Производство стали в мартеновских печах

>     предъявляются жесткие требования, а именно требуются: а) высокая огнеупорность; б) химическая устойчивость против воздействия шлака, металла и печных газов; в) достаточная механическая прочность при высоких температурах; г) хорошая термостойкость при колебаниях температуры.

2. Подина (под) печи

     Выбор футеровки для подины мартеновской печи определяется характеристикой  шлаков. Мартеновский процесс, в котором в шлаке преобладают кислотные оксиды, называется кислым мартеновским процессом', соответственно печь, подина которой изготовлена из кислых огнеупорных материалов, называется кислой мартеновской печью. Если в шлаке мартеновского процесса преобладают основные оксиды, то процесс называется основным мартеновским процессом, а печь — основной мартеновской печью.

     Верхний (рабочий) слой кислой подины выполняют  из кварцевого песка, который набивают или наваривают на заранее выложенные динасовые кирпичи. Верхний слой основной подины изготовляют обычно из магнезитового порошка (реже доломитового), который набивают или наваривают на служащий основанием магнезитовый кирпич (рис. 3).

     Задняя  и передняя стенки мартеновской печи работают (особенно в нижней части) почти в тех же условиях, что и подина. Заднюю и переднюю стенки кислой мартеновской печи выкладывают из динасового кирпича, а основной мартеновской печи — из магнезитового кирпича.

3. Свод мартеновской печи

     практически не соприкасается со шлаком, поэтому  его можно исполнять из кислых и основных огнеупорных материалов независимо от типа процесса. Своды мартеновских печей изготовляют из динасового или термостойкого магнезитохромитового кирпича.

     Магнезитохромитовый кирпич характеризуется более высокой огнеупорностью (1800 °С), что способствует повышению производительности печи. Стойкость свода (число плавок от ремонта до ремонта) из магнезитохромитового кирпича в 2—3 раза выше, чем из динасового. Однако при использовании в качестве материала свода магнезитохромитового кирпича приходится учитывать ряд особенностей его эксплуатации.

     Наиболее  распространенной конструкцией магнезитохромитовых сводов является так называемый распорно-подвесной свод. Обычно все кирпичи, входящие в кольца свода, соединены между собой металлическими штырями, которые вставлены в отверстия в кирпичах. Между всеми кирпичами вставляют прокладки из листового железа (толщиной около 1 мм). В прокладках предусмотрены отверстия для прохода штырей, соединяющих между собой соседние кирпичи.

     Стойкость магнезитохромитового свода составляет 600—1000 плавок. Существует много способов крепления подвесного свода, обеспечивающих длительную его стойкость даже при выпадении отдельных кирпичей. Один из них показан на рис. 4. 

Рис. 3.   Устройство   кислого   и   основного   подов мартеновской печи:

/ — наварка  (кварцевый песок); 2—наварка (магнезитовый  порошок, молотый обожженный доломит); 3 — динасовый кирпич; 4 — магнезитовый кирпич; 5—шамотный кирпич; 6— тепловая изоляция (пористый шамот); 7— стальной лист

Рис. 4. Трехарочный свод:

1 –  охлаждаемые пятовые балки; 2 –  промежуточный опорные охлаждаемые  балки; 3 – огнеупорный кирпич; 4 - ригель

4. Головки печи

     Рабочее пространство с торцов завершается головками. Головки должны обеспечить:

1. хорошую  настильность факела по всей длине ванны (чтобы максимальное количество тепла передать ванне и минимальное — своду и стенкам);
2. хорошее перемешивание топлива и воздуха для полного сжигания топлива в рабочем пространстве печи;
3. минимальное сопротивление при отводе продуктов сгорания из рабочего пространства.

     Чтобы удовлетворялись требования 1) и 2), сечение  выходных отверстий должно быть небольшим, но достаточным для того, чтобы скорость входа в печь воздуха и топлива была максимальной; для удовлетворения требования 3) сечение, наоборот, должно быть максимальным. Эта двоякая роль головок (с одной стороны, служить для ввода в печь воздуха и топлива, а с другой — отводить продукты сгорания) является весьма сложной инженерной задачей для конструкторов — проектировщиков печей.

