Процессы с аргоно- и парокислородным дутьем

В последние годы получает распространение выплавка в кон­вертерах низкоуглеродистых и, в частности, низкоуглеро­дистых коррозионностойких и электротехнических сталей путем продувки смесями аргон—кислород и пар—кислород. В 1990 г. процессом аргоно-кислородной продувки, получивше­го название АОД-процесса, было произведено более половины мировой выплавки коррозионностойких сталей. Широкое расп­ространение этого процесса связано с тем, что он позво-

 

334

335

ляет получать хромоникелевую коррозионностойкую сталь с очень низким содержанием углерода при использовании де­шевого высокоуглеродистого феррохрома, в то время как традиционный способ выплавки этих сталей в электропечах требовал применения дорогостоящего низкоуглеродистого феррохрома.

Суть процесса АОД сводится к тому, что расплав, содер­жащий высокоуглеродистый феррохром, обезуглероживают в конвертере, вдувая аргоно-кислородную смесь; при этом достигается очень низкая (0,03-0,01 %) концентрация угле­рода в металле без значительного окисления железа и хро­ма, что происходило бы при продувке одним кислородом. Причина этого в том, что в зонах протекания реакции [С] +1/20₂ = СО ее продукт — СО разбавляется аргоном, т.е. снижается парциальное давление СО, благодаря чему равновесие реакции сдвигается вправо, в сторону более полного окисления углерода. Кроме того, для уменьшения окисления хрома процесс ведут при высокой (1700—1720 °С) температуре (поскольку окисление хрома 2[Сг] +1,50₂ = = Сг₂0₃ идет с выделением тепла, повышение температуры вызывает сдвиг равновесия реакции влево).

Распространенный вариант технологии выплавки хромони-келевой коррозионностойкой стали процессом АОД заключает­ся в следующем. В электродуговой печи получают из сталь­ного лома, углеродистого феррохрома и никеля расплав, содержащий требуемые количества хрома и никеля и 1— 2,5 % углерода с температурой ~ 1550 °С. Расплав заливают в конвертер вместе с 1—2 % электропечного шлака и ведут продувку, подавая аргоно-кислородную смесь в защитной оболочке из аргона через фурмы, расположенные в стенке конвертера над днищем. Продувка делится на два периода — окислительный, когда металл продувают смесью кислорода и аргона переменного состава, и восстановительный, когда продувку ведут аргоном. Окислительная продувка длится 30—50 мин, ее начинают смесью с соотношением расходов кислорода и аргона 3:1. По мере уменьшения концентрации углерода в металле долю аргона в смеси увеличивают, что облегчает окисление углерода; заканчивают продувку при соотношении кислород—аргон 1: 3,5.

По ходу продувки в конвертер несколькими порциями за­гружают известь (до 6 % от массы металла), а в середине

336

продувки — охладитель (скрап). За время продувки окис ляются весь кремний и углерод, а также немного железа, марганца и хрома (при исходном содержании хрома, напри­мер, 16,5 % его концентрация в металле снижается до ~ 14,5 %). Образующийся из электропечного шлака, добав­ляемой извести и продуктов окисления шлак содержит менее 2-4% оксидов железа, до 20-30% Сг₂О_а и в конце окисли­тельного периода, имея основность 1,8—2,0, является туго­плавким и гетерогенным. Когда углерод окислен до содержа­ния около 0,03%, начинают восстановительный период, за­дачами которого являются восстановление хрома из шлака и удаление в шлак серы. Отключают подачу кислорода, в кон­вертер вводят известь для повышения основности шлака, ферросилиций и силикомарганец для восстановления хрома из шлака и плавиковый шпат (до 0,75 % от массы металла) для разжижения шлака, чтобы он стал реакционноспособным. Про­дувка аргоном длится 8 мин и более. За это время кремний восстанавливает большую часть оксидов хрома шлака (усвое­ние хрома составляет примерно 98 % от исходного содержа­ния в шихте), а также оксидов железа и марганца. В шлак удаляется до 50% (и более) содержавшейся в металле серы за счет ее реагирования с СаО. Содержание фосфора в ме­талле остается неизменным, поскольку он не удаляется в шлак из-за низкого содержания в последнем оксидов железа. Общий расход кислорода и аргона составляет соответст­венно 20-30 и 10-25 м³/т стали. Технология АОД-процесса постоянно совершенствуется; находят применение ряд разно­видностей этой технологии. Одна из них предусматривает вдувание аргоно-кислородной смеси в течение первых 5—8 мин окислительной продувки с помощью вводимой в кон­вертер сверху фурмы. Еще одна разновидность предусматри­вает проведение восстановительного периода с раздельным восстановлением хрома и десульфурацией. При этом в начале периода в конвертер добавляют ферросилиций и плавиковый шпат и ведут продувку аргоном до восстановления хрома из шлака. Далее шлак сливают, в конвертер вводят новую пор­цию шлакообразующих — известь с плавиковым шпатом и вновь проводят продувку аргоном. При этом в шлак удаляется сера (до 90 % от ее исходного содержания). С целью экономии дорогостоящего аргона иногда в начале окислительного пе­риода вместо него используют азот.

