1463

Основными размерами плавильного пространства, от которо­ го зависит емкость печи, является площадь пода в квадратных метрах и глубина ванны.

В нашей промышленности принят следующий нормальный ти­ повой ряд емкостей:

В настоящее время на наших заводах имеются печи емкостью 500—900 т.

Для нагрева воздуха и газа печи снабжены регенераторами. Размеры регенераторов определяют из расчета: на 1 м2 пода печи должно приходиться 4,5 м3 одной пары регенераторов, воз­ душного и газового.

При плавке в мартеновских печах окисление примесей регу­ лируется физико-химическими процессами, которые совершают­ ся между печными газами и шлаком, шлаком и металлом. Ха­ рактер реакций зависит от окисления и температурных условий, создаваемых в печи в различные периоды времени.

При плавке шлак соприкасается с газами, поэтому он нагре­ вается в первую очередь. При больших количествах шлаков или при тугоплавких шлаках нагрев металла затрудняется. Следо­ вательно, характер шлака и количество его оказывают значи­ тельное влияние на ход плавки. При начале плавки во время расплавления металла происходит окисление Fe, Si, Мп и Р. Из этих окислов и флюсов образуется шлак, затем окисляются при­ меси под слоем шлака. Основным передатчиком кислорода яв­ ляется FeO, находящаяся в шлаке. Закись железа в шлаке реа­ гирует с кислородом печных газов по реакции

6 FeO -f- О2 — 2 Fe30 4 Q.

Эта реакция идет с выделением тепла, поэтому шлак активно окисляется при более низких температурах.

Образующиеся высшие окислы железа диффундируют через толщу шлака и металла и окисляют его по реакции

Fe + Fe30 4 = 4FeO.

Образующаяся закись железа растворяется в металле и окис­ ляет примеси, содержащиеся в нем.

Окисление железа в «холодной ванне» протекает более энер­ гично, однако восстановление закиси железа углеродом замед­ ляется, так как эта реакция требует затраты тепла

FeO + С = Fe + СО— 37 930 кал.

Этот недостаток тепла в мартеновских печах компенсируется подачей дополнительного топлива.

В «горячей ванне» окисление шлака замедляется, тогда как восстановление закиси происходит более энергично. Ванна будет кипеть, металл, перемешиваясь, нагревается быстрее.

Низкая температура ванны будет способствовать окислению шлака и металла под ним. Высокая температура, наоборот, спо­ собствует получению малоокисленного шлака и металла. Сле­ довательно, регулируя температуру в рабочем пространстве печи, можно регулировать процесс окисления и восстановления. В практике работы используют не только температурные усло­ вия, но процесс регулируют путем добавления к шлаку различ­ ных присадок в виде руды или окалины и присадки кислорода.

В мартеновской печи температура металла повышается посте­ пенно, поэтому ход окисления примесей, находящихся в чугуне, идет закономерно: вначале окисляются примеси в «холодной ван­ не», которые выделяют тепло, например:

Si + 2FeO -*2Fe + SiOa+ QJL;

Mn + FeO -»■ Fe + MnO + -Q2'»

2P + 5 FeO 5 Fe + 2 P20 5 + Q3.

Так как углерод восстанавливает железо с поглощением тепла, следовательно, эта реакция идет энергичнее при более горячем

металле.

По виду исходных материалов различают несколько видов плавки:

1.На твердом чугуне и металлическом ломе называют «скраппроцессом».

2.На жидком чугуне для окисления примесей вводят руду, такой процесс называется «рудным процессом».

3.При плавке на жидком чугуне, скрапе и руде, этот процесс называют «скрап-рудным процессом».

Чугунно-рудный и скрап-рудный процессы ведут только в ос­

новных печах, так как в кислых печах под и стены печи будут разрушаться закисью железа, содержащейся в руде.

