Экстремальные отклонения мартеновского процесса

Для мартеновского процесса при определенных условиях характерно возникновение экстремальных отклонений технологических парамет­ров процесса, определяющего безопасность. Прежде всего к их чис­лу относятся нарушения геометрических параметров, т. е. износ ог­неупорной футеровки подины, стенок, свода и других элементов внут­реннего строения печи. Эти нарушения, как правило, составляют 12% от всех экстремальных отклонений, они накапливаются посте­пенно и реализуются в межремонтный период. Интенсивность накоп­ления нарушений параметров различна: они возникают на протяже­нии нескольких или даже одной плавки. Названные экстремальные отклонения могут явиться причиной нарушения нескольких техно­логических параметров.

42% экстремальных отклонений технологических параметров яв­ляются результатом возникновения и развития нарушений парамет­ров на протяжении 3—10 мин, 19%— на протяжении менее 3 мин, 17% —от 10 до 30 мин и 5% —от 30 до 90 мин. Эти данные требуют особого внимания обслуживающего персонала и установления посто­янного контроля за ходом мартеновского процесса.

Систематизация экстремальных отклонений проведена с учетом параметров мартеновского процесса, изменения которых необратимы и требуют для их локализации остановки процесса. Экстремальные отклонения технологических параметров мартеновского процесса подразделяют на: 1) связанные с изменениями геометрических па­раметров, т. е. с нарушением целостности элементов рабочего про­странства печи; 2) вызванные изменениями физико-химических пре­вращений или их скорости; 3) связанные с возникновением и про­теканием физико-химических превращений, не предусмотренных технологическим процессом.

Первая группа включает экстремальные отклонения, вызванные-нарушениями целостности элементов рабочего пространства печи: подины, задней и передней стенок, свода, головок и др. Ко второй группе относятся выбросы металла и шлака из печи в результате интенсивного окисления углерода, взрывы и хлопки, возникающие в результате нарушения последовательности расплавления шихтовых материалов, а также при раскислении стали. Отклонения третьей группы составляют взрывы в печи, обусловленные загрузкой влаж­ных шихтовых материалов, попаданием полых сосудов. Каждая группа может быть разделена в свою очередь на несколько видов, которые рассмотрены ниже.

15.3.2. Виды отклонений

Наиболее часто повторяющимся видом отклонений являются нарушения целостности футеровки подины или задней стенки печи и уход металла в образовавшиеся отверстия. Это может быть обусловлено следующими факторами:

• превышением допустимого гидростатического давления расплав­ленного металла на подину и стенки ванны при повышенной загруз­ке шихтовых материалов в начале плавки;

• нарушением темпе­ратурных параметров, вызванных длительной выдержкой перегрето­го металла в печи;

• снижением прочностных характеристик отдельных элементов огнеупорной кладки ванны печи, вызванных ус­ловиями эксплуатации или неудовлетворительным качеством выпол­нения кладки при строительстве или ремонте печи.

Этим явлениям предшествуют различные нарушения процесса,. которые могут сигнализировать о возможности отклонения процесса:

• выход залитого в печь жидкого чугуна через шлаковую летку;

• интенсивное бурление металла у заднего откоса над сталевыпускным отверстием во время доводки плавки;

• выход металла через заднюю стенку печи, над сталевыпускным отверстием.

Эти нарушения обусловлены изменениями геометрических пара­метров ванны печи: чрезмерным износом огнеупорной футеровки зад­ней стенки, вызванным рядом технологических факторов; снижением глубины ванны в связи с повышением уровня подины с одновремен­ным увеличением количества перерабатываемых шихтовых материа­лов и др.

О возможности самопроизвольного выхода металла из печи обыч­но свидетельствует появление бурления в месте возможного про­рыва. Прорыву металла иногда предшествует появление на наруж­ной поверхности задней стенки газов или жидкого шлака. В месте бурления или появления шлака заднюю стенку немедленно заправляют доломитом или магнезитовым порошком. Если такая операция эффек

та не обеспечивает, принимают меры для подготовки к экстренному выпуску плавки из печи.

