим работу двухванновой печи.

Обе ванны такой печи работают в разных технологических режимах. Когда в одной из ванн идет продувка жидкого металла кислородом, выделяющееся избыточная теплота выносится газовым потоком в другую ванну, в которой в это время идет загрузка и расплавление твердой шихты. Процесс идет устойчиво и может протекать без затрат топлива при условии заливки в печь ≥ 70 % жидкого чугуна от массы металлической шихты. Недостаток теплоты компенсируется сжиганием топлива в сводовых горелках.

Режим плавки в двухванной мартеновской печи построен таким образом, что во время выпуска готовой стали из одной ванны в другую на разогретый твердый металл заливают жидкий чугун и начинают продувку металла кислородом. Горячие газы при этом из второй ванны направляются в первую, где в это время начинается завалка твердой шихты, и так циклы плавки повторяются. Из этого следует, что двухванные сталеплавильные печи требуют четкой синхронизации работы обеих ванн.

Двухванные печи не имеют регенераторов и по этой причине важнейшей проблемой их работы является утилизация теплоты и очистка отходящих газов от пыли, так как при продувки кислородом наблюдается значительное пылеобразование.

Плавка в двухванной печи длится ˜ 4 ч: каждые 2 ч выпуск из одной из ванн. При хорошей организации работы одна двухванная печь вместимостью 200-500 т может производить за год до 1,5 млн.т стали и более. Расход топлива при этом составляет  15 кг на 1 т стали. Недостатками таких печей являются сложность обслуживания, связанная с необходимостью синхронизации работы ванн при высокой интенсивности процесса и организации должного пылеулавливания и использования физической теплоты отходящих газов.

Началом осуществления мартеновского процесса считается 1864 г., когда П. Мартен провел на одном из французских заводов первую плавку. Мартеновский процесс ведут на поду пламенной отражательной печи, снабженной регенераторами. В печь загружают шихту, чугун, лом и другие компоненты, которая под воздействием факела сжигаемого топлива плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки с тем, чтобы получить металл нужного состава. Затем готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Мартеновская печь (рисунок 22) имеет рабочее плавильное пространство, ограниченное снизу подиной, сверху сводом, а с боков передней и задней стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Футеровка печи может быть основной или кислой. Если в процессе плавки в шлаке преобладают основные окислы, процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые шлаки, процесс называют кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичом, а кислую – динасовым кирпичом.

В передней стенке печи имеются загрузочные окна для подачи шихты, а в задней – отверстие для выпуска готовой стали. Современные мартеновские печи имеют емкость 200 – 900 тонн жидкой стали.

Принцип работы мартеновской печи представлен на рисунке 22 в положении подачи топлива и воздуха с правой стороны и отвода продуктов сгорания через левые каналы. Проходя через предварительно нагретые насадки регенераторов (воздух через воздушный регенератор, газ через газовый), воздух и газ нагреваются до 1000 – 1200 °C и в нагретом состоянии через головку попадают в печь. При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800 – 1900 °C. Пройдя головку расположенную в противоположной стороне печи, раскаленные продукты сгорания направляются в другую пару насадок регенераторов, отдавая тепло им, и уходят в дымоход.

При такой работе насадки регенераторов правой стороны охлаждаются, а насадки левой стороны нагреваются. В момент когда регенераторы правой стороны не в состоянии нагреть воздух и газ до нужной температуры, происходит автоматическое реверсирование пламени. Холодный воздух и газ направляются через хорошо нагретые левые регенераторы, а продукты сгорания уходят в правую сторону печи, нагревая остывшие правые регенераторы. Таким образом, подающая и отсасывающая головки мартеновской печи периодически изменяют функции при помощи переводных клапанов, а факел сгорающего топлива формируют то слева, то справа, поддерживая максимальную регенерацию тепла и избегая перегрева насадок регенераторов.