Общее описание мартеновской печи

Мартеновская печь (рис. 4) состоит из следующих основных частей: рабочего или плавильного пространства, головок с вер­ тикальными каналами, шлаковиков, регенеративных камер с на­ садками, газодымовых боровов, воздушнодымовых боровов, пе­ реводных устройств, общего дымового борова, фундамента и же­ лезобетонных устоев под рабочее пространство. Каждая печь имеет дымовую трубу.

Нижняя часть рабочего пространства называется подом, сте­ на, в которой расположены завалочные окна, называется перед­

рабочего пространства уходят с левой стороны. Тогда через правый газовый клапан поступает газ, который проходит в под­ насадочное пространство газового регенератора, а через пра­ вый воздушный клапан в поднасадочное пространство правого регенератора поступает воздух. Газ и воздух, поднимаясь вверх, обмывают насадку, нагреваются до температуры 1000—1200° С, а затем попадают в поднасадочную часть регенератора.

Из последней они проходят через шлаковики, поднимаются по вертикальным каналам и пролетам головок, через которые поступают в рабочее пространство печи. На выходе из головок нагретые до высокой температуры газ и воздух смешиваются и в рабочем пространстве образуют факел с температурой пла­ мени 1800—1900° С.

Продукты горения вместе с уносимой из рабочего простран­ ства печи пылью, образуют дымовые газы, которые уходят через головки. Меньшая часть газа направляется по газовому пути, а большая по воздушному пути. По вертикальным каналам дымовые газы попадают в шлаковики, где частично осаждается уносимая газами пыль. Газы, пройдя шлаковики, с температурой 1450—1500° С поступают в регенераторы, проходя через регенера­ тивную насадку, отдают ей тепло и при температуре 500—600° С уходят из поднасадочного пространства в боров дымовой трубы. После того как температура насадки с правой стороны пони­ зится, а с левой повысится, происходит перекидка клапанов для изменения направления потока газа и воздуха. После этого будет опять нагреваться насадка правых регенераторов и т. д.

Тепловая работа мартеновских печей

Топливо и требования, предъявляемые к нему

Для работы мартеновских печей применяют различные виды

работы печи.

При оценке топлива учитываются его свойства.

Теплота сгорания. Температура поверхности шлака в конце плавки в печи примерно 1650° С. Для того чтобы тепло пламени передавалось жидкому металлу, необходимо иметь температуру пламени, превышающую 1650° С.

Практикой установлено, что для получения хороших показа­ телей работы печи необходимо иметь отношение температур

= 0,7,

где р — практическая температура;

tK— калориметрическая температура.

Следовательно, желательно применять топливо, обеспечи­

даже температура факела высока, а теплопередача между пла­ менем и ванной недостаточна, металл будет нагреваться мед­ ленно. Это наблюдается тогда, когда топливо при сгорании дает слабо светящийся факел, с малой излучательной способностью. В этом случае дымовые газы мало отдают тепла ванне и уходят из печи при высокой температуре, преждевременно выводят из строя кладку пролетов головок, вертикальных каналов и на­ садки регенераторов. Поэтому топливо при сгорании должно образовывать светящееся пламя, с высокой излучательной спо­ собностью. Светимость пламени в основном зависит от присут­ ствия раскаленных излучающих частиц углерода, содержащих­ ся в топливе или образующихся при разложении углеводородов топлива. Чем таких частиц больше, тем излучательная способ­ ность его выше.

Удельный вес. Во время плавки рабочее пространство печи заполнено продуктами сгорания, объемный вес которых состав­ ляет около 135 кг/м3, топливо, введенное через головки, должно быть достаточно тяжелым, чтобы факел не оторвался от поверх­ ности ванны. В противном случае ванна будет плохо нагре­ ваться, а свод печи, пролеты головок, каналы и насадки будут перегреваться и быстро изнашиваться.

Содержание вредных примесей. Наиболее вредной примесью является сера. Сера переходит в металл и ее должно быть как можно меньше. Топливо не должно содержать много смолы, так как присутствие ее снижает температуру факела и светимость пламени.