337

Ход плавки на воздушном дутье

Для продувки в малобессемеровских конвертерах используют чугун марки Б-1, который содержит, %: 3,0-3,5 С; 1,25— 1,75 Si; 0,6-1,2 Мп; < 0,07 Р и <0,04S. Этот чугун от­личается повышенным содержанием кремния, являющегося ос­новным "топливом" малобессемеровского процесса.

Жидкий чугун в литейных цехах получают расплавлением в вагранках твердого чугуна. Температура чугуна при заливке в конвертер обычно составляет 1350—1450 °С. После заливки чугуна подают дутье и конвертер поворачивают так, чтобы фурмы были немного погружены в металл. Это способствует улучшению перемешивания металла и позволяет более полно использовать кислород дутья.

Продувка делится на два периода. В первом (4-6 мин) окисляются кремний, марганец, железо и образуется Шлак, состоящий из Si0₂, FeO и MnO. Вследствие повышенного уга­ра железа при поверхностной продувке содержание FeO в шлаках первого периода достигает 45 %. После того как окислились кремний и марганец, начинается второй период — выгорание углерода. Конвертер наклоняют на 5—20° от вер­тикального положения в сторону, противоположную фурмам так, чтобы дутье поступало на поверхность металла. Это создает условия для догорания окиси углерода в полрсти конвертера. Содержание FeO в шлаке во втором периоде по­нижается, так как оно расходуется на окисление углерода.

Скорость окисления углерода при малом бессемеровании периодически изменяется, что внешне проявляется в чере­дующихся подъемах и опусканиях пламени над конвертером.

В начале второго периода СО догорает до СО_г внутри конвертера и яркого пламени над горловиной не обнаружи­вается. Повышение температуры металла в результате дого­рания СО приводит к резкому возрастанию интенсивности окисления углерода. Металл вследствие выделения большого количества пузырьков СО вспенивается и поднимается выше фурм. Дутье при этом проходит через слой чугуна, и весь кислород расходуется на окисление углерода внутри метал­ла. Поэтому СО догорает лишь при выходе из конвертера, и над горловиной появляется яркое пламя.

Так как поступление тепла от дожигания СО прекраща­ется, а реакция окисления углерода за счет оксида железа

340

шлака идет с поглощением тепла, температура металла и интенсивность выгорания углерода быстро падают. Уровень металла опускается, и дутье снова начинает поступать в полость конвертера. Догорание оксида углерода вновь про­исходит внутри конвертера, и пламя над горловиной исчеза­ет. Дальнейшее повышение температуры металла ведет к пов­торению описанного цикла. При нормальном ходе плавки обычно наблюдаются два подъема и опускания пламени.

После окончания продувки металл раскисляют и выпускают в ковш. Длительность продувки обычно равна 14-23 мин. Температура стали при выпуске составляет 1680-1720 °С. Конечный шлак малого бессемерования содержит 55—70 % SiOj, 14-25% FeO и 8-15% MnO.

Продувка кислородом

В последние годы для продувки чугуна в малобессемеровских конвертерах применяют воздух, обогащенный кислородом, и чистый кислород. Это позволяет сократить продолжитель­ность плавки, использовать в шихте стальной лом, увели­чить выход годной стали.

При работе на кислороде количество дутья уменьшается в 12-15 раз, и поэтому устанавливают одну фурму, представ­ляющую собой медную или латунную трубку, пропущенную че­рез огнеупорный стержень с отверстием по оси (рис. 101). Фурму устанавливают в боковой стенке конвертера под углом 30—45° к поверхности ванны при вертикальном положении конвертера. Внутренний диаметр сопла в зависимости от емкости конвертера изменяется в преде­лах 8—16 мм.

