Мартеновские печи

Мартеновские печи долгое время оставались основным сталеплавильным агрегатом благодаря своей универсаль­ности в отношении шихты, состава готовой стали, исполь­зуемого топлива. Преобладающая часть тепла поступает в мартеновскую ванну из рабочего пространства печи в ре­зультате теплоотдачи от факела и элементов кладки.

На заводах с полным металлургическим циклом в мар­теновских печах переплавляют обычно 50 – 75% жидкого чугуна и 25 – 50% скрапа (скрап-рудный процесс). На ме­таллургических заводах, не имеющих доменных печей и на машиностроительных заводах шихта мартеновских печей состоит практических из скрапа (скрап-процесс), твердый чугун добавляется в том случае, если необходимо обеспе­чить требуемое содержание углерода в готовой стали.

Мартеновские печи делят на стационарные и качающие­ся. У качающихся печей рабочее пространство может на­клоняться в сторону разливочного пролета для выпуска стали и в сторону печного пролета для скачивания шлака. Качающиеся мартеновские печи обычно применяют для переработки чугунов с содержанием в них до 2% фосфора. Для удаления фосфора необходимо наводить в печи боль­шое количество шлака и периодически его удалять, что и делается наклоном печи в сторону печного пролета. Эти печи удобны в работе и когда необходимо выпускать металл отдельными порциями (например, при фасонном литье, дуплекс-процессе и др.). Качающиеся печи удобны в экс­плуатации, но сложны по конструкции и требуют больших затрат при строительстве. Основное количество мартенов­ской стали выплавляют в стационарных печах.

В СССР эксплуатируются промышленные мартеновские печи садкой до 900 т. Под садкой (или емкостью) печи по­нимают массу чугуна и скрапа, загружаемые в печь для одной плавки. Кислород необходимый для процесса окис­ления примесей, поступает в ванну обычно из двух источ­ников: из атмосферы печи диффузией через шлак и из твер­дых окислителей (чаще всего железной руды), вводимых в ванну. Развитие тепломассообменных процессов в рабочем пространстве мартеновской печи определяется условиями сжигания топлива и характеристиками факела. Необходи­мость иметь в рабочем пространстве печи температуру око­ло 1750°С требует таких условий сжигания топлива, при которых калориметрическая температура горения должна быть около 2500°С. Такую температуру горения невозмож­но получить без обеспечения подогрева воздуха, идущего на горение, или воздуха и газа. Из рабочего пространства печи уносится приблизительно 80% тепла, поданного в печь. Это тепло уносится с отходящими газами, имеющими температуру 1600 – 1700°С. Поэтому целесообразно подо­грев воздуха (или воздуха и газа) производить утилизируя тепло отходящих продуктов сгорания. В силу этого все мартеновские печи оборудованы регенераторами: если печь работает на топливе с высокой теплотой сгорания (природ­ный газ, мазут), то подогревается только воздух, если на топливе с низкой теплотой сгорания, то подогревается и воздух и само газообразное топливо. Подогрев и воздуха и газа осуществляется до температуры 1050 – 1150°С. Таким образом, если печь отапливается смешанным газом (смесь доменного и коксового газа) с низкой теплотой сгорания (до 14000 кДж/м³), то необходимо подогревать как воздух, так и газ, для чего требуется две пары регенераторов. При отоплении печей природным газом или мазутом требуется только одна пара регенераторов для подогрева воздуха. Основным видом передачи тепла в печи является теп­ловое излучение (~ 90%), поэтому повышение температу­ры в рабочем пространстве, наряду с обеспечением опти­мальных радиационных характеристик факела являются весьма эффективным средством интенсификации теплооб­мена и повышения производительности печей. Повышение температуры ограничено огнеупорностью футеровки печи, поэтому в отдельные периоды плавки (доводка), когда температура футеровки находится на пределе, достижение не­обходимого уровня теплоотдачи возможно лишь за счет по­вышения излучательной способности факела.

В последние годы получила распространение продувка мартеновской ванны кислородом, которая позволила значи­тельно увеличить производительность печей, хотя и поро­дила свои дополнительные проблемы.