Прорыв металла через заднюю стенку над сталевыпускным от­верстием крайне опасен для персонала, так как, попадая в желоб, металл не только препятствует разделке отверстия, но вообще за­трудняет выпуск плавки из печи. В этом случае принимают меры к быстрому понижению уровня металла в печи, для чего убирают лож­ный порог завалочного окна и часть металла выпускают в шлако­вую чашу. В некоторых случаях в зависимости от состояния плавки принимают меры к замораживанию выходящего металла в месте прорыва: путем присадки в зону прорыва металла тяжелой кусковой шихты — обрезки блюмов или слитков, после чего доводят металл до необходимой температуры и выпускают. При этом следует учи­тывать, что контакт тяжелой холодной шихты с жидким металлом вызывает бурную реакцию, сопровождающуюся внезапным сильным выбросом газов, а сама шихта, сползая по задней стенке, может пе­рекрыть сталевыпускное отверстие и прекратить выход металла из летки.

Причина многих экстремальных отклонений – неправильные дей­ствия персонала, в частности при заделке сталевыпускного отверстия. Так, если у сталевыпускного отверстия мартеновской печи образу­ется застой металла и шлака вследствие понижения уровня подины в этом месте и повышения уровня лещади, жидкий металл разрушает огнеупорную футеровку на стыке желоба с отверстием и уходит под печь мимо сталеразливочного ковша

При заделке сталевыпускного отверстия огнеупорной массой, имеющей высокую влажность, возможны значительная усадка этой массы и резкое снижение стойкости к воздействию жидкого ме­талла. Поэтому при повышении гидростатического давления жидкого металла после заливки в печь чугуна возможны прорыв металла между пробкой и верхом отверстия, проникновение его в кладку зад­ней стенки и выход из печи

Низкая прочность пробки, закрывающей сталевыпускное отвер­стие, является в ряде случаев причиной прорыва и ухода металла через канал летки.

Обрушение свода. Тяжелые последствия возникают при экстре­мальных отклонениях, связанных с обрушениями свода мартеновской печи, которые вызваны длительными или интенсивными кратковременными температурными напряжениями в своде. Разрушение свода обычно происходит из-за изменения толщины оводового кирпича и конфигурации свода до такой степени, когда дальнейшая эксплуата­ция становится опасной, а также вследствие обрушения свода или отдельных его участков в результате взрывов, бурных реакций, ме­ханических повреждений. Причинами разрушения огнеупоров явля­ются:

• изменение химического и минералогического состава кирпича в процессе службы и снижение прочностных и температурных харак­теристик огнеупоров; напряжения,

• возникающие в огнеупорах при объемных превращениях, а также в условиях службы свода.

Эти причины определяются двумя группами факторов, влияющих на ве­личину и скорость износа свода.

К первой группе относят факторы, непосредственно оказывающие влияние на стойкость свода- конструкцию свода и его крепление, температурный режим работы печи, состав газовой среды в рабочем ее пространстве, возможные воздействия на свод воды, взрывы и выбросы из печи. Эти факторы способствуют износу и разрушению сводовых огнеупоров. Факторы второй группы включают аэродинамические условия факела, точное соблюдение технологического распространения про­цесса работы печей, проведение осмотров и ремонтов свода.

Стойкость свода в большой степени зависит от состояния ван­ны и головок печи, поэтому режим работы свода и повышение его стойкости тесно связаны с содержанием в нормальном состоянии головок и пода. Зарастание лещади воздушных перевалок газовых кессонов, наружной их футеровки приводит к изменению формы и направления факела. Приближение области высоких температур вы­зывает местный перегрев и размягчение огнеупоров, насыщение их пылью. С повышением уровня подины и откосов в связи с их зарас­танием поднимается уровень шлака в печи и приближает-факел к сво­ду, что также ускоряет износ свода. Поэтому постоянный уход за подиной и откосами способствует повышению стойкости свода. На стойкость свода оказывают влияние технологические и теплотехни­ческие факторы. Так, размещение тяжелой крупногабаритной шихты на поперечных откосах под факелом отклоняет факел к своду, что приводит к его перегреву и насыщению пылью и газами.

