§ 8. Тепловой и материальный балансы мартеновской плавки

Основные статьи себестоимости мартеновской стали (расход металлической шихты и расход топлива на 1 т жидкой стали) определяются тепловыми и материальными балансами. Данные расчетов баланса одной из плавок в 50-т печи по скрап-процессу приведены в табл. 8, а 185-т печи по скрап-рудному процессу при работе без продувки ванны кислородом – в табл. 9.

На основе данных, приведенных в табл. 8 и 9, можно сделать следующие выводы:

1. Выход жидкой стали при скрап-рудном процессе (по отношению к массе чугуна и скрапа) значительно выше, чем при скрап-процессе, что обусловлено восстановлением желе за из заваливаемой в печь железной руды.

2. Из атмосферы печи поступает кислорода значительно больше при скрап-процессе (при скрап-рудном процессе основное количество кислорода на окисление примесей по ступает с заваливаемой железной рудой).

3. Общее количество образующегося за плавку шлака при скрап-рудном процессе больше, чем при скрап-процессе.

4. Мартеновская печь является очень несовершенным теп ловым агрегатом, лишь небольшая доля общего прихода тепла расходуется полезно – на нагрев металла и шлака. Значи тельное же количество тепла уносится дымовыми газами и теряется (следует при этом иметь в виду, что часть тепла, уносимого из рабочего пространства газами, возвращается с нагретым в регенераторах воздухом и газом).

400

Таблиц а 8. Материальный и тепловой балансы плавки при основном мартеновском скрап-процессе¹

Приход	%	Расход	%
Материальный баланс	{на 100 единиц массы металлической шихты)
Чугун чушковый	34,000	Сталь жидкая	96,402
Скрап	66,000	Корольки металла в шлаке	0,650
Ферромарганец	0,838	Шлак скаченный	5,339
Ферросилиций	1,250	Шлак конечный в печи
Известняк в завалку	4.597	перед выпуском	8,013
Железная руда	2,000	СО от окисления углеро-
Заправочный материал (до-		да шихты	3,051
ломит)	3,000	СО от разложения извест-
Материал свода	0,200	няка и извести	1,910
Кислород и атмосфера печи	2,560	Влага, содержащаяся в
		известняке и железной руде	0,080
Всего	115,445	Всего	115,445
Тепловой	баланс	рабочего пространства
Экзотермические реакции		На нагрев стали	15,43
выгорания примесей	8,30	На нагрев шлака	3,44
Теплота шлакообразования	0,48	Испарение влаги из руды
Теплота сгорания топлива		и известняка	0,06
(мазута)	61,67	Разложение известняка	0,85
Физическое тепло воздуха,		Уносится с продуктами
нагретого в регенераторах	29,55	сгорания	63,86
		Потери в окружающую
		среду и с охлаждающей
		средой	16,36
Всего	100,00	Всего	100,00

'Выплавляется спокойная среднеуглеродистая сталь с раскислением в печи ферромарганцем и доменным ферросилицием

5. В отличие от конвертерных процессов доля прихода тепла от экзотермических реакций окисления примесей невелика, основную статью прихода тепла составляет тепло сгорания топлива.

Если составить тепловой баланс не рабочего пространства, а всей печи (без учета регенерации тепла), то можно приблизительно принимать, что 90 % прихода тепла – это тепло сгорания топлива (10%- тепло экзотермических реакций окисления примесей). Что же касается расхода тепла, то он делится примерно на три равные доли: 1)на процесс (нагрев металла и шлака); 2) на потери через кладку, с охлаждающей водой и др.; 3) на тепло, уносимое с продуктами сгорания.

401

Таблица 9. Материальный и тепловой балансы плавки при основном мартеновском скрап-рудном процессе¹

Приход	%	Расход	%
Материальный баланс	(на 100 единиц массы металлической шихты)
Чугун жидкий	65,000	Сталь жидкая ....	103,522
Скрап	35,000	Корольки металла в шлаке	! 0,757
Ферромарганец ....	0,578	Шлак, спущенный из пе-
Железная руда в завалку	15,472	чи во время плавления	8,000
Железная руда в период		Шлак конечный в печи
кипения	2,000	перед выпуском . . .	7,355
Известняк в завалку	4,755	СО от окисления углеро-
Известь в период кипения	0,672	да шихты	6,064
Заправочный материал (до-		СО2 от разложения из-
ломит и магнезит) . .	3,000	вестняка, извести, до-
Материал свода ....	0,200	ломита	2,203
Кислород из атмосферы пе-		Влага, содержащаяся в
чи . .	1,375	известняке в железной
		руде	0,151
Всего	128,052	Всего . ...	128,052
Тепловой	баланс	рабочего пространства
Тепло жидкого чугуна .	10,30	На нагрев стали . .	20,10
Экзотермические реакции		На нагрев шлака . .	4,77
выгорания примесей . .	8,52	Испарение влаги из руды
Теплота шлакообразования	0,58	известняка	0,13
Тепло сгорания топлива		Разложение известняка	1,05
(смешанного газа) . .	48,75	Уносится с продуктами
Физическое тепло воздуха,		сгорания	58,90
нагретого в регенераторах"	20,93	Потери в окружающую
Физическое тепло газа, на-		среду и с охлаждением
гретого в регенераторах	10,92	водой	15,05
Всего	100,00	Всего	100,00
Шыплавляется кипящая сталь СтЗ		с раскислением в печи ферромарганцем.