Газы из регенератора попадают сначала в шлаковик, а уже потом по вертикальному каналу в головку печи. Шлаковики служат для улавливания плавильной пыли и шлаковых частиц, уносимых продуктами сгорания из рабочего пространства, предохраняя насадки регенератора от засорения. Сечение шлаковиков больше сечения вертикальных каналов. Поэтому при попадании дымовых газов в шлаковики их скорость резко уменьшается и меняется направление движения. Это приводит к тому, что значительная часть плавильной пыли оседают в шлаковиках.
При нагреве поступающих в печь газа и воздуха обеспечивается высокая температура факела (1800 - 1900 °C). Факел нагревает рабочее пространство печи и способствует окислению примесей шихты. Чем выше температура поступающих в печь газа и воздуха, тем выше температура факела и тем лучше работает печь. Однако можно добиться достаточно высокой температуры факела без предварительного подогрева газа и воздуха, обогащая воздух кислородом (вплоть до полной замены воздуха кислородом). Это приводит к уменьшению количества продуктов сгорания и уноса ими тепла и соответственно к повышению температуры. В этом случае регенераторы оказываются ненужными.
Из рабочего пространства печи дымовые газы выходят с температурой 1650 – 1750 °C. Попадая в регенераторы, газы нагревают насадку до 1200 – 1250 °C и удаляются в дымоход.

По конструкции мартеновские печи делятся на:

Стационарные печи получили наибольшее распространение.

Качающиеся печи преимущественно распространены в литейных цехах машиностроительных заводов, когда необходимо выпускать металл отдельными порциями или скачивать большое количество шлака.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55 – 75%), скрапа и железной руды. Процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи;
скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома и чушкового передельного чугуна (25 – 45%). Процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома.

Скрап-рудный процесс плавки стали в основной мартеновской печи.

Особенностью основного мартеновского процесса является то что он позволяет получать сталь с низким содержанием вредных примесей (фосфора, серы) из рядовых шихтовых материалов.

Плавку начинают с загрузки твердой составляющей шихты (железная руда, известняк, лом) с помощью завалочной машины. После загрузки твердой части шихты и прогрева ее, заливают жидкий чугун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. С этого момента начинается период плавления шихты, в результате которого за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна (кремний, фосфор, марганец и частично углерод).

Кремний окисляется и переходит в шлак почти полностью в период плавления под действием окислительной атмосферы, а также кислорода вводимого с железной рудой.

Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем, когда температура металла еще не высока.

Оксиды кремния (SiO₂), фосфора (P₂O₅), марганца (MnO), кальция (CaO) образуют железисто-углеродистый шлак, способствующий удалению фосфора. При переработке обычного чугуна для понижения содержания фосфора в металле проводят однократное скачивание шлака. Если же перерабатывают фосфористый чугун, то скачивание проводят многократно.

После расплавления шихты, окисления значительной части примесей и разогрева металла начинается период кипения ванны. В печь загружают железную руду или продувают ванну кислородом. Углерод в металле интенсивно окисляется, образуя оксид углерода (CO), выделяющегося в виде газовых пузырей, и вызывая кипение мартеновской ванны. Этот процесс играет очень важную роль, так как выравнивание состава и температуры металла в мартеновской печи осуществляется за счет кипения ванны. При кипении происходит удаление газов из металла, всплывание и поглощение шлаком неметаллических включений, увеличивается поверхность раздела между шлаком и металлом, что способствует ускорению процессов удаления вредных примесей (фосфора, серы).

Ввиду высокой окисленности шлака, удаление серы из металла менее эффективно, чем фосфора. Для удаления серы наводят новый шлак, загружая известь с добавлением боксита или плавикового шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается, создаются условия для удаления из металла серы. Для получения стали с низким содержанием серы, проводят обработку металла внепечными методами в ковше.

В период кипения ванны интенсивно окисляется углерод. Поэтому при составлении шихты для плавки необходимо предусмотреть, чтобы в ванне к моменту расплавления содержание углерода было на 0,5 – 0,6% выше, чем требуется в готовой стали. Процесс кипения считают закончившимся, когда содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание фосфора минимально. После этого сталь раскисляют и после отбора контрольных проб выпускают в сталеразливочный ковш через отверстие в задней стенке печи.

Кислый мартеновский процесс.

В настоящее время кислый мартеновский процесс имеет ограниченное применение в виду высоких требований к чистоте шихты. В кислой печи процесс ведут с кислым шлаком, поэтому удаление из металла серы и фосфора невозможно. Для ведения кислого процесса используют высококачественные древесно-угольные или коксовые чугуны, в которых содержание вредных примесей не превышает 0,025%.