Кроме этого, желательно применить малодефицитное и деше­

вое топливо.

Виды применяемого топлива для мартеновских печей под­

газ (доменный и коксовый), генераторный газ, тройная смесь (доменный — коксовый — генераторный), смесь коксового и ге­ нераторного газов и природный газ; 2) жидкое: мазут, смола; 3) твердое: угольная пыль; 4) коллоидное: смесь мазута с уголь­ ной пылью; 5) комбинированное: доменный газ + мазут; коксо­ вый газ + мазут или смола, смешанный газ + генераторный газ + 4-мазут, природный газ + мазут.

Топливо, при применении которого подогревают в регенера­ торах только воздух, условно называют в ы с о к о к а л о р и й ­

ным. К нему относятся: коксовый газ, мазут, смола, угольная пыль, а также их смеси.

Остальные виды топлива называют н и з к о к а л орий- н ы м и, при его использовании подогревают газ и воздух в реге­ нераторах.

Теплопередача в мартеновской печи осуществляется за счет теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Теплопроводностью передача тепла происходит в основном в твердых телах, когда тепло от одной частицы переходит к дру­ гой, непосредственно с ней соприкасающейся.

Передача тепла теплопроводностью через плоскую стенку

иопределяется опытным путем в зависимости от температуры. Конвекция. Процесс теплообмена между жидким или газо­

образным и твердыми телами при их непосредственном сопри­ косновении носит название конвекции. При конвективном теп­ лообмене действуют одновременно теплопроводность и кон­ векция.

Теплопередача конвекцией происходит следующим образом: частицы жидкости или газа, перемещаясь, приближаясь к по­ верхности твердого тела, или отдают или получают тепло непос­ редственным соприкосновением. Таким образом, теплопередача зависит при прочих равных условиях от условий движения жид­ кости или газа. Существуют два рода движения жидкостей и га­ зов: ламинарное и турбулентное. При ламинарном частицы жидкости или газа движутся параллельно стенкам каналов, во втором случае — неупорядоченно, хаотически. Определение ко­ личества тепла, передаваемого при конвективном теплообмене, определяется по формуле

Q = aF (tx— 12) кал/час,

Условие перехода ламинарного движения в турбулентное вы­ ражается критерием Рейнольдса и совершается при Re = 2500.

Этот вид теплопередачи имеет первостепенное значение для воз­ душных потоков в насадках регенераторов.

Лучеиспускание. При теплообмене в рабочем пространстве мартеновской печи теплоизлучение играет главную роль. При температуре факела 1800° С на долю лучеиспускания приходит­ ся более 95% всего передаваемого тепла.

Распространение теплового излучения в настоящее время* рассматривается как процесс движения одного из видов элект­ ромагнитных волн, отличающейся только длиной волныОтли­ чительной особенностью этого вида теплопередачи является возможность передачи тепла через безвоздушное пространство, в то время как ни теплопередачей, ни конвекцией тепло через вакуум не передается. Скорость распределения тепловых лучей в безвоздушном пространстве равна скорости света — 300000 км/сек.

Часть тепловых лучей, падающих на поверхность какого-ли­ бо тела, поглощается, часть отражается, а некоторое количество проходит через тело насквозь. Подавляющее большинство твер­ дых и жидких тел, встречающихся в мартеновском производстве, практически совершенно непрозрачны. Газообразные продукты горения полупрозрачны, т. е. они часть падающих на них лучей поглощают, а часть пропускают. Отражательная способность печных газов равна нулю. Чистый воздух прозрачен для тепло­ вых лучей, он их пропускает полностью, не поглощая и не отра­ жая. Тело, которое поглощает все падающие на него лучи неза­ висимо от длины волны, называется черным телом.

