Лекция № 18 Мартеновские печи и конверторы

План

1. Устройство и работа мартеновской печи

2. Устройство и работа конвертора

1. Устройство и работа мартеновской печи

Мартеновский способ производства стали представ­ляет собой передел чугуна или стального скрапа на поду пламенной отражательной печи регенеративного типа в сталь заданного химического состава.

В отличие от конвертерного мартеновский процесс производства стали не может проводиться без подачи до­полнительного тепла извне. Нагрев и расплавление ме­талла в мартеновской печи осуществляются за счет теп­ла, выделяющегося при сгорании топлива. Сталь получается путем окислительной плавки в результате сложных физико-химических процессов при взаимодейст­вии газовой, жидкой (шлак, металл) и твердой (под пе­чи) фаз. Газовая фаза образуется в результате сгорания топлива в рабочем пространстве печи. Для обеспечения полного сгорания топлива в печь подают воздух в коли­честве, несколько большем теоретически необходимого. Избыток кислорода, С0₂ и Н₂0 в продуктах сгорания обусловливает окислительный характер атмосферы в ра­бочем пространстве печи, поэтому окисление железа и примесей металлической шихты начинается с момента завалки в печь при непосредственном взаимодействии газовой фазы с шихтой.

На рис. 81 представлена современная мартеновская печь. Она состоит из следующих отдельных элементов: рабочего пространства, головок, вертикальных каналов, шлаковиков, регенераторов, боровов с перекидными уст­ройствами, котла-утилизатора и дымовой трубы.

Рабочее пространство, головки печи и вертикальные каналы расположены выше рабочей площадки цеха и ус­ловно называются верхним строением печи. Все осталь­ные элементы находятся под рабочей площадкой и назы­ваются нижним строением. Топливо и воздух для горения поступают из регенератора через шлаковики и вер­тикальный канал в головку печи. Продукты сгорания от­водятся из рабочего пространства печи соответственно с противоположной стороны. Шлаковики служат для улавливания плавильной пыли и шлаковых частиц, уно­симых продуктами сгорания из рабочего пространства печи. Изменение направления подачи топлива и воздуха, т. е. изменение направления факела в рабочем простран­стве, осуществляется системой «перекидки» клапанов. Продукты сгорания поступают из шлаковиков в регене­ратор сверху при 1500—1600°С и, проходя через насад­ку, отдают ей значительную часть тепла. При последу­ющем прохождении через нагретую насадку холодного воздуха или газа продукты сгорания нагреваются до 1100—1200°С. После регенератора дымовые газы имеют температуру 500—600 °С. Для дальнейшего использова­ния тепла отходящих газов их направляют в котел-утили­затор. Рабочее пространство печи ограничено сверху сводом, снизу подиной. Все элементы рабочего пространства футерованы высокоогнеупорными материалами.

Подина печи имеет наклон к задней стенке, в которой предусмотрено отверстие для выпуска готовой стали. В передней стенке имеются проемы — завалочные окна, которые служат для загрузки твердой шихты, заливки жидкого чугуна (по специальному желобу), взятия проб и наблюдения за ходом плавки.

1 — головка; 2— вертикальный канал; 3 — шлаковик; 4 — борова;

5 — насадка регенератора; 6 — сталевыпускное отверстие; 7 — свод; 8 — подина;

9 — завалочные окна; 10— рабочая площадка; 11 — передняя стенка;

12 — задняя стенка; 13 — рабочее пространство:

А — поперечный разрез рабочего простран­ства печи; Б — разрез головки печи

Рисунок 81 - Мартеновская печь

Подина печи. В зависимости от характеристики шла­ков мартеновский процесс может быть кислым и основ­ным (соответственно кислые и основные мартеновские печи). Материалом для футеровки подины кислой печи служит динасовый кирпич, на который набивают или наваривают верхний рабочий слой из кварцевого песка. Основанием подины основной мартеновской печи служит магнезитовый кирпич, на который набивают или навари­вают рабочий слой из магнезитового порошка.

Заднюю и переднюю стенки кислой мартеновской пе­чи выкладывают из динасового кирпича, основной печи— из магнезитового. С учетом устойчивости против размы­вания шлаком и лучшего удерживания заправочных ма­териалов заднюю стенку делают наклонной.