Металлический лом, поступающий с других предприятий, переплавляют в основных печах для получения шихтовой заготовки, загружаемой вместо лома и полупродукта, когда металл заливают в кислую печь в жидком виде. Жидкий полупродукт выпускают из основной печи в ковш и затем переливают в кислую печь. Такой процесс называют дуплекс-процессом, так как в нем участвуют два агрегата – основная и кислая мартеновская печи.

Топливо при кислом процессе должно содержать минимальное количество серы. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше неметаллических включений, водорода и кислорода, чем выплавляемые в основной печи. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, и ее используют для особо ответственных деталей (коленчатых валов крупных двигателей, артиллерийских орудий, роторов мощных турбин).

Производство стали в двухванных сталеплавильных агрегатах.

Двухванные сталеплавильные агрегаты имеют две ванны, соединенные каналом для перехода из одной ванны в другую (рисунок 23). Принцип работы двухванной печи следующий. Когда в одной ванне после заливки чугуна ведут продувку металла кислородом, в другой производят завалку и подогревают твердую шихту отходящими из первой ванны газами. После выпуска металла из первой ванны проводят завалку шихты. Одновременно начинается продувка второй ванны кислородом. Топливо в двухванные агрегаты подается через топливно-кислородные горелки, установленные в своде и торцах печи. Если в шихте содержится жидкого чугуна больше 65%, то двухванная печь может работать без расхода топлива, так как количество физического тепла и тепла выделяющегося при окислении примесей чугуна, а также окисления СO до CO₂ увеличивается. В этом случае двухванная печь становится аналогичной кислородному конвертеру.

Качество металла, производимого в двухванных агрегатах не отличается от качества мартеновской или кислородно-конвертерной стали. Технико-экономические показатели процесса в двухванных сталеплавильных агрегатах характеризуются:

высокой производительностью;
низким удельным расходом топлива и огнеупоров.

К основным недостаткам процесса, ограничивающим его широкое распространение, относятся:

В XIX–XX веках весь мир активно переживал процесс индустриализации. В это же время широкое распространение получил мартеновский способ производства стали.

Общая информация

Везде строились огромные промышленные комплексы, разрабатывалась сложная сельскохозяйственная и производственная техника, основные усилия многих государств были направлены на увеличение промышленных мощностей и получение большого количества нужных для развития материалов.

Одним из таких материалов была сталь, так как именно она является незаменимым компонентом в очень многих сферах применения.

Ее производство было поставлено основательно и исчислялось огромными цифрами ежегодно.

Хоть многие неискушенные люди и думают, что эта технология была наработкой советских ученых, но ее автором является французский инженер П. Мартен. Разработал он эту технологию в 1865 году.

В специальную печь, нагреваемую продуктами сгорания топлива, закладываются чугун, шихта, металлический лом, различные другие компоненты стали. Все это под воздействием высокой температуры расплавляется до однородного состояния, куда добавляют еще и другие нужные примеси. Следующим шагом после формирования нужной смеси является ее выпускание в ковши и разливание по формам.

Достоинствами подобного способа создания стали выступает возможность переработки любого исходного сырья, многообразные варианты используемого для нагрева печей топлива.

Технология позволяет получать качественную чистую сталь. Типичная печь Мартена имеет вместительность от 10 до 900 тонн жидкого материала, поэтому с использованием этого способа несложно создавать детали довольно внушительного размера.

Конструкция

Элементами мартеновской печи выступают (стандартный вариант сборки):

Под печи.
Передняя и задняя стенки.
Свод.
Загрузочные окна, через которые в печь подается материал для обработки.
Мощные бетонные опоры.
Откосы по направлению к стенкам.
Воздушный канал, который еще называют головками.
Газовый канал для подачи нагревающего материала – газа.
Вертикальные каналы.
Важной частью конструкции являются так называемые шлаковики воздушного и газового регенераторов.

Передняя стенка печки оборудована загрузочными окнами, сюда подается шихта. Задняя стенка имеет отверстие для выгрузки уже готовой стали.

Принцип работы мартеновской печи

Если кратко рассмотреть принцип функционирования такой печи, то выглядит он следующим образом. В загруженную печь подается мощный поток заранее нагретого воздуха и газа.

