Мартеновская печь

Мартеновская  печь

Перевод

Мартеновская  печь

(от имени П. Мартена)         

пламенная регенеративная печь для переработки чугуна и стального лома в сталь заданного химического состава и качества.        

 М. п. состоит  из следующих основных частей (рис.): рабочего пространства (под, передняя и задняя стенки, свод), где осуществляется плавка; головок (правой и левой), состоящих из собственно головок и вертикальных каналов для подачи топлива и воздуха в рабочее пространство и отвода из него продуктов сгорания; шлаковиков (воздушных и газовых) — для осаждения и накопления пыли и частиц шлака, выпадающих из проходящих через них продуктов сгорания; регенераторов (воздушных и газовых) — для подогрева поступающих в печь газа и воздуха теплом выходящих из рабочего пространства продуктов сгорания; боровов (каналов) для воздуха, газа и продуктов сгорания; системы перекидных клапанов, предназначенных для изменения направления подачи в печь топлива и воздуха и отвода из рабочего пространства продуктов сгорания; котла-утилизатора; дымовой трубы. Рабочее пространство и головки печи расположены выше рабочей площадки цеха и условно называются верхним строением печи. Остальные части находятся под рабочей площадкой и называются нижним строением. М. п. — агрегат симметричный: правая и левая её стороны относительно вертикальной оси одинаковы по устройству. Топливо и воздух для горения поступают в рабочее пространство поочерёдно то с правой, то с левой стороны; продукты сгорания отводятся из рабочего пространства соответственно с противоположной стороны. Изменение направления подачи топлива и воздуха, то есть изменение направления факела в рабочем пространстве, осуществляется системой клапанов и шиберов и называется «перекидкой» клапанов. Продукты сгорания поступают из шлаковика в регенератор сверху при температуре 1500— 1600 °C и, проходя по насадке (огнеупорная кладка регенераторов), передают ей значительную часть содержащегося в них тепла. При последующем прохождении через нагретую насадку холодного воздуха или газа они нагреваются до 1100— 1200 °С.         

 Все элементы  М. п. выкладывают из огнеупорных  материалов (см. Огнеупоры). В зависимости от характера огнеупорных материалов, из которых выложено рабочее пространство, М. п. делятся на основные и кислые. Для кладки основной М. п. применяют магнезитовый, магнезито-хромитовый, хромомагнезитовый кирпичи, магнезитовый порошок (для наварки пода), для кладки кислой М. п. — динасовый кирпич и кварцевый песок. В нижнем строении печи используются форстеритовый, высокоглинозёмистый, магнезитовый и шамотный кирпичи. Для придания строительной прочности всей конструкции печи кладка крепится металлической арматурой. Узлы и детали М. п., работающие в условиях высоких температур, постоянно охлаждаются.        

 М. п. бывают двух типов — стационарные и качающиеся. Большинство М. п. стационарные. Качающиеся М. п. обычно применяются для переработки фосфористых чугунов, так как при этом требуется несколько раз «скачивать» богатый фосфором шлак, что легче осуществлять на качающихся печах. М. п. могут отапливаться жидким (мазутом) или газообразным (природный, смешанный, генераторный газ) топливом. Смешанный газ (коксовый и доменный) и генераторный газ, обладающие недостаточной теплотой сгорания, перед поступлением в рабочее пространство подогреваются в регенераторах примерно до 1150 °С. Природный газ и мазут используются без подогрева. Кислород, служащий для интенсификации горения топлива, вводится через фурмы, помещенные в головках печи, а подаваемый для продувки ванны — через фурмы, опускаемые в отверстия в своде. Некоторое количество топлива может поступать вместе с кислородом в рабочее пространство печи с помощью топливо-кислородных горелок, также опускаемых через свод. Печи, отапливаемые низкокалорийными видами газообразного топлива, имеют две пары шлаковиков и две пары регенераторов (для подогрева газа и подогрева воздуха), располагаемых попарно соответственно под каждой головкой печи; отапливаемые мазутом или природным газом имеют под каждой головкой по одному шлаковику и одному регенератору — только для подогрева воздуха. Несмотря на наличие регенераторов, отходящие газы перед дымовой трубой имеют температуру 400—800 °С. Для утилизации этого тепла за М. п. устанавливают котлы-утилизаторы. Печи оборудованы контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей не только контролировать их работу, но и автоматически поддерживать заданный тепловой режим в различные периоды плавки.        

