Сименс-мартенов метод за добиване на стомана

Добиването на стомана в сименс-мартенова пещ се характеризира с това, че процесът се провежда в пламъчна регенеративна пещ и позволява използването както на течен, така и на твърд изходен материал. Възможно е оползотворяване на стоманени отпадъци и преработване на чугуни, които не могат да се използват напълно при конверторните процеси.

За първи път течна стомана в пламъчна пещ е била добита от Пиер Мартен през 1865 г., който за повишаване на температурата в пещта е използвал принципа за регенериране на топлината, патентован от Фридрих Сименс. Регенерирането на топлината се извършва чрез предварително загряване на вдухваните в пещта газ и въздух от топлината на отработените газове.

По принципа на работа сименс-мартеновите пещи са рафинационни пещи. Окисляването на примесите при тях се извършва главно за сметка на кислорода от железния оксид, който се намира в шлаката, частично на железния оксид, разтворен в метала и на кислорода от пещните газове.

Съвременните сименс-мартенови пещи се строят с вместимост до 500 t. Те използват газообразно или течно гориво (генераторен газ или мазут). Устройството на сименс-мартенова пещ е показано на фиг.1.4.

Фиг.1.4. Сименс - мартенова пещ. 1 - отвор за зареждане; 2 - отвор за изпускане на стоманата; 3 - работно пространство; 4 - свод; 5 отвор за изпускане на шлаката; 6 - под: 7 - глава; 8 - вертикални канали; 9 - шлаковик; 10 - канал за отвеждане на димните газове; 11 - пълнеж на регенераторите; 12 - регенератори.

Основните съставни части на пещта са топилното пространство 3 и регенеративните камери 12, които са съединени помежду си посредством каналите 8. Топилното пространство, се ограничава от под, свод и стени. За насипване на материала в предната стена на пещта се проектирани отвори 1 (врати), броят на които зависи от големината на пещта. От другата страна е предвиден отвор 5 за изливане на шлаката, който по време на стопяването се затваря с огнеупорен материал. Подът на топилното пространство се прави с определен наклон към отвора за изпускане на метала. Облицовката на работното пространство понастоящем се прави най-често основна и по-рядко кисела, като за целта се използуват висококачествени огнеупори. Регенеративните камери се разполагат пред пещта под работната площадка. Всяка пещ е снабдена с две двойки регенеративни камери: едната двойка служи за загряване на генераторния газ и въздуха, докато в другата двойка се загрява от излизащите газове. Когато пещта работи с течно гориво, регенеративните камери загряват само въздуха. В повечето конструкции регенеративните камери за въздух са по-големи от камерите за газ. Изменението на посоката на движение на въздуха, генераторния газ и газовете, получени от изгарянето, се извършва с помощта на специални превключвателни клапани. Частите от пещта, които са подложени на най-силно топлинно натоварване, се охлаждат обилно с вода.

Окисляването на примесите при добиване на стомана в сименс-мартеновата пещ започва след стопяването на метала. То се регулира от физико-химичните процеси, които се извършват между пещните газове и шлаката, от една страна, и между шлаката и метала, от друга страна. Характерът на окислителните реакции зависи от температурите, които се получават по време на топенето в пещта. Следователно чрез регулиране на температурата могат да се направляват в определена степен и процесите в пещта.

Първоначално металът се окислява от кислорода на пещните газове. Получените оксиди и флюси образуват шлака, която покрива метала, и по-нататъшното окисление на примесите се извършва под слой от шлака. За да може да се окислява, шлаката трябва да съдържа значително количество железни оксиди. Кислородът, необходим за окисляване на примесите, може да бъде доставен от пещните газове, от прибавяната в пещта руда или окалина или чрез непосредствено вдухване на кислород в течния метал. След като се достигне желаното съдържание на примеси металът се дезоксидира посредством манган, силиций или алуминий.

Шлаката е неизбежен страничен продукт на металургичните процеси. Тя представлява разтвор на различни оксиди и др. съединения, които обикновено са неразтворими в метала. Шлаката се образува от:

- окислените примеси в метала;
- внесените в стоманодобивния агрегат шлакообразуващи материали;
- стопената и ошлакованата част на огнеупорите, с които е иззидано работното пространство на добивния агрегат;
- внесените в металната шихта странични примеси;
- миксерната или доменната шлака, която съпътствува течния чугун.

