Конструкции металлургических печей

    2 Конструкция мартеновских печей 

    Мартеновские  печи строят двух типов: стационарные и качающиеся. Основное количество стали, выплавляется в стационарных печах.

    В отличие от стационарных у качающихся печей рабочее пространство может  наклоняться для спуска и выпуска  металла. Такие печи применяют только в случае переработки чугуна с  повышенным содержанием фосфора  или кремния.

    Качающиеся  печи сложнее и требуют больших капитальных затрат по сравнению со стационарными.

    В зависимости от футеровки мартеновские печи разделяют на основные и кислые. Наибольшее распространение получили основные печи, так как они позволяют  перерабатывать разнообразную по составу  шихту с повышенным содержанием вредных примесей (фосфора, серы). Подина этих печей наваривается магнезитом или смесью магнезита с доломитом, т. Е. основными огнеупорными материалами.

    Кислые  печи используют для выплавки высококачественных, легированных сталей. Подина наваривается кварцевым песком, содержащим минимальное количество посторонних примесей.

    Одной из основных характеристик мартеновских печей является емкость (или садка). Емкостью (или садкой) мартеновской печи называется вес металлической  части шихты, загружаемой в печь для одной плавки.

    В настоящее время работают печи с  садкой до 500 т. Проектируется постройка  печей с садкой до 850 т. 

    2.1 Верхнее строение печи 

    Рабочее пространство – это наиболее ответственная часть печи, где происходит выделение тепла и передача его шихтовым материалам.

    Размеры площади пода и глубины ванны  сильно влияют на работу мартеновской печи. С точки зрения улучшения  условий передачи тепла металлу  желательно увеличить площадь пода, а глубин у ванны уменьшить. Однако чрезмерно большая площадь пода и заниженная глубина ванны приводят к повышенному окислению металла, что увеличивает потери и затрудняет получение стали заданного состава.

    Увеличение  ширины ванны сверх оптимальной  затрудняет загрузку материалов в печь. При чрезмерной длине ванны возможен отрыв от нее факела, что приводит к ухудшению прогрева металла и к поджогу свода.

    Высота  свода также выбирается оптимальной. При недостаточной высоте свод быстро разрушается от воздействия факела и брызг шлака, попадающих на него. Чрезмерно высокий свод приводит к удорожанию печи и к ухудшению условии нагрева металла, так как уменьшается настильность факела.

    В передней стенке сделаны рабочие  окна, через которые загружается  шихта, а также осуществляется заливка  чугуна (при работе на жидком чугуне) и спуск шлака. В задней стенке предусмотрено отверстие для выпуска стали и отверстие для шлака (при работе на жидком чугуне), которое находится выше уровня порога рабочих окон.

    Головки мартеновских печей одновременно служат для подачи топлива и воздуха в рабочее пространство и для отвода из него продуктов сгорания. В связи с этим к ним предъявляются противоречивые требования. Они должны:

    1) обеспечивать сжигание топлива  в пределах рабочего пространства  при настильном факеле, покрывающем  возможно большую часть поверхности ванны;

    2) отводить продукты сгорания при  минимальных потерях напора в  головках.

    Первое  требование удовлетворяется при  больших скоростях выхода топлива  и воздуха из головки, что может  быть достигнуто при относительно малом  сечении на выходе из нее.

    Однако  снижение потерь напора при отводе дыма через головки требует увеличения ее размеров.

    Применение  мазута и газов, характеризуемых  высокой теплотой сгорания, исключает  необходимость в регенераторах  для подогрева топлива, что упрощает конструкцию печи в целом и, в частности, конструкцию головок.

    Требуемые скорости и настильность факела обеспечиваются за счет кинетической энергии струи  распыленного мазута. На мазутных печах  можно менять угол наклона форсунок по ходу плавки, что обеспечивает поддержание необходимой настильности факела в течение всей плавки.

    Головки для газов высокой теплоты  сгорания, аналогичны головкам для  сжигания мазута. Выходное сечение  горелок рассчитывают на скорость топлива 60 – 70 м/сек. Часто газ сжигается вместе с мазутом в комбинированных горелках. Добавка мазута обеспечивает получение нужной светимости факела.

    В настоящее время появился ряд  усовершенствованных головок мартеновских печей, в которых предусмотрено  устройство для подачи сжатого воздуха  или кислорода. Подача сжатого воздуха через головку позволяет лучше организовать факел и одновременно увеличить газовый пролет. Последнее способствует уменьшению потерь напора при отводе через головки продуктов сгорания.

    Вертикальные  каналы (см. рисунок 1) мартеновских печей соединяют головки со шлаковиками 4. Размеры вертикальных каналов рассчитываются из условия, что скорость топлива составляет 1,5 – 2 м/сек (при t = 0°). 

    2.2 Нижнее строение мартеновской  печи 

    К нижнему строению относятся шлаковики, регенераторы, борова, перекидные клапаны и механизмы управления ими.

    В зависимости от вида используемого  топлива мартеновские печи имеют  одну (жидкое топливо или холодный газ высокой теплоты сгорания) или две пары регенераторов (в  случае подогрева и газа и воздуха). В соответствии с этим меняется и число шлаковиков, боров и т. Д.

    Шлаковика служат для улавливания частиц шлака  и плавильной пыли, уносимых газами из рабочего пространства печи.

    Регенераторы. Высокие температуры в плавильном пространстве мартеновской печи (свыше 1750°) могут быть получены только при значительном подогреве газа и воздуха, либо только воздуха (в случае сжигания топлива высокой теплоты сгорания).

    Газ и воздух, поступающие в рабочее  пространство, подогреваются до 1050 – 1250°.