 Использование  кислорода для интенсификации  работы М. п. приводит к постепенному  уменьшению роли регенераторов. В связи с этим в 60-х годах 20 века на ряде металлургических заводов были пущены в эксплуатацию так называемые двухванные печи (См. Двухванная печь), вообще не имеющие регенераторов.        

 Основные показатели, характеризующие работу М. п., — её производительность (годовая,  часовая и съём стали с 1 м² площади пода в сутки) и расход топлива. Годовая производительность наиболее полно характеризует работу печи, так как позволяет учесть все простои — горячие (без прекращения подачи топлива) и холодные (с отключением топлива) и объективно сравнивать работу однотипных печей. Производительность крупных М. п. превышает 0,5 млн. т стали в год. Съём стали с 1 м² площади пода позволяет сравнивать работу печей разной ёмкости в различных условиях. Обычно съём стали составляет 12—13 т/м². В СССР достигнуты наиболее высокие в мире технико-экономические показатели работы М. п.        

 Лит. см. при статье Мартеновское производство.         

И. Б. Поляк.        

Устройство мартеновской печи: 1 — рабочее пространство; 2 — свод; 3 — подина; 4 — сталевыпускное отверстие; 5 — отверстие для спуска шлака; 6 — завалочные окна; 7 — передняя стенка; 8 — задняя стенка; 9 — головки; 10 — вертикальные каналы; 11 — шлаковик; 12 — регенераторы: 13 — насадка регенераторов; 14 — борова; 15 — рабочая площадка.

Мартеновское  производство

Мартеновское  производство         

производство в  мартеновских печах (См. Мартеновская печь) металлургических или машиностроительных заводов литой стали заданного химического состава. 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 (см. Кислородно-конвертерный процесс, Электросталеплавильное производство) — второе звено в общем производственном цикле чёрной металлургии (См. Чёрная металлургия); два других основных звена — выплавка чугуна в доменных печах и прокатка стальных слитков или заготовок.         

 Благодаря преимуществам,  которыми мартеновский процесс  отличался от других способов массового получения стали (большая гибкость и возможность применять его при любых масштабах производства; менее строгие требования к исходным материалам; относительная простота контроля и управления ходом плавки; высокое качество и широкий ассортимент выплавляемой стали; сравнительно небольшая стоимость передела), в конце 19 века и 1-й половины 20 века он был основным сталеплавильным процессом (в 1940—55 этим способом изготовлялось около 80 % производимой в мире стали). Однако в связи с бурным развитием в 60-х годах 20 века кислородно-конвертерного производства строительство мартеновских цехов практически прекратилось; относительная доля мартеновской стали непрерывно уменьшается. В 1970 в мартеновских печах выплавлено в мире Мартеновское производство240 млн. т стали (Мартеновское производство40 %), в СССР — 84 млн. т (Мартеновское производство72 %). М. п. — основной потребитель стального лома (около 50 %).        

 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.        

 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.         

