22

Выпущенный из мартеновской печи жидкий металл находится в сталеразливочном ковше под шлаком 20—60 мин и более. Длительность периода от начала выпуска металла из печи до начала разливки зависит от скорости наполнения ковша и времени выдержки металла в ковше. В течение всего этого периода в жидком металле происходят различные физико-химические процессы: печной шлак взаимодействует с футеровкой ковша и с жидким металлом. От продолжительности этого периода зависит степень развития нежелательных реакций между футеровкой, шлаком и металлом в ковше.

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.

23

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

24

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 сводаконструкцию 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

25

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

Впериод 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.

Впериод 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

26

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 кирпи чей 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

27

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

28

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

29

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

30

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