Повышение скорости завалки шихтовых материалов в печь соп­ровождается повышением расхода топлива и воздуха, при этом от­водящая головка не обеспечивает отвод продуктов сгорания из ра­бочего пространства, в результате чего давление в печи возрастает, что приводит к интенсивному износу печи футеровки свода и стенок.

Нарушения температурных параметров процесса

В период прогрева шихты и слива чугуна возможны нарушения тем­пературных параметров процесса на печах, работающих на природ­ном газе с применением кислорода: увеличение длительности перио­да прогрева шихтовых материалов и их частичное оплавление. За­ливка чугуна на перегретую и сплавившуюся шихту приводит к бурным реакциям с подъемом шлака на 1—1,5 м и попаданием зна­чительных количеств его на свод. Искусственное снижение темпера­турной нагрузки, достигаемое снижением подачи топлива, резко уве­личивает продолжительность плавки и создает опасность бурных ре­акций взрывного характера.

Безопасные меры при расплавлении металлической шихты сле­дующие:

• сокращение расхода топлива;

• отключение подачи кислорода;

• создание положительного давления в печи, характеризующегося выбиванием факела из гляделок;

• изменение обычной скорости и объ­ема заливки чугуна в печь (залив малыми порциями и после каждой порции выдержка до относительного успокоения ванны). После за­ливки 70—80 т чугуна перегретая часть шихты охлаждается до тем­пературы, соответствующей температуре залитого чугуна, и дальней­ший слив чугунов в печь проводят в обычном порядке.

В период доводки металла до заданного состава чрезмерная тепловая нагрузка и высокое давление в печи оказывают отрица­тельные воздействия на свод.

Разрушение порогов

Для обеспечения безопасности процесса особое значение имеет со­хранение геометрических параметров постоянных и ложных порогов на протяжении всего периода плавки—от заливки чугуна до выпуска стали. Во время заливки чугуна в печь наблюдается разрушение огнеупорной футеровки постоянных порогов, особенно у заливочного желоба. Резкие всплески у желоба указывают на начавшееся взаи­модействие металла с футеровкой порога. При этом прекращают заливку чугуна в печь и уменьшают тепловую нагрузку в печи.

Большую опасность представляет появление жидкого чугуна под желобом или в футеровке порога. Быстрое удаление желоба и дополнительная заправка порога устраняют это нарушение. Наибо­лее часто возникают экстремальные отклонения, связанные с про­рывом металла через насыпанные, или ложные пороги. Удержание металла на ложных порогах совершенно недопустимо, однако такие ситуации возникают в случае переполнения ванны чугуном или за­валки большого количества металлического скрапа.

В период плавления металла непосредственное наблюдение за состоянием порогов затруднено, так как в первый период плавления находиться у печи запрещено в связи с тем, что в этот период рабо­чая площадка печи является опасной зоной (возможно бурное про­текание реакции в печи, сопровождающееся хлопками газа и выбро­сом металла и шлака). Помимо этого, в течение всего периода плав­ления пороги имеют большую высоту, и осматривать состояние их поверхности, обращенной к ванне печи, невозможно. В период плав­ления сквозь порог может выделяться газ, горящий факелами свет­ло-синего цвета, не представляющий особой опасности; это явление связано с характером зернового состава материалов порогов. Однако значительный объем выделившегося газа в одном месте порога сиг­нализирует о необходимости его специального осмотра. В конце пе­риода плавления, когда уровень ванны снижается, верхнюю половину ложного порога снимают, нижнюю часть порога оставляют, так как она служит для удержания в печи шлака, вспенивающегося во вре­мя подачи руды в период доводки плавки.

Перед началом доводки производят осмотр и заправку порогов, так как значительное количество случаев, связанных с уходом метал­ла через пороги, происходит в связи с их неисправностью. Характер­ным признаком начала взаимодействия футеровки с жидким метал­лом являются энергичное местное бурление металла и оголение его от шлака. Одной из мер является охлаждение места взаимодейст­вия порога с металлом, что достигается вводом в эту зону кирпи­чей больших размеров (лучше сводовых) и последующей заправкой порогов магнезитовым порошком.