Рис. 101. Кислородная фурма малого бес­семеровского конвертера: / — футеровка конвертера; 2 — огнеупор­ные трубки; 3 — латунная или медная трубка; 4 — дутьевая коробка; 5 — огне­упорная масса

341

При продувке кислородом в конвертер перед заливкой чу­гуна загружают лом (до 40 % от массы чугуна). После слива чугуна конвертер устанавливают так, чтобы устье фурмы бы­ло погружено в металл на 50—100 мм. С самого начала про­дувки одновременно окисляются кремний, марганец и углерод чугуна. Окисление кремния и марганца заканчивается на 3—5-й мин продувки, после чего начинается бурное окисле­ние углерода. В начале бурного окисления углерода конвер­тер поворачивают в сторону, противоположную фурмам, чтобы часть кислорода расходовалась на дожигание оксида углеро­да в полости конвертера.

Длительность продувки составляет 10—15 мин, давление кислорода на разных заводах колеблется в пределах 0,5-1,5 МПа.

Содержание FeO в шлаке при продувке кислородом меньше, чем при продувке воздухом. Благодаря этому, а также вследствие сокращения длительности продувки, заметно уменьшается угар железа. Сталь, выплавленная при работе на кислородном дутье, содержит в 2—3 раза меньше азота, чем при работе на воздушном дутье.

Технико-экономические показатели процесса

Производительность малобессемеровских конвертеров зависит от организации работ литейного цеха. Выход жидкой стали при работе на воздушном дутье составляет 82—87 % от массы жидкого чугуна. Потери в виде угара металла, выбросов и корольков в шлаке равны 13-18%. Расход воздуха состав­ляет 600—800 м³/т чугуна. Угар чугуна при его расплавле­нии в вагранке составляет 3-5%.

При продувке чистым кислородом выход жидкой стали уве­личивается до 92—93 %. Расход кислорода составляет 50 — 70 м³ на 1т стали. Применение стального лома при кисло­родном дутье обеспечивает снижение стоимости стали.

Г л а в а 3. МАРТЕНОВСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сущность мартеновского процесса заключается в ведении плавки на поду пламенной отражательной печи, оборудован­ной регенераторами для предварительного подогрева воздуха (иногда и газа). Идея получения литой стали на поду отра­жательной печи высказывалась многими учеными (например, в

342

1722 г. Реомюром), но осуществить это долгое время не удавалось, так как температура факела обычного в то время топлива — генераторного газа - была недостаточной для на­грева металла выше 1500 °С (т.е. недостаточна для получе­ния жидкой стали). В 1856 г. братья Сименс предложили ис­пользовать для подогрева воздуха тепло горячих отходящих газов, устанавливая для этого регенераторы. Принцип реге­нерации тепла был использован Пьером Мартеном для плавки стали. Началом существования мартеновского процесса можно считать 8 апреля 1864 г., когда П.Мартен на одном из за­водов Франции выпустил первую плавку.

В мартеновскую печь загружают шихту (чугун, скрап, ме­таллический лрм и др.), которая под действием тепла от факела сжигаемого топлива постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки для полу­чения металла заданного состава и температуры; затем го­товый металл выпускают в ковши и разливают. Благодаря своим качествам и невысокой стоимости мартеновская сталь нашла широкое применение. Уже в начале XX в. в мартеновс­ких печах выплавляли половину общего мирового производст­ва стали.

В России первая мартеновская печь была построена С.И.Мальцевым в 1866—1867 гг. на Ивано-Сергиевском желе­зоделательном заводе (бывш. Калужской губернии) Мальцев-ского фабрично-заводского округа. В 1870 г. первые плавки проведены в печи вместимостью 2,5 т, построенной извест­ными металлургами А.А.Износковым и Н.Н.Кузнецовым на Сор­мовском заводе. Эта печь хорошо работала и стала образцом для печей большой вместимости, построенных позже на дру­гих русских заводах. Мартеновский процесс стал основным в отечественной металлургии. Огромную роль сыграли марте­новские печи в суровые годы Великой Отечественной войны. Советским металлургам впервые в мировой практике удалось удвоить садку мартеновских печей без существенной их пе­рестройки (ММК, КМК), удалось наладить производство высо­кокачественной стали (броневой, подшипниковой и т.п.) на действовавших в то время мартеновских печах. В настоящее время наиболее крупные и высокопроизводительные мартеновские печи работают в России и Украине. По мере расширения конвертерного и электросталеплавильного производств масштабы производства мартеновской стали сокращаются.

