Amp; 2. Тбпловая работа и отопление мартеновских печей

Мартеновскую плавку можно условно разделить на несколько периодов: 1)заправка печи; 2)завалка шихты; 3)плавле­ние шихты; 4) кипение ванны (доводка), раскисление и ле­гирование; 5) выпуск плавки.

Во время периода заправки (обычно 15—20 мин) печь ос­матривают и устраняют замеченные дефекты. Затем через ок­на с помощью специальных завалочных машин заваливают твердую шихту: стальной скрап, железную руду, а также твердый чугун или заливают жидкий чугун.

При достижении температуры 1450—1500 °С (в зависимости от состава шихты) наступает момент расплавления шихты, затем металл постепенно нагревается до необходимой темпе­ратуры, а сталевар проводит те или иные технологические операции, добиваясь получения стали нужного состава, после чего разделывает сталевыпускное отверстие и выпус­кает плавку.

В течение всех этих периодов в печь подают топливо. Под действием тепла факела нагреваются кладка печи и ших­та. Окодо 85—90 % тепла от факела к ванне передается из­лучением и 5—15 % — конвекцией.

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

Q = 5e_n[(r_rop/l00)⁴ - СГ_ХОЛ/100)⁴],

где 5 — коэффициент, учитывающий оптические свойства кладки и форму рабочего пространства; е_п — степень черно­ты пламени; Г_гор и Г_хол — температуры факела (горячего) и шихты (холодной), К.

Таким образом, чем выше температура факела и степень черноты пламени, тем интенсивнее нагревается шихта и тем меньше времени затрачивается на плавку. Повышения темпе­ратуры факела достигают улучшением степени нагрева возду­ха и газа в регенераторах и обогащением воздуха кислоро­дом; повышения степени черноты факела — карбюрацией пла­мени.

Двухатомные газы (0₂, N₂, Н_г) практически лучепрозрач-ны для волн всех длин, трехатомные (С0₂, Н₂0, 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: С_ХИ_У = хС_гв + уН_газ, а также при добавке к подаваемому в печь газу различных жидких или твердых топлив, богатых углеродом и сложными углеводородами (мазут, каменноугольный пек). Практически степень черноты пламени е_п не должна быть ниже 0,5; в большинстве случаев она составляет 0,55—0,75.

При одной и той же характеристике факела разность (7"_ГОР/100)⁴—(Г_хол/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). Поэтому в этот период передача тепла от факела к шихте максимальна, она настолько велика, что практически нет

опасности оплавить огнеупоры, и в печь подают максималь­ное количество топлива.

По мере нагрева шихты температура ее Т_хол возрастает, шихта раскаляется, покрывается шлаком и сама начинает отражать тепловые лучи, в результате чего условия погло­щения тепла шихтой ухудшаются. Во избежание нагрева и оплавления огнеупора необходимо уменьшать подачу топлива (рис. 108).

Таким образом, подача топлива по ходу плавки меняется. Максимальной величины расход топлива достигает во время завалки и в начале периода плавления. Подаваемое в это время количество тепла называют максимальной нагрузкой. По мере прогрева шихты подачу топлива уменьшают и тепло­вая нагрузка падает. Частное от деления общего расхода тепла топлива для одной плавки на время плавки называют средней тепловой нагрузкой или тепловой мощностью печи, т.е.

Расход топлива на плавку, 10* кДж

Продолжительность плавки, ч

» Тепловая мощность, 10⁶ кДж/ч.

Средняя тепловая нагрузка в зависимости от тоннажа пе­чи возрастает от 23,2 для 125-т печи до 69,9 МВт (252 кДж/ч) для 900-т печи. Максимальная тепловая нагруз­ка на 20—40 % выше средней.

Для характеристики топлива и условий его сжигания при­меняют коэффициент использования топлива (к.и.т.)

т? = (G_T - G_yx)/G_T,

где Q_T — теплота сгорания топлива; Q_yx — тепло уходящих газов.