Главните функции, които шлаката изпълнява при стоманодобивния процес, са:

- осигурява оптимално топлопредаване от източника на топлина (факел или електрическа дъга) към ваната на
  стоманодобивния агрегат;
- пренася необходимия за окислителните процеси кислород от газовата фаза до метала;
- предпазва метала от влиянието на газовата фаза (проникване на водород, азот и сяра в метала);
- регулира реакции в стоманодобивния агрегат;
- създава оптимални условия за отстраняване на сярата и фосфора;
- свързва вредните примеси, които се отстраняват от метала;
- предпазва желязото и легиращите елементи от прегаряне.

Функциите на шлаката в стоманодобивните процеси се осъществяват чрез изменението на параметрите й в хода на процеса. Химичният състав и физичните свойства на шлаката са най-важните показатели, определящи хода на производствения процес. От тяхното изменение зависят условията за протичане на отделните технологични реакции. Образуването на шлака с оптимални за процеса качества се нарича шлаков режим. Воденето на правилен шлаков режим е гаранция за производството на качествен метал.

Шлаката има и известна отрицателна роля при стоманодобиването, която се изразява в: намалява добива на метал, тъй като съдържа оксиди на желязото, мангана и легиращите елементи, а също и метални капки от ваната; взаимодейства с всички огнеупори, които се използуват в стоманодобиването, намалява трайността им и повишава замърсеността на метала с неметални включения.

Някои оксиди в шлаката се свързват в съединения. Остават и свободни оксиди, които определят характерната химична активност на шлаката. Ако основните оксиди са повече от киселите, тя е основна. В киселата шлака съдържанието на киселите оксиди е по-високо. Амфотерните (неутралните) шлаки се характеризират с приблизително еднакви количества кисели и основни оксиди. Най-важният критерий за технологичните качества на шлаката е т. нар. шлаково число. То се изразява, най-общо като, отношението между сумарните концентрации на киселите и основните оксиди. Тъй като най-силно влияние върху химичния състав на шлаката оказват концентрациите на калциевия и силициевия оксид в тях, основността може да се изрази с достатъчна точност като отношение на концентрациите на тези компоненти.

Основната цел на металургията е свързани с подобряване на качеството на добивания метал. То може да се постигне само с химична чистота на изходните материали. Дори съвсем малки примеси от сяра, фосфор, арсен, кислород или на някои други елементи рязко влошават якостта и пластичността на добитата сплав, правят я крехка. Всички тези примеси се съдържат в рудата и кокса и освобождаването от тях е трудно. При топенето във високата пещ и в мартеновата пещ, основната част от примесите преминават в шлаката и заедно с нея се отделят от метала. Но в стоманата попадат вредни елементи от горящите газове, които влошават свойствата й. За получаването на висококачествена стомана спомага развитието на електрометалургията, тъй като при добиването на стомана в електропещи топлината, необходима за провеждане на металургичните процеси, се получава от използваната електрическа енергия. Поради това за разлика от разгледаните методи обработваният материал не изменя състава си под влиянието на горивото.

В сравнение със сименс-мартеновите пещи електропещите имат редица преимущества. Така например в тях е възможно да се получи стомана с по-ниско съдържание на сяра, както и да се извърши много по-добро дезоксидиране; в електропещите съдържанието на неметални включвания може да се доведе до минимум; да се постигне минимално изгаряне на скъпите легиращи елементи. Освен това в тях може да се извършва бързо загряване до високи температури и да се създава окислителна или редукционна атмосфера. Това прави електропещите особено надеждни за добиването на висококачествени въглеродни и легирани стомани. От различните видове електропещи, които съществуват за добиването на стомана се използват най-много електродъговите и индукционните пещи.

Фиг.1.5. Конструкция на електродъговите пещи.

В електродъговите пещи се използва топлинния ефект на електрическата дъга. Електрическа дъга е последен стадий на дъгов разряд между електроди, който настъпва при достатъчна мощност на захранващия източник. Електрическата дъга е плазма и се характеризира с много висока плътност на електрическите товари и ниско прикатодно спадане на напрежението, вследствие на интензивна термойонизация на обема на изолационния материал и по повърхността на катода. Температурата в канала на електрическата дъга и на повърхността на катода, където се опира дъгата, достига 20 000 К и повече.

Условието за горене на електрическата дъга се определя от баланса на доставената от източника и отвежданата енергия. Енергията се отвежда от обиколната повърхност на канала на дъгата чрез конвекция, топлинно и светлинно излъчване и разсейване на топлина от електродите. При увеличаване на подаваната в дъгата енергия се увеличава температурата в канала. Вследствие на термойонизацията се повишава концентрацията на електрическите заряди и се разширява диаметърът на канала (увеличава се проводимостта и се намалява напрегнатостта на полето в канала).

В зависимост от разположението на електродите и начина на получаване на дъгата различаваме пещи с директна дъга

При директните пещи електродите се разполагат вертикално и дъгата се получава между електрода и метала. При индиректните пещи електродите се разполагат по такъв начин, че дъгата се получава между тях, над метала. При пещите със закрита дъга електрическата дъгата гори под слой от твърда шихта.

За добиването на стомана се използуват директни пещи. Съвременните електропещи работят с трифазен ток, т.е. с три електрода и са с вместимост до 180 тона.

Електродъгови пещи - устройство и процеси

Електродъговата пещ представлява цилиндричен съд от стоманена ламарина. Подът и стените се облицоват с кисел или основен огнеупорен материал, а сводът се иззижда с огнеупорни тухли и при по-големите пещи се прави подвижен. През три отвора в свода се спускат графитните електроди, които са закрепени така, че със специални механизми могат да се движат във вертикална посока.

Пълненето на пещта се извършва най-често през една врата, разположена срещу отвора за изпускане на готовата стомана.
За изпускане на шлаката и стоманата цялата пещ (заедно с електродите) може да се наклонява посредством хидравлично задвижвано приспособление.

Изходните материали за добиване на стомана в електродъгова пещ са стоманени отпадъци, чугун, желязна руда, флюси, дезоксидатори и добавки. Съставът на изходните материали определя характера на процеса. Когато изходните материали съдържат значително количество вредни примеси, се извършва т. нар. "добиване на стомана с пълно окисление на примесите",

Характерът на облицовката на пещта зависи също така от чистотата на изходните материали. При материали с ниско съдържание на фосфор и сяра пещта се облицова с кисели, а при повишено съдържание на тези елементи - с основни огнеупори.

Индукционната топлинна пещ е топлинна пещ с индукционно нагряване. Представлява, трансформатор, на който първична намотка е спирала от медна тръба, охлаждана с вода, а вторична - металът, който се топи. Електрическият ток, който преминава по спиралата, създава променливо магнитно поле, което индуцира в нагрявания метал вихрови токове, и се отделя топлина. Индукционните пещи биват тигелни (фиг.1.6-а) и канални (фиг.1.6-б).

Фиг.1.6. Конструкция на индукционните пещи: а - тигелна; б - канална.

Тигелната индукционна пещ (фиг.1.6-а) се състои от индуктор 1 и от тигел 2, изработен от керамични материали, графит или стомана. Съществуват разновидности на открита, вакуумна, с газова атмосфера под налягане и др. Захранва се от електрически ток с ниска, средна или висока честота. Използува се за топене на стомана, чугун, мед, алуминий, магнезий, благородни метали.

Каналната индукционна пещ (фиг.1.6-б) се състои от индуктор 1, тигел 2, подова опора 3 с канал за топлоотделяне и магнитна сърцевина 4. Каналът за топлоотделяне, в който електромагнитната енергия се превръща в топлинна, постоянно е запълнен с електропроводен материал. Тази пещ се захранва с електрически ток с промишлена честота. Използва се за топене на цветни метали, сплави на цветни метали и чугун.

Тиглите на индукционните електропещи имат най-малка устойчивост в сравнение с огнеупорната зидария на другите пещи за производство на стомана. Това се дължи на изискването за минимална дебелина на стените, с които се намалява разсейването на магнитния поток и се увеличава стойността на коефициента на мощността. Тиглите на малките индукционни пещи се изработват от набивни огнеупорни маси, а на големите пещи - от профилни огнеупорни изделия.

В индукционните електропещи стоманата се получава по метода на претопяването, т.е. без окислителен период. Съставът на шихтата трябва да се съобрази преди всичко с вида на използувания тигел и с химичния състав на произвежданата марка стомана. При сравнително бързото протичане на процесите в индукционната пещ се контролира само съдържанието на въглерод в метала. Ето защо количеството на въглерода в шихтовите материали трябва да бъде около долната му граница за зададената марка стомана.

Шихтата се подбира внимателно като се сортира по химичен състав и едрина. Количеството на легиращите елементи се изчислява точно, след което те се дозират. Едрината на шихтата зависи от размерите на тигела и параметрите на тока. На дъното се насилва дребната шихта, върху нея се поставят легиращите елементи, а най-отгоре - едрите метални късове. За да се предпази студеният метал от окисляване, в тигела се внасят и определено количество надробени флюси, които образуват подходяща основна или кисела шлака.

Шихтата започва да се топи отгоре надолу при постепенното увеличаване на големината на тока. При спадане нивото на метала, в тигела се допълва шихта. Когато металът се стопи напълно, се проверява въглеродното му съдържание. Ако е необходимо, във ваната се добавя въглерод. При по-високо съдържание на въглерод в метала, се внася руда или металът се продухва с кислород за окисляване на излишния въглерод.

Легирането на метала се провежда, след като съдържанието на въглерода достигне желаните граници. Ваната се откислява (дезоксидира) по обемен или дифузионен начин. Редукционната смес за по-разпространеното дифузионно откисляване се състои от кокс, феросилиций и алуминий. Едновременно с откисляването се провежда и максимално възможното обезсярване.

Индукционните стоманодобивни пещи имат някои предимства пред електродъговите. Под действието на електромагнитните сили металът се разбърква непрекъснато и реакциите протичат по-пълно. Поради липсата на допълнително навъглеродяване от графитните електроди е възможно получаването на нисковъглеродни марки стомана. Газонасищането на метала е незначително. Индукционните пещи са сравнително малки и са много удобни за комбинирани стоманодобивни процеси. Възможностите за точно регулиране на технологичните параметри и за по-пълното автоматизиране на процесите са по-големи.

Като основен недостатък на технологията при индукционните пещи е ниската активност на шлаката и оттам по-малките топлинни възможности на самата пещ. Това намалява ефективността на обезсярването и обезфосфоряването на стоманата. Огнеупорната зидария на тигелите е с малка издръжливост.

Производството на стомана в индукционни електропещи се характеризира с високи технико-икономически показатели. Това се изразява преди всичко с по-ниската себестойност на произвежданите високолегирани и специални марки стомана.

По-голямата част от стоманата, която се добива в металургичните заводи, се преработва в различни полуфабрикати - сортов прокат, горещо и студено валцована ламарина. За тази цел от пещта стоманата се излива в блокове, които представляват изходните материали за валцовото и ковашкото производства. Пренасянето на метала от пещта до формите, в които се излива, се извършва със специални разливни кофи, които събират от 0,5 до 300 тона.

За отливане на блоковете се използват метални форми - кокили (фиг.1.7.), които се изработват от чугун или от лята стомана.

Фиг.1.7. Общ вид на кокилата за отливане на стоманени блокове.

При охлаждането си металът се свива и намалява своя обем. Това свиване се извършва както в течно, така и в твърдо състояние. Образувалите твърди пластове метал черпят метал за компенсиране на своето свиване от намиращия се непосредствено над тях все още течен метал. По този начин в края на кристализацията се стига до получаването на един дефицит (всмукнатина) в мястото, където е имало най-дълго време течен метал. Получава се твърде голям отпадък до около

Идеята, залегнала в основата на инсталациите за непрекъснато леене на стомана е да се получи блок с голяма дължина. Независимо от разликите в конструкцията, всички машини за непрекъснато леене използват следните основни технологични възли:

- кристализатор;
- зона на вторичното охлаждане;
- теглеща и изправяща клетка;
- устройство за рязане на блока.

Течната стомана контактува със студената повърхност на кристализатора и на долната и страничната повърхност на блока бързо се образува твърда кора. От кристализатора блокът с още течна сърцевина постъпва в зоната на вторичното охлаждане, състояща се от масивни пръти или ролки и група дюзи, които подават вода към повърхността на блока. Направляващите, свободно въртящи се ролки предпазват блока от издуване на кората по широките страни. В резултат на интензивното охлаждане твърдата кора бързо нараства. Степента на охлаждане и скоростта на изтегляне на блока се избират такива, че течната сърцевина да се втвърдява преди постъпването на блока в клетката на изтеглящите (теглещите) ролки. Кристализиралият блок се разрязва с помощта на устройството за газово рязане.

Фиг.1.8. Схеми на машини за непрекъснато разливане на стомана. а - вертикална; б - с огъване на блока; в - радиална; 1-стоманоразливна кофа; 2-междинна кофа; 3-кристализатор; 4-зона за вторично втърдяване; 5-изтеглящи ролки; 6-устройство за рязане; 7-ролганг; 8-повдигач; 9-огъващ механизъм.

Стремежът към намаляване на височината на инсталациите е довел до създаването на машини с разполагане на технологичните възли по криволинейна ос. Блокът се формира в радиален (криволинеен) кристализатор и в криволинеина зона, за вторично охлаждане или първоначално правият блок се изкривява в специално устройство. И в двата случая криволинейният блок след това се изправя и направлява по-нататък в хоризонтално положение. Този тип инсталации имат по-малка височина и по-лесно се монтират в съществуващите цехове, но изискват по-голяма хоризонтална площ. Радиалните инсталации за разливане на стоманата се развиват през 70-те години на миналия век и от своя страна се делят на:

- инсталации без деформация (изправяне на блока до пълното втвърдяване);
- инсталации с деформация (изправяне на блока);
- инсталации с деформация за намаляване на сечението (валцуването се осъществява както при наличие на течна
  сърцевина, така и след пълното втвърдяване на блока).

При всички случаи течният метал се налива в горната част на водоохлаждаем кристализатор, а от долната част непрекъснато се изтегля блока.

Радиалните инсталации са получили най-голямо разпространение в световната практика. В тях кривината на блока, зададена от кристализатора, се съхранява неизменно до неговото пълно втвърдяване. Ролките на зоната за вторично охлаждане се разполагат по дъгата на окръжност с постоянен радиус. Изправянето на напълно втвърдения блок става едностадийно при изхода му в хоризонтално положение от валците на изправящо-теглещото устройство. По-нататък блокът може да бъде нарязан на мерни дължини.

Най-важният конструктивен параметър на радиалната инсталация е радиусът на технологичната ос. Неговата големина се определя така, че той да гарантира път, достатъчен за пълното втвърдяване на блока до момента на изправяне при зададена линейна скорост на изтегляне и освен това да не превиши допустимата степен на деформация при изправяне.

В практиката се използва следната зависимост за определянето на радиуса R в зависимост от дебелината на блока :
R > 22,8 , където R и  са в [mm].


1.5. Методи за добиване на качествени стомани

Специалните електропещи (вакуумнодъгови, електроннолъчеви, плазменодъгови и електрошлакови) са предназначени за производство на висококачествени стомани с повишена чистота по отношение на кислород, сяра, водород, азот, неметални включения и редица вредни примеси от цветни метали. Шихтата се подготвя специално, като най-често предварително се стопява в обикновени пещи и след това се отлива на блокчета или електроди, които се претопяват. Пещите и съоръженията са сложни и скъпи и имат много по-малка производителност от електродъговите и индукционните пещи. Ето защо произвежданата стомана е до четири пъти по-скъпа в сравнение с обикновената висококачествена стомана от същата марка. Специалните стомани се използват за изработване на детайли с много отговорно предназначение.