Производство стали в мартеновских печах

     Дымовая труба — сложное и дорогостоящее сооружение. Высота дымовых труб современных крупных печей превышает 100 м. Дымовые трубы обычно выкладывают из красного кирпича с внутренней футеровкой из шамотного кирпича. 

Рис. 8. Схема устройства перекидного   клапана   шиберного типа 

8. Охлаждение элементов мартеновской печи

     Ряд элементов печи изготовлен из металла. При этом такие элементы, как рамы и заслонки завалочных окон, балки, поддерживающие свод рабочего пространства, перекидные клапаны и др., омываются потоками горячих газов и нуждаются в непрерывном охлаждении. Теплонапряженность отдельных элементов весьма велика — до 2,8 МДжДм² • ч); условия их эксплуатации особенно тяжелы.

     Охладителем служит вода; расход ее на охлаждение этих элементов весьма значителен. На современных больших мартеновских печах для охлаждения требуется более 400 м³ воды в 1 ч. Исходя из теплового баланса, с охлаждающей водой теряется до 15 % общего тепла, вводимого в печь.

     Расход  воды зависит от ее жесткости. Допустимая температура нагрева воды тем выше, чем меньше жесткость воды. Обычно допускается нагрев охлаждающей воды на 20—25 °С, т. е. 1л воды уносит 85—105 кДж тепла. Для уменьшения расхода воды водяное охлаждение ряда элементов печи заменяют пароиспарительным. На больших печах количество получаемого пара составляет до 10 т/ч.

3. ПЕРИОДЫ ПЛАВКИ

     Мартеновскую  плавку условно делят на несколько  периодов:

1. заправка печи;
2. завалка шихты;
3. плавление шихты;
4. кипение ванны, раскисление и легирование;
5. выпуск плавки.
1. Заправка

     После выпуска плавки печь осматривают и исправляют замеченные неполадки. Особенно внимательно осматривают подину печи. За время плавки те части задней и передней стенок, а также откосов печи, которые соприкасались со шлаком и  испытывали его воздействие, обычно нуждаются в профилактическом ремонте. С помощью заправочных машин на эти места набрасывают заправочные  материалы   (обычно доломит или магнезит). Эта операция называется заправкой печи; она проводится в обязательном порядке после каждой плавки.

2. Завалка и плавление шихты

     Эти операции решающим образом влияют на производительность печи (по времени занимают 2/3—3/4 продолжительности всей плавки). Поэтому в конкретных условиях производства принимаются  все  необходимые меры, чтобы ускорить процесс завалки, рационально разместить на подине заваливаемые твердые составляющие шихты (стальной лом, чушковый чугун,  железную  руду,   известняк  и т. п.) и, залив жидкий чугун, обеспечить требуемый тепловой режим печи. При достижении температуры ванны расплава 1450-1500 °С (в зависимости от состава расплава, прежде всего от содержания углерода) наступает момент, который принимается за момент полного  расплавления  шихты.   Этот момент определяется визуально опытным мастером — сталеваром.

3. Кипение, раскисление и легирование

     — это период, который часто называют также периодом рафинирования. Начало периода определяется на основании следующих признаков:

     а) металл должен быть полностью расплавлен и нагрет до температуры, предусмотренной технологической инструкцией для данной марки стали;

     б) шлак должен быть сформирован. При выплавке качественных марок сталей обязательным является продувка ванны в начале данного периода кислородом или введение определенной порции железной руды (минимальное количество определяется инструкцией). Решение о вводе в ванну порции железной руды или о продувке ванны принимается в зависимости от содержания углерода в выплавляемой марке стали. Начавшееся после присадок или продувки энергичное кипение ванны вызывает вспенивание шлака и облегчает его скачивание. Минимальное количество шлака, которое должно быть удалено из печи, оговаривается инструкцией. Непосредственно после скачивания шлака наводится основной шлак путем присадки соответствующих количеств извести, плавикового шпата, боксита.

     Операцию, при которой в результате подсадок железной руды или продувки организуется энергичное кипение ванны, часто называют полировкой. В результате скачивания шлака из ванны удаляется фосфор; по ходу полировки вследствие подсадок извести постепенно формируется высокоосновной шлак (основность возрастает с 1,5—2,0 до 2,5—4,0) и повышается температура ванны. Это создает благоприятные условия для удаления серы.

     Через некоторое время содержание углерода приближается к требуемому; начинается следующий этап плавки, обычно называемый доводкой. Искусство сталевара заключается в том, чтобы за время доводки добиться требуемых состава и температуры ванны.

     Кипение ванны, продолжающееся во время доводки, обеспечивает уменьшение содержания газов  и включений в металле, способствует выравниванию его состава и температуры. За 10—40 мин (в зависимости от марки стали, емкости печи и др.) до момента раскисления операцию подсадки железной руды или продувки ванны прекращают.

     Далее следует небольшой по продолжительности этап чистого кипения. В технологических инструкциях в зависимости от емкости и условий работы печи, а также от марки стали конкретно оговаривается величина скорости окисления углерода во время полировки ванны и чистого кипения.

     В момент окончания чистого кипения металл должен содержать строго определенное количество углерода, серы, фосфора и т. д. и иметь требуемую для данной марки стали температуру.

     Кипение ванны прекращается в момент ввода  в нее раскислителей и легирующих. После необходимой выдержки разделывают сталевыпускное отверстие и выпускают плавку.

