Б. Современное состояние и перспективы развития мартеновского производства. Двухванные печи. Проблемы экологии

В 1984 г. около 60 % всего производства стали в стране приходилось на сталь, выплавленную в мартеновских печах. Современное мартеновское производство характеризуется вы­сокой концентрацией мощностей в крупных цехах, основное

количество мартеновской стали выплавляют в печах емкостью 300-400 т и более. Тем не менее, среди действующих в на­стоящее время мартеновских печей имеется определенное число построенных 40-50 лет тому назад агрегатов малой емкости, характеризуемых невысокой производительностью и низкими технико-экономическими показателями. В ближайшие годы будет выведена из эксплуатации большая часть мало­производительных печей, однако определенное число крупных высокопроизводительных мартеновских цехов, оснащенных современным оборудованием, будет обеспечивать потребности нашей страны в металле еще некоторое время.

Традиционный мартеновский процесс будет совершенство­ваться в направлении улучшения технико-экономических по­казателей работы печей (экономия металлошихты и добавоч­ных материалов, повышение стойкости сводов и других эле­ментов кладки) в результате оптимизации теплового и тех­нологического режимов плавки, конструктивных изменений и внедрения современных систем и средств автоматического контроля и управления плавкой. Широкое распространение методов внепечной обработки стали должно обеспечить повы­шение качества металла и использование мартеновских печей для производства дорогой стали высококачественных марок. Одновременно техническая мысль работает над изысканием новых технически и экономически целесообразных процессов плавки в агрегатах, которые могли бы быть установлены в уже существующих зданиях мартеновских цехов. Из многих такого рода предложений практически реализованы два, а именно: а) установка на месте старых мартеновских печей дуговых сталеплавильных печей; б) реконструкция работаю­щих мартеновских печей на двухванные. Второй путь в усло­виях СССР получил широкое развитие. В 1984 году производ­ство стали, выплавляемой в двухванных печах на металлур­гических заводах СССР, достигло ~ 15 млн.т.

Двухванные сталеплавильные печи

Существенным обстоятельством, ускорившим процесс широкого распространения двухванных печей, явились трудности обс­луживания и ремонта регенеративных насадок мартеновских печей, работающих с продувкой ванны кислородом. По мере повышения интенсификации продувки ванны количество пла­вильной пыли увеличивается, появляется необходимость все

 

390

391

более частой очистки насадок и поднасадочного пространст­ва, что усложняет и удорожает обслуживание печи и увели­чивает трудовые затраты на ремонт. Поскольку методы очис­тки насадок несовершенны и не всегда эффективны, практи­чески на всех печах, работавших с продувкой ванны, посте­пенно от ремонта к ремонту увеличивались размеры ячейки насадок регенераторов (от 120x120 до 460x220 мм). Однако чем больше сечения ячейки, тем меньше эффективность ис­пользования регенератора (меньше степень регенерации теп­ла), тем ниже температура подогрева воздуха. В результате оказывается, что затраты на сооружение, ремонт и обслужи­вание таких малоэффективных регенераторов уже с трудом покрываются экономией на топливе (в результате регенера­ции тепла).

Кроме этого, по мере увеличения степени обогащения дутья кислородом возрастает температура отходящих газов и соответственно температура верха насадок регенераторов, что также усложняет условия их эксплуатации.

Конструкторы двухванных печей предложили, помимо интенсивной продувки ванны кислородом, утилизировать хотя бы часть тепла выделяющихся газов для нагрева шихты. При этом используется как физическое тепло отходящих газов, так и тепло, выделяющееся при окислении СО до С0₂. Даже частичная утилизация тепла отходящих газов позволяет по­высить долю металлического лома в шихте до 40—45 %.

В нашей стране первые двухванные печи были установлены в 1965 г., в последствии в России и Украине работало более десяти двухванных печей. Двухванные печи представляют собой плавильные агрегаты с двумя ваннами, двумя головка­ми, двумя вертикальными каналами, двумя шлаковиками и системой боровов и перекидных клапанов. Принцип работы двухванной печи заключается в том, что в то время как в одной (I) ванне идет продувка металла кислородом, в дру­гой (II) твердая шихта (металлолом, добавочные материалы) подогревается теплом отходящих от первой ванны газов (рис. 113). Производительность печи при таком методе ра­боты возрастает.

Обычную плавку в мартеновской печи (с интенсивной про­дувкой ванны кислородом, начинающейся сразу после заливки жидкого чугуна) можно условно разделить на два периода: 1)твердый- завалка лома, руды, известняка и их прогрев;

Рис. 113. Схема двухванной сталеплавильной печи:

/ - ванна /; 2 — ванна //; 3 — кислородные фурмы; 4 — топливо-кислородные

горелки

2) жидкий- заливка чугуна, продувка'ванны и окисление ее примесей, раскисление, легирование и выпуск. Организация проведения плавки в двухванной печи примерно такая же. Если часовая производительность мартеновской печи, т/ч:

где G - масса плавки; т_т и т_ж- продолжительность твердо­го и жидкого периодов, а часовая производительность двух­ванной печи, т/ч:

^Гдп    Т_т/2 +Т_Ж '
где G /2- масса плавки каждой из двух ванн, то
СП ___________________

>1.