343

§ 1. КОНСТРУКЦИЯ И РАБОТА МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ

На рис. 102 схематически показана мартеновская печь в тот момент, когда топливо (газ) и воздух поступают с правой стороны печи. Проходя через предварительно нагретые на­садки регенераторов (воздух через воздушный регенератор, газ через газовый), воздух и газ нагреваются до 1000—1200 °С и в нагретом состоянии через головку попа­дают в печь. При сгорании топлива образуется факел с тем­пературой 1800—1900 °С. Пройдя головку, расположенную в противоположной стороне печи, раскаленные продукты сгора­ния попадают в другую пару насадок регенераторов и по системе боровов уходят к трубе. При этом насадки регене­раторов нагреваются. При такой работе насадки регенерато­ров правой стороны постепенно охлаждаются, а насадки ре­генераторов левой стороны нагреваются. В момент, когда

Рис. 102. Современная мартеновская печь:

1 — головка; 2 — вертикальный канал; 3 — шлаковик; 4 — борова; 5 — насадка газового регенератора; 6 — сталевыпускное OTBejpcrae; 7 — отверстие в задней стенке печи для спуска шлака; 8 — под; Р — завалочные окна; 10 — передняя стенка; 11 — задняя стенка; 12 — рабочее пространство; 13 — свод; 14 — ре­генераторы (газовый и воздушный); А — поперечный разрез рабочего простран­ства печи; Б — разрез по "головке* печи

344

регенераторы, через которые проходят в печь воздух и газ, уже не в состоянии их нагревать до нужной температуры, а регенераторы, через которые из печи уходит дым, перегре­ваются, осуществляется изменение направления движения га­зов печи. Для изменения направления движения газов пре­дусмотрены перекидные клапаны (рис. 103), а операцию на­зывают перекидкой клапанов. Холодный воздух и газ направ­ляются через хорошо нагретые левые регенераторы, а про­дукты сгорания уходят в правую сторону печи, постепенно нагревая остывшие правые регенераторы, затем цикл повто­ряют. Через некоторое время наступает момент, когда на­правление движения газов опять изменяется и т.д.

Энтальпия продуктов сгорания Я равна произведению мас­
сы продуктов сгорания т на их теплоемкость С и температу­
ру t, т.е. Я = Cmt, откуда t = Н/Ст. Энтальпия Я склады­
вается из химического тепла сгорания топлива Я_хт, тепла
нагрева воздуха Я_{н в} и тепла нагрева газа Я_{н г}, т.е. Я =
=     Я_{х т} + Я_{н в} + Я_{н г};       соответственно   t = (Я_{х т} + Я_{н в} +

+ Н_ИТ)/Ст.

Таким образом, при нагреве поступающих в печь газа и воздуха обеспечивается достаточно высокая температура факела (> 1800 °С). Чем выше удается повысить температуру поступающих в печь газа и воздуха, тем выше температура факела и тем лучше работает печь.

Повысить температуру факела можно и другим способом — заменить весь воздух или часть его кислородом. Тогда в формуле t = Н/Ст уменьшается знаменатель (уменьшается т)

Рис. 103. Схема перекидных устройств:

1, 7 — газовые клапаны (пере­кидные клапаны на пути движе­ния газа; 2, 8 — задвижки (шиберы) на каналах (боровах) от газовых регенераторов; 3, 4 — воздушные клапаны; 5, б — задвижки на клапанах от воз­душных регенераторов; Р — регулировочная задвижка (ши­бер); 10 — задвижки на борове трубы; 11 — задвижки на боро­ве к котлу утилизатору; 12 — регулирующие колонки

и соответственно возрастает температура. На каждый объем подаваемого с воздухом кислорода поступает 3,762 объемов балластного азота. Обогащение воздуха кислородом приводит к уменьшению количества продуктов сгорания (при том же количестве теплоты, выделенной топливом) и соответственно повышается температура.

Повышая постепенно степень обогащения (вплоть до пол­ной замены воздуха кислородом), можно добиться достаточно высокой температуры факела без предварительного подогрева газа и воздуха (или смеси воздуха и кислорода). В этом случае регенераторы оказываются ненужными.

В мартеновской печи газы попадают сначала в шлаковик, а уже затем в регенератор. Шлаковики служат для улавлива­ния плавильной пыли и шлаковых частиц, уносимых продукта­ми сгорания из рабочего пространства, и тем самым пред­охраняют насадки регенератора от засорения. Сечение шла­ковика гораздо больше сечения вертикального канала, по­этому при попадании дымовых газов в шлаковик их скорость резко уменьшается и, кроме того, меняется направление движения газов. Это приводит к тому, что значительная часть (50—75 %) плавильной пыли оседает в шлаковиках.