     На  печах, работающих на высококалорийном топливе (природный газ, мазут), широкое распространение получили одноканальные головки (рис. 5). Эти головки конструктивно просты, и для них требуется меньший расход огнеупоров. Необходимые условия перемешивания воздуха с топливом, а также технологически эффективная настильность факела обеспечиваются высокой скоростью истечения топлива из горелки или форсунки.

5. Шлаковики

     Покидающие  рабочее пространство печи дымовые  газы, проходя через головку печи, по вертикальным каналам попадают в  шлаковики. Шлаковики служат для  улавливания плавильной пыли и шлаковых частиц, уносимых продуктами сгорания из рабочего пространства. Этим достигается защита насадки регенераторов от засорения. Сечения шлаковиков гораздо больше сечения вертикального канала, поэтому скорость дымовых газов при попадании из канала в шлаковик резко снижается, кроме того, меняется и направление движения газов. В результате значительная часть (50—70 %) плавильной пыли оседает в шлаковиках.

     В шлаковиках оседает наиболее крупная  пыль. Мелкие фракции в значительной мере уносятся в трубу (10— 25 % пыли оседает в насадках регенераторов). На пути движения дымовых газов происходит взаимодействие содержащейся в них плавильной пыли с материалами кладки. С учетом этого для кладки вертикальных каналов и шлаковиков стремятся использовать термостойкий Магнезитохромитовый

 

Рис. 5. Мартеновская 500-т печь с одноканальной головкой и одной парой регенераторов 

     кирпич. Осевшая в шлаковиках пыль представляет собой более рыхлую массу, однако очистка шлаковиков как от пыли, так и от шлака является весьма трудоемкой операцией.

     В газах, выходящих из рабочего пространства мартеновской печи, содержится пыли 2,0-4,5 г/м³, в моменты продувки ванны кислородом количество пыли возрастает почти в 10 раз. При расчетах размеров шлаковиков принимают, что на 1 т выплавляемой стали в них осаждается 7—10 кг пыли, т. е., например, за одну плавку в шлаковиках 600-т мартеновской печи осаждается около 4т шлака. Для облегчения условий труда при проведении операции очистки шлаковиков их делают выкатными, а стены — из блоков, скрепленных металлическими кассетами. Во время ремонта шлаковик выкатывают из-под печи, краном убирают блоки-кассеты и шлак увозят из цеха на железнодорожных платформах.

6. Регенераторы

     Из  шлаковиков отходящие газы с температурой 1500—1600 °С попадают в насадки регенераторов. Объем насадки регенераторов и величина поверхности ее нагрева, т. е. поверхность кирпича насадки, омываемая движущимися газами, являются важными параметрами, которые определяются специальным теплотехническим расчетом. От них в большой степени зависят основные показатели работы печи — производительность и расход топлива.

     Регенераторы должны обеспечивать постоянную высокую температуру подогрева воздуха (и газа). В наиболее тяжелых условиях работают верхние ряды насадок регенераторов, поскольку в этой зоне температура и степень осаждения пыли наиболее высо-1кие. Поэтому верхние ряды насадок выкладывают из термостойкого магнезитохромитового или форстеритового кирпича. Нижние ряды насадок работают при температурах менее 1000— 1200 °С, соответственно их выкладывают из более дешевого и прочного шамотного кирпича.

     При выходе в поднасадочное пространство дым изменяет направление на 90° и часть плавильной пыли оседает на лещади поднасадочного пространства. Плавильная пыль оседает и на поверхности кирпичей, из которых выложена насадка. Размеры ячеек при этом уменьшаются (так же, как и размеры поднасадочного пространства), условия теплопередачи ухудшаются.