Рис. 108. Схема изменения тепловой нагрузки но ходу плавки в мартеновской печи: Л — начало завалки и прогрева твердой ших­ты; Б — начало заливки жидкого чугуна; В — полное расплавление шихты; Г — выпуск

Для мартеновских печей к.и.т. составляет 0,50—0,55.

Удельный расход тепла (расход тепла топлива на 1т стали) зависит от многих факторов, и прежде всего от емкости печи. По мере увеличения садки печи уменьшаются относительные потери тепла на нагрев футеровки, на отвод тепла с охлаждающей водой и другие потери; в результате удельный расход тепла снижается с 840 для 10—20-т печей до 210МДж/т для 900-т печей.

Топливо

Применяемое для отопления мартеновских печей топливо раз­личают: а) по физическому состоянию: жидкое (мазут, смо­ла), газообразное (доменный, коксовый, природный газы), твердое (каменноугольная пыль); б) по теплоте сгорания: низкокалорийное (доменный газ, теплота сгорания 3,78-4,2 МДж/м³) и высококалорийное (мазут 39,9-42 МДж/кг, коксовый газ 16,8-18,0 МДж/м³, сухой природный газ типа саратовского 33,6-35,2 МДж/м³, жирный природный газ типа грозненского 63 МДж/м³).

Для успешного проведения мартеновской плавки недоста­точно подать в печь определенное количество тепла, необ­ходимо еще, чтобы температура факела при сгорании топлива была достаточно высокой. Температура поверхности шлака в конце плавки составляет примерно 1650 °С. Чтобы тепло пламени достаточно интенсивно передавалось металлу, тем­пература факела должна быть не ниже 1750 °С.

Практическая температура факела '_Пр ⁼ **кал> где 'кал^- калориметрическая температура горения топлива; к — пирометрический коэффициент, зависящий от отдачи тепла нагреваемым предметом, от потерь тепла в окружающую среду и от степени диссоциации продуктов сгорания.

Величина коэффициента к близка к 0,7. Следовательно, калориметрическая температура горения топлива в марте­новской печи должна быть не ниже 2400 °С (1700:0,7» «2430°С). При этом следует иметь в виду, что для обес­печения полноты сгорания воздух для сжигания топлива по­дают с некоторым избытком, равным обычно 10—20 % (так называемый "коэффициент избытка воздуха" а = 1,1+1,2).

Калориметрическая температура горения доменного газа низка (~2250°С), температура факела нагретого доменного газа в горячем воздухе ниже 1600 °С, следовательно,

нагреть ванну до нужной температуры при отоплении марте­новской печи одним только доменным газом невозможно. По­высить температуру можно, заменяя воздух кислородом.

Обычно доменный газ применяют в качестве топлива для мартеновских печей только в смеси с другими, более кало­рийными видами топлива (коксовым газом, мазутом, природ­ным газом).

Наиболее распространены в качестве топлива для марте­новских печей природный газ, мазут и смешанный газ (смесь коксового и доменного газов).

Смешанный газ содержит, %: 16-20 СО, 7-9 С0₂, 20-30 Н₂, 8-12 СН₄, 30-40 N₂; состав газа и его теплота сгора­ния меняются в зависимости от соотношения долей, входящих в состав смеси доменного и коксового газов. Для улучшения светимости факела к смешанному газу обычно добавляют небольшое количество карбюратора (мазута или смолы). Калориметрическая температура горения нагретого смешанно­го газа в нагретом воздухе составляет около 2600 °С, что обеспечивает получение высокотемпературного факела.

Смешанным газом отапливают печи заводов, имеющих в своем составе доменный и коксохимический цехи. В тех слу­чаях, когда доменного и коксового газов для отопления всех мартеновских и других печей завода не хватает, используют природный газ и мазут.