 В мартеновской  плавке различаются обычно следующие  периоды: заправка печи, завалка и прогрев шихты, заливка жидкого или завалка твёрдого чугуна, плавление, кипение, раскисление и легирование, выпуск. Заправка печи преследует цель поддержания в рабочем состоянии всех элементов кладки плавильного пространства. Для этого в момент выпуска плавки на подину и стенки по мере их освобождения от шлака заправочной машиной забрасывают огнеупорные материалы (дроблёный обожжённый доломит, магнезитовый порошок и другие). После выпуска из печи металла и шлака подину тщательно осматривают и, если нужно, исправляют замеченные неровности (бугры, ямы). Завалка шихты осуществляется завалочной машиной (См. Завалочная машина). Все твёрдые шихтовые материалы подаются к печи в спец. коробах — Мульдах (ёмкостью до 3,3 м³). Продолжительность завалки в зависимости от ёмкости печи колеблется от 1 до 3 ч. Для дополнительного подогрева всего стального лома перед заливкой в печь чугуна производятся прогрев шихты, продолжительность которого может достигать 1,5 ч. Заливка чугуна длится 20—60 мин. Период плавления начинается сразу после окончания заливки чугуна и продолжается 1—5 ч. В печь в этот период подаётся максимальное количество топлива, ванна продувается кислородом. В процессе заливки чугуна и в первый момент плавления происходит интенсивное образование шлака, поскольку весь кремний и часть марганца, содержащиеся в чугуне, окисляются (в шлак частично переходят и окислы железа). Толстый слой образовавшегося шлака затрудняет передачу тепла от факела к металлу. В связи с этим в первой половине плавления удаляют из печи (путём спуска в шлаковые чаши) некоторое количество шлака. В период плавления обеспечивается удаление из металла также основной массы фосфора. Химический состав металлической ванны в момент полного расплавления заметно отличается от состава, который сталь должна иметь перед выпуском плавки; температура металла относительно невысока. Поэтому главное назначение следующих периодов плавки, называемых доводкой, состоит в том, чтобы обеспечить необходимый нагрев металла, доведение его до заданного химического состава. В связи с этим период кипения — наиболее ответственный период мартеновской плавки. Главной реакцией этого периода является реакция окисления растворённого в жидком металле углерода. Образующиеся в результате этой реакции пузырьки окиси углерода вырываются на поверхность металла, пробивают слой шлака и, выходя на его поверхность, создают впечатление кипения ванны. Скорость окисления углерода в этот период можно регулировать либо добавками железной руды и других флюсов, либо продувкой ванны кислородом и сжатым воздухом. Состав шлака, обеспечивающий оптимальный нагрев металла и удаление из него нежелательных примесей (в частности серы), регулируется добавками извести, руды и других флюсующих материалов. Выделяющиеся пузырьки окиси углерода играют важную роль в мартеновском процессе. Перемешивая нижние слои металла (менее нагретые) с верхними (более нагретыми), они ускоряют процесс нагрева всего объёма металла. Кроме того, они захватывают по пути вверх некоторое количество других газов и неметаллических частиц, присутствие которых в готовой стали ухудшает её качество. Период кипения иногда условно разделяют на 2 части — период рудного кипения, когда в печь вводят добавки руды (кислород), извести, флюсов, и период чистого кипения, когда окисление растворенного в металле углерода продолжается без каких-либо добавок, за счёт растворённого в шлаке и металле кислорода. В период чистого кипения происходит окончательное доведение металла до требуемых температуры и химического состава. Продолжительность чистого кипения строго регламентируется в зависимости от выплавляемой марки стали. Начиная с момента полного расплавления ванны и до конца периода кипения осуществляется контроль состава металла и шлака, а также контроль температуры металла. Общая продолжительность периода кипения 1—2,5 ч. Раскисление и легирование — завершающий период плавки, основное назначение которого состоит в снижении содержания кислорода в металле и доведении состава металла до заданного по содержанию всех элементов, включая легирующие. Раскисляющие и легирующие добавки в зависимости от выплавляемой марки стали вводят или в печь, или в сталеплавильный ковш во время выпуска металла. Для выпуска металла из печи со стороны задней стенки пробивают или прожигают струей газообразного кислорода сталевыпускное отверстие; металл по жёлобу стекает в установленный под ним сталеразливочный ковш (на больших печах плавку выпускают в 2 или 3 ковша). Общая продолжительность выпуска до 20 мин. После выпуска плавки и необходимого осмотра отверстие вновь заделывают огнеупорными материалами. Из ковша металл разливают в изложницы (См. Изложница) или на установках непрерывной разливки стали (См. Непрерывная разливка стали). Для повышения качества мартеновской стали определённое распространение получил разработанный в СССР метод обработки металла в ковше (при выпуске из печи) синтетическими шлаками, приготовленными в специальном плавильном агрегате.