Из рабочего пространства печи дымовые газы выходят с температурой 1680—1750 °С, из шлаковика в регенератор — с температурой 1500-1550 °С. Пройдя насадку регенератора, они охлаждаются до 500—700 °С. Обычно стремятся использо­вать тепло отходящих газов, направляя их по системе боро­вов в котел-утилизатор.

Если по каким-либо причинам котел-утилизатор не уста­новлен или находится на ремонте, дымовые газы по боровам направляют в трубу.

В зависимости от вида топлива и его теплоты сгорания мартеновские печи могут иметь две пары регенераторов — для подогрева воздуха и газа (при отоплении печи газом с невысокой теплотой сгорания) или одну пару регенераторов (если печь отапливается топливом с высокой теплотой сго­рания, подогрев которого не нужен или трудно осуществим).

В зависимости от вместимости мартеновские печи делят на печи малой («125 т), средней (125-300 т) и большой (> 300 т) вместимости. Выпуск металла из большегрузных печей производится обычно одновременно в два ковша (в исключительных случаях— в три).

346

Под вместимостью обычно понимают массу загруженной в печь металлошихты. Массу вводимых в печь по ходу плавки добавочных материалов при этом не учитывают.

1. Назначение и устройство отдельных элементов печи

Все строение мартеновской печи делится на верхнее и ниж­нее. Верхнее строение расположено над площадкой мартенов­ского цеха, которую сооружают для обслуживания печи на высоте 5—7 м над уровнем пола цеха. Верхнее строение сос­тоит из собственно рабочего пространства печи и головок с отходящими вниз вертикальными каналами. Нижняя часть рас­положена под рабочей площадкой и состоит из шлаковиков, регенеративных камер с насадками и боровов с перекидными устройствами.

Рабочее пространство печи

Рабочее пространство мартеновской печи ограничено сверху сводом, снизу — подом (или "подиной"). На рис. А на гра­нице задней стенки и подины показано отверстие для выпус­ка плавки (обычно его называют сталевыпускным отверс­тием). В передней стенке видны проемы — завалочные окна, через которые в рабочее пространство загружают твердую шихту и заливают (по специальному приставному желобу) жидкий чугун.

Обычно завалочные окна закрыты специальными футерован­ными крышками с отверстиями — гляделками, через которые сталевар наблюдает за ходом плавки и состоянием печи.

Из всех элементов печи рабочее пространство находится в наиболее тяжелых условиях — в нем идет плавка стали. Во время завалки твердой шихты огнеупорные материалы, из которых изготовлено рабочее пространство, подвергаются резким тепловым и механическим ударам, во время плавки они подвергаются химическому воздействию расплавленных металлов и шлака; в рабочем пространстве максимальная температура. Стойкостью элементов рабочего пространства печи определяют, как правило, стойкость всей печи и, сле­довательно, сроки промежуточных и капитальных ремонтов.

В соответствии с этим к огнеупорным материалам рабоче­го пространства предъявляют высокие требования: а) высокая огнеупорность; б) химическая устойчивость про-

347

тив воздействия шлака, металла и печных газов; в) доста­точная механическая прочность при высоких температурах; г) хорошая термостойкость при колебаниях температуры.

По химическим свойствам применяемые огнеупорные мате­риалы делят на: а) кислые — динасовый кирпич, кварцевый песок; б) основные — магнезитовый кирпич, магнезитовый порошок, доломит; в) нейтральные (со свойствами амфотер-ных окислов) — шамот, хромомагнезит, магнезитохромит, вы­сокоглиноземистый шамот, форстерит.

Подина печи

Так же, как и при выборе футеровки бессемеровского или томасовского конвертера, выбор футеровки для подины мар­теновской печи определяется характеристикой шлаков. Если при плавке стали шлаки кислые, то подину нужно изготов­лять из кислых огнеупорных материалов, а если шлаки ос­новные, то из основных. В противном случае в результате энергичного взаимодействия шлака и материала подины по­следний ошлакуется, перейдет в шлак, и печь выйдет из строя. Процесс, при котором в шлаке преобладают кислотные окислы, называют кислым мартеновским процессом; соответ­ственно печь, подина которой изготовлена из кислых огне­упорных материалов, называют кислой мартеновской печью. Процесс, при котором в шлаке преобладают основные окислы, называют основным мартеновским процессом, а печь — основ­ной мартеновской печью.

Верхний (рабочий) слой кислой подины выполняют из кварцевого песка, который набивают или наваривают на заранее выложенные динасовые кирпичи.

Рис. 104. Устройство кислого и основного подов мартеновской печи: 1 — наварка (кварцевый песок); 2 — наварка (магнезитовый порошок или моло­тый обожженный доломит); 3 — магнезитовый кирпич; 4 — динасовый кирпич;!5 — стальной лист; 6 — тепловая изоляция (пористый шамот); 7 — шамотный кирпич

Верхний слой основной подины изготовляют обычно из магнезитового порошка (реже доломитового), который наби­вают или наваривают на служащий основанием магнезитовый кирпич (рис. 104).

Задняя и передняя стенки мартеновской печи работают (особенно в нижней части) почти в тех же условиях, что и подина, так как они также соприкасаются с жидким металлом и шлаком. Заднюю и переднюю стенки кислой мартеновской печи выкладывают из динасового кирпича, основной марте­новской печи — из магнезитового.

Несмотря на то что материал пода, а также задней и пе­редней стенок по своим химическим свойствам соответствует характеру шлака (основного или кислого), шлак взаимодей­ствует с огнеупорной футеровкой. Те места ванны, которые соприкасаются во время плавки со шлаком, оказываются пос­ле выпуска плавки несколько поврежденными (изъеденными шлаком). Если не принять специальных мер, то через нес­колько плавок степень износа может возрасти настолько, что печь будет в аварийном состоянии. Чтобы избежать это­го, после каждой плавки подину ремонтируют (заправка пе­чи): на изъеденные места кислой подины набрасывают песок, а основной подины - магнезитовый или доломитовый порошок. Заправке подвергают и торцовые части подины, прилегающие к головкам печи; их называют откосами. Заправку осущест­вляют с помощью специальных заправочных машин.

Свод печи

Свод мартеновской печи практически не соприкасается со шлаком, поэтому его можно изготовлять из кислых и основ­ных огнеупорных материалов независимо от типа процесса. Своды изготовляют из динасового или термостойкого магне-зитохромитового кирпича.

Динасовый кирпич при высоких температурах (до 1700 °С) сохраняет достаточную прочность и повышенное сопротивле­ние сжатию. Во время эксплуатации динасовые кирпичи свода свариваются в монолит, что имеет большое значение, так как если какой-либо кусок свода упадет, то остальная часть свода будет держаться. Однако при нагреве свыше 1700 °С динасовый кирпич быстро оплавляется; кроме того, он сильно разъедается плавильной пылью, состоящей из ок­сидов железа (образуются легкоплавкие силикаты железа).

 

348

349

Магнезитохромитовый кирпич характеризуется более высо­кой огнеупорностью (допустимая температура нагрева 1750 °С и даже 1800 °С), что способствует повышению производительности печи. Стойкость свода (число плавок от ремонта до ремонта) из магнезитохромитового кирпича в 2-3 раза выше, чем из динасового. Вместе с тем при ис­пользовании в качестве материала свода магнезитохромито­вого кирпича приходится учитывать ряд особенностей его эксплуатации: а) магнезитохромитовые кирпичи плохо свари­ваются и не образуют монолита; б) коэффициент расширения магнезитохромитового кирпича выше, чем динасового, в ре­зультате чего при разогреве арки свода наружные швы раск­рываются, а на внутренней стороне возникают высокие напряжения сжатия, что приводит к сколу внутренней части свода; в) повышенная теплопроводность и большие неплот­ности кладки (раскрытые швы) обусловливают более высокие (почти в два раза) потери тепла с 1м² площади свода; г) объемная масса магнезитохромитового кирпича в 1,5 раза больше, чем динасового.

Все это исключает возможность применения обычного арочного свода. Свод приходится выполнять распорно-подвесным с креплением и прокладками между кирпичами, а это усложняет и удорожает конструкцию.

Однако возможность повысить температуру в печи при использовании магнезитохромитового свода, а также увели­чить срок службы свода делает устройство сложной системы подвесок рентабельным, поэтому своды такого типа нашли широкое применение. Почти все своды мартеновских печей в настоящее время делают из основных магнезитохромитовых кирпичей.

