Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 41 из 88

16.4. ТЕПЛОВАЯ РАБОТА МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ
В течение всех периодов мартеновс­кой плавки в печь поддают топливо. Под действием факела нагреваются как шихта, так и кладка печи. Около 90 % тепла от факела к ванне переда­ется излучением и 5—15 % — конвек­цией. Доля тепла, передаваемого кон­векцией, возрастает по мере повыше­ния мощности факела. Мощный фа­кел обеспечивает хорошее смешение топлива с воздухом (или кислородом), подаваемым для горения, повышение доли тепла, передаваемого ванне не­посредственно конвекцией при со­прикосновении факела с ванной, ин­тенсивную передачу ванне кислорода из атмосферы рабочего пространства (окислительную способность печи). Мощность факела¹определяется по формуле
Е = Mw²/2g,
где М— расход топлива, кислорода, распы­лителя, кг/с; w —скорость их выхода из го­релки (форсунки), м/с
В соответствии с известной форму­лой Стефана—Больцмана количество тепла Q, переданного холодной шихте излучением, может быть выражено формулой
Q=е_п[(Т_г/100)⁴-(Т_х/100)⁴],
где — коэффициент, учитывающий опти­ческие свойства кладки и форму рабочего пространства; e_n— степень черноты пламе­ни; Т_ги Т_х — температуры факела (горячего) и шихты (холодной).
Таким образом, чем выше темпера­тура факела и степень черноты пламе­ни, тем интенсивнее нагревается ших­та и тем меньше времени затрачивает­ся на плавку. Повышение температу­ры факела достигается улучшением степени нагрева воздуха и газа в реге­нераторах и обогащением воздуха кис­лородом, повышение степени черноты факела — карбюрацией пламени. Двух­атомные газы (0₂, N₂, H₂) практичес­ки лучепрозрачны для всех длин волн, трехатомные (СО₂, Н₂О, S0₂) 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
C_xH_y = xC_тв + y/2H_2г ,
а также при добавке к подаваемому в печь газу различных жидких или твер­дых топлив, богатых углеродом и сложными углеводородами (мазут, ка­менноугольный пек). Степень черно­ты пламени е„ не должна быть ниже 0,5; в большинстве случаев она состав­ляет 0,55-0,75.

При одной и той же характеристике факела разность (Г_г/100)⁴-(Г_х/100)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). В этот период передача тепла от факела к шихте мак­симальная; она настолько велика, что практически нет опасности оплавле­ния огнеупоров и в печь подают мак­симальное количество топлива. По мере нагрева шихты температура 7_Х возрастает, шихта раскаляется, по­крывается шлаком и сама начинает отражать тепловые лучи, в результате чего условия поглощения тепла шихтой ухудшаются. Во избежание пере­грева и оплавления огнеупоров умень­шают подачу топлива.

Таким образом, расход топлива по ходу плавки меняется. Максимальная величина расхода топлива — во время завалки и в начале периода плавления. Подаваемое в это время количество тепла называют максимальной тепло­вой нагрузкой. По мере нагрева шихты подачу топлива уменьшают и тепловая нагрузка снижается (рис. 16.9). Част­ное от деления общего расхода тепла топлива для одной плавки на продол­жительность плавки называют средней тепловой нагрузкой, или средней тепло­вой мощностью печи.

Средняя тепловая нагрузка в зави­симости от емкости печи возрастает от 23 МВт для 125-т печи до 70 МВт для 900-т печи. Отношение максимальной тепловой нагрузки к средней тепловой нагрузке называют коэффициентом форсировки, величина которого колеб­лется для разных печей от 1,25 до 1,50. Высокие значения коэффициента форсировки характерны для печей, работающих с обогащением воздуха кислородом.

Расход топлива на отопление мар­теновской печи при расчетах печи оп­ределяется по тепловому балансу.

Приходная часть баланса состоит из следующих статей:

1) тепло, вносимое шихтой (жид­ким чугуном);

2) тепло, выделяемое при окисле нии примесей шихты и при шлакооб­разовании;


Рис. 16.9. 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
3) тепло сгорания СО, выделяю­щегося из ванны при ее кипении, до С0₂;

4) физическое тепло нагретых воз­духа и газа;

5) тепло сгорания топлива. Расходная часть баланса состоит из

следующих основных статей:

1) тепло на нагрев ванны (металла и шлака);

2) тепло на испарение влаги, по­павшей в печь вместе с шихтой;

3) тепло, затраченное на восстанов­ление оксидов железа железной руды (если в печь загружалась железная руда);

4) тепло на разложение известняка (если в печь загружался известняк) и на нагрев образующегося при разло­жении известняка СО₂;

5) тепло, пошедшее на нагрев СО₂, образовавшегося при сгорании выде­ляющегося из ванны СО;

6) потери тепла с выбивающимися из печи газами;

7) потери на диссоциацию и от не­догорания топлива;

8) потери тепла через кладку рабо­чего пространства печи и с водой, ох­лаждающей отдельные элементы печи;

9) потери тепла от его излучения в открытые завалочные окна и через щели в кладке печи;

10) потери тепла с дымовыми газа­ми.

Приравнивая приходную и расход­ную части баланса, по их разности оп­ределяют тепло сгорания топлива. Зная теплотворную способность топ­лива, можно определить его расход (см., например, табл. 16.1).
Таблица 16.1. Тепловой баланс рабочего пространства мартеновской печи

Основные статьи прихода тепла	%	Основные статьи расхода тепла	%
Тепло жидкого чугуна1	0-12	Нагрев стали и шлака	18-25
Тепло реакций окисления примесей	8-17	Нагрев СО и СО2, выделяющихся из	1,5-2,0
и реакций шлакообразования		ванны
Тепло сгорания топлива	45-60	Нагрев и разложение железной руды и известняка	1,0-10
Физическое тепло2 подогрева газа3 и воздуха	26-32	Потери тепла с дымовыми газами	45-60
		Потери тепла	15-25
		В том числе:
		с охлаждающей водой	5-15
		через кладку	4-6

'При работе на твердой завалке (скрап-процесс) нет прихода тепла жидкого чугуна, меньшее количество тепла выделяется при протекании реакций окисления примесей, меньше расход тепла на нагрев и разложение железной руды и известняка (так как их расхорд меньше) и т. д.

²Часть тепла, уносимого из рабочего пространства отходящими газами, возвращается в виде тепла подогрева газа и воздуха.

³В печах, отапливаемых высококалорийным топливом, газ не подогревается.
При рассмотрении теплового ба­ланса всей печи становится ясным ос­новное отличие теплового баланса мартеновской печи от теплового ба­ланса конвертера: если в конвертере основная доля прихода тепла — это тепло экзотермических реакций, то в мартеновской печи на долю тепла эк­зотермических реакций приходится менее 20 % прихода тепла. Это объяс­нимо, так как в мартеновской печи перерабатывается значительное количество стального лома (его нужно рас­плавить, и в нем почти нет примесей) и, кроме того, мартеновская печь представляет собой громоздкое соору­жение с массой футеровки, гораздо большей, чем конвертер. Если количе­ство перерабатываемого в печи лома уменьшить и работать почти полнос­тью на жидком чугуне, то можно сни­зить расход топлива до нуля. Однако мартеновская печь плохо приспособ­лена для работы на одном жидком чугуне; передел в сталь жидкого чугуна лучше осуществлять в конвертере. Мартеновская печь — агрегат, созданный для переработки значительных количеств стального лома.

Уменьшить абсолютную величину расхода тепла на нагрев стали и шлака невозможно, так как и сталь, и шлак необходимо нагревать до определен­ной температуры. Однако повысить долю этих статей в тепловом балансе можно, уменьшая другие статьи рас­ходной части баланса: .количество теп­ла, уносимого продуктами сгорания (в результате улучшения теплопередачи), потери тепла в окружающую среду при охлаждении и других процессах (в результате сокращения продолжитель­ности плавки и улучшения конструк­ции печи). Мероприятия, направлен­ные на сокращение продолжительнос­ти плавки, меняют тепловой баланс таким образом, что доля полезно рас­ходуемого тепла (на нагрев стали и шлака) возрастает.

16.4.1. Утилизация тепла отходящих газов и очистка газов. Из данных теп­лового баланса следует, что более по­ловины общего количества тепла ухо­дит из рабочего пространства печи вместе с отходящими дымовыми газа­ми. Температура продуктов сгорания при выходе из рабочего пространства около 1700 "С. Вследствие подсоса воздуха и потерь тепла при прохожде­нии через вертикальные каналы и шлаковики температура газов на входе в регенераторы снижается до 1550— 1600 °С. Температура газов, выходя­щих из насадок регенераторов, состав­ляет уже 500—800 °С. При прохожде­нии через борова и перекидные клапа­ны температура продолжает снижать­ся (главным образом в результате под­соса воздуха) еще на 100—200 °С.

Таким образом, перед дымовой трубой температура отходящих газов составляет 450—700 °С, т. е., несмотря на существенное охлаждение, на вы­ходе из агрегата с газами уносится около 1/3 общего количества тепла, поступающего в печь. Утилизацией этого тепла достигается заметное по­вышение показателей работы печи. Для этого за мартеновскими печами устанавливают котлы-утилизаторы. Наиболее распространен котел с многократной принудительной циркуля­цией воды. В современных котлах-утилизаторах используется 60—70 % тепла отходящих продуктов сгорания, получают 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 через дымосос прямого действия.

16.5. АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОТЫ МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ
Мартеновские печи оборудованы кон­трольно-измерительными и регулиру­ющими приборами и устройствами для полного автоматического контро­ля и регулирования тепловой работы. Ниже приведены основные опера­ции, которые находятся под действи­ем контроля и автоматического регу­лирования:

1. Подача топлива в печь и горение топлива. В зависимости от периода (завалка, плавление, кипение) автома­тически поддерживается определен­ный расход топлива. Если отдельные элементы печи (свод, верхние ряды насадок регенераторов) чрезмерно пе­регреты, подача топлива автоматичес­ки уменьшается. В соответствии с из­менением количества подаваемого в печь топлива меняется и расход возду­ха. Соотношение между расходом топ­лива, воздуха и кислорода поддержи­вается таким, чтобы обеспечивалось полное сгорание топлива в рабочем пространстве печи.

2. Поддержание на определенном уровне давления газов в рабочем про­странстве печи. При нормальной ра­боте печи давление газов в рабочем пространстве подчиняется определен­ным закономерностям (рис. 16.10). Если давление в рабочем пространстве печи возрастает (давление в печи не­прерывно замеряется под сводом), то газы через гляделки и неплотности на­чинают выбиваться из печи; в этом случае регулирующий шибер в борове автоматически поднимается. Если давление падает, то шибер опускается, сопротивление возрастает и давление повышается. Обычно давление под сводом составляет 19,6—24,5 Па.



Рис. 16.10. Распределение давления газов в рабочем пространстве мартеновской печи

3. Перекидка клапанов. При на­греве одной из насадок и охлажде­нии другой, а также при нагреве сво­да наступает момент, когда наиболее целесообразно изменить направле­ние движения газов. Подача воздуха в одну из насадок автоматически прекращается, и он направляется в другую.

Кроме рассмотренных разработа­ны схемы для автоматического опре­деления степени усвоения шихтой тепла в каждый данный момент плав­ки (мгновенное теплоусвоение), ко­личества накопленного шихтой тепла от начала плавки, скорости выгора­ния углерода, концентрации углерода (и других примесей) в любой момент плавки, коэффициента полезного тешюиспользования, а также методы непрерывного замера температур ме­талла и др.

