Конструкция и работа мартеновской печи

Мартеновская печь симметрична по своей конструкции и состоит из следу­ющих основных элементов (рис. 16.1): рабочее пространство, головки, верти­кальные каналы, шлаковики, регене­раторы, борова, реверсивные и регу­лирующие клапаны, котел-утилиза­тор, газоочистка и дымовая труба. На рис. 16.1 схематически показана мар­теновская печь в тот момент, когда топливо и воздух поступают с правой стороны печи. Проходя через предва­рительно нагретую насадку регенера­тора, воздух нагревается до 1000— 1200°С и в нагретом состоянии через головку попадает в печь. При сгора­нии топлива образуется факел, темпе­ратура которого 1800—1900 °С. Пройдя головку, расположенную в левой сто­роне печи, раскаленные продукты сго­рания попадают в левую насадку реге­нератора и по системе боровов уходят к трубе. При этом насадка левого реге­нератора нагревается, а насадка реге­нератора правой стороны постепенно охлаждается. В момент, когда темпе­ратура в регенераторе, через который поступал в печь воздух, уже снизилась настолько, что становится невозмож­ным нагрев воздуха до нужного уров­ня, а противоположный регенератор, через который из печи уходят продукты сгорания, перегревается, осуществ­ляют перекидку клапанов, изменяя на­правление движения потоков в печи. Операцию перекидки выполняют по­средством перекидных клапанов. Хо­лодный воздух в результате этой опе­рации направляется через хорошо на­гретый левый регенератор, а продукты сгорания уходят в правую сторону печи, постепенно нагревая остывший правый регенератор. В течение плавки циклы повторяются.

Энтальпия продуктов сгорания Н равна произведению массы продуктов сгорания т на их теплоемкость с и температуру t, т. е. Н= cmt, откуда t = H/ст. Энтальпия
H складывается из химического тепла сгорания топли­ва H_{х т} и тепла нагрева воздуха H_{н В}, т. е. Н= Н_{х т} + H_{н в}, соответственно t = (Н_х.т. + Н_н.в. )/cт. Таким образом, при нагреве поступающего в печь воз­духа обеспечивается достаточно высо­кая температура факела (>1800°С). Чем выше температура нагрева возду­ха, тем выше температура факела и тем лучше работает печь.

Повышение температуры факела можно обеспечить также заменой воз­духа (частичной или полной) кислоро­дом. Тогда в формуле t = Н/с-т умень­шается знаменатель (уменьшается /п) и соответственно возрастает темпера­тура. На каждый объем подаваемого воздуха с кислородом поступает 3,762

Рис. 16.1.Схема устройства (а) и общий вид (б) мартеновской печи:

/ — дымовая труба; 2 — боров; 3 — регенератор; 4— шлаковик; 5 — вертикальный канал; 6— головка; 7—ра­бочее пространство; 8— реверсивные и регулирующие клапаны; 9— котел-утилизатор; 10— газоочистка

объема балластного азота. Обогаще­ние воздуха кислородом приводит к уменьшению количества продуктов сгорания (при том же количестве теп­ла, выделенном топливом) и соответ­ственно к повышению температуры.

При рассмотрении существующих вариантов конструкций мартеновских печей исходят из следующих общих признаков:

а) по характеру конструкций мар­теновские печи бывают стационарны­ми и качающимися. Большинство мар­теновских печей стационарные, так как качающиеся печи более сложные по конструкции и эксплуатация их об­ходится дороже. Однако в отдельных случаях установка качающихся печей себя оправдывает, например при тех­нологической необходимости скачи­вать большое количество шлака или выпускать из печи не всю плавку, а только ее часть;

б) по характеру материалов, ис­пользуемых для изготовления подины, мартеновские печи бывают основными и кислыми',

в) в зависимости от вида топлива и его теплотворной способности марте­новские печи могут иметь две пары реге­нераторов — для подогрева и воздуха, и газа (при отоплении печи газом с невы­сокой теплотворной способностью) или одну пару регенераторов (когда печь отапливается высококалорийным топ­ливом, подогрев которого либо не ну­жен, либо трудно осуществим);

г) в зависимости от емкости марте­новские печи делятся на печи малой емкости (<125т), средней емкости (125—300т) и большегрузные печи. Из большегрузных печей металл обычно выпускается одновременно в два ков­ша (в исключительных случаях в три ковша).