Проходя через насадки регенераторов, такой поток приобретает температуру приблизительно в 1000–1200 градусов по Цельсию. Потом происходит сгорание этого топлива, благодаря чему рабочая температура в установке повышается еще больше – до 1,9–2 тыс. градусов.

Пройдя через одну пару насадок регенераторов, поток продуктов сгорания топлива направляется в другую пару головок. Здесь он отдает свое оставшееся тепло и спускается в дымоход, как отработанный материал.

Попеременное задействование насадок регенераторов помогает добиться того, что они не претерпевают перегрева, перегрев способен негативно сказаться на работе всей печи. В случае когда какие-то насадки не в состоянии нагреться до нужной рабочей температуры, в действие вступает автоматическое перенаправление горящего пламени от топлива именно в эту головку.

Благодаря такому подходу все насадки работают с одинаковой нагрузкой, периодически, меняясь, совей ролью. Подающие головки выполняют функции выкачивающих элементов продукты сгорания и наоборот. Мартеновский способ производства все еще применяется в металлургии, но процент, выработанной благодаря ему стали, быстро уменьшается, уступая место более современным технологиям.

Предусмотренные в конструкции печи шлаковики нужны для того, чтобы прочищать газы из регенераторов от пыли, частиц шлака и других загрязнений. Только после прохождения шлаковиков газ поступает на другие участки устройства, благодаря чему его срок службы существенно увеличивается, а продукция выходит более качественной. Чем больше температуры рабочего газа, тем эффективнее движется производство.

Разновидности мартеновского процесса

Процесс выплавки стали в мартеновской печи бывает нескольких основных типов. Это зависит от того, шихта какого состава загружается в печь. Существует несколько вариантов:

скап-рудный процесс;
кислый метод;
двухванный.

Скап-рудный процесс

Применяется на объектах, оборудованных доменными печами. Состав стали в этом случае выглядит так: 55–75% чугуна, железная руда, скрап. Такой мартеновский способ производства помогает получать стали с низким уровнем опасных для здоровья примесей, таких как сера, фосфор и ряд других веществ.

Начинается производство этим способом с загрузки твердых компонентов шихты (известняка, лома, железной руды) в печь и ее прогрева. Следующим шагом выполняется заливка жидкого чугуна. Происходит стремительный процесс плавление шихты и все примеси очень активно окисляются.

И при невысоких рабочих температурах фосфор, кремний, марганец, углерод и другие примеси очень активно окисляются и переходят в шлак.

Однократного скачивания шлака достаточно, чтобы получить качественную сталь. Но иногда, к примеру, если обрабатывается фосфористый чугун, то скачивание шлака проводится по несколько раз.

Кислый мартеновский процесс

Реализуется с помощью высокочистой шихты, он способен давать сталь с очень низким содержанием неметаллических примесей, того же водорода или кислорода. Именно из-за слишком больших требований к чистоте шихты кислый процесс применяется не так часто.

Такой метод плавления работает с применением кислого шлака, а это исключает возможность убрать с металла фосфор, серу и другие опасные вещества. Работа в кислой печи требует применения чугуна с количеством примесей не более 0,025%.

В этом случае металлический лом заранее перерабатывается в основных печах, откуда он в жидком виде переливается ковшом в кислую мартеновскую печь. Благодаря использованию двух печей (основной и кислой), подобный процесс часто называют дуплекс-процессом.

Получаемая в результате сталь отличается высокими механическими свойствами, обладает хорошей пластичность, вязкостью и применяется исключительно для изготовления важнейших и ответственных деталей в технике – роторов турбин, валов больших двигателей, в производстве артиллерийских установок.

Двухванный сталеплавильный агрегат

Еще одна разновидность мартеновской печи, имеющей две ванны, соединенные между собой каналом для перехода материала из одной емкости в другую. Процесс стальной выплавки происходит следующим образом:

В одной ванне залит чугун и проводится его продувка кислородом.
В это же время во второй ванне проводится завалка и подогрев шихты в твердом виде, для чего используются уходящие из первого резервуара горячие газы.
Постепенно процесс меняется и ванны также выполняют функции предыдущих.