На рис. 119 показана одна из конструкций стационар­ной мартеновской печи, отапливаемой высококалорийным топливом. Печь можно условно разделить на верхнее (вы­ше рабочей площадки 16)и нижнее (ниже рабочей площадки) строения. Верхнее строение печи состоит из рабо­чего пространства 8, головок 6 и вертикальных каналов 4. Нижнее строение печи включает в себя регенераторы 2, шлаковики 3, борова 1.

Рабочее пространство — это та часть печи, где протека­ют процессы выплавки стали, сгорания топлива и передачи тепла материалам шихты.

В передней стенке рабочего пространства предусмотре­ны завалочные окна 15, обрамленные с обеих сторон стол­биками 14. Завалочные окна служат для завалки шихты в печь, заливки чугуна и скачивания шлака. Число окон обычно нечетное (от 3 для малых печей до 7 для больших). В задней стенке 11 расположены отверстия для выпуска стали и шлака. Среднее окно предназначено также для об­служивания сталевыпускного отверстия. На некоторых печах жидкий чугун заливают через отверстие, находяще­еся в задней стенке рабочего пространства. Стены печи на­клонены для того, чтобы при заправке с них не осыпались заправочные материалы.

Нижняя часть рабочего пространства, ограниченная по­диной 10 и откосами 7 и 9 печи (нижней частью передней, задней и торцевых стенок), называется ванной. Ванна вме­щает весь жидкий металл и шлак. Верхним уровнем ванны являются пороги — стальные плиты, образующие нижнюю часть завалочных окон. Сверху рабочее пространство огра­ждено арочным сводом 13. В своде есть отверстия, через которые в печь вводят кислородные фурмы 12 для продув­ки ванны кислородом.

С торцевых сторон к рабочему пространству примыка­ют головки печи. Головки служат для подвода топлива в печь при помощи горелок 5, смешения его с воздухом и подготовки к сжиганию, а также для отвода из печи про­дуктов сгорания топлива и технологических газов. Поэтому требования, предъявляемые к ним, противоречивы. С од­ной стороны, когда через головку в печь подается топливо и воздух для создания больших скоростей истечения газов, т.е. для хорошего перемешивания топлива с воздухом и получения жесткого факела, необходима небольшая пло­щадь газовых каналов. С другой стороны, каналы малого сечения характеризуются большим гидравлическим сопро­тивлением в тот период, когда головка служит для отвода газов из печи. Правильный выбор конструктивных разме­ров головок печи особенно усложняется для печей, отапливаемых низкокалорийным топливом и, следовательно, обо­рудованных газовыми (для подогрева газообразного топлива) и воздушными (для подогрева воздуха) регенераторами. В этом случае головки должны быть так сконструированы и иметь такие размеры окон для выхода газа и возду­ха, чтобы обеспечить правильное распределение проходя­щих через них продуктов сгорания между воздушными и газовыми регенераторами.

Применение таких топлив с высокой теплотой сгорания, как природный газ и мазут, упрощает конструкцию головки и всей печи в целом, так как исключается потребность в регенераторах для подогрева топлива. Печи с такими го­ловками имеют только одну пару регенераторов для подо­грева воздуха и оборудованы обычно одноканальными го­ловками. В одноканальных головках (см. рис. 119) воздух подается по вертикальному каналу, а топливо — через го­релку или форсунку. Как уже отмечалось, факел мартенов­ской печи должен обладать достаточной светимостью, т.е. иметь хорошую излучательную способность. Если печь отапливается мазутом, то дополнительных мер принимать не надо, так как мазутный факел обладает достаточной све­тимостью. При отоплении печей газообразным топливом обычно обеспечение должной светимости достигается добавками мазута или смолы (искусственная карбюризация факела). Иногда обеспечивается самокарбюризация факела за счет разложения углеводородов газообразного топлива.

Вертикальные каналы мартеновских печей служат для соединения рабочего пространства со шлаковиками.