    Наиболее  ответственным элементом регенераторов является их насадка. Правильно выбранное соотношение основных размеров насадки регенераторов и сечения ее ячеек обеспечивает необходимый тепловой режим работы мартеновской печи.

    Отношение суммы объемов воздушной и  газовой насадок (пары насадок) к площади пода в современных газовых печах составляет 4,3 – 5,5 м3/м2 (первая цифра относится к большим печам).

    Температура дыма на входе в регенератор достигает 1550 – 1600°, а на выходе из насадок – около 700 – 800о.

    Борова  служат для отвода продуктов сгорания из регенераторов печи в котел-утилизатор или дымовую трубу.

    Температура дыма в боровах колеблется от 500 до 850о .

    Регенеративные  печи и, в частности, мартеновские, -по характеру движения в них газов  относятся к реверсивным, V е. печам с периодически изменяющимся направлением движения газов. Изменение направления движения газов осуществляется при помощи перекидных клапанов. 
 

    2.3 Кладка мартеновской печи 

    Огнеупорный кирпич, применяемый для кладки рабочего пространства, работает в наиболее тяжелых условиях. Он должен отличаться высокой огнеупорностью хорошей строитель прочностью при высоких температурах (до 1800о) и устойчивостью против механического и физико-химического воздействия материалов плавки.

    Для кладки рабочего пространства широкое распространение получили основные огнеупоры. В настоящее время в большинстве случаев свод выкладывают из термостойкого хромомагнезита.

    Применение  магнезитохромитовых огнеупоров для  кладки свода позволило повысить не только производительность печи, но и стойкость свода. Стойкость свода увеличилась в 2 – 2,5 раза по сравнению с динасовым сводом и достигла 600 и более плавок. Стены печи снизу до верхнего уровня шлака обычно выкладывают из магнезитового кирпича. Остальная часть – из хромомагнезита (при основном своде), либо из динаса с промежуточным слоем в 1 – 2 хромомагнезитового кирпича (при динасовом своде).

    Под основной печи выкладывают по высоте из нескольких рядов различных огнеупоров. Верхний слой толщиной 470 – 565 мм выкладывают из магнезитового кирпича, поверх которого идет слой магнезитовой наварки толщиной около 250 мм. Кладку головок и вертикальных каналов для печей с основным сводом в последнее время (выполняют из хромомагнезитового кирпича, а внутренняя часть металлического кессона футеруется высокоглиноземистым или термостойким хромомагнезитовым кирпичом.

    Верхнюю часть насадки и внутренних стен регенеративной камеры часто выполняют  из динасового огнеупора, остальную  – из шамота. В настоящее время верхнюю часть насадок стали выкладывать из форстеритового или высокоглиноземистого огнеупоров, которые мало реагируют с плавильной пылью и более стойки. 

    2.4 Производство стали в мартеновских  печах 

    Сущность  мартеновского процесса состоит  в переработке чугуна и металлического лома на паду отражательной печи. В мартеновском процессе в отличие от конвертерного не достаточно тепла химических реакций и физического тепла шихтовых материалов. Для плавление твердых шихтовых материалов, для покрытия значительных тепловых потерь и нагрева стали до необходимых температур в печь подводиться дополнительное тепло, получаемое путем сжигания в рабочем пространстве топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.

    Для обеспечение максимального использования  подаваемого в печь топлива (мазут или предварительно подогретые газы) необходимо, чтобы процесс горения топлива заканчивался полностью в рабочем пространстве. В связи с этим в печь воздух подается в количестве, превышающем теоретически необходимое. Это создает в атмосфере печи избыток кислорода. Здесь также присутствует кислород, образующийся в результате разложения при высоких температурах углекислого газа и воды.

    Таким образом, газовая атмосфера печи имеет окислительный характер, т. Е. в ней содержится избыточное количество кислорода. Благодаря этому металл в мартеновской печи в течение всей плавки подвергается прямому или косвенному воздействию окислительной атмосферы.

    Для интенсификации горения топлива  в рабочем пространстве часть  воздуха идущего на горение, может  заменяться кислородом. Газообразный кислород может также подаваться непосредственно в ванну (аналогично продувке металла в конвертере).

    В результате этого во время плавки происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте. Образующиеся при этом оксиды металлов FeO, Fe₂O₃, MnO, CaO, P₂O₅, SiO₂ и др. Вместе с частицами постепенно разрушаемой футеровки, примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак. Шлак легче металла, поэтому он покрывает металл во все периоды плавки.

    Шихтовые  материалы основного мартеновского  процесса состоят, как и при других сталеплавильных процессах, из металлической части (чугун, металлический лом, раскислители, легирующие) и неметаллической части (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит).

    Чугун может применятся в жидком виде или в чушках. Соотношение количества чугуна и стального лома в шихте может быть различным в зависимости от процесса, выплавляемых марок стали и  экономических условий.

    По  характеру шихтовых материалов основной мартеновский процесс делиться на несколько разновидностей, наибольшее распространение из которых получили скрап-рудный и скрап-процессы.

    При скрап-рудном процессе основную массу  металлической шихты (от 55 до 75 %) составляет жидкий чугун. Этот процесс широко применяется на заводах с полным металлургическим циклом.

    При скрап-процессе основную массу металлической  массы шихты (от 55 до 75 %) составляет металлический лом. Чугун (25 – 45 %), как правило, применяется в твердом виде. Таким процессом работают заводы, на которых нет доменного производства. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3 Конструкция двухванной сталеплавильной  печи 

    При интенсивной продувке мартеновской ванны выделяется значительное количество СО, которую трудно полностью дожечь в самом рабочем пространстве. Часть несгоревшего СО и большое количество пыли выносятся дымовыми газами из рабочего пространства печи.