Т_т/2 + Т_ж G /(T_T + Т_ж)

"м.п      "/v»т ^т '•ж-'             Т-г/^{2 + т}ж

Таким образом, часовая производительность при замене мартеновской печи двухванной должна возрастать.

Технология плавки в двухванной печи принципиально не отличается от технологии плавки в мартеновской печи, ра­ботающей с интенсивной продувкой ванны кислородом, однако имеется некоторое различие. В момент окончания заливки

393

392

чугуна и начала продувки ванны в шлаке наблюдается высо­кое содержание оксидов железа (30—40 %, а на некоторых плавках еще выше). В период интенсивного обезуглерожива­ния содержание оксидов железа в шлаке несколько снижает­ся, однако в конце плавки, при понижении концентрации углерода вновь возрастает.

Основное количество тепла в ванне печи выделяется в результате окисления железа и его примесей, а относитель­ная величина теплоотдающей поверхности в двухванной печи выше, чем в конвертере, поэтому температура в рабочем пространстве ниже, чем в мартеновских печах в периоды плавления и доводки и в конвертерах. Температура шлака в двухванной печи, как правило, не превышает температуры металла. Вследствие более низкой температуры шлака наве­дение активного жидкоподвижного высокоосновного шлака затрудняется, поэтому предпочитают по ходу плавки не вво­дить значительных порций извести, а для полного ошлакова-ния извести или известняка, загруженных во время завалки, практикуют метод подъема одной или двух фурм. При этом начинает интенсивно окисляться железо (так же, как в начальный период конвертерной плавки), в результате повы­шения температуры шлака и его окисленности быстро форми­руется достаточно жидкоподвижный и гомогенный шлак.

Содержание Si0₂ в шлаке ниже, чем обычно в мартенов­ской плавке, что связано с тем, что в двухванной печи железную руду в период завалки обычно не вводят. Раство­рение в шлаке извести, введенной в печь в период завалки, начинается через некоторое время после окончания заливки чугуна. К моменту расплавления основность шлака CaO/Si0₂ повышается до 2, во время доводки основность шлака про­должает возрастать. Формирование активного жидкоподвижно­го шлака обеспечивает достаточно успешное проведение десульфурации металла. Повышенная окисленность шлака в двухфанной печи обеспечивает также успешное проведение дефосфорации металла.

Расчет показывает, что при продувке кислородом обычно­го передельного чугуна приход тепла на 1т чугуна состав­ляет примерно 3150 МДж. Это количество тепла складывается из трех примерно равных частей: 1) физического тепла жид­кого чугуна; 2) тепла, выделяющегося при окислении приме­сей чугуна; 3) тепла дожигания СО в С0₂.

394

Расход этого тепла распределяется следующим образом: около 50 % от прихода тепла содержится в жидкой стали и шлаке (энтальпия ванны); около 10 % — тепло, заключенное в отходящих газах (в основном С0₂) и остальные 40 % тепла расходуются на компенсацию потерь через кладку, потерь с водой, охлаждающей отдельные элементы печи, и на перера­ботку лома или железной руды (избыток тепла). Таким обра­зом, количество переработанного лома (или железной руды) определяется тепловым балансом.

Теоретически при содержании в шихте более 65 % жидкого чугуна двухванныве печи могут работать без расходования топлива. Если же по условиям производства в печь загружа­ют лома больше, чем соответствует по балансу тепла, то недостаток тепла должен быть скомпенсирован подаваемым топливом. Естественно, что тепловой баланс зависит также от состава чугуна, главным образом от содержания в нем кремния.

Топливо в двухванные печи подают с помощью газо­кислородных горелок, установленных в своде и торцах печи. Горелки могут быть стационарными или подвижными.

Хорошо работающие двухванные печи расходуют на 1т стали 70—75 м³ кислорода и 3—4 кг огнеупоров. Расход топ­лива определяется составом шихты (главным образом расхо­дом и составом чугуна).

Естественно, что замена мартеновских печей на двухван­ные, поскольку она не сопровождается увеличением числа единиц оборудования, приводит к повышению производитель­ности труда. Так, в мартеновском цехе Магнитогорского металлургического комбината выплавка стали на одного ра­бочего после замены мартеновских печей на двухванные приблизилась к бтыс.т в год (что существенно превышает показатели других сталеплавильных цехов страны, оборудо­ванных мартеновскими печами).

Таким образом, достоинствами двухванных печей являют­ся: 1) высокая производительность; 2) меньшая трудоем­кость ремонтов; 3) возможность размещения печей в сущест­вующих мартеновских цехах (габариты, использование крано­вого оборудования, коммуникаций и т.д.).