К нижнему строению печи относятся шлаковики, регене­раторы, дымовые борова, перекидные устройства. Шлако­вики предназначены для очистки газов, уходящих из рабо­чего пространства, от крупной пыли. Очистка основана на том, что газы, попадая в шлаковик, теряют свою скорость вследствие резкого и внезапного расширения канала. Газы, движущиеся с небольшой скоростью, не могут увлечь за собой крупные частицы пыли, и последние оседают на дно шлаковика. Частично очищенные газы изменяют на 90° на­правление своего движения и поступают в регенераторы, где отдают свое тепло огнеупорной насадке. Объем шлако­вика должен быть таким, чтобы в нем умещалась пыль, оседающая за время межремонтного периода (2 – 3 мес.). Проходя через регенераторы, дымовые газы охлаждаются с 1500 – 1600 до 800 – 600°С. После перекидки клапанов, когда через разогретую насадку регенераторов пропускает­ся воздух или газ, тепло насадки передается им, в резуль­тате чего температура воздуха или газа поднимается до 850 – 1150°С. Борова предназначены для отвода продуктов сгорания из регенераторов и подвода к ним газа или воз­духа. Переключение регенераторов с нагрева на охлажде­ние и наоборот осуществляется с помощью перекидных устройств — клапанов тарельчатого и золотникового типов и шиберов. Перекидка клапанов осуществляется автомати­чески, а в необходимых случаях вручную.

Футеровка печи, особенно рабочего пространства, рабо­тает в очень тяжелых условиях. Механические удары и ис­тирание, химическое взаимодействие плавильной пыли и шлаков, высокие температуры являются причиной использования для кладки мартеновских печей высококачествен­ных огнеупорных материалов. Чтобы предотвратить разъ­едание кладки основными оксидами шлака, рабочее прост­ранство выкладывают из основных огнеупоров. Под печи, заднюю и переднюю стенки, а также откосы выполняют из магнезитового кирпича. В качестве тепловой изоляции слу­жит шамотный и пеношамотный кирпич, который применя­ют для кладки наружных слоев. Внутреннюю поверхность пода покрывают толстым слоем магнезитовой наварки. Иногда подину печи не наваривают, а набивают магнезито­вым порошком.

Для свода печи применяют термостойкий магнезитохромитовый кирпич. В процессе кладки свода между отдель­ными кирпичами устанавливают тонкие металлические про­кладки. При сильном разогреве свода эти прокладки расплавляются, и отдельные кирпичи свариваются между собой.

Головки и стены вертикальных каналов выкладывают из хромомагнезитового кирпича, стены шлаковиков и верх­нюю часть стен регенераторов — из динасового кирпича с облицовкой хромомагнезитом. Облицовка защищает кладку от вредного воздействия плавильной пыли. Нижнюю часть стен и большую часть насадки регенераторов выполняют из шамотного кирпича; верхние ряды насадки регенераторов — из форстеритовых или высокоглиноземистых огнеупоров, более устойчивых против агрессивного действия плавильной пыли. Борова и внутреннюю часть дымовой трубы футеру­ют шамотным кирпичом. Современная мартеновская печь обычно оборудована котлом-утилизатором, позволяющим использовать до 50% тепла дымовых газов для получения пара, установкой для очистки дымовых газов от пыли, комп­лексом контрольно-измерительных приборов и приборов ав­томатического управления тепловым режимом печи. Печи снабжены также системой испарительного охлаждения.

Длительность одной плавки в мартеновской печи по организационно-технологическим и теплотехническим при­знакам разбивается на следующие периоды: заправка, за­валка, прогрев (если печь работает на жидком чугуне, то этот период отсутствует), плавление, доводка.

Обычно для мартеновских печей составляется тепловой график плавки, один из которых в качестве примера приве­ден на рис. 120. Как видно из графика, по ходу плавки контролируются такие величины, как тепловая нагрузка 1, температура поверхности свода 2, температура поверхности шихты и ванны 3, рассчитывается термический к.п.д. Теп­ловая нагрузка и температура свода — основные величины, по которым ведется плавка.

Производительность мартеновских печей определяется несколькими показателями: годовой (т/год), часовой (т/ч) производительностью и съемом стали с 1 м² площади пода в сутки. Удельный расход тепла колеблется от 2100 МДж/т (крупные печи) до ~ 6300 МДж/т (малые печи). Годовая производительность — наиболее важный показатель рабо­ты печи зависит от часовой производительности и длитель­ности простоев на ремонт. Для современных мартеновских печей холодные и горячие ремонты составляют 5 – 7% вре­мени эксплуатации. Годовая производительность для 200-т печей составляет 200 – 240 тыс. в год; для 400-т печей 370 тыс. т в год; для 600-т печей 490 тыс. т в год; для 900-т печей 670 тыс. т в год; часовая производительность соответ­ственно 24 – 29; 45; 59 и 81 т/ч.