При определенном количество чугуна в шихте (больше 65%) двухванная печь начинает работать без расхода топлива, чем-то копируя кислородный конвертор.

В качестве заключения стоит сказать, мартеновский способ производства стали в свое время стал настоящим прорывом и помог мировой индустрии совершить значительный рывок.

Сейчас доля его использования в мировой металлургии не превышает 2–3%, так как современные методы выплавки (тот же конвертерный процесс) гораздо более эффективны. Правда, в некоторых странах, он все еще занимает до 50% от всех объемов производства.

Видео по теме: Устройство мартеновских печей

Начало применения мартеновского способа производства стали как полноценного промышленного процесса датируется срединой XIX столетия. Первая плавка была осуществлена в 1964 г. французским металлургом П. Мартеном на одном из заводов, где инженер оборудовал специальную печь.

Современная выплавка данным методом выполняется на поду печного устройства пламенного-отражательного типа. Данное приспособление снабжается регенераторами. Алгоритм изготовления стального сплава следующий:

Во внутренне пространство термопечи помещают чугун, лом, а также другие необходимые согласно плавильной технологии составляющие.
Загруженное сырье под термическим воздействием плавится.
В расплав помещают необходимые добавки.
Готовая смесь выпускается в ковш, затем разливается по емкостям.

Выделяют кислую и основную процедуры. То есть производство стали мартеновским способом, кратко говоря, может проводиться соответственно при преобладающем количестве основных окислов или шлаков с кислотными оксидами. В первом случае мартены футеруют магнезитовыми блоками, во втором – динасовыми.

Мартены бывают стационарными и качающимися. Чаще применяют первую разновидность. Качающиеся модели используют внутри литейных цехов, что входят в состав машиностроительных заводов. Данный вид термопечей требует порционного выпуска металлосостава либо скачивания большого количества шлаковых компонентов.

В зависимости от шихтового состава выделяют скрап-рудную и скрап-выплавку стальной смеси. При последнем плавильной разновидности состав шихты включает передельный чугун в чушках и стальной лом (25…45% от объема). Это вид мартеновского способа производства стали используется на фабриках без доменных печных установок. Такие заводы должны находиться вблизи от промцентров, где имеется доступ к значительным объемам металлолома.

Скрап-рудная плавка подразумевает наличие 55…75% расплавленного чугуна, железорудного состава, скрапа. Такой вариант применяется на металлургических предприятиях, где установлены доменные печные устройства. Данный вид плавки исключает использование железорудных брикетов (их, к слову, можно заказать, например, посетив сайт prombriket.in.ua) в качестве заменителя железной руды. Такие плитки применяют по ходу выплавки доменным методом.

Производство стали мартеновским способом: кратко о скрап-рудном плавлении в основном мартене

Данный метод дает возможность изготовить стальной состав, содержащий малый процент фосфора, серы. Процедура состоит из следующих фаз:

По окончании всех приведенных этапов осуществляется раскисление сплава. Затем отбираются контрольные пробы. После этого состав разливают.

Производство стали мартеновским способом: кратко о кислом процессе

Применение данной процедуры сегодня ограничено. Это обусловлено высокими требованиями к чистоте шихтовых компонентов. В кислом мартене плавка реализуется при помощи кислотного шлакоотхода. Ввиду этого становится невозможным удаление сульфура и фосфора. Поэтому для плавки используются:

Высококачественные чугунные составляющие (коксовые, древесно-угольные). Доля вредных включений в таких металлах, как правило, ниже 0,025%.
Металлолом, доставляемый с других производств, проходит фазу переплавки посредством основных термопечей. Полупродукт в жидком виде переливают в ковш. Затем заливают внутрь кислой печной установки. Такой алгоритм называется дуплекс-процессом (поскольку тут участвуют две разновидности печек).
Горючее при этом варианте выплавки должно включать минимум серы.

К преимуществам стальных составов, изготовленных приведенным мартеновским способом производства стали, относят высокий уровень пластичности, отличные показатели ударной вязкости.

При кислой процедуре нельзя применять ставролитовые брикеты (таковые можно приобрести, например, просмотрев каталог НПП ПБ) для удаления фосфорных и серных составляющих. Данные плитки используют при доменной выплавке.