Одновременно с заправкой порога принимают меры к быстрому выпуску металла из печи. При достаточной толщине ложного поро­га дополнительной заправки его достаточно для прекращения взаимо­действия металла с порогом. В случае появления металла на пороге вводят мульду с известью в печь и высыпают ее на пороге, затем придавливают мульдой. В большинстве случаев такая мера позволяет устранить это явление. Если жидкий металл начал взаимодейство­вать с металлической плитой основного порога, то на некоторое вре­мя процесс можно приостановить вводом в окно мульды. Холодная мульда приводит к охлаждению металла в месте взаимодействия его с плитой. Однако через 10—15 мин взаимодействие возобновляется и предотвратить аварию не удается.

Время с момента возникновения локального энергичного бурле­ния металла (что является явным признаком начала разрушения фу­теровки) до момента перехода нарушения в экстремальное откло­нение исчисляется несколькими минутами. Это требует принятия срочных мер (заправка печи и охлаждение зоны разрушения футе­ровки завалки тяжелых блюмов и слитков и выпуск металла из печи).

Ко второй группе относятся экстремальные отклонения парамет­ров процесса мартеновской плавки, связанные с протеканием различ­ных физико-химических превращений или изменением их скорости. Характерным признаком таких отклонений являются взрывы с выб­росом расплавленного металла и шлака на значительные расстояния на протяжении всех периодов плавки. Так, при заливке чугуна в мартеновскую печь возникновение экстремальных отклонений зависит от соблюдения тепловых параметров при прогреве заваленной в печь твердой шихты. Перегрев и частичное расплавление скрапа приводят к бурным реакциям; недостаточный нагрев шихты затрудняет про­цесс удаления влаги из флюсов и их расплавление, что также мо­жет привести к взрыву и к выбросу на рабочую площадку до 30 – 50 т жидкого металла, что вызывает продолжительную остановку печи.

Во избежание бурных реакций печи заливку чугуна производят до расплавления шихты и образования шлака; при этом снижают расход природного газа. Нарушение теплового режима работы печи, особенно в период расплавления, может привести к отклонениям с более тяжелыми последствиями. В период плавления могут происхо­дить выбросы металла и шлака из печи, которым предшествуют вы­бросы горячего воздуха и газа, из-за несоответствия скоростей обез­углероживания металла и нагрева ванны. При этом ванна пересы­щается кислородом и при достижении определенной температуры взаимодействия углерода и кислорода происходит сильный взрыв.

Нарушение процесса горения топлива

Нарушение протекания физико-химических реакции по ходу плавки может быть вызвано отклонением от нормы параметров горения. В случае сокращения подачи воздуха в печь, например, не обеспечи­вается полнота сгорания топлива, т. е. процесс горения топлива идет не полностью. Неполное сгорание топлива в рабочем пространстве печи при постоянных подсосах воздуха в дымовой тракт приводит к образованию взрывоопасной концентрации газа и воздуха, а ино­гда и к взрыву газа в борове, дымовой трубе или котле-утилиза­торе.

Предупреждения такого рода отклонений достигают сокращени­ем подачи воздуха и подачи топлива, т. е. изменением тепловой на­грузки печи. Нарушение теплового режима во время заливки чугуна в мартеновскую печь также приводит к выбросу значительных ко­личеств шлака, а часто и металла на рабочую площадку. Для пре­дупреждения таких отклонений перед началом заливки чугуна в печь снижают ее тепловую нагрузку, отключают подачу кислорода. Во время заливки чугуна тепловую нагрузку несколько повышают, а затем повышают до максимальной после окончания заливки чугуна и удаления желобов из печи.

Применение кислорода

В последнее время мартеновский процесс ведут с применением кис­лорода, в этом случае печи оборудованы специальными устройства­ми для подачи кислорода, сжатого воздуха и топлива в факел и в ванну. Такие устройства, как правило, включают в себя охлаждае­мые водой подвижную фурму и неподвижную амбразуру, вмонтиро­ванную в свод. Охлаждение производят технической водой, содержа­щей примеси, которые образуют накипь на стенках арматуры, что снижает теплопроводность стенок охлаждаемых элементов и приво­дит к прогару их стенок. Попадание воды на жидкий металл вызы­вает взрыв, а на свод печи резко снижает его стойкость. Прогар водоохлаждаемой арматуры обнаруживают по интенсивному образо­ванию пара в местах нарушения целостности элементов, а также по потемнению раскаленной внутренней поверхности свода при охлаж­дении его водой.

Условием безопасной продувки ванны кислородом является опус­кание фурм на точно заданный уровень, соответствующий границе раздела шлака и металла; этот уровень изменяется в процессе плав­ки. Контроль положения фурм особенно важен, так как при погру­жении в жидкий металл фурмы мгновенно прогорают и охлаждаю­щая их вода попадает на жидкий металл, что приводит к взрыву.

Безопасность мартеновского процесса при использовании кисло­рода зависит от длительности и интенсивности продувки кислорода через оводовые фурмы. В период завалки и прогрева шихтовых ма­териалов применение кислорода должно обеспечивать правильное ве­дение теплового режима, исключающее оплавление шихты.

Правильное соотношение интенсивности продувки, скорости обе­зуглероживания и подъема температуры ванны обеспечивает условия безопасности процесса продувки жидкой стали кислородом в марте­новской ванне. Низкая интенсивность продувки приводит к перегре­ву ванны при слишком высоком содержании углерода, что вызывает быстрое разрушение огнеупорной футеровки печи и возникновение экстремальных отклонений вследствие нарушения геометрических параметров. Высокая интенсивность продувки приводит к насыще­нию ванны кислородом при отставании нагрева металла и создает опасность взрыва, так как при недостаточном нагреве металла по­ступающий в ванну кислород не успевает реагировать с углеродом металла и, пересыщая металл и шлак, накапливается в них; при по­следующем нагреве температура металла повышается, содержащийся в ванне сверхравновесный кислород реагирует с углеродом металла, вызывая его вскипание. Этот процесс имеет взрывной характер и со­провождается внезапным выбросом металла из печи. В данном слу­чае основными параметрами безопасности процесса являются ско­рость обезуглероживания и температура металла. Особенно важно соблюдение этих параметров в период доводки плавки, когда содер­жание углерода составляет менее 0,2—0,25% С, а содержание сверх­равновесного кислорода по термодинамическим условиям резко воз­растает.

Влияние внешних факторов на ход процесса

Основные виды третьей группы экстремальных отклонений связаны с влиянием внешних факторов на ход процесса:

• в период завалки шихтовых материалов попадание замкнутых металлических сосудов, емкостей, содержащих влагу, и других компонентов шихты, которые при высокой температуре внутреннего пространства печи взрывают­ся;

• попадание с шихтой влаги и влажных материалов, контакт ко­торых с расплавленным металлом или шлаком приводит ко взрыву;

• сильные взрывы в шлаковых ковшах, наполненных шлаком, с выбросом шлака на большую высоту из-за попадания влажного му­сора в ковш.

Для предупреждения рассмотренных экстремальных отклонений процесса при ведении мартеновской плавки необходимо строго со­блюдать технологическую дисциплину и выполнять требования пра­вил безопасности в сталеплавильном производстве.

Меры по обеспечению безопасности труда при ведении мартеновской плавки

При выплавке стали в мартеновских печах наряду с мерами, обес­печивающими безопасность производственного процесса, следует со­блюдать меры, гарантирующие безопасность труда. При выполнении трудовых операций необходимо соблюдать следующие требования.

Заправку печи производят только со стороны неработающей го­ловки печи, поэтому перед каждой перекидкой клапанов подают зву­ковой сигнал. Мартеновская печь оснащена сигнализацией, сблоки­рованной с механизмом перекидки клапанов, обеспечивающим реверс газа; длительность подачи сигнала не превышает 1 мин. Поэтому при первых звуках сигнализации персонал печи удаляется от рабо­чих окон во избежание получения ожогов от выбрасываемого через них пламени. В период перекидки клапанов и изменения направле­ния газа и пламени в рабочем пространстве печи прекращают или приостанавливают проведение операций по завалке шихты в печь.