16.6. ТОПЛИВО ДЛЯ МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧЕЙ

И УСЛОВИЯ ЕГО СЖИГАНИЯ
Для характеристики условий сжигания топлива применяют величину, назы­ваемую коэффициентом использования топлива (к. и. т.):

= (Q - Qyx)/Q_T,

где Q_T — теплота сгорания топлива; Q_ух — тепло уходящих газов.

Для мартеновских печей к. и. т. со­ставляет 0,50—0,55. С учетом тепла, полезно используемого для получения пара в котлах-утилизаторах, величина к. и. т. выше.

Удельный расход тепла (расход теп­ла топлива на 1 т стали) зависит от многих факторов и прежде всего от емкости печи. По мере увеличения садки печи уменьшаются относитель­ные потери тепла на нагрев футеров­ки, на уход тепла с охлаждающей во­дой и другие потери; в результате удельный расход тепла снижается с 8400 МДж/т для 50-т печей до 2100 МДж/т для 900-т печей.

Топливо, применяемое для ото­пления мартеновских печей, различа­ют: а) по физическому состоянию: жидкое (мазут, смола), газообразное (доменный, генераторный, коксо­вый, природный газы), твердое (ка­менноугольная пыль); б) по теплоте сгорания: низкокалорийное (теплота сгорания доменного газа 3,78— 4,2 МДж/м³, генераторного газа 4,83-6,30 МДж/м³) и высококало­рийное (теплота сгорания мазута 39,9-42 МДж/кг, коксового газа 16,8—18,0 МДж/м³, «сухого» природ­ного газа 33,6—35,2 МДж/м³, «жирно­го» природного газа 63 МДж/м³).

Температура поверхности шлака в конце плавки составляет пример­но 1650°С. Чтобы тепло пламени достаточно интенсивно передава­лось металлу, температура факела должна быть, по крайней мере, 1750°С.

Практическая температура факела 'п_Р ⁼ Цсал, гае ^ — калориметричес­кая температура сгорания топлива; k — пирометрический коэффициент, зависящий от условий отдачи тепла нагреваемым предметам, от потерь тепла в окружающую среду и от степе­ни диссоциации продуктов сгорания. Величина коэффициента kблизка 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 надо подавать с некоторым избытком — обычно 10— 20%, т. е. сс=1,1н-1.,2.

В качестве топлива для мартенов-Ьких печей обычно используют мазут и (или) природный газ. Мазут — пер­воклассное топливо для мартеновских печей: он дает яркосветящийся на-стиль'ный факел. Обычно мазут содер­жит 83-85 % С и 10-11 % Н₂, осталь­ное — влага, зола и сера. Содержание серы в мартеновских мазутах около 0,5-0,7%.

Перед подачей к форсункам мазут нагревают до 70—80 °С. Распыление мазута производят сжатым воздухом под давлением 0,5—0,7 МН/м² или пе­регретым паром с давлением 1,1 — 1,2 МН/м² (300-350 °С).

Природные газы основных место­рождений примерно на 95 % состоят из метана СН₄. Факел природного газа — малосветящийся, и для повы­шения его светимости одновременно с газом в печь вводят некоторое ко­личество (10—20 %, иногда до 30— 40 %) мазута. Добавка мазута не только повышает светимость факела, но и утяжеляет его, делая факел бо­лее настильным. Повышать свети­мость факела пламени природного газа можно также путем нагрева час­ти его при недостатке воздуха. Метан при нагревании разлагается («рефор­мируется») с выделением большого количества сажистых частиц (СН₄ = = С + 2Н₂), что обеспечивает получе­ние светящего факела. Природный газ является «удобным» топливом: он не содержит ядовитых веществ и вредных примесей, дешев, легко транспортируется.

Ряд мартеновских печей оборудо­ван газокислородными горелками, которые вводят в печь через свод. С помощью этих горелок высокотемпе­ратурный факел природного газа, го­рящего в кислороде, направляют не­посредственно на шихту. Скорость плавления шихты при этом значитель­но возрастает.

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 весьма высокотемпературный факел.