§ 2. Тепловая работа и отопление мартеновских печей

Мартеновскую плавку можно условно разделить на несколько периодов: 1) заправка печи; 2) завалка шихты; 3) плавление шихты; 4) кипение ванны (доводка), раскисление и легирование; 5) выпуск плавки.

Во время периода заправки (обычно 15–20 мин) печь осматривают и устраняют замеченные дефекты. Затем через окна с помощью специальных завалочных машин заваливают твердую шихту: стальной скрап, железную руду, а также твердый чугун или заливают жидкий чугун.

При достижении температуры 1450-1500 °С (в зависимости от состава шихты) наступает момент расплавления шихты, затем металл постепенно нагревается до необходимой температуры, а сталевар проводит те или иные технологические операции, добиваясь получения стали нужного состава, после чего разделывает сталевыпускное отверстие и выпускает плавку.

355

В течение всех этих периодов в печь подают топливо. Под действием тепла факела нагреваются кладка печи и шихта. Около 85–90 % тепла от факела к ванне передается излучением и 5–15 % – конвекцией.

В соответствии с известной формулой Стефана–Больцмана, количество тепла Q, переданного холодной шихте излучением, может быть выражено следующей формулой:

Q = Sc_n[(T_rop/l00Y- (Г_хол/100)⁴],

где 6 – коэффициент, учитывающий оптические свойства кладки и форму рабочего пространства; е_п– степень черноты пламени; Т_гор и Т_хол – температуры факела (горячего) и шихты (холодной), К.

Таким образом, чем выше температура факела и степень черноты пламени, тем интенсивнее нагревается шихта и тем меньше времени затрачивается на плавку. Повышения температуры факела достигают улучшением степени нагрева воздуха и газа в регенераторах и обогащением воздуха кислородом; повышения степени черноты факела – карбюрацией пламени.

Двухатомные газы (О₂, N₂, H₂) практически лучепрозрач-ны для волн всех длин, трехатомные (СО₂, Н₂О, SO₂) обладают некоторой излучательной способностью, однако степень черноты пламени горячего чистого газа составляет всего 0,1–0,2. Чтобы повысить степень черноты пламени, необходимо обеспечить в нем содержание твердых "черных" частичек (в первую очередь углеродистых).

Углеродистые частицы могут появиться в пламени в результате разложения углеводородов: С^Н_У = хС_тъ + _уН_газ, а также при добавке к подаваемому в печь газу различных жидких или твердых топлив, богатых углеродом и сложными углеводородами (мазут, каменноугольный пек). Практически степень черноты пламени е_п не должна быть ниже 0,5; в большинстве случаев она составляет 0,55–0,75.

При одной и той же характеристике факела разность (Г_гор/100)⁴–(Г_хол/Ю0)⁴ тем выше, чем холоднее шихта. Наиболее низкая температура шихты наблюдается во время завалки и в начале периода плавления. Степень черноты холодной твердой шихты близка к единице (0,92–0,95). Поэтому в этот период передача тепла от факела к шихте максимальна, она настолько велика, что практически нет

356

опасности оплавить огнеупоры, и в печь подают максимальное количество топлива.

По мере нагрева шихты температура ее Т_хол возрастает, шихта раскаляется, покрывается шлаком и сама начинает отражать тепловые лучи, в результате чего условия поглощения тепла шихтой ухудшаются. Во избежание нагрева и оплавления огнеупора необходимо уменьшать подачу топлива (рис. 108).

Таким образом, подача топлива по ходу плавки меняется. Максимальной величины расход топлива достигает во время завалки и в начале периода плавления. Подаваемое в это время количество тепла называют максимальной нагрузкой. По мере прогрева шихты подачу топлива уменьшают и тепловая нагрузка падает. Частное от деления общего расхода тепла топлива для одной плавки на время плавки называют средней тепловой нагрузкой или тепловой мощностью печи, т.е.

Расход топлива на плавку, 10⁶ кДж

Продолжительность плавки, ч

= Тепловая мощность, 10⁶ кДж/ч.

Средняя тепловая нагрузка в зависимости от тоннажа печи возрастает от 23,2 для 125-т печи до 69,9 МВт (252 кДж/ч) для 900-т печи. Максимальная тепловая нагрузка на 20–40 % выше средней.

Для характеристики топлива и условий его сжигания применяют коэффициент использования топлива (к.и.т.)

т? = (е_т-0ух)/2т>

где Q_T– теплота сгорания топлива; Q_yx – тепло уходящих газов.

Рис. 108. Схема изменения тепловой нагрузки по ходу плавки в мартеновской печи: А – начало завалки и прогрева твердой шихты; Б – начало заливки жидкого чугуна; В – полное расплавление шихты; Г – выпуск

Для мартеновских печей к„и.т. составляет 0,50–0,55.

Удельный расход тепла (расход тепла топлива на 1т стали) зависит от многих факторов, и прежде всего от емкости печи. По мере увеличения садки печи уменьшаются относительные потери тепла на нагрев футеровки, на отвод тепла с охлаждающей водой и другие потери; в результате удельный расход тепла снижается с 840 для 10–20-т печей до 210МДж/т для 900-т печей.

Топливо

Применяемое для отопления мартеновских печей топливо различают: а) по физическому состоянию: жидкое (мазут, смола), газообразное (доменный, коксовый, природный газы), твердое (каменноугольная пыль); б) по теплоте сгорания: низкокалорийное (доменный газ, теплота сгорания 3,78– 4,2 МДж/м³) и высококалорийное (мазут 39,9–42 МДж/кг, коксовый газ 16,8–18,0 МДж/м³, сухой природный газ типа саратовского 33,6–35,2 МДж/м³, жирный природный газ типа грозненского 63 МДж/м³).