Изготовление стальных смесей посредством двухванного плавильного оборудования

Подобные агрегаты, как можно понять из названия, имеют 2 ванны. Последние соединены каналом. Особенности функционирования подобных установок:

Пока внутри одной емкости осуществляется продувка сплава воздухом, другая заполняется твердым шихтоотходом, который разогревается отходящими из 1-го ванного отделения газами.
Готовую смесь при таком мартеновском способе производства стали из первой ванны сливают, заполняя ее шихтовыми материалами. После окончания завалки во второй емкости начинается обработка металла оксигеном. Шихта разогревается испарениями из 2-го ванного отделения.
Подача горючего реализуется с помощью кислородно-топливных горелок. Последние устанавливаются по торцам и в своде термопечи. При содержании свыше 65% жидкой чугунной смеси топливо может не использоваться. Это объясняется повышением выделяемого по ходу оксидирования примесей чугуна, СО, СО2 тепла, а также физической тепловой энергии. В этой ситуации принцип функционирования двухванной термопечи становится аналогичным рабочему алгоритму кислородного конвертера.

По качеству металл из печи на 2 ванны практически идентичен конвертерно-кислородным и выплавленным в традиционных мартенах металлосоставам. Среди недостатков приведенного мартеновского способа производства стали выделяют:

значительный уровень угара феррума (если сравнивать со скрап-рудной процедурой);
высокие затраты расплавленного чугунного состава;
ограниченный сортамент производимых сплавов.

К плюсам двухванных агрегатов относят высокую продуктивность, низкое удельное расходование топлива. Ввиду значительной производительности отпадает потребность в применении марганцесодержащих брикетов (их можно заказать, например, посетив сайт prombriket.in.ua), как это делается для повышения эффективности при доменном плавлении.

Производство стали мартеновским способом: кратко об устройстве мартена

Термопечь относится к пламенным регенеративным отражательным установкам. Внутри пространства для плавки сжигают мазутное либо газообразное горючее. Обеспечение высокотемпературного режима и поддержка жара реализуются с помощью регенерации тепловой энергии печных газовых испарений.

Данная печная установка имеет вытянутую по горизонтали форму. Облицовка установки изготавливается из огнеупорных блоков. Верхняя часть агрегата состоит из:

Рабочего пространства, что ограничено по верху сводом, по низу – подиной. Сбоку емкость закрыта стенками (передней и задней). Подины выполняются по типу ванн с откосами, которые расширяются снизу-вверх. Стенка впереди оборудуется люками, через которые реализуется загрузка шихты, флюса. Сзади ограждение оснащено жерлом для выхода готового стального сплава.
Двух регенераторных устройств, изготовленных в виде камер. При мартеновском способе производства стали эти приспособления служат средством прогрева газа и воздуха в случае функционирования на газовой смеси, содержащей низкое количество метана. Внутри регенераторов размещены насадки из огнестойких блочков, выложенных клеткой.
Головок, размещенных по двум концам рабочей емкости. Такие элементы служат средством поочередной подачи газов и воздуха из регенераторных приборов, вывода выхлопов.

Нижняя часть печки включает шлаковики, а также регенераторы. Последние аккумулируют тепловую энергию выхлопов, передавая ее воздуху. Шлаковики используются для сборки пыли, шлакоотходов, что уносятся газовыми составляющими дыма.

Рисунок 1 – Устройство мартена

Плавильные ванны облицовываются огнестойким кирпичом. Над этими резервуарами располагается свод сферической формы. Купольная форма более эффективно отражает тепло, выделяемое продуктами горения. Тепловое излучение направляется обратно в плавильно-ванную емкость.