Стойкость магнезитохромитового свода составляет 300—1000 плавок (динасового 200—350 плавок). В тех слу­чаях, когда на основной печи устанавливают кислый динасо-вый свод, между основным огнеупорным материалом стенок печи (магнезитом) и кислым материалом свода (динасом) выкладывают слой амфотерных огнеупоров (например, хромис­того железняка).

Следует отметить две тенденции в конструировании и строительстве мартеновских печей: 1) применение вместо отдельных кирпичей для кладки пода, стен печи, а также свода заранее подготовленных крупных блоков, что  позво-

ляет существенно сократить время строительства или ремон­та печи; 2) применение вместо огнеупорной кладки водоох-лаждаемых конструкций.

Головки печи

Рабочее пространство с торцов оканчивается головками. Правильный выбор конструкции головок имеет большое значе­ние для хорошей работы печей. Через головки в печь подают воздух и топливо. От того, с какой скоростью вводят в ра­бочее пространство воздух и топливо и насколько хорошо струи топлива и воздуха перемешиваются, зависят форма и ряд других характеристик факела, а от факела зависит и вся работа печи.

Головки должны обеспечить: 1) хорошую настильность факела по всей длине ванны (чтобы максимум тепла передать ванне и минимум — своду и стенкам); 2) минимальное сопро­тивление при отводе продуктов сгорания из рабочего прост­ранства; 3) хорошее перемешивание топлива и воздуха для полного сжигания топлива в рабочем пространстве печи.

Чтобы удовлетворить первому и третьему требованиям, сечение выходных отверстий должно быть малым (чтобы ско­рости ввода воздуха и топлива были максимальными); для удовлетворения второго требования сечение, наоборот, дол­жно быть максимальным. Эта двоякая роль головок (с одной стороны, служить для ввода в печь воздуха и топлива, а с другой — отводить продукты сгорания) ставит очень непрос­тую задачу перед конструкторами при проектировании печей.

Шлаковики

Отходящие из рабочего пространства печи дымовые газы про­ходят через головку и по вертикальным каналам попадают в шлаковики (рис. 105). Как уже было сказано, в шлаковиках оседает 50—75 % плавильной печи, причем оседает крупная пыль, более мелкие фракции в значительной степени уносят­ся в трубу (10—25 % пыли оседает в насадках регенерато­ров). На пути движения дымовых газов плавильная пыль, содержащаяся в них, реагирует с материалами кладки. Это обстоятельство приходится учитывать при выборе материалов для кладки вертикальных каналов и шлаковиков.

Почти вся пыль представляет собой основные окислы (в том числе 60-80 % оксидов железа). Если вертикальные ка-

 

350

351

А-А

Щ^ШШ^ Ш

Рис. 106. Вытягивание кассет-  Рис. 107. Насадка регенераторов: ных блоков из шлаковика               а — из обычного кирпича; б — из фасонного

<-А

Рис. 105. Устройство шлаковиков и регенераторов мартеновской печи средней емкости, работающей с подогревом и газа и воздуха:

1 - вертикальные каналы; 2 - шлаковик; 3 - насадки регенераторов; 4 - под­весной свод наднасадочного пространства; 5— поднасадочные пространства

налы и шлаковики футерованы динасовым кирпичом, то основ­ные окислы, из которых состоит пыль, энергично взаимодей­ствуют с кислым материалом футеровки с образованием лег­коплавких силикатов железа. Стойкость футеровки оказыва­ется недостаточной, и, кроме того, оседающая в шлаковиках пыль образует плотный монолит, который во время ремонта очень трудно извлекать.

В связи с этим для кладки вертикальных каналов и шла­ковиков часто применяют термостойкий магнезитохромитовый кирпич. В этом случае взаимодействие футеровки с плавиль­ной пылью не влияет так сильно на материал футеровки, а осевшая в шлаковике пыль представляет собой более рыхлую массу. Однако очистка шлаковиков от массы осевшей в них пыли (шлака) — операция также очень трудоемкая, для ее осуществления используют специальное оборудование.

В шлаковиках должна вмещаться вся плавильная пыль, вылетающая из печи. В газах, выходящих из рабочего прост­ранства мартеновской печи, содержится пыли 2—4,5 г/м³, в моменты продувки ванны кислородом количество пыли возрас­тает почти в десять раз. При расчетах размеров шлаковиков

принимают, что на 1 т выплавляемой стали в них осаждается 7-12 кг шлака (пыли). Это значит, например, что за одну плавку в шлаковиках 600-т мартеновской печи осаждается ~ 4 т шлака. Для облегчения условий труда и проведения операции очистки шлаковиков их выполняют выкатными, а стены - из блоков, скрепленных металлическими кассетами. При ремонте шлаковик выкатывают из-под печи при помощи полиспаста, краном убирают блоки-кассеты и шлак увозят из цеха на железнодорожных платформах (рис. 106).