Эти достоинства определили распространение печей тако­го типа для заамены мартеновских печей, работающих скрап-рудным процессом с интенсивной продувкой кислородом.

395

Вместе с тем целый ряд проблем организации работы двухванных печей оказался нерешенным: а) тепловая работа печи осложняется большими подсосами холодного воздуха (в результате подсоса основная масса СО окисляется в том ра­бочем пространстве, где происходит продувка, не успевая перейти в то пространство, где идет подогрев твердой ших­ты); б) в двухванных печах при интенсивной продувке кис­лородом наблюдается повышенный угар металла; в) не решена проблема удаления из атмосферы цеха бурого дыма, выбиваю­щегося при интенсивной продувке через щели в кладке и смотровые гляделки; не решены и некоторые другие проб­лемы.

Однако самый главный недостаток— неудовлетворительные условия работы в экологическом отношении: значительный вынос плавильной пыли и газов, содержащих СО, S0₂, NO_x. При этом выбросы газов и пыли непосредственно на рабочих местах в цехе вредны и мешают обслуживанию печей.

Рис. 114. Одноканальный двухванный сталеплавильный агрегат Алчевского ме­таллургического комбината (2*270 т)

Заметного сокращения неорганизованных выбросов пыли и газов непосредственно в цехе удалось добиться, рекон­струировав обычные двухванные печи на печи прямоточные или одноканальные. Печи эти получили названия ПДА (прямо­точный двухванный агрегат) или ПСА (прямоточный сталепла­вильный агрегат). Основной принцип работы этих агрегатов — отвод дымовых газов из каждого рабочего

пространства через смежный вертикальный канал или вообще в один общий вертикальный канал (рис. 114). В таких агре­гатах не только отсутствует регенерация тепла отходящих газов, но и уменьшается доля тепла, расходуемого на подо­грев твердой шихты. Естественно, что при этом заметно возрастают расходы топлива и кислорода.

В качестве примера приведем усредненные данные о рабо­те прямоточной двухванной печи Алчевского металлургичес­кого комбината, изображенной на рис. 114, в первой поло­вине 1993 г:

Масса плавки (т. годного)....................................    262,3

В том числе жидкого чугуна (кг/т

стали) ...................................................................    750-760

Продолжительность (ч/мин):

заправки............................................................    0—25

завалки твердой шихты'....................................    0—55

прогрева твердой шихты.............        1—11

слива жидкого чугуна.......................................    0—30

плавления ................................................................ 1—18

доводки...................................................................    1—47

Интенсивность продувки ванны кислородом, м³/ч     6000

Расход топлива (кг условного топлива

на 1 т стали)                                                      ....... 61,6

Расход кислорода, м³/т,................................................ 138,2

Напомним, что "условное топливо" — единица учета, применяемая для со­поставления эффективности различных видов топлива; в качестве единицы при­нимается 1 кг условного топлива (1 кг у.т.) с теплотой сгорания 7000 ккал/ /кг (29308 кДж/кг). Соотношение между массой условного топлива В_у, кг и массой натурального топлива В_н, кг В_у = Э * В_н, где Э — калорийный экви-налент. Если (2н^— низшая теплота сгорания данного топлива, ккал/кг или ккал/м³, то 3 = gg/7009. Значение Э принимают: для нефти 1,4; кокса 0,93; торфа 0,4; природного газа 1,2.

Из приведенных данных видно, что при составе шихты, близком к составу шихты конвертерного процесса, расход кислорода почти вдвое превышает обычные расходы при кон­вертерной плавке, и дополнительно расходуется топливо.

Положительным, однако, является то, что при переводе двухванных печей на прямоточный режим улучшилась экологи­ческая обстановка на рабочих местах в цехе (концентрации пыли в воздухе на рабочих местах, содержания сернистого ангидрида, оксидов азота). На упомянутой печи Алчевского комбината выбросы в атмосферу по сравнению с мартеновски­ми печами уменьшились: пыли в 2,3 раза, NO^ - в 4 раза, СО — в 4,2 раза.

 

396

397

Характеризуя ситуацию в целом, следует отметить, что как мартеновские печи с интенсивной продувкой ванны кис­лородом, так и двухванные печи в экологическом отношении представляют собой агрегаты, не удовлетворяющие условиям современных высоких требований по охране природы и охране труда из-за интенсивного выделения пыли, а также газов, содержащих С0₂, S0₂, NO*.

Работа этих агрегатов связана с достаточно высоким расходом огнеупоров, большими затратами труда на ремонты (проводимые к тому же в условиях горячего цеха). Произво­дительность труда (в тыс. т стали на одного работающего) в мартеновском производстве ниже, чем в конвертерном.

В соответствии со сказанным понятно, почему строитель­ство новых мартеновских цехов не ведется.