Схема функционирования мартенов

Рабочее пространство печной установки характеризуется площадью пода. Эта величина подсчитывается на уровне низа загрузочных отверстий. С учетом показателя этого параметра внутрь загружают требуемое количество шихты. Затем агрегат начинает выплавлять сталь согласно следующему алгоритму:

Головки нагревают до определенной температуры шихтовые компоненты.
Выхлопные испарения попадают в регенераторный прибор №1 (справа), разогревая до 1250°C насадку. Последняя нагревает подающийся через нее кислород, температура нагрева - 1200°C.
Воздушный состав перемешивается с горючим. В результате на выходном отверстии одной из головок (правой) зажигается факел, использующийся для расплавки шихты.
Выхлопы выходят посредством шлаковиков, противоположной головки (расположенной слева). Далее газообразования перемещаются в регенератор №2.
Газы после остужения выпускаются через дымовоотвод. В регенераторном приборе №1 охлаждается насадка, клапаны переключаются, обеспечивая обратный газовый поток.
Факельное пламя по ходу мартеновского способа производства стали горит при температуре 18000°C. Такой показатель способствует оксидированию ненужных включений шихтового материала. Плавильный цикл в среднем длится 3-6 ч. Большие печи изготавливают стальные сплавы до 12 часов.
Готовую смесь выливают через прорезь на задней стенке. Во время работы отверстие забивается огнестойкими материалами. Мартены способны непрерывно осуществить до 400-600 плавок. После этого требуется проведение капитальных ремонтных операций.

Если в качестве компонента шихты применяется расплавленная в доменной печной установке чугунная смесь, по ходу транспортировки металла часто используют алюмофлюсовые брикеты (их, можно заказать, например, на сайте компании НПП ПБ). Такие плитки применяют как утепляющий материал.

Производство стали мартеновским способом: кратко об устройстве, назначении элементов печей

Как уже обозначалось, термопечи имеют из верхнюю и нижнюю части. Составляющая, находящаяся сверху, сооружается на высоте 5…7 м выше поверхности полового покрытия производственного здания. Часть, расположенная снизу, находится над рабочей площадкой.

Конструкция рабочего пространства печи

Данная емкость ограничена стенками, подиной и купольной частью. Прорези в стенках (для загрузки шихтовых компонентов, выпуска готового металла) во время плавки закрываются люками со специальной футеровкой. Крышки оборудованы смотровыми отверстиями.

Рабочее пространство при мартеновском способе производства стали эксплуатируется в самых суровых условиях. Камера подвергается динамическим нагрукзкам, термическим перепадам, химвоздействию расплавленных шлакоотходов, металла. Резервуар эксплуатируется при экстремально высоких температурах. По устойчивости материалов, из которых произведено рабочее отделение, определяется общая стойкость и эксплуатационный период печной установки.

Особенности подины термопечи

Данный элемент изготавливается в многослойном варианте. Верхний слой производится из доломитовых либо магнезитовых порошков. Последние набиваются либо навариваются на основание из огнеупоров, содержащих значительное количество магнезита. Похожей конструкцией отличаются печные стенки, т. к. применяются в подобных условиях. Только в кислых мартенах их сооружают из динасовых блоков.

Облицовка приведенных элементов по характеристикам практически ничем не отличается от шлака. Но все же шлаковый отход при мартеновском способе производства стали вступает с футеровкой в реакцию. После выплавки на облицовочном покрытии можно наблюдать изъеденные участки. Последние во избежание аварийных ситуаций обрабатывают песком, если подина кислая, и доломитовой/магнезитовой пудрой при основном исполнении элемента. Торцовые участки, что прилегают к головкам, подвергаются заправке.

Особенности конструкции свода

Эта часть почти не взаимодействует с шлакоотходом. Поэтому делают элемент из основного или кислого сырья без учета вида плавильной процедуры. Как правило, материалом выступает термостойкие магнезито-хромитовые либо динасовые блочки.

Зачем нужны печные головки?

От качества и конструкции приведенных деталей зависит форма, интенсивность горения факельного пламени. Подобные параметры влияют на функционирование мартена в общем. Корректный подбор головочных элементов при мартеновском способе производства стали:

снижают до минимума сопротивление выводу выхлопов изнутри рабочего отделения;
обеспечивают корректный эффективный прогрев ванной емкости с металлом (подогрев осуществляется с минимальной отдачей тепла стенкам, своду);
способствуют правильному перемешиванию горючего и воздушной смеси, что способствует полному сжиганию данной смеси.

Для соблюдения подобных требований выводные жерла впускных головок должны иметь минимальные сечения. Прорехи же отводных оголовков выполняют как можно большего диаметра.