Под термином «емкость печи» обычно понимается та масса металло-шихты, которую возможно загрузить в печь. Масса вводимых в печь по ходу плавки добавочных материалов при этом не учитывается. Кроме термина «емкость печи» рекомендован термин «вместимость печи», встречается так­же понятие «садка печи».

Строение мартеновской печи де­лится на верхнее и нижнее. Деление это весьма условно. Обычно рабочая площадка мартеновского цеха распо­ложена на 5—7 м выше уровня пола цеха. Верхнее строение печи располо­жено выше этой площадки. Оно вклю­чает собственно рабочее пространство и головки печи. Нижнее строение рас­положено под рабочей площадкой. Оно включает шлаковики, регенерато­ры и борова с перекидными устрой­ствами. Под рабочей площадкой обычно размещают также вентилято­ры для подачи через регенераторы в печь воздуха и другое вспомогательное оборудование.

16.2.1. Рабочее пространство марте­новской печипредназначено для осу­ществления всего технологического процесса выплавки стали, начиная от загрузки шихты и кончая выпуском готового металла. Оно представляет собой камеру определенного профиля, ограниченную подом, сводом, пере­дней и задней стенками, а с торцов — головками печи (рис. 16.2).

Часть рабочего пространства, рас­положенная ниже уровня порогов за­валочных окон и сформированная по­дом, продольными и поперечными от­косами, называется ванной печи.

Из всех частей печи рабочее про­странство эксплуатируется в наиболее тяжелых условиях — в нем ведется плавка стали. Стойкость элементов рабочего пространства печи определя­ет, как правило, стойкость всей печи и, следовательно, сроки промежуточ­ных и капитальных ремонтов. В соот­ветствии с этим к огнеупорным мате­риалам для рабочего пространства

Рис. 16.2.Поперечный разрез (а) и разрез вдоль продольной оси (б) рабочего простран­ства мартеновской печи:

1, 5— соответственно задний и передний продоль­ные откосы; 2, 4— задняя и передняя стенки соот­ветственно; 3 — свод; 6— под; 7—поперечный от­кос

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.

16.2.2. 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 динасо-вые кирпичи. Верхний слой основной подины изготовляют обычно из маг­незитового порошка (реже доломито­вого), который набивают или навари­вают на служащий основанием магне­зитовый кирпич (рис. 16.3).

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.

16.2.3. Свод мартеновской печипрактически 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. 16.4.

Рис. 16.3.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

16.2.4. 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. 16.5). 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.

16.2.5. 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. 16.5.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.

16.2.6. 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 верх-

ние ряды насадок регенераторов, по­скольку в этой зоне .температура и сте­пень осаждения пыли наиболее высо-1кие. Поэтому верхние ряды насадок выкладывают из термостойкого магне-зитохромитового 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 ин-тенсификатора 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. 16.6 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

Рис. 16.6.Насадка регенератора с перемен­ной площадью проходного сечения конст­рукции Мариупольского металлургического комбината им. Ильича

Рис. 16.7. 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

всех тепло- и массообменных процес­сов, сокращению продолжительности плавки, улучшению условий: удаления газов и неметаллических включений, перемешивания металла со шлаком и протекания реакции обезуглерожива­ния. На рис. 16.7 показан вариант устройства, в котором предусмотрен спе­циальный порог (возвышение) на по­дине для случая использования техно­логии с оставлением во время выпуска части металла в печи.

16.2.7. 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. 16.8). Операция пе рекидки клапанов в современных мар­теновских печах автоматизирована.

Основными требованиями, предъ-|являемыми к перекидным клапанам, являются: а) простота конструкции; б) 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.

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. 16.8.Схема устройства перекидного клапана ши­берного типа

16.2.8. 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. Теплонап-ряженность 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.

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.

16.3.1. 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.

16.3.2. 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.

16.3.3. Кипение, раскисление и леги­рование— это период, который часто называют также периодом рафиниро­вания¹. 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.

¹ От фр. rafflner— очищать.