В мартеновских печах сталь выплавляют скрап-процессом (стальной лом и 25-45 % твердого чугуна) и скрап-рудным процессом (55-75 % жидкий чугун, стальной лом и железная руда).
Тепло в ванну печи поступает сверху от горящего факела и распределяется по ванне, при этом температура шлака выше температуры металла. Выравниванию температуры по глубине ванны способствует перемешивание металла за счет окисления углерода и выделения СО.
В начале периода кипения температурный перепад между верхними и нижними слоями ванны составляет 70-100 °С. В отличие от процесса выплавки стали в кислородных конвертерах ( продолжительность плавки 15-30 мин), в мартеновских печах взаимодействие металла с подиной из-за продолжительной плавки весьма существенно.
В мартеновской плавке все процессы протекают под шлаком и с его участием (толщина шлакового слоя 50-500 мм). Изменением состава, температуры и консистенции шлака обеспечивают получение стали требуемых состава и качества.
Источниками образования шлаков мартеновской плавки являются:
- продукты окисления примесей чугуна и стального лома;
- продукты разрушения футеровки;
- добавочные материалы (известь, железная руда, агломерат, боксит).
В мартеновских печах выплавляют сталь разных марок, в том числе и легированные. В среднем на выплавку 1 т мартеновской стали расходуется 575-585 кг чугуна и 490-515 кг стального лома. В процессе окислительной мартеновской плавки из шихты удаляются кремний, марганец, сера, фосфор, углерод и другие примеси. Реакция взаимодействия элементов аналогичны кислородно-конвертерному процессу. Для удаления из металла серы в печи поддерживают присадками извести высокую основность шлаков, снижают в них до минимума концентрацию оксидов железа, повышают температуру, а также увеличивают поверхность раздела шлак-металл путем перемешивания. Для снижения серы в металле используют низкосернистое топливо. В мартеновском процессе переход кислорода из атмосферы в металл происходит через шлак. Образующийся на границе раздела шлак-газ оксид железа Fe2O3 дифундирует через шлак и в зоне шлак-металл взаимодействует с жидким железом, в результате образуется монооксид железа FeO, хорошо растворимый как в шлаке, так и в металле.
Для успешного протекания реакции окисления углерода требуется высокая температура металла, интенсивное питание ванны кислородом и активное выделение из металла СО. В этом процессе активная роль принадлежит поверхности подины мартеновской печи, обогащенной оксидами железа. Образующие на подине пузырьки СО перемешивают ванну металла, выравнивают его состав, облегчает протекание процессов передачи тепла из верхних слоев к нижним и увеличивают поверхность соприкосновения шлака с металлом. Скорость окисления углерода в период кипения ванны составляет 0,2-0,8% [С]/ч. Кипение ванны способствует очищению металла от кислорода, газов (азота, водорода) и неметаллических включений.
При выплавке скрап-процессом в печь заваливают чушковый чугун, стальной лом, известняк и шихтуют плавку по углероду так, чтобы его содержание в ванне по расплавлении садки превышало заданное содержание в готовом металле на 0,4-0,6%. Этим обеспечивается активное кипение ванны и получение стали с требуемыми показателями качества (химический состав, механические свойства, макроструктура проката). Для удаления фосфора и серы из металла в скрап-процессе поддерживают достаточно основные шлаки.
При скрап-рудном процессе на подину печи загружаю с помощью завалочных машин железную руду и известняк. Затем, после их подогрева, задают отходы собственного производства или стальной лом и на нагретую шихту заливают чугун. Чугун, проникая в слой скрапа, взаимодействует с железной рудой и вызывает интенсивное шлакообразование за счет окисления содержащихся в нем примесей (кремния, марганца, фосфора, углерода). Образующийся при этом пенистый, так называемый, первичный шлак (50-70% от массы всего образующегося шлака) имеет пониженную основность и достаточно легко вытекает из печи, удаляя из металла фосфор.
Для ускорения плавления шихты и окисления примесей ванну после заливки чугуна продувают кислородом через водоохлаждаемые фурмы, опускаемые в печь через отверстие в своде.
При скрап- и скрап-рудном процессах состав ванны к моменту расплавления практически одинаков, и процесс кипения не имеет различий. Задачей периода кипения является очищение металла от газов, неметаллических включений, серы и фосфора, а также нагрев ванны до требуемой температуры выпуска. Раскисление и легирование металла проводят или в печи, или сталеразливочном ковше в процессе выпуска плавки. В последнем случае достигают снижение расхода ферросплавов за счет уменьшения угара.
Эффективность работы мартеновских печей определяется их производительностью и себестоимостью 1 т выплавляемой стали. Производительность печи относят к календарному и номинальному времени. Производительность печи зависит от интенсификации процесса плавки, организации работы в мартеновском цехе, времени простоев печи и выхода годной стали.
В структуре себестоимости мартеновской углеродистой стали основными составляющими являются: металлические шихтовые материалы (чугун, скрап, ферросплавы) 55-75%, добавочные материалы (руда, известь, известняк) 3-10%, расходы по переделу 20-40%.
Расход металлошихты составляет соответственно: для скрап-рудного и скрап-процесса 1050-1100 и 1100-1200 кг; что соответствует выходу годного 91-95 и 89-91%.
Снижение себестоимости 1 т стали достигают уменьшением степени угара шихты и легирующих, экономией топлива и огнеупорных материалов, повышением производительности труда.