Особенности функционирования шлаковиков

Через данные узлы проходят выхлопы. Тут оседает до 75% образованной в процессе плавления крупной пыли. Последняя вступает в реакцию с облицовкой шлаковиковых составляющих. Пылевые частицы состоят на 60…80% из оксидированного феррума, что инициирует подобный процесс.

Соприкасаясь с футеровкой из динасовых блочков, при мартеновском способе производства стали пыль реагирует особенно активно, из-за чего образует с поверхностями каналов монолитный слой. Такие прослойки потом очень тяжело удалять. Поэтому дополнительно применяется магнезито-хромитовые кирпичные покрытия. На подобных поверхностях продукты реакции оседают в более рыхлом состоянии. Потому их значительно проще удалять.

Чистка шлаковиковых каналов реализуется посредством спецоборудования. Как правило, содержание пыли в выхлопных испарениях равняется 2…4,5 г/куб. м. При продувке металла оксигеном удельный вес пылевых частиц увеличивается до 10 раз.

Что следует знать о регенераторах?

Главной задачей регенераторных приборов считают обеспечение стабильно высокого уровня нагрева кислородной смеси и газовых компонентов. Важнейшей деталью регенератора считается насадка. Площадь подогрева последней выводящимися газоиспарениями и ее объем при мартеновском способе производства стали определяются с помощью теплотехнического подсчета. От корректности этого расчета зависит потребление горючего, уровень производительности мартена.

Насадочные детали, расположенные вверху, находятся в более тяжелых условиях. На верхних уровнях оседает больше пыли, а температура достигает предельно возможного значения. Ввиду этого верхние насадки облицовывают жаростойким магнезито-хромитовым или форстеритовым кирпичом. Детали, находящиеся внизу, выполняют из более прочных и дешевых шамотных блоков.

Особенности перекидных клапанов мартенов

Термопечи данного типа обладают реверсивным типом действия. Газовые испарения внутри оборудования перемешаются, периодически меняя направление своего движения на противоположное. Такая функция реализуется с помощью системы дросселей, клапанов, шиберов, задвижек. Данные элементы объединяют в общую группу, называемую клапанно-перекидной. Действие подобных деталей при мартеновском способе производства стали автоматизировано.

Газообразования, содержащиеся в дыму при мартеновском способе производства стали, выходят сквозь дымоотводную трубу. Высота последней подирается согласно результатом специальных подсчетов. Современные термопечи оборудуются дымоотводами высотой свыше 100 м. Возводят трубы чаще всего из красных кирпичных блочков. Внутренние поверхности футеруют материалами на основе магнезито-хромита, магнезита, динаса, форстерита, шамота. Отводящие каналы оснащают металлическими элементами (заслонками, рамами, поддерживающими балками).

От высокой температуры выхлопов дымоотводы нагреваются, потому нуждаются в охлаждении. Средний расход воды, что применяется охлаждающими установками мартенов, составляет свыше 400 куб. м/ч. Водное остужение забирает до 25% вводимого в печное пространство тепла. Затраты воды можно снизить, используя воду с низкими показателем жесткости. Допускается подогрев жидкости до 20…25°C.

Охладительное оборудование может быть испарительного типа действия. Такие системы затрачивают меньшее количество водного ресурса. Химически очищенную воду можно нагревать выше 100°C без опасения образования накипи. Подобные установки более эффективны, поскольку, затрачивая 1 л жидкости, способны отводить до 2,6 МДж тепловой энергии вместо 85…105 кДж при классическом водоохлаждении. Это дает возможность сократить водорасход до 30 раз.

Применяют при мартеновском способе производства стали также оборудование горячего охлаждения. В нем циркулирует химически очищенная вода из теплофикационной системы. Температура жидкости достигает 50…80°C. Вода проходит через требующие охлаждение элементы, нагреваясь. Затем она возвращается в сеть, передавая аккумулированную тепловую энергию потребителям.

Какие предприятия применяли мартены?

Мартеновский способ производства стали использовался на многих промышленных объектах постсоветского пространства. Такие стальные сплавы изготавливались на следующих заводах:

Из приведенного выше видно, что мартеновский способ производства стали активно используется до сих пор. На некоторых промышленных объектах регулярно проводят совершенствование оборудования, развивают данную технологию. А некоторые проихвлдители активно внедряют в процесс производва метлургические брикеты.

Читайте также: