печи. ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. Печи черной металлургии 41. Технологические цепочки в металлургии
 Скачать 2.15 Mb.
|
Мартеновская печь – пламенная регенеративная печь для выплавки стали из чугуна и стального лома. Схемы мартеновских печей, отапливаемых высококалорийным топли- вом (природным газом или мазутом) и низкокалорийным топливом (коксо- доменная смесь), приведены, соответственно, на рис. 3.2 и рис. 3.3. На рис. 3.2 более детально показана кладка рабочего пространства печи и ре- генераторов, а на рис. 3.3 – схема боровов и перекидных устройств. В конструкции печи выделяют две основные части: а) верхнее строе- ние печи, состоящее из рабочего пространства и головок, расположенных на двух его концах и служащих попеременно для подачи газообразного то- плива и воздуха, предварительно подогретого (подогретых) в регенераторе (определение регенератора см. на стр. 7), и для отвода продуктов горения; б) нижнее строение печи, состоящее из шлаковиков для собирания пыли и шлаков, уносимых дымовыми газами, и регенераторов, аккумулирующих теплоту продуктов горения, с последующей её отдачей воздуху. Принцип работы мартеновской печи поясним по схеме, приведенной на рис. 3.3, как более общей. 46 В предварительно разогретую печь заваливается шихта, состоящая из железной руды, известняка, скрапа, металлического лома (для справки: скрап – это зашлакованные отходы черных металлов, образующиеся при выпуске, транспортиро- вании и разливке чугуна и стали. Иногда под структурной состав- ляющей скрапа подра- зумевают и металло- лом). Печь отапливается с помощью горелки – при работе на высокока- лорийном газе (рис. 3.2) или с помощью форсун- ки – при работе на мазу- те. При работе на низко- калорийном газе (рис. 3.3) топливо так же как и воздух, необходи- мый для горения топли- ва, поступает из регене- ратора в головку печи и далее в рабочее про- странство печи. На рис. 3.3 показан случай, Рис. 3.2. Схема мартеновской печи: 1 - головка печи; 2 - топливосжигающее устройство; 3 - шлаковик; 4 - регенератор; 5 - вертикальный канал; 6 - шлаковая лётка; 7 - сталевыпускное отверстие; 8 - завалочные окна; 9 - дымовые каналы (борова) Рис. 3.3. Схема работы мартеновской печи: 1 - рабочее пространство печи; 2 - головка; 3 - верти- кальные каналы; 4 - шлаковик; 5 - газовый регенератор; 6 - шлаковик; 7 - воздушный регенератор; 8 - перекидные клапаны; 9 - вентилятор; 10 - регулировочная задвижка (шибер); 11 - задвижки на борове к котлу-утилизатору; 12 - задвижки на борове дымовой трубы 47 когда топливо и воздух поступают справа. Обычно применяются однока- нальные головки печи, имеющие один канал для подвода воздуха от реге- нератора (рис. 3.2) и трехканальные головки, включающие один газовый и 2 воздушных вертикальных канала, расположенных по бокам газового ка- нала. Трехканальные головки используются в том случае, когда в регенера- торах подогреваются топливо и воздух. При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800-1900 °С. Факел топливосжигающего устройства организуют так, чтобы он стелился по поверхности шихты. Продукты горения проходят над шихтой, нагрева- ют ее и удаляются через противоположную (левую, см. рис. 3.3) головку, попадая через шлаковики в регенераторы с температурой 1500-1550 °С. В шлаковиках оседает основное количество плавильной пыли. После регене- ратора дым с температурой 500-700 °С уходит к дымовой трубе по системе боровов. Пока через регенератор проходит дым, он (регенератор) постепенно нагревается. Через 5-10 минут следует, так называемая перекидка клапанов. Система клапанов (поз. 8 на рис. 3.3) перенаправляет потоки газа, воздуха и дыма в противоположную сторону. В левые нагретые регенераторы (рис. 3.3) поступают холодный воздух и холодный газ, нагреваются в нем и через головку печи поступают на горение. Продукты горения уходят через правые регенераторы, нагревая его. Затем цикл повторяется. После прогрева шихты до средней температуры около 1250 °С на нее заливается жидкий чугун или заваливается твердый чугун. Далее нагрев ванны продолжается. При достижении поверхности шихты, контактирую- щей с факелом температуры 1450-1500 °С наступает момент ее расплавле- ния, после чего весь металл постепенно переходит в жидкое состояние. На поверхности зеркала металла постоянно образуется шлак, который легче металла. Шлак является своего рода экраном между металлом и факелом. Кроме того, в шлаке накапливаются нежелательные примеси (фосфор и др.), которые при определенных условиях могут перейти в металл. Поэтому шлак периодически скачивают. В процессе плавления проводятся и другие необходимые технологические операции, связанные с удалением примесей и получением стали нужного состава. Затем разделывается сталевыпускное отверстие и через него выпускается плавка. Если характеризовать сам мартеновский процесс, то он заключается в расплавлении шихты, снижении в ней до определённого уровня содержа- ния углерода, кремния, марганца, удалении нежелательных примесей (серы и фосфора) и введении легирующих элементов. Температура в печи должна обеспечивать пребывание металла в жидком состоянии; к концу плавки она составляет около 1650 °С. Для получения такой температуры калориметри- ческая температура горения топлива должна быть не ниже 2350-2500 °С, 48 что обеспечивается высокотемпературным подогревом воздуха, а возможно и топлива, – в регенераторах. Температура плавления стали в зависимости от химсостава колеблется в пределах 1400-1530 °С, а перед выпуском со- ставляет обычно 1550-1650 °С. В соответствии с диаграммой для сплава Fe- С меньшие значения относятся к высокоуглеродистым сталям, а большие – к низкоуглеродистым. Мартеновские печи могут работать как на твёрдой, так и на жидкой завалке. Для заливки жидкого чугуна может быть предусмотрено специ- альное отверстие. Доля твёрдой (лом, чугун в чушках) и жидкой (чугун) за- валки может изменяться от 0 % до 100 %. В зависимости от состава шихты различают скрап-процесс (55-75 % стального скрапа и 25-45 % чугуна в чушках), скрап-рудный процесс (25-45 % железной руды и стального скра- па и 55-75 % жидкого чугуна), скрап-угольный или карбюраторный (сталь- ной лом и карбюратор: антрацит, кокс, графит. Может быть немного чугуна – 10-15 %) и рудный процесс (100 % жидкого чугуна + железная руда, как носитель кислорода). Есть и другие разновидности этих процессов: скрап- кислородный, топливо-кислород-скрап-процесс, отличающиеся не соста- вом шихты, а технологическими условиями их реализации. На практике фактически используются скрап-процесс и скрап-рудный процесс. Иногда скрап-процесс называют переплавочным, а скрап-рудный процесс – рафи- нировочным. Скрап-рудный процесс может использоваться на тех заводах, которые имеют в своем составе доменное производство. В зависимости от состава шлака и материала футеровки (подины) мар- теновский процесс может быть кислым или основным. Наиболее распро- странен основной процесс из-за возможности переработки шихты, загряз- ненной серой и фосфором. Ванну основных печей выкладывают магнези- товым кирпичом, а подину наваривают магнезитом или смесью магнезита с доломитом. Ванну кислых печей выкладывают динасовым кирпичом, а по- дину наваривают кварцевым песком. В целом мартеновский процесс делят на периоды: 1. Заправка печи (осмотр и исправление дефектов кладки подины и порогов окон); 2. Завалка и прогрев твердых материалов шихты; 3. Заливка жидкого чугуна (скрап- рудный процесс) или завалка твердого чугуна (скрап-процесс); 4. Плавление (догрев до температуры плавления твердых материалов, рас- плавление и перегрев металла над температурой ликвидуса на 30-40 °С); 5. Доводка плавки (окончательная рафинировка металла и перегрев распла- ва по отношению к температуре плавления на 55-60 °С). Период обычно состоит из двух этапов: 5а. Полировка или рудное кипение, т.е. кипение при добавках железной руды и 5б. Чистое кипение, т.е. кипение без доба- вок; 6. Раскисление и легирование металла (может проводиться как в печи, так и в ковше во время выпуска стали); 7. Выпуск металла и шлака. 49 Экономичность работы мартеновской печи по расходу топлива зави- сит от длительности плавки. Чем короче плавка, тем меньше тепловая мощность холостого хода и, соответственно, ниже удельный расход топли- ва. Длительность каждого из периодов зависит от типа процесса (скрап- процесс, скрап-рудный процесс и др.), условий сжигания топлива (направ- ление факела, степень черноты факела, калориметрическая температура топлива и др.) и, главное, от способа подачи окислителя (кислорода, возду- ха) в жидкую ванну в периоды плавления и доводки. Кислород необходим для окисления избыточного углерода, содержа- щегося в жидкой ванне. При вводе кислорода образуется большое количе- ство газа СО, активное выделение которого создает иллюзию кипения ван- ны. Эта реакция окисления углерода расплава является основной реакцией мартеновского процесса. Более того, без этой реакции и "кипения" ванны мартеновский процесс невозможен. Активное окисление углерода начина- ется при температуре ванны свыше 1400 °С. Надо отметить, что при подаче кислорода сначала окисляется кремний, затем марганец и только после это- го – углерод, что объясняется различным химическим сродством элементов к кислороду. Так, при t = 1400 °С сродство к кислороду выражается рядом: Cu, Ni, P, Fe, Cr, C, Mn, Si, V, Ti, Al, Mg, Ca. В первую очередь окисляются Са и Mg и в последнюю – Cu и Ni. При кипении выравнивается температура и химсостав ванны, удаля- ются растворенные в металле газы (азот, водород), присоединяются к шла- ку неметаллические включения, интенсивно переводятся в шлак обычно нежелательные для металла фосфор и сера за счет увеличения площади контакта металла со шлаком. Кислород для окисления углерода может попадать в металл тремя способами: 1-й – обычно самый медленный – диффузией из атмосферы пе- чи через слой шлака; 2-й – присадкой в ванну железной руды, желательно в виде кусков агломерата или в виде окатышей; 3-й – самый интенсивный – продувкой металла через водоохлаждаемые кислородные или воздушные фурмы, обычно располагаемые в своде печи. Основной недостаток продув- ки жидкой ванны кислородом связан со значительным пылеобразованием, которое в 7-20 раз выше, чем в печах без продувки. Если не использовать продувку ванны кислородом, то длительность мартеновской плавки составляет 7-12 часов, где меньшая цифра относится к случаю использования воздуха горения, обогащенного кислородом. При использовании кислорода для продувки чугуна общее время плавки может быть уменьшено до 3,5-4 часов, а при параллельном использовании газо- кислородных горелок на стадиях завалки и прогрева возможно сократить время плавки до 2,5-3 часов. В результате мартеновская плавка по своей эффективности приближается к конвертерной, длительность которой всего 35-50 минут. Такого показателя нельзя достичь в мартеновской печи по ус- 50 ловию вспучивания ванны и возможности выброса металла и шлака через рабочие окна на рабочую площадку при бурном выделении СО. Поэтому максимально допустимая скорость окисления углерода в мартеновской пе- чи всего 2 %/час, тогда как в конвертере – 25 %/час, т.е. на порядок больше. Примерная температурно-тепловая диаграмма мартеновской плавки изображена на рис. 3.4. Как видно из рис. 3.4, основные контролируемые параметры – это температура свода, температура ванны, тепловая мощ- ность. Подача топлива по ходу плавки меняется. Максимальный расход его – в период завалки и прогрева шихты. Подаваемое в это время количество теплоты называют максимальной тепловой нагрузкой (тепловой мощно- стью). По мере прогрева шихты тепловая мощность падает – она ограниче- на стойкостью свода, т.е. мощность снижается при достижении сводом максимально возможных температур. Примерный матери- альный баланс выплавки стали основным скрап- рудным процессом до раскисления приведен в табл. 3.3. Соответствую- щий ему тепловой баланс мартеновской печи при- веден в табл. 3.4. При со- ставлении балансов при- нято, что емкость печи 190 тонн, кислород для продувки ванны не ис- пользуется. Печь отапли- вается низкокалорийным коксодоменным газом с теплотой сгорания 8,8 МДж/м 3 , т.е. в регенераторах подогревается не только воздух, но и топ- ливо. За плавку выгорает: 2,36 % С, 0,89 % Mn, 0,58 % Si, 0,118 % Р. Про- должительность плавки 8,5 часа. В данном примере удельный расход топлива составляет 3894/29,308 = 133 кг у.т./т стали. В целом, удельный расход топлива в мартеновских пе- чах зависит от их ёмкости, типа процесса и времени плавки. По мере уве- личения садки печи снижаются удельные потери теплоты холостого хода (потери через кладку, потери с охлаждающей водой и т.п.). В печах без применения кислорода расход топлива составляет 70-280 кг у.т./т стали. Меньшие цифры относятся к крупным печам (900 тонн) на скрап-рудном процессе, а большие – к мелким печам на скрап-процессе. Рис. 3.4. Температурно-тепловая диаграмма мартеновской плавки 51 Таблица 3.3 Ориентировочный материальный баланс получения стали в мартеновской печи (кг/кг жидкой стали) Приход На 1 кг стали Расход На 1 кг стали 1. Чугун жидкий 0,584 1. Сталь жидкая 1,000 2. Скрап 0,390 2. Шлак 0,106 3. Железная руда 0,140 3. СО от окисления углерода шихты 0,054 4. Известняк в завалку 0,037 4. СО 2 от разложения известняка и доломита 0,013 5. Доломит 0,011 5. Корольки металла в шлаке 0,007 6. Кислород из атмосферы печи 0,011 6. Влага, содержащаяся в известняке и желез- ной руде 0,003 7. Известь в период кипения 0,005 8. Магнезит 0,003 9. Материал свода (хромо- магнезит) 0,001 10. Боксит 0,001 Итого 1,183 Итого 1,183 Таблица 3.4 Ориентировочный тепловой баланс мартеновской печи (на 1 кг жидкой стали) Приход кг кДж % Расход кг кДж % 1. Химическая энергия сго- рания газообразного топлива 3894 48,1 1. Физическая теплота продуктов сгорания 4044 49,8 2. Физическая теплота возду- ха, нагретого в регенераторах 1548 19,1 2. Потери теплоты, в т.ч. на диссо- циацию СО 2 и Н 2 О 280 (3,5 %); из- лучением через окна 76 (0,9 %); на водяное охлаждение элементов пе- чи 680 (8,3 %); теплопроводностью через кладку 395 (4,9 %); со шлаком и пылью 12 (0,2 %); с выбивающи- мися газами 323 (4,0 %) 1766 21,8 3. Химическая энергия выго- рания примесей 1078 13,3 3. Физическая теплота нагретой стали 1450 17,9 4. Физическая теплота газа, нагретого в регенераторах 832 10,2 4. Химическая энергия разложения железной руды 520 6,4 5. Физическая теплота жид- кого чугуна 718 8,8 5. Физическая теплота нагретого шлака 249 3,1 6. Химическая энергия шла- кообразования 41 0,5 6. Химическая энергия разложения известняка 67 0,8 7. Физическая теплота ме- таллической шихты 4 0,1 7. Теплота испарения влаги из руды и известняка 19 0,2 Итого 8115 100,0 Итого 8115 100,0 Оценить влияние кислорода можно на показателях 200-тонной печи: без применения кислорода время плавки составляет 9,5-10 часов и удель- 52 ный расход условного топлива 130-160 кг у.т./т; при обогащении дутья кислородом время плавки 7,5-8 часов и расход топлива 100-140 кг у.т./т; при продувке кислородом время плавки 5-5,5 часа и расход топлива 60- 90 кг у.т./т; при использовании газокислородных горелок в "твердый" пе- риод (завалка, прогрев и заливка чугуна) и продувке ванны в "жидкий" пе- риод кислородом время плавки составляет 2,5-3,5 часа и расход топлива 30-60 кг у.т./т. В общем случае длительность плавки при скрап-процессе по сравнению со скрап-рудным процессом выше за счет времени расплавле- ния твердого чугуна. Поэтому расход топлива в скрап-процессе выше при- мерно на 30 %. Если считать топливом примеси, содержащиеся в завалке (Si, C, Mn, P), что вполне логично в связи с выгоранием последних с выделением большого количества теплоты, то удельный расход топлива мартеновской плавки надо увеличивать на 30-40 кг у.т./т стали. Энергетическую сторону мартеновской плавки удобно характеризо- вать через такой показатель, как тепловой дефицит ΔI [Дж/кг], представ- ляющий собой количество теплоты, которое надо сообщить исходным ма- териалам для получения 1 кг жидкой стали. Чем выше тепловой дефицит, тем дольше идет процесс плавки и выше удельный расход топлива. ΔI удобно представлять через объемную долю чугуна в шихте – К чуг , – (рис. 3.5). Если К чуг = 0, то шихта полностью состоит из скрапа, а если К чуг = 100 %, то шихта включает в себя только чугун. На этом рисунке ли- ния 1 справа от пересечения с гори- зонтом ΔI = 0 соответствует ведению конвертерного процесса (с. 53), из чего видно, что максимальное коли- чество скрапа составляет 23 %. Ли- ния 2 соответствует наиболее широ- ко используемому варианту скрап- рудного процесса, когда в шихту вводится 12 % железной руды, что позволяет окислять 40 % примесей рудой; остальное окисляется свобод- ным кислородом. Линия 3 соответ- ствует скрап-процессу с окислением примесей свободным кислородом. Линия 4 отвечает предельному слу- чаю скрап-рудного процесса, когда весь жидкий чугун окисляется ки- слородом руды. Для экономии топлива в марте- новских печах и улучшения их эко- Рис. 3.5. Зависимость теплового дефицита плавки от доли чугуна в шихте: 1 - скрап и жидкий чугун при окислении свободным кислородом; 2 - скрап и жид- кий чугун при окислении свободным ки- слородом и кислородом железной руды (12 % от массы шихты); 3 - скрап и хо- лодный чугун при окислении свободным кислородом; 4 - скрап и жидкий чугун при окислении кислородом руды 53 логических характеристик можно рекомендовать следующее: 1. интенсификация теплообмена в рабочем пространстве печи путём по- вышения температуры факела (использование кислорода) и повышения светимости факела (добавка к газовому факелу мазута или угольной пыли, самокарбюрация); 2. широкое использование кислорода при разогреве твердой шихты газо- кислородными горелками и при продувке кислородом ванны в периоды плавления и доводки; 3. использование кислородно-водяной смеси или многосопловых кисло- родных фурм для продувки жидкой ванны, что приводит к резкому со- кращению пылеобразования; 4. использование испарительного охлаждения для элементов печи: рам завалочных окон, пятовых балок и др. Преимущества испарительного охлаждения: сокращение расхода воды по сравнению с водяным ох- лаждением в 60 раз, резкое сокращение простоев печи на ремонты, по- лучение большого количества пара (6-7 т/ч с одной крупной печи); 5. применение в скрап-процессе взамен твердого чугуна жидкого чугуна, выплавляемого в вагранках. Это позволяет приблизить показатели скрап-процесса к показателям скрап-рудного процесса; 6. утилизация физической теплоты продуктов горения для подогрева воз- духа перед регенератором (в рекуператоре) или для получения пара (в котле-утилизаторе). |