Усвоение тепла шихтовыми материалами. В рабочем прост­ ранстве мартеновской печи имеется три различных температур­ ных зоны, находящиеся в состоянии лучистого теплообмена — печные газы, кладка и шихтовые материалы или жидкая ванна. Кроме этого, происходит конвективный теплообмен между эти­ ми зонами, а также теряется тепло через кладку печи с водой охладительных устройств.

Степень усвоения тепла шихтовыми материалами и жидкой ванной в течение плавки резко изменяется.

Большое практическое значение имеет усвоение тепла ших­ товыми материалами в период завалки и их расплавления. По­ верхность шихтовых материалов, воспринимающих тепло, неявляется постоянной величиной. Она обычно состоит из углуб­ лений и выступов, что увеличивает и создает углы затемнения. Вследствие этого величину поверхности шихтовых материалов, участвующей в эффективном теплообмене, можно грубо принять равной площади жидкой ванны. Обычно форма и размеры кус­ ков загружаемого металлического лома колеблются в больших пределах от стружки, обрезков кровельного железа, до кусков бракованных слитков толщиной до 500 мм. Руда и известняк за­

гружаются в кусках в диаметре до 100—150 мм. Относительная скорость завалки шихты составляет 1—2 т/м2 площади пода в час. Поглощение тепла металлической шихтой на 1 м2 площади пода составляет около 250000 кал при скорости завалки шихты- 1 т/м2• час. На практике температура рабочего пространства пе­ чи во время завалки понижается, а поэтому соответственно и уменьшается теплопоглощение. По окончании завалки шихты температура нагреваемой поверхности повышается, но одновре­ менно повышается и температура в печи, следовательно, и погло­ щение зависит от изменения разности температур печи и на­ греваемой поверхности и шихты. От конца завалки до конца плавки эта разность постепенно уменьшается, в связи с этим по­ нижается и поглощение тепла. Чем меньше теплопроводность материала и чем толще его слой, тем быстрее повышается тем­ пература поверхности и уменьшается поглощение тепла при той же температуре рабочего пространства. В таких случаях повы­ шение температуры печи является бесполезным и даже вредным, так как приводит только к ускорению изнашивания кладки

печи.

Степень усвоения тепла жидкой ванной в основном опреде­ ляется разностью температуры печи и ванны, а также интен­ сивностью кипения ванны. Интенсивность кипения ванны зави­ сит от скорости горения углерода в металле и тем больше, чем выше температура печи.

Можно сжигать в рабочем пространстве печи топливо с тем­ пературой факела до 2000° С, но не сварить плавку, так как ко­ личество сжигаемого топлива в единицу времени будет недоста­ точно и температура внутренней поверхности свода будет невы­

сока.

Высокую температуру внутренней поверхности свода можно достигнуть сжиганием достаточного количества топлива и высо­ кой температурой факела, Для этого необходимо держать мак­ симальный расход топлив^, в начальный период плавки, т. е. во время завалки и в начале плавления маталла, а затем постепен­ но расход топлива понижают.

Нагрев внутренней поверхности динасовых сводов допускают до 1660—1680°С (хромомагнезитовых до 1740—1750°С).

Контроль тепловой работы печи и автоматическое управление

Все технико-экономические показатели мартеновских печей зависят от совершенства теплового режима печи.

Оборудование мартеновских печей контрольно-измеритель­ ной аппаратурой позволяет обслуживающему персоналу вести -систематический контроль за правильной тепловой работой пе­ чи. Применение установок автоматического управления тепло­

вой работой мартеновских печей способствует снижению удель­ ного расхода топлива, а также повышению производительности и стойкости печей.

Полная автоматизация мартеновских печей предусматрива­ ет автоматическое регулирование горения топлива в рабочем пространстве, перекидку клапанов, регулирование тепловых на­ грузок, подачи воздуха и воды.