Следует иметь в виду, что во всех экономических расчетах расходы шихты, топлива и других материалов относят не к жидкой стали (как в расчете баланса), а к годной стали. Выход 1 т годной стали равен 1 т жидкой стали минус потери при разливке, брак и др. С уменьшением этих потерь величина выхода годной стали приближается к величине выхода жидкой стали, в результате чего уменьшается расход шихты и других материалов на 1 т годной стали.

Уменьшить в тепловом балансе абсолютные величины статей расхода тепла на нагрев стали и шлака невозможно, так как сталь и шлак необходимо нагревать до определенной

402

температуры. Однако повысить долю этих статей в тепловом балансе можно, уменьшив другие статьи расходной части баланса: количество тепла, уносимого продуктами сгорания (в результате улучшения теплопередачи), и потери тепла (в окружающую среду, при охлаждении и др.) в результате сокращения продолжительности плавки и улучшения конструкции печи. Все мероприятия, способствующие сокращению продолжительности плавки, влияют на тепловой баланс таким образом, что доля полезно расходуемого тепла (на нагрев стали и шлака) возрастает. К этим мероприятиям прежде всего относятся: а) сокращение продолжительности завалки шихты; б) применение кислорода (вместо воздуха) для повышения температуры факела, в результате чего улучшается теплопередача и продолжительность плавки сокращается; в) подача в факел высокоскоростной струи кислорода, сжатого воздуха или перегретого пара, в результате чего повышается кинетическая энергия факела, улучшается его излучательная способность и возрастает доля тепла, передаваемого конвекцией; г) ускорение реакций окисления примесей при замене железной руды газообразным кислородом или сжатым воздухом; д) автоматизация работы печи с целью организации ведения плавки при оптимальных расходах топлива и добавочных материалов.

Цель почти всех технико-экономических мероприятий, проводимых в мартеновских цехах, – улучшение показателей материального и теплового балансов, так как эти показатели определяют в основном себестоимость стали.

Утилизация тепла отходящих газов. Очистка газов

Из данных теплового баланса видно, что около 2/3 общего количества тепла уходит из рабочего пространства печи вместе с дымовыми газами. Температура продуктов сгорания при выходе из рабочего пространства равна примерно 1700 °С. Вследствие подсоса воздуха и потерь тепла при прохождении через вертикальные каналы и шлаковики температура газов при поступлении в регенераторы снижается до 1500–1550 °С. Из-под насадок регенераторов дымовые газы выходят с температурой 500–800 °С. При прохождении через борова и перекидные клапаны эта температура снижается (главным образом в результате подсоса воздуха) еще на 100-200 °С.

403

Таким образом, перед дымовой трубой температура отходящих газов составляет все еще 400-600 °С, они содержат около l/З общего количества тепла, поступающего в печь. Поэтому утилизация этого тепла позволяет существенно повысить показатели работы печи. Температура отходящих газов на двухванных печах, работающих без регенераторов, еще выше.

За всеми мартеновскими и двухванными печами установлены котлы-утилизаторы. Наиболее распространен котел с многократной принудительной циркуляцией воды (рис. 115). В современных котлах-утилизаторах используется 60–70 % тепла отходящих продуктов сгорания и вырабатывается 350–450 кг пара на 1 т выплавляемой стали.

Температура продуктов сгорания в котлах-утилизаторах снижается до 150–230 °С. С такой температурой газы можно отсасывать дымососом прямого действия (котел представляет собой дополнительное значительное сопротивление на пути движения газов, поэтому тяги дымовой трубы на хватает, чтобы протянуть дымовые газы через котел, требуется дополнительный дымосос).

Снижение температуры дымовых газов при прохождении их через котел-утилизатор позволяет решить также чрезвычайно важную задачу– очистку дыма от плавильной пыли. Количество пыли в дымовых газах, выходящих из печи, колеблется по ходу плавки от 1,0 до 10,0 г/м³, 50-75% пыли оседает в шлаковиках, 10–25 % в регенераторах и 10–20 % уходит в борова и в трубу.

Рис. 115. Котел-утилизатор вертикального типа:

1 – питательный насос; 2 – дымосос; 3 - футеровка; 4 – ксжух котла; 5 – змеевик водяного экономайзера; 6 – испарителльный змеевик; 7 – барабан; 8 – циркуляционный насос; 9 – змеевик пароподогревателя

404

Если принять, что на 1т выплавляемой стали вместе с продуктами сгорания из трубы выходит 1 кг плавильной пыли, то за год из труб мартеновских цехов современного металлургического завода, на котором выплавляют 4–5 млн.т стали в год, вылетает 4–5тыс.т мельчайшей (до 1 • 10~⁷см) плавильной пыли.

Для предотвращения уноса пыли после котлов-утилизаторов монтируют установки для ее улавливания обычно с электростатическими газоочистками.

Улавливаемую пыль (в основном оксиды железа) используют в качестве шихты в доменных или мартеновских печах.

Особенно важна установка очистительных устройств на современных печах, на которых применяют интенсивную продувку ванны кислородом. Содержание пыли при продувке возрастает перед котлом-утилизатором до 10–25г/м³. Современные установки сухой (электростатической) и мокрой (в скруббере Вентури) очистки газов обеспечивают снижение содержания пыли на выходе из газоочистки до 0,1– 0,15 г/м³.