Регенераторы. Из шлаковиков отходящие газы с темпера­турой 1500-1600 °С попадают в насадки регенераторов (рис. 107). Объем насадки регенераторов и площадь поверх­ности ее нагрева, т.е. поверхности кирпича насадки, омы­ваемой движущимися газами, взаимосвязаны. Эти величины определяют специальным теплотехническим расчетом, от них зависят основные показатели работы печи — производитель­ность и расход топлива. Регенераторы должны обеспечивать постоянную высокую температуру подогрева газа и воздуха. В более тяжелых условиях работают верхние ряды насадок, поскольку в этой части регенератора температура и осажде­ние пыли наиболее высокие, поэтому верхние ряды насадок выкладывают из термостойкого магнезитохромитового или

 

352

23-3810

353

форстеритового кирпича. Нижние ряды насадок работают при температурах 1000—1200 °С (и менее), их выкладывают из более дешевого и прочного шамотного кирпича.

Перекидные клапаны

Мартеновская печь — агрегат реверсивного действия, в ко­тором направление движения газов по системе печи периоди­чески меняется. Для этого в боровах, а также в газопрово­дах и воздухопроводах устанавливают систему шиберов, кла­панов, дросселей, задвижек, объединяемых общим названием "перекидные клапаны". Операция "перекидки клапанов" в современных мартеновских печах автоматизирована.

Из боровов дымовые газы поступают в дымовую трубу. Вы­соту трубы рассчитывают таким образом, чтобы создаваемая ею тяга (рязрежение) была достаточной для преодоления сопротивления движению дымовых газов на всем пути.

Дымовая труба - сложное и дорогостоящее сооружение. Высота дымовых труб современных крупных мартеновских пе­чей превышает 100 м. Дымовые трубы обычно выкладывают из красного кирпича с внутренней футеровкой из шамотного кирпича.

Таким образом, в конструкциях современных мартеновских печей широко используют следующие огнеупорные материалы: магнезит, магнезитохромит, форстерит, динас и шамот. Объем огнеупорной кладки 500-т печи составляет около 3750 м³. Ряд элементов печи изготовляют из металла, неко­торые из них (рамы и заслонки завалочных окон, балки, поддерживающие свод рабочего' пространства, перекидные клапаны и др.) соприкасаются с горячими газами и нуждают­ся в непрерывном охлаждении.

Расход воды на охлаждение этих элементов печи очень значителен. Современные большие мартеновские печи требуют для охлаждения более 400 м³ воды в 1 ч. С охлаждающей во­дой теряется 15—25 % общего количества тепла, вводимого в печь. Расход воды зависит от ее жесткости. Допустимая температура нагрева воды тем выше, чем меньше жесткость воды. Обычно допускается нагрев охлаждающей воды на 20—25 °С, что равносильно тому, что 1 л воды уносит 85-105 кДж.

Для уменьшения расхода воды водяное охлаждение ряда элементов печи заменяют испарительным. Если применять не

техническую, а химически очищенную воду, то можно, не боясь выпадения осадка (накипи), нагревать ее до 100 °С и выше. При этом от охлаждаемого элемента отводится не только тепло, затрачиваемое на нагревание воды до кипе­ния, но и скрытая теплота парообразования (2,26 МДж/кг), т.е. 1 л воды отводит от охлаждаемого элемента печи не 85-105 кДж, а 2,58-2,6 МДж. Таким образом, расход воды можно сократить почти в 30 раз, кроме того, на больших печах получают при этом некоторое количество пара (до 10 т/ч), который может быть использован.

Существует также так называемое "горячее" охлаждение печей. Система горячего охлаждения технологически мало отличается от обычного способа охлаждения обычной произ­водственной водой. Все охлаждаемые элементы печи остаются без изменения, но через них вместо обычной производствен­ной воды с температурой 15—30 °С пропускают химически очищенную теплофикационную воду из оборотной теплофика­ционной сети с температурой 50—80 °С, которая, пройдя охлаждаемые элементы печи и подогревшись в них на 20-30 °С, возвращается обратно в теплофикационную сеть, где передает полученное тепло потребителю.