Свод печи. Материал для свода мартеновской печи может быть как кислым, так и основным независимо от типа процесса. В настоящее время работают печи со сво­дом из динасового или магнезитохромитового кирпича. Свод из динасового кирпича в процессе эксплуатации сваривается в монолит, что позволяет производить клад­ку в виде обычной распорно-арочной конструкции. Дина­совый кирпич обладает достаточной прочностью до 1700°С и повышенным сопротивлением сжатию. Однако при нагреве до температуры >1700°С динасовый кирпич сплавляется и разъедается плавильной пылью.

Применение магнезитохромитового свода позволяет повысить температуру в печи, а также увеличить произ­водительность печи и срок службы свода. Допустимая температура нагрева составляет 1750—1800°С. Стой­кость магнезитохромитового свода достигает 300—1000 плавок против 200—350 плавок у динасового свода. Од­нако при использовании магнезитохромитового свода, обладающего значительными объемными изменениями при колебаниях температуры, устройство обычного ароч­ного свода невозможно. Свод выполняют подвесным с креплениями и прокладками между кирпичами. Это ус­ложняет конструкцию и повышает ее стоимость. Тем не менее в СССР и за рубежом магнезитохромитовые своды получили широкое распространение. Экономически это оправдано.

В последнее время интенсивно ведутся работы по за­мене кладки элементов печи заранее подготовленными блоками и частичной или полной замене огнеупорной кладки водоохлаждаемыми конструкциями.

Головки печи должны обеспечить подачу требуемого количества топлива; хорошее перемешивание топлива с воздухом и полное его сжигание; хорошую настильность факела по всей длине ванны, чтобы передать максимум тепла ванне и минимум — стенам и своду; минимальное сопротивление при отводе продуктов сгорания из рабо­чего пространства.

В соответствия с первыми тремя требованиями сече­ние выходных отверстий головок должно быть неболь­шим (обеспечить максимальную скорость ввода в печь воздуха и топлива); для удовлетворения четвертого требования, наоборот, сечение должно быть большим. Двой­ственная роль головок, обусловленная реверсивным дви­жением газов в печи, ставит трудную задачу при разра­ботке рациональной конструкции. Поэтому, работы по улучшению конструкции головок ведутся до настоящего времени.

Шлаковики. Продукты сгорания вместе с плавильной пылью, состоящей из оксидов железа, частиц шлака, из­вести и руды, из рабочего пространства через головку и вертикальные каналы попадают в шлаковики. Основное назначение шлаковиков — предохранение насадок реге­нераторов от засорения плавильной пылью. Шлаковики (рис. 82) представляют собой камеры, вытянутые под го­ловками параллельно поперечной оси печи. Сечение шла­ковиков больше сечения вертикального канала. Поэтому дымовые газы, попадая в шлаковик, резко теряют свою скорость, одновременно изменяя направление движения. При этом большая часть плавильной пыли (~60 %) оседает в шлаковиках. Шлаковики соединены с верти­кальными каналами при помощи окон в сводах и сооб­щаются с регенератором через окна, расположенные над перевальной стенкой. Шлаковики выкладывают из динасового кирпича (при динасовом своде) и из хромомагнезитового кирпича (при магнезитохромитовом своде).

Операция очистки шлаковиков от осевшей пыли очень трудоемкая. На современных крупных печах предусмот­рены приспособления для механизированной очистки шлаковиков.

I —шлаковики; 2 — свод; 3 — перевальная стенка; 4 — окно; 5 — регенератор

Рисунок 82 - Разрез регенератора и шлаковика, насадка

Регенераторы. Из шлаковиков отходящие газы с тем­пературой ~1600°С попадают в регенераторы, в кото­рых физическое тепло отходящих газов используется для подогрева направляемых в печь воздуха и газа. Регене­раторы представляют собой прямоугольные камеры, за­полненные решеткой из огнеупорного кирпича, называе­мой насадкой. Объем насадки регенератора и поверхности ее нагрева определяются специальным теп­лотехническим расчетом.

