Автоматизация работы мартеновской печи

Автоматизация управления тепловой работой современной мартеновской печи — необходимый элемент прогресса стале­плавильного производства. Автоматизация позволяет упрос­тить и облегчить труд сталевара и повышает технико-экономические результаты работы, способствуя снижению удельного расхода топлива, повышению производительности печи и увеличению ее стойкости.

Почти все мартеновские печи СНГ оборудованы контроль­но-измерительными и регулирующими приборами и устройства­ми для полного автоматического контроля и регулирования тепловой работы.

Контролю и автоматическому регулированию подвергаются следующие основные операции:

1. Подача топлива в печь и горение топлива. В зависи­мости от периода (завалка, плавление, кипение) автомати­чески поддерживается определенный расход топлива. Если отдельные элементы печи (свод, верхние ряды насадок реге­нераторов) чрезмерно перегреваются, подача топлива авто­матически уменьшается.

В соответствии с изменением количества подаваемого в печь топлива изменяется расход воздуха. Соотношение между расходом топлива, воздуха и кислорода поддерживается та­ким, чтобы обеспечить полное сгорание топлива в рабочем пространстве печи.

2. Поддержание на определенном уровне давления газов в
рабочем пространстве печи. Если давление в рабочем прост­
ранстве печи возрастает (оно непрерывно замеряется под
сводом) и газы через гляделки и неплотности начинают вы­
бивать из печи, то регулирующий шибер в борове автомати­
чески поднимается, если давление падает, то шибер опус­
кается, сопротивление возрастает и давление повышается.
Обычно давление под сводом составляет 19,6—23 Па.

3. Перекидка клапанов. При нагреве одной пары насадок
и охлаждении другой, а также при нагреве свода наступает
момент, когда целесообразно изменить направление движения
газов. Этот момент определяют специально проводимыми
предварительными исследованиями. На основании полученных
результатов автоматику печи настраивают так, что подача
топлива и воздуха в одну пару насадок автоматически прек­
ращается и они направляются в другую пару насадок.

Перекидка клапанов в периоды, когда шихта хорошо восп­ринимает тепло, а следовательно, насадки и свод не пере­греваются, осуществляется каждые 20—30 мин. По мере на­грева металла перекидки учащаются и перед выпуском пере­кидка клапанов происходит через каждые 3—5 мин.

4. Распределение продуктов сгорания между насадками
регенераторов. Чтобы не допускать неравномерного нагрева
газового и воздушного регенераторов, количество горячих
продуктов сгорания, направляемых в тот или иной регенера­
тор, автоматически регулируется с помощью специального
шибера, устанавливаемого в воздушном борове (борове от
воздушного регенератора).

Разработан и успешно эксплуатируется ряд схем регули­рования тепловой работы печи.

Разрабатывают схемы для автоматического контроля сте­пени усвоения шихтой тепла в каждый данный момент плавки (мгновенное теплоусвоение), количества накопленного ших­той тепла от начала плавки, скорости выгорания углерода, концентрации углерода (и других примесей) в любой момент плавки, коэффициента полезного теплоиспользования, а так­же методы непрерывного замера температур металла и других параметров работы печи. Знание величины теплоусвоения позволит автоматически регулировать скорость завалки в соответствии с накоплением тепла шихтой, а также автома­тически определять оптимальную тепловую нагрузку в раз-

личные периоды плавки; знание величины скорости выгорания углерода в каждый данный момент позволит оценивать ход плавки и даст данные для регулирования процесса горения. Знание величины других параметров позволит в большей сте­пени автоматизировать управление работой печи. Однако на практике увеличение производительности мартеновских печей и улучшение технико-экономических показателей их работы в большинстве случаев лимитируется возможностями самой печи и организацией производства в цехе. Поэтому улучшение ор­ганизации производства дает даже больший эффект, чем вне­дрение схем комплексной автоматизации их работы.

§ 8. ТЕПЛОВОЙ И МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНСЫ МАРТЕНОВСКОЙ ПЛАВКИ

Основные статьи себестоимости мартеновской стали (расход металлической шихты и расход топлива на 1 т жидкой стали) определяются тепловыми и материальными балансами. Данные расчетов баланса одной из плавок в 50-т печи по скрап-процессу приведены в табл. 8, а 185-т печи по скрап-рудному процессу при работе без продувки ванны кислоро­дом — в табл. 9.

На основе данных, приведенных в табл. 8 и 9, можно сделать следующие выводы:

1. Выход жидкой стали при скрап-рудном процессе (по отношению к массе чугуна и скрапа) значительно выше, чем при скрап-процессе, что обусловлено восстановлением желе­за из заваливаемой в печь железной руды.