Для успешного проведения мартеновской плавки недостаточно подать в печь определенное количество тепла, необходимо еще, чтобы температура факела при сгорании топлива была достаточно высокой. Температура поверхности шлака в конце плавки составляет примерно 1650 °С. Чтобы тепло пламени достаточно интенсивно передавалось металлу, температура факела должна быть не ниже 1750 °С.

Практическая температура факела t_np = kt_Kajl, где 'кал ~ калориметрическая температура горения топлива; к – пирометрический коэффициент, зависящий от отдачи тепла нагреваемым предметом, от потерь тепла в окружающую среду и от степени диссоциации продуктов сгорания.

Величина коэффициента к близка к 0,7. Следовательно, калориметрическая температура горения топлива в мартеновской печи должна быть не ниже 2400 °С (1700:0,7» «2430 °С). При этом следует иметь в виду, что для обеспечения полноты сгорания воздух для сжигания топлива подают с некоторым избытком, равным обычно 10–20 % (гак называемый "коэффициент избытка воздуха" а = 1,1*1,2).

Калориметрическая температура горения доменного газа низка (~ 2250 °С), температура факела нагретого доменного газа в горячем воздухе ниже 1600 °С, • следовательно,

358

нагреть ванну до нужной температуры при отоплении мартеновской печи одним только доменным газом невозможно. Повысить температуру можно, заменяя воздух кислородом.

Обычно доменный газ применяют в качестве топлива для мартеновских печей только в смеси с другими, более калорийными видами топлива (коксовым газом, мазутом, природным газом).

Наиболее распространены в качестве топлива для мартеновских печей природный газ, мазут и смешанный газ (смесь коксового и доменного газов).

Смешанный газ содержит, %: 16-20 СО, 7-9 СО₂, 20-30 Н2> 8–12 СН₄, 30–40 N₂; состав газа и его теплота сгорания меняются в зависимости от соотношения долей, входящих в состав смеси доменного и коксового газов. Для улучшения светимости факела к смешанному газу обычно добавляют небольшое количество карбюратора (мазута или смолы). Калориметрическая температура горения нагретого смешанного газа в нагретом воздухе составляет около 2600 °С, что обеспечивает получение высокотемпературного факела.

Смешанным газом отапливают печи заводов, имеющих в своем составе доменный и коксохимический цехи. В тех случаях, когда доменного и коксового газов для отопления всех мартеновских и других печей завода не хватает, используют природный газ и мазут.

Природным газом или мазутом отапливают также печи заводов, в составе которых нет доменных и коксохимических цехов. Мазут – первоклассное топливо для мартеновских печей, он дает яркосветящийся настильный высокотемпературный факел (калориметрическая температура горения мазута 2650 °С). Обычно мазут содержит 83-85% С и 10-11% Н₂, остальное – влага, зола и сера. Содержание серы в мартеновских мазутах колеблется в пределах 0,5–0,7 %. Сернистые мазуты (3 % S и более) в мартеновском производстве применяют редко, так как сера из топлива переходит в металл и ухудшает его качество.

Перед подачей к форсункам мазут нагревают до 70-80 °С. Распыление мазута осуществляют сжатым воздухом, подаваемым под избыточным давлением 0,5–0,7 МПа, или перегретым до 300–350 °С паром под избыточным давлением 1,1–1,2 МПа.

По мере развития газовой промышленности большое число печей в нашей стране было переведено на отопление природ-

359

ным газом. Природные газы основных месторождений СНГ примерно на 95% состоят из метана СН₄. Факел природного газа малосветящийся, и для повышения его светимости одновременно с газом в печь вводят некоторое количество (до 30–40 %) мазута. Добавка мазута не только повышает светимость факела, но и утяжеляет его, делает факел более настильным.

Повышать светимость факела пламени природного газа можно также конвертированием, нагревая часть его при недостатке воздуха. Метан при нагревании разлагается ("реформируется") с выделением большого количества сажистых частиц (СН₄ = С + 2Н₂), что обеспечивает получение светящегося факела.

Природный газ – "удобное" топливо: не содержит ядовитых веществ, вредных примесей, дешев, легко транспортируется. Ряд мартеновских печей оборудован газо-кислородными горелками, при помощи которых газ вводят в печь через свод, и высокотемпературный факел природного газа, горящего в кислороде, направляют непосредственно на шихту. Скорость плавления шихты при этом значительно возрастает.

Рис 109 500-т мартеновская печь, работающая на высококалорийном топливе 360

Калориметрическая температура горения холодных мазута и природного газа в нагретом воздухе составляет 2600– 2650 °С.

Таким образом, такие высококалорийные виды топлива, как мазут и природный газ/ дают высокотемпературный факел без подогрева топлива (но с подогревом воздуха).

Вид топлива, следовательно, оказывает влияние на конструкцию печи, которая при отоплении высококалорийным топливом становится значительно проще: вместо двух пар регенераторов (для подогрева газа и воздуха) достаточно иметь только одну пару регенераторов (для подогрева воздуха), соответственно вдвое уменьшается число шлаковиков, отсутствуют газовые вертикальные каналы, упрощается конструкция головки и система перекидки клапанов, легче осуществить автоматизацию печи (рис. 109).