4. ТЕПЛОВАЯ РАБОТА МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ

     В течение всех периодов мартеновской плавки в печь поддают топливо. Под действием факела нагреваются как шихта, так и кладка печи. Около 90 % тепла от факела к ванне передается излучением и 5—15 % — конвекцией. Доля тепла, передаваемого конвекцией, возрастает по мере повышения мощности факела. Мощный факел обеспечивает хорошее смешение топлива с воздухом (или кислородом), подаваемым для горения, повышение доли тепла, передаваемого ванне непосредственно конвекцией при соприкосновении факела с ванной, интенсивную передачу ванне кислорода из атмосферы рабочего пространства (окислительную способность печи). Мощность факела¹ определяется по формуле 

     Е = Mw²/2g, 

     где М— расход топлива, кислорода, распылителя, кг/с; w —скорость их выхода из горелки (форсунки), м/с 

     В соответствии с известной формулой Стефана—Больцмана количество тепла Q, переданного холодной шихте излучением, может быть выражено формулой 

     Q= е_п[(Т_г/100)⁴-(Т_х/100)⁴], 

     где  — коэффициент, учитывающий оптические свойства кладки и форму рабочего пространства; e_n— степень черноты пламени; Т_г и Т_х — температуры факела (горячего) и шихты (холодной).

     Таким образом, чем выше температура факела и степень черноты пламени, тем интенсивнее нагревается шихта и тем меньше времени затрачивается на плавку. Повышение температуры факела достигается улучшением степени нагрева воздуха и газа в регенераторах и обогащением воздуха кислородом, повышение степени черноты факела — карбюрацией пламени. Двухатомные газы (0₂, N₂, H₂) практически лучепрозрачны для всех длин волн, трехатомные (СО₂, Н₂О, S0₂) обладают некоторой излучательной способностью, однако степень черноты пламени горячего чистого газа составляет всего 0,1—0,2.

     Чтобы повысить степень черноты пламени, необходимо обеспечить в нем содержание твердых «черных» частичек (в первую очередь углеродистых). Углеродистые частицы могут появиться в пламени в результате разложения углеводородов 

     C_xH_y = xC_тв + y/2H_2г , 

     а также при добавке к подаваемому  в печь газу различных жидких или  твердых топлив, богатых углеродом и сложными углеводородами (мазут, каменноугольный пек). Степень черноты пламени е„ не должна быть ниже 0,5; в большинстве случаев она составляет 0,55-0,75.

     При одной и той же характеристике факела разность (Г_г/100)⁴-(Г_х/100)⁴ тем выше, чем холоднее шихта. Наиболее низкая температура шихты наблюдается во время завалки и в начале периода плавления. Степень черноты холодной твердой шихты близка к единице (0,92—0,95). В этот период передача тепла от факела к шихте максимальная; она настолько велика, что практически нет опасности оплавления огнеупоров и в печь подают максимальное количество топлива. По мере нагрева шихты температура 7_Х возрастает, шихта раскаляется, покрывается шлаком и сама начинает отражать тепловые лучи, в результате чего условия поглощения тепла шихтой ухудшаются. Во избежание перегрева и оплавления огнеупоров уменьшают подачу топлива.

     Таким образом, расход топлива по ходу плавки меняется. Максимальная величина расхода  топлива — во время завалки  и в начале периода плавления. Подаваемое в это время количество тепла называют максимальной тепловой нагрузкой. По мере нагрева шихты подачу топлива уменьшают и тепловая нагрузка снижается (рис. 9). Частное от деления общего расхода тепла топлива для одной плавки на продолжительность плавки называют средней тепловой нагрузкой, или средней тепловой мощностью печи.

     Средняя тепловая нагрузка в зависимости от емкости печи возрастает от 23 МВт для 125-т печи до 70 МВт для 900-т печи. Отношение максимальной тепловой нагрузки к средней тепловой нагрузке называют коэффициентом форсировки, величина которого колеблется для разных печей от 1,25 до 1,50. Высокие значения коэффициента форсировки характерны для печей, работающих с обогащением воздуха кислородом.

     Расход  топлива на отопление мартеновской печи при расчетах печи определяется по тепловому балансу.

     Приходная часть баланса  состоит из следующих статей:

1. тепло,  вносимое шихтой (жидким чугуном);
2. тепло, выделяемое при окисле нии примесей шихты и при шлакообразовании;

 

Рис. 9. Схема изменения тепловой нагрузки по ходу плавки в мартеновской печи:

А — начало завалки и прогрева твердой шихты; Б — начало заливки жидкого чугуна; В—полное расплавление шихты; Г— выпуск 

3. тепло  сгорания  СО,  выделяющегося из ванны при ее кипении, до С0₂;
4. физическое тепло нагретых воздуха и газа;
5. тепло сгорания топлива.

     Расходная часть баланса состоит из следующих основных статей:

1. тепло на нагрев ванны (металла и шлака);
2. тепло на испарение влаги, попавшей в печь вместе с шихтой;
3. тепло, затраченное на восстановление оксидов железа железной руды (если   в печь  загружалась  железная руда);
4. тепло на разложение известняка (если в печь загружался известняк) и на нагрев образующегося при разложении известняка СО2;
5. тепло, пошедшее на нагрев СО2, образовавшегося при сгорании выделяющегося из ванны СО;
6. потери тепла с выбивающимися из печи газами;
7. потери на диссоциацию и от недогорания топлива;
8. потери тепла через кладку рабочего пространства печи и с водой, охлаждающей      отдельные элементы печи;
9. потери тепла от его излучения в открытые  завалочные  окна  и  через щели в кладке печи;

     10) потери тепла с дымовыми газами.