1463
.pdfОсновными 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:
Тоннаж |
печи, пг |
220 |
185 |
125 |
90 |
70 |
50 |
35 |
Площадь |
пода, м2 |
74,0 |
70,0 |
52,0 |
42,5 |
36,0 |
29,0 |
23,0 |
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
топлива: газообразное, жидкое, твердое или |
их смеси. Вид |
и качество топлива оказывают большое влияние |
на показатели |
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
вающее |
калориметрическую температуру горения |
не ниже |
|
1650° С, |
для получения практической |
температуры |
1650*0,7 = |
= 2350° С. |
|
|
|
Светимость пламени. Для успешного ведения плавки недо |
|||
статочно только высокой температуры |
продуктов сгорания. Если |
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
разделяются на: |
$ |
1) газообразное: доменный |
газ, коксовый газ, смешанный |
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
при |
стационарном |
потоке |
может быть выражена уравнением |
|
|
Q = ^ |
(fх — t2) F кал, |
где |
К — коэффициент теплопроводности кал/м • час • град; |
||
|
5 — толщина стенки, м; |
|
|
t\—U — температура поверхности стенки,0 С;- |
|||
|
F — поверхность стенки, м2. |
||
|
Коэффициент |
теплопроводности зависит от свойств тела |
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,
где |
а — коэффициент |
теплопередачи, |
кал/м2 • час • град\ |
|
F — поверхность |
соприкосновения |
твердого тела с |
|
газами или жидкостью, ж2; |
газами или жид |
|
|
— 12— разность температур между |
||
|
костью и твердым телом. |
|
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
леза |
(FeO) на поверхности шлака кислородом пламени окисля |
|||||
ется до Fe3 0 4, которая, диффундируя через слой шлака |
на гра |
|||||
нице |
жидкого |
металла, |
окисляет |
железо |
по |
реакции |
Fe3 0 4 + Fe = 4Fe0. |
FeO, растворяясь в |
металле, |
окисляет при |
|||
меси. |
|
Si -{- 2 FeO —у 2Fe -J- Si02i |
|
|
||
|
|
|
|
|||
|
|
Мп + FeO -у Fe + MnO; |
|
|
||
|
|
2P + 5 FeO -> 5 Fe + |
P20 5; |
|
|
|
|
|
(FeO) 3 -f- P20 5 |
—y (FeO) 3 |
• P2O5 . |
|
|
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-