Плавка стали в основных мартеновских печах скрап-процессом

Плавку стали в мартеновских печах ведут скрап-процессом на тех заводах, где нет доменных печей для получения жидкого чугуна. По этому способу в мартеновскую печь загружают сталь­ ной лом (скрап), чушковый передельный чугун и известь. Соот­ ношение стального лома к чушковому чугуну принимают такое, чтобы среднее содержание примесей в загруженной шихте со­ ставляло: 2,4% С, 0,65% Si, до 1,5% Мп, до 0,13% Р и 0,05% S. Загрузку шихты ведут ускоренно, не допуская охлаждения печи. Во время расплавления шихты почти полностью окисляется кремний и частично окисляется углерод, марганец и фосфор. После расплавления содержание примесей в металле понижа­ ется до 1,0% С, следов Si, 0,25% Мп, 0,05% Р, 0,040% S.

Над расплавленным металлом образуется слой шлака, бога­ тый закисью железа. Дальнейший процесс окисления примесей протекает под слоем шлака, растворенной в металле закисью железа, которая переходит из шлака. Процесс перехода заки­ си железа в металл протекает следующим образом: закись же­

Образующиеся окислы переходят в шлак. Кремнезем и пятиокись фосфора в основном связываются с окисью кальция, обра­ зуя двукальциевый силикат: Si0 2 + 2 СаО.->- 2(СаО) • Si0 2 и соль фосфорной кислоты: (Fe0 )3 P20 5 4- 4СаО-^ (С а0)4 -Р20 5 + 3FeO. Для более прочного соединения пятиокиси фосфора в шлаке поддерживается свободная окись кальция. Образующийся шлак из печи сливают с тем, чтобы не произошло восстановление фос­ фора из шлака в металл. За этот период плавки температура

металла повышается, после чего вступает в реакцию с закисью железа углерод

С + FeO -> Fe + СО.

Во время.окисления углерода происходит кипение ванны, ме­ талл перемешивается, железо восстанавливается из FeO, про­ исходит удаление из металла серы, неметаллических вклю­ чений и газов. Для обессеривания в ванну добавляют свежеобожженную известь. По температуре и содержанию углерода металл доводят до заданных технологических пределов в соответствии с получаемой маркой стали. Так как после кипения в стали все же остается некоторое количество закиси железа, по окончании плавки металл раскисляют раскислителями: марганцем, крем­ нием или алюминием. В случае получения легированной стали после раскисления в металл вводят легирующие добавки в виде ферросплавов (феррохрома, ферротитана и др.) или чистые ме­ таллы (никель, медь и др). Готовую сталь из печи' выпускают в ковши, которые кранами подают на участки разливки стали. Выход жидкой стали в этом процессе плавки составляет около 96% от веса загружаемой металлической шихты в печь.

Плавка стали в основных мартеновских печах рудным процессом

Плавку стали в мартеновских печах ведут рудным процес­ сом на таких металлургических заводах, которые в своем соста­ ве имеют доменные цехи, но не имеют прокатно-кузнечцого про­ изводства.

При рудном процессе перерабатывают на сталь жидкий чу­ гун, получаемый в доменных печах. Для ускорения окисления примесей чугуна добавляют в завалку чистую железную руду в количестве 15—20% от веса заливаемого металла; кроме жид­ кого чугуна и руды, для связывания образующихся окислов за­ гружают известняк. Рудный процесс плавки стали отличается от скрап-процесса тем, что он не требует затрат тепла и времени на расплавление металла и процессы окисления примесей в чугуне протекают под слоем сильно окисленного шлака, v

Окислы руды окисляют железо чугуна по реакции Fe30 4 + Fe -> 4 FeO.

Закись железа взаимодействует с Si, Mn, Р и S, окисляет их. Образующиеся окислы (кремнезем, пятиокись фосфора и час­ тично сера) связываются с окисью кальция, закисью марганца и переходят в шлак. Окисление углерода в этом процессе при по­ вышенной температуре заливаемого чугуна может происходить в начале плавки, когда шлак еще недостаточно нагрет и имеет повышенную вязкость. В таком случае выделяющаяся окись уг-