Для кладки верхних рядов насадок используются тер­мостойкий магнезитохромитовый или форстеритовый (2MgO∙Si0₂) кирпичи. Форстерит обладает высокой стойкостью против воздействия плавильной пыли. Ниж­ние слои насадок, которые работают в менее тяжелых условиях, чем верхние слои (более низкое содержание пыли и температура 1000—1200°С), выкладывают из шамотного кирпича.

Борова. Из поднасадочного пространства отходящие газы попадают в борова. Борова служат для подвода газа и воздуха к регенераторам и отвода продуктов сго­рания от регенераторов к трубе или котлу-утилизатору. Их выкладывают из шамотного кирпича, снаружи обли­цованного обычным красным кирпичом.

Перекидные клапаны. Система перекидки клапанов (рис. 83) предназначена для изменения направления потоков газа и воздуха с одной стороны печи в другую. Для этого в боровах, газопроводах устанавливают пере­кидные и регулирующие устройства: газовые клапаны, воздушные клапаны, дымовые клапаны и воздушные задвижки, переключение которых осуществляется специ­альными устройствами при помощи блоков. Операция перекидки клапанов в современных мартеновских печах автоматизирована.

Система охлаждения печей. Для увеличения стойко­сти кладки и защиты обслуживающего персонала от действия излучения в мартеновских печах предусмотре­ны системы водяного и испарительного охлаждения. Расход воды на охлаждение современных мартенов­ских печей составляет >400 м³/ч. Для уменьшения расхода воды водяное охлаждение некоторых элементов пе­чи заменяют испарительным. Водяное охлаждение при­меняют только для рам рабочих окон и арматуры регу­лирующих клапанов.

Испарительное охлаждение используется в кессонах газовых пролетов головок и некоторых элементов кладки печи. Сущность испарительного охлаждения заклю­чается в использовании вместо технической химически очищенной воды, которую можно нагревать до 100 °С и выше без образования отложения солей и накипи. При этом резко сокращается потребность в охлаждающей воде (в 30—100 раз), отпадает необходимость строитель­ства охлаждающих сооружений (градирен и др.). При испарительном охлаждении от охлаждаемого элемента печи отводится как тепло, необходимое на нагревание воды до кипения, так и скрытая теплота парообразования. Дополнительный эффект получается благодаря улучшению условий теплопередачи (кипящая вода обладает более высоким коэффициентом теплопередачи).

1 — воздушные клапаны; 2 — воздушные задвижки; 3 - клапаны;

4 — дымовые клапаны

Рисунок 83 - Схема перекидных устройств мартеновской печи

1- под печи, 2 — передняя стенка. 3 — задняя стенка, 4 — свод,

5 — загру­зочные окна, 6 — бетонные опоры, 7 — откос,

8 — воздушный канал головки, 9 — газовый канал, 10 — вертикальные каналы, 11 — шлаковики газового реге­нератора, 12 — шлаковики воздушного регенератора

Рисунок 84 - Конструкция мартеновской печи

В зависимости от состава шлака и огнеупорных материалов для изготовления пода мартеновский процесс может быть основным и кислым. По составу шихты различают следующие разновидности мартеновского процесса.

Карбюраторный (скрап-угольный) процесс, при котором метал­лическая часть шихты состоит только из стального лома, а требуе­мое количество углерода вводится в виде углеродсодержащих ма­териалов (карбюризаторов): каменного угля, кокса, графита и т. д. Процесс не получил распространения.

Скрап-процесс характеризуется тем, что основной составляющей шихты служит стальной скрап. Расход чугуна выбирают в соответ­ствии с содержанием углерода в расплаве, достаточным для прове­дения периода кипения; он составляет 25—45%. Скрап-процесс при­меняется на металлургических и машиностроительных заводах, где отсутствуют доменные цехи и имеется достаточное количество метал­лического лома.

Скрап-рудный процесс характеризуется тем, что металлическая составляющая шихты содержит 50—80 % жидкого чугуна и 20—40 % скрапа.

Рудный процесс, при котором металлическая шихта на 100 % со­стоит из жидкого чугуна. Наиболее широко распространены скрап- и скрап-рудный про­цессы.