2. Из атмосферы печи поступает кислорода значительно больше при скрап-процессе (при скрап-рудном процессе основное количество кислорода на окисление примесей по­ступает с заваливаемой железной рудой).

3. Общее количество образующегося за плавку шлака при скрап-рудном процессе больше, чем при скрап-процессе.

4. Мартеновская печь является очень несовершенным теп­
ловым агрегатом, лишь небольшая доля общего прихода тепла
расходуется полезно — на нагрев металла и шлака. Значи­
тельное же количество тепла уносится дымовыми газами и
теряется (следует при этом иметь в виду, что часть тепла,
уносимого из рабочего пространства газами, возвращается с
нагретым в регенераторах воздухом и газом).

Таблшц а 8. Материальны! а тепловой балансы плавка при основном мартеновском скрап-процессе¹

5. В отличие от конвертерных процессов доля прихода тепла от экзотермических реакций окисления примесей неве­лика, основную статью прихода тепла составляет тепло сго­рания топлива.

Если составить тепловой баланс не рабочего пространст­ва, а всей печи (без учета регенерации тепла), то можно приблизительно принимать, что 90 % прихода тепла — это тепло сгорания топлива (10 % — тепло экзотермических реакций окисления примесей). Что же касается расхода теп­ла, то он делится примерно на три равные доли: 1) на про­цесс (нагрев металла и шлака); 2) на потери через кладку, с охлаждающей водой и др.; 3) на тепло, уносимое с про­дуктами сгорания.

Таблиц 9. Матеркальный я тепловой балансы плавка при основном мартеновском скрап-рудном процессе¹

Следует иметь в виду, что во всех экономических расче­тах расходы шихты, топлива и других материалов относят не к жидкой стали (как в расчете баланса), а к годной стали. Выход 1 т годной стали равен 1 т жидкой стали минус поте­ри при разливке, брак и др. С уменьшением этих потерь величина выхода годной стали приближается к величине вы­хода жидкой стали, в результате чего уменьшается расход шихты и других материалов на 1 т годной стали.

Уменьшить в тепловом балансе абсолютные величины ста­тей расхода тепла на нагрев стали и шлака невозможно, так как сталь и шлак необходимо нагревать до определенной

температуры. Однако повысить долю этих статей в тепловом балансе можно, уменьшив другие статьи расходной части ба­ланса: количество тепла, уносимого продуктами сгорания (в результате улучшения теплопередачи), и потери тепла (в окружающую среду, при охлаждении и др.) в результате сок­ращения продолжительности плавки и улучшения конструкции печи. Все мероприятия, способствующие сокращению продол­жительности плавки, влияют на тепловой баланс таким обра­зом, что доля полезно расходуемого тепла (на нагрев стали и шлака) возрастает. К этим мероприятиям прежде всего от­носятся: а) сокращение продолжительности завалки шихты; б) применение кислорода (вместо воздуха) для повышения температуры факела, в результате чего улучшается теплопе­редача и продолжительность плавки сокращается; в) подача в факел высокоскоростной струи кислорода, сжатого воздуха или перегретого пара, в результате чего повышается кине­тическая энергия факела, улучшается его излучательная способность и возрастает доля тепла, передаваемого кон­векцией; г) ускорение реакций окисления примесей при за­мене железной руды газообразным кислородом или сжатым воздухом; д) автоматизация работы печи с целью организа­ции ведения плавки при оптимальных расходах топлива и до­бавочных материалов.

Цель почти всех технико-экономических мероприятий, проводимых в мартеновских цехах, — улучшение показателей материального и теплового балансов, так как эти показате­ли определяют в основном себестоимость стали.

Утилизация тепла отходящих газов. Очистка газов

Из данных теплового баланса видно, что около 2/3 общего количества тепла уходит из рабочего пространства печи вместе с дымовыми газами. Температура продуктов сгорания при выходе из рабочего пространства равна примерно 1700 °С. Вследствие подсоса воздуха и потерь тепла при прохождении через вертикальные каналы и шлаковики темпе­ратура газов при поступлении в регенераторы снижается до 1500-1550 °С. Из-под насадок регенераторов дымовые газы выходят с температурой 500-800 °С. При прохождении через борова и перекидные клапаны эта температура снижается (главным образом в результате подсоса воздуха) еще на 100-200 °С.

Таким образом, перед дымовой трубой температура отхо­дящих газов составляет все еще 400—600 °С, они содержат около l/З общего количества тепла, поступающего в печь. Поэтому утилизация этого тепла позволяет существенно по­высить показатели работы печи. Температура отходящих га­зов на двухванных печах, работающих без регенераторов, еще выше.

За всеми мартеновскими и двухваиными печами установле­ны котлы-утилизаторы. Наиболее распространен котел с мно­гократной принудительной циркуляцией воды (рис. 115). В современных котлах-утилизаторах используется 60—70 % теп­ла отходящих продуктов сгорания и вырабатывается 350—450 кг пара на 1 т выплавляемой стали.

Температура продуктов сгорания в котлах-утилизаторах снижается до 150—230 °С. С такой температурой газы можно отсасывать дымососом прямого действия (котел представляет собой дополнительное значительное сопротивление на пути движения газов, поэтому тяги дымовой трубы на хватает, чтобы протянуть дымовые газы через котел, требуется дополнительный дымосос).

Снижение температуры дымовых газов при прохождении их через котел-утилизатор позволяет решить также чрезвычайно важную задачу — очистку дыма от плавильной пыли. Коли­чество пыли в дымовых газах, выходящих из печи, колеблет­ся по ходу плавки от 1,0 до 10,0 т/и³, 50—75 % пыли осе­дает в шлаковиках, 10-25 % в регенераторах и 10—20 % ухо­дит в борова и в трубу.

Рис. 115. Котел-утилизатор верти­кального типа:

1 — питательный насос; 2 — дымо­сос; 3 — футеровка; 4 — кожух котла; 5 — змеевик водяного эко­номайзера; б — испарителльный змеевик; 7 — барабан; 8 — цирку­ляционный насос; 9 — змеевик пароподогревателя

Если принять, что на 1т выплавляемой стали вместе с продуктами сгорания из трубы выходит 1кг плавильной пы­ли, то за год из труб мартеновских цехов современного металлургического завода, на котором выплавляют 4-5 млн.т стали в год, вылетает 4-5тыс.т мельчайшей (до 1 • 10"⁷см) плавильной пыли.

Для предотвращения уноса пыли после котлов-утилизаторов монтируют установки для ее улавливания обыч­но с электростатическими газоочистками.

Улавливаемую пыль (в основном оксиды железа) исполь­зуют в качестве шихты в доменных или мартеновских печах.

Особенно важна установка очистительных устройств на современных печах, на которых применяют интенсивную про­дувку ванны кислородом. Содержание пыли при продувке воз­растает перед котлом-утилизатором до 10-25 г/м³. Совре­менные установки сухой (электростатической) и мокрой (в скруббере Вентури) очистки газов обеспечивают снижение содержания пыли на выходе из газоочистки до 0,1-0,15 г/м³.

Глава 4. ВЫПЛАВКА СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

В настоящее время для массовой выплавки стали применяют дуговые электропечи, питаемые переменным током, индук­ционные печи и получающие распространение в последние го­ды дуговые печи постоянного тока, причем доля печей последних двух видов в общем объеме выплавки невелика.

В дуговых печах переменного тока в течение многих десятилетий выплавляли основную часть высококачественных легированных и высоколегированных сталей (сталей электро­печного сортамента), которые было затруднительно либо невозможно выплавлять в конвертерах и мартеновских печах. Основные достоинства дуговых электропечей, позволяющие выплавлять такие стали, заключаются в возможности: быстро нагреть металл, благодаря чему в печь можно вводить боль­шие количества легирующих добавок; иметь в печи восстано­вительную атмосферу и безокислительные шлаки (в восстано­вительный период плавки), что обеспечивает малый угар вводимых в печь легирующих элементов; возможность более полно, чем в других печах, раскислять металл, получая его с более низким содержанием оксидных неметаллических вклю-

чений, а также получать сталь с более низким содержанием серы в связи с ее хорошим удалением в безокислительный шлак; плавно и точно регулировать температуру металла.

Стали электропечного сортамента выплавляют в печах вместимостью от 5 до 25—40 т с трансформаторами невысокой удельной мощности (200—400 кВ • А/т) по традиционной тех­нологии, предусматривающей после расплавления металла проведение окислительного и длительного (1—1,5 ч) восста­новительного периодов.

В 60-е годы с целью повышения производительности и технико-экономических показателей электросталеплавильного производства начали строить большегрузные (80—100 т и более) печи. В этих печах из-за малой эффективности вос­становительного периода традиционная технология не обес­печивала требуемого высокого качества сталей электропеч­ного сортамента и такие печи, в основном, используются для выплавки низко- и среднеуглеродистых сталей по упро­щенной технологии без восстановительного периода.

В последние годы сооружают высокомощные (удельная мощ­ность печного трансформатора 600—900 кВ • А/т) печи с водоохлаждаемыми сводом и стенками. Технология плавки в таких печах включает расплавление и короткий окислитель­ный период, в течение которых происходит окисление угле­рода до заданного содержания, дефосфорация и нагрев ме­талла, а затем металл выпускают в ковш, где методами вне-печной обработки ведут процессы рафинирования, раскисле­ния и легирования, обеспечивая получение стали заданных состава и свойств.

Доля электростали в общей выплавке стали в мире непре­рывно растет.