Природным газом или мазутом отапливают также печи за­водов, в составе которых нет доменных и коксохимических цехов. Мазут — первоклассное топливо для мартеновских пе­чей, он дает яркосветящийся настильный высокотемператур­ный факел (калориметрическая температура горения мазута 2650 °С). Обычно мазут содержит 83-85% С и 10-11% Н₂, остальное — влага, зола и сера. Содержание серы в марте­новских мазутах колеблется в пределах 0,5—0,7 %. Сернис­тые мазуты (3 % S и более) в мартеновском производстве применяют редко, так как сера из топлива переходит в ме­талл и ухудшает его качество.

Перед подачей к форсункам мазут нагревают до 70—80 °С. Распыление мазута осуществляют сжатым воздухом, подавае­мым под избыточным давлением 0,5—0,7 МПа, или перегретым до 300—350 °С паром под избыточным давлением 1,1-1,2 МПа.

По мере развития газовой промышленности большое число печей в нашей стране было переведено на отопление природ-

2. Особенности технологии мартеновской плавки

Технология плавки стали в мартеновских печах имеет ряд особенностей:

1. Окислительный характер газовой фазы печи. Через ра­бочее пространство мартеновской печи над ванной проходит огромное количество газа. Если учесть, например, что на 1 т стали в 500-т печи расходуется ~ 4200 МДж, то при отоплении печи смесью коксового и доменного газов с теп­лотой сгорания 8,4 МДж/м³ потребуется На плавку газа 500 ■ 4200/8,4 = 250000 м³. На 1 м³ газа при а = 1,15*1,20 расходуется ~ 2 м³ воздуха и образуется ~ 3 м³ продуктов сгорания. Следовательно, за плавку через рабочее пространство печи пройдет 250000 • 3 = 750000 м³ продуктов сгорания. Продолжительность плавки в 500-т печи составляет 7—10 ч, т.е. из рабочего пространства печи вы­летает за 1ч 75000—100000 м³ продуктов сгорания (расчет ведут на объем газов в холодном состоянии). Если учесть расширение газов при нагреве (до 1700 °С примерно в семь раз), то можно представить, с какой скоростью печные газы проносятся над ванной. Газы имеют в своем составе угле-родсодержащие и водородсодержащие соединения (СО, различ­ные углеводороды, сажистые частички углерода, некоторое количество С0₂, а также и 0₂, так как воздух Для горения подают с избытком). При горении углерод- и водородсодер-жащих соединений образуются С0₂ и Н₂0. Следовательно, продукты сгорания любого топлива содержат кислород, окис­лительные газы С0₂ и Н₂0 и некоторое количество азота N₂. Таким образом, характер атмосферы мартеновской печи во все периоды плавки окислительный, и парциальное давление кислорода в атмосфере почти всегда велико. За плавку ван­на поглощает 1—3 % кислорода от массы металла. Этот кис­лород расходуется в основном на окисление примесей, часть его расходуется на окисление железа.

2. Тепло к ванне поступает сверху, поэтому температура шлака выше, чем металла, и по глубине ванны имеет место различие температур металла. Толщина шлака в мартеновских печах колеблется в пределах от 50 до 500 мм, глубина ван­ны металла — от 500 до 1500 мм (в зависимости от вмести­мости конструкции печи). Выравниванию температуры по глу­бине ванны способствуют пузыри СО, выделяющиеся в резуль-

тате окисления углерода, и, как следствие, кипение ванны. При отсутствии кипения мог бы происходить перегрев верх­них слоев ванны и недостаточный нагрев нижних. Однако, несмотря на кипение ванны, некоторый перепад температур по глубине ванны сохраняется, особенно между шлаком и металлом. В начале кипения этот перепад составляет 70—100 °С, а в конце 20—50 °С. По длине печи температура металла также неодинакова. Под факелом температура метал­ла несколько выше, чем у отводящей головки.

3. Участие пода печи в протекающих процессах. В отли­чие от плавки в конвертерах, которая продолжается всего 15—30 мин, плавка в мартеновской печи продолжается не­сколько часов, поэтому влияние взаимодействия металла с подиной оказывается очень ощутимым. Подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже.

4. Четвертая особенность технологии мартеновской плав­ки заключается в том, что жидкий металл все время нахо­дится под слоем шлака (шлак примерно вдвое легче метал­ла). Практически все вводимые в печь добавки попадают на шлак или проходят в металл через шлак. Кислород из атмо­сферы печи в металл переходит также через шлак. Если учесть, что тепло от факела к металлу также передается через шлак, то становится понятной огромная роль шлака в мартеновском процессе. По существу руководство ходом плавки заключается в том, что меняют состав, температуру и консистенцию шлака и таким образом добиваются получения металла нужного состава и качества.

3. Шлакообразование и роль шлака в мартеновском процессе

Основные источники образования шлака следующие:

1) продукты окисления примесей чугуна и скрапа — крем­ния, марганца, фосфора, хрома и др., т.е. Si0₂, MnO, Р₂0₅, Сг₂О_э и др.;

2) продукты разъедания футеровки агрегата — MgO и СаО в основных печах и Si0₂ в кислых;

3) загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина и др.), т.е. Si0₂, А1₂О_э; во время заливки жидкого чугуна, хра­нившегося в миксере, в ковш, а затем в мартеновскую печь попадает некоторое количество миксерного шлака, состояще-

го (%) из 18-35 SiO_z; 2,5-5,0 Al₂0₃; 3,0-7,0 СаО; 7-2,5 FeO; 17-40 MnO; 7-32 MnS;

4) ржавчина, покрывающая скрап, т.е. Fe₃0₄, Fe₂0₃, FeO;

5) добавочные материалы (известняк, известь, железная руда, агломерат, марганцевая руда и др.) — СаО, Fe₂0₃, MnO, Si0₂, А1₂0₃ и др.

Таким образом, основная масса мартеновского шлака сос­тоит из следующих окислов: СаО, Si0₂, FeO, Fe₂0₃, MnO, A1₂0₃, MgO, причем СаО, MgO, FeO, MnO- основные окислы, a Si0₂, P₂O_s — кислотные.

В каждом конкретном случае приходится учитывать боль­
шую или меньшую степень влияния того или иного из пере­
численных окислов. Для характеристики состава основного
шлака пользуются величиной отношения концентраций в нем
основных окислов к кислотным: чаще используют более прос­
тое выражение (CaO)/(Si0₂). Эту величину называют основ­
ностью шлака. Шлаки, в которых величины
(CaO)/(Si0₂) < 1,5, называют низкоосновными, для шлаков
средней основности (CaO)/(Si0₂) = 1,6*2,5 и для высоко­
основных шлаков (CaO)/(Si0₂) > 2,5. Кислый шлак более чем
наполовину состоит из кислотных окислов (кремнезема).
Характеристикой кислых шлаков может служить отношение
(Si0₂)/(FeO) + (MnO) или (Si0₂)/(FeO) + (MnO) + (СаО),
которое называют кислотностью шлака.

Как уже отмечалось, металл в процессе плавки взаимо­действует со шлаком; количество и состав шлака, темпера­тура, жидкоподвижность и другие его параметры оказывают огромное, а во многих случаях и решающее влияние на про­цесс плавки и качество металла. В мартеновской печи шлак должен обеспечивать в одни периоды плавки интенсивный переход кислорода из атмосферы печи через шлак в металл, а в другие- предохранять металл от окисления. Одновре­менно шлак должен препятствовать процессам насыщения ме­талла азотом и водородом.

Удаление из металла вредных примесей — серы и фосфора (процессы, протекающие в значительной степени на границе раздела шлак—металл) — заключается в переводе этих эле­ментов в шлак и создании условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл. Изменяя состав шла­ка, его количество и температуру, можно добиться увеличе-

иия или уменьшения содержания в металле марганца, крем­ния, хрома и других элементов.