     Большинство крупных мартеновских печей работает с продувкой ванны кислородом через сводовые фурмы. В периоды интенсивной продувки из рабочего пространства печи дымовыми газами выносится большое количество пыли (до 80 г/м³). И только часть этой пыли оседает в шлаковиках; остальное количество пыли вместе с газами попадает в насадки регенераторов и, активно взаимодействуя с огнеупорами насадки, налипает на них. В результате аэродинамическое сопротивление насадок значительно возрастает. Чтобы печь работала нормально, используют такую меру, как увеличение проходного сечения насадок. При этом, однако, заметно уменьшаются поверхность нагрева и соответственно температура подогрева воздуха и коэффициент полезного «действия печи. Недостаток тепла от снижения температуры воздуха приходится компенсировать увеличением интенсивности продувки ванны кислородом (что усиливает процесс засорения насадок регенераторов) или увеличением расхода жидкого чугуна (что повышает себестоимость). Отказаться же вообще от кислорода как интенсификатора экономически нецелесообразно, так как это приведет к снижению производительности. Практика широкого использования кислорода для продувки ванны неизбежно приводит к снижению эффективности работы насадок регенераторов.

     На  рис. 6 показана схема кладки насадки регенератора с переменной площадью проходного сечения, при которой число каналов возрастает сверху вниз. За счет такого выполнения насадки сохраняется постоянной скорость движения продуктов сгорания, так как проходное сечение изменяется соответственно изменению удельного объема газов по мере их охлаждения. В результате добавления продольных и поперечных рядов повышаются аккумуляция тепла насадкой и эффективность ее работы, соответственно возрастает температура нагрева воздуха, поступающего в печь.

     Проблема  интенсификации работы мартеновской печи без использования метода продувки ванны кислородом и соответственно без ухудшения работы регенераторов  сложна. Одно из новых решений проблемы — организация донной продувки ванны через подину.

     Успехи  в огнеупорной промышленности позволили на базе природного сырья с низким содержанием кремнезема и более высоким содержанием СаО создать специальные материалы для изготовления подины и снизу через жидкую ванну металла продувать инертный газ. Подвод инертного газа снизу осуществляется через трубку; при этом непосредственно с металлом контактирует только специальная огнеупорная масса, т. е. продувочная трубка не изнашивается.

     Достигаемое при такой технологии (без ухудшения  условий работы регенераторов) интенсивное перемешивание ванны приводит к интенсификации всех тепло- и массообменных процессов, сокращению продолжительности плавки, улучшению условий: удаления газов и неметаллических включений, перемешивания металла со шлаком и протекания реакции обезуглероживания

Рис. 6.  Насадка регенератора с переменной площадью проходного сечения конструкции   Мариупольского  металлургического комбината им. Ильича

Рис. 7. Донная продувка ванны мартеновской печи:

/ и  2— передняя и задняя стенки печи; 3— подина; 4— сталевыпускное отверстие;  5—устройства для донной продувки; 6— возвышение (порог); 7— остаток жидкого металла предыдущей плавки 

     На  рис. 7 показан вариант устройства, в котором предусмотрен специальный порог (возвышение) на подине для случая использования технологии с оставлением во время выпуска части металла в печи.

7. Перекидные клапаны, дымовая труба

     Из  поднасадочного пространства отходящие газы при температуре 500—800 °С попадают в борова. Борова предназначены для подвода к регенераторам газа, воздуха и отвода от них продуктов сгорания к трубе или котлу-утилизатору. Кладка боровов обычно двухслойная: внутренний слой из шамотного кирпича, внешний из обычного красного кирпича.

     Мартеновская  печь — агрегат реверсивного действия; направление движения газов по системе печи периодически меняется. Для этого в боровах, а также в газопроводах и воздухопроводах устанавливают систему шиберов, клапанов, дросселей, задвижек, объединяемых общим названием перекидные клапаны (рис. 8). Операция перекидки клапанов в современных мартеновских печах автоматизирована.

     Основными требованиями, предъявляемыми к перекидным клапанам, являются:

1. простота конструкции;
2. максимальное уплотнение для предотвращения попадания отходящих из печи газов в атмосферу цеха и недопущения потерь воздуха, подаваемого для горения.

     Из  боровов дымовые газы поступают в дымовую трубу. Высоту трубы рассчитывают таким образом, чтобы создаваемая ею тяга (разрежение) была достаточной для преодоления сопротивления движению дымовых газов на всем пути до выхода в атмосферу.