При проведении завалки печи контролируют состояние шихто­вых материалов, что позволяет исключить применение влажных мате­риалов. Заваливаемые в печь материалы подсушивают, для чего мульды выдерживают в печи и медленно поворачивают; просушку железной руды и боксита осуществляют в специальных сушильных установках. О перемещении мульд завалочной машиной оповещают звуковым сигналом. Железную руду и известняк заваливают в печь слоями небольшой толщины, предварительно хорошо их прогрев. Неравномерная завалка руды и известняка на подину мартеновской печи приводит к нарушению параметров процесса плавки, поэтому при завалке шихты тяжеловесные и крупногабаритные куски распо­лагают выше, ближе к задней стенке, напротив 2-го и 4-го завалоч­ных окон, а в печах большого объема — против 2, 3, 5 и 6-го окон.

Для заливки чугуна в печь со стороны завалочных окон приме­няют съемные подвесные желоба или желоба, установленные на специальных подставках Желоб перед проведением заливки очища­ют от скрапа, ремонтируют, высушивают и прогревают. Чугуновозный ковш подвешивают над желобом таким образом, чтобы высота падения струи была минимальной, а мощность ее не вызывала пере­полнения желоба чугуном; поворот ковша выполняют плавно, без толчков и сотрясений.

Слив чугуна из ковшей, имеющих на поверхности застывшую корку, может привести к аварии. Для пробивания или прожигания корки в определенном месте у ковша устраивают специальную пло­щадку, снабженную перилами и защитными устройствами от брызг и теплового облучения. Во время слива чугуна обслуживающий пер­сонал удаляют от ковша и желоба на безопасное расстояние.

Заливать жидкий чугун в большую массу расплавленной и окис­ленной ванны недопустимо, так как это может привести к выбросу из печи металла и шлака Для предотвращения бурных реакций в печи чугун заливают до расплавления шихты и образования шлака.

Осмотр, удаление пыли и ремонт верхней части печи над сводом и головками проводят со специальных постоянных площадок, лест­ниц и мостиков с перилами. Подсыпку порогов производят специаль­ной машиной, оборудованной дистанционным управлением затвора­ми. Для подсыпки применяют сухой материал. При подаче сигнала о начале перекидки клапанов подсыпку и чистку порогов прекра­щают.

Во избежание прорыва металла через ложные пороги рабочих окон необходимо, чтобы уровень расплавленной стали в ванне не превышал основных порогов печи. Ложными порогами удерживают только шлак. Пороги очищают завалочной машиной, при этом мате риалы сбрасывают в шлаковый ковш, стоящий под рабочей площад­кой, либо в подставленную под порог коробку, которую после это­го убирают краном. Работы по подсыпке порогов и уборке 'материа­лов прекращают также в период подачи составов с мульдами.

Оповещение о проведении опасной операции выдувки остатков металла и шлака из ям и углублений на подине печи производят звуковым сигналом перед началом выдувки; персонал, нахо­дящийся возле сталевыпускного желоба и в разливочном пролете вблизи печи, удаляют из опасной зоны. Выдувают металл и шлак сжатым воздухом под давлением не менее 588,3 кПа, подаваемым к местам скопления расплава с помощью стальных труб, вставлен­ных в гляделки заслонок окон мартеновской печи. При выполнении этих операций применяют специальные приспособления подставки, переносимые краном.

Шлак под рабочую площадку спускают через отверстие в полу рабочей площадки, которое обычно закрыто откидной крышкой. Ко­робки и ковши для шлака систематически проверяют на отсутствие влаги. Пенистый шлак в ковшах и коробках осаживают сухими ма­териалами — боем кирпича, песком. Кантовку коробок или ковшей со шлаком производят только после его полного затвердевания в сухих местах.

Для полировки ванны используют кусковую железную руду без пыли и мелочи, ее заваливают в мартеновскую печь завалочной машиной, при этом подачу газа и воздуха в печь прекращают, а дымо­вой шибер полностью открывают. Перед загрузкой руды подают зву­ковой сигнал, а обслуживающий персонал удаляется от печи на бе­зопасное расстояние.

Для предупреждения прорыва металла через выпускное отвер­стие принимают особые меры, обеспечивающие его тщательную за­делку. Разделку сталевыпускного отверстия производят, находясь сбоку от желоба и защищая лицо предохранительной сеткой или щитком. Основной мерой безопасности при раскислении стали в ковше является применение измельченных и нагретых раскислителей.