Принцип работы мартеновской печи

Таким образом, скрап-кислородный процесс является не только самым высокопроизводительным способом мартеновского передела шихт с высоким содержанием чугуна, но и наиболее легко управляемым процессом.

Продувка ванны кислородом, являющаяся основной отличительной особенностью технологии скрап-кислородного мартеновского процесса, обычно начинается с момента заливки чугуна и ведется до начала чистого кипения, т. е. в течение главных по продолжительности и значению технологических периодов (операций). Основными параметрами продувочного периода плавки являются удельный расход дутья (Wд, м3/т), удельная интенсивность продувки [iо2 ,м3/(т-ч)] и продолжительность продувки (фп , ч). Они между собой связаны:

Удельный расход кислорода определяется расчетом по балансу кислорода, учитывающего коэффициент усвоения кислорода (обычно составляет 0,7-0,9, но может быть > 1, если во время продувки ванны имеет место интенсивное поглощение кислорода из атмосферы печи).

Удельный расход кислорода, вдуваемого в ванну в период плавления в основном зависит от доли чугуна в шихте, его химического состава и содержания углерода в металле по расплавлении. Кроме того, если плавку ведут с введением в период завалки твердого окислителя, расход кислорода зависит также от расхода последнего.

Обычно при скрап-кислородном процессе расход кислорода на продувку ванны в период плавления колеблется в пределах 15-25 м3/т, в период доводки 5-10 м3/т.

Удельная интенсивность продувки. Она обычно изменяется в пределах 5-20 м3/(т ч) в зависимости от конкретных условий работы цеха (печи). Практика показывает, что продувка с удельной интенсивностью < 5 м3/(т-ч) не оправдывает затраты на кислород и его подачу в ванну, сооружение газоочистки и т. п. При 20 м3/(т-ч) производительность мартеновских печей можно увеличить в два раза и более.

Однако полное использование этих возможностей интенсификации мартеновского процесса ограничено возможностями по кислороду и шихтоподаче. Кроме того, чем выше удельная интенсивность продувки, тем больше должна быть доля жидкого чугуна в шихте. Это объясняется тем, что скорость обезуглероживания увеличивается в большей степени, чем скорость нагрева металла, поэтому относительное изменение температуры ванны уменьшится, т. е. на нагрев ванны на одну и ту же величину требуется больше углерода. Поскольку углерод в ванну вносится чугуном, то его расход должен быть увеличен.

В связи с этим скрап-кислородным процессом работает только часть мартеновских печей, обычно имея удельную интенсивность продувки 6-8, редко 10 м3/(т ч). При этом производительность печей увеличивается на 25-35%, редко выше, а удельный расход кислорода для продувки составляет 15-25 м3/т.

Синхронизация процессов обезуглероживания и нагрева металла в скрап-кислородном мартеновском процессе обеспечивается гораздо легче, чем в конвертерных процессах благодаря тому, что, во-первых, проще контролировать текущие значения содержания углерода и температуры, во-вторых, имеется регулируемый подвод тепла извне.

9. Показатели и перспективы мартеновского производства стали

Мартеновский процесс сыграл огромную роль в производстве стали в XIX-XX веках. Однако в современных условиях у него можно отметить ряд недостатков. Во-первых, низкая производительность, во-вторых, большие трудности в синхронизации плавки стали в мартеновской печи и разливки стали на МНЛЗ, в-третьих, большой расход огнеупорных материалов и доля ручного труда при ремонтах печей, в-четвертых, более тяжелые условия труда.

По этим причинам мартеновский процесс неуклонно вытесняют кислородно-конвертерный и электросталеплавильный. В значительных объемах мартеновское производство сохранилось лишь в Китае, России и Украине, что объясняется недостатком финансовых средств при модернизации сталеплавильного производства.

10. Сущность работы двухванных сталеплавильных агрегатов

Вследствие указанных недостатков мартеновской печи необходимо было создать новый сталеплавильный агрегат, в котором процесс можно было проводить с более интенсивной продувкой, чем в мартеновских печах, максимально используя при этом тепло дожигания СО до СО2. По своим габаритам агрегат должен быть таким, чтобы его можно было поставить вместо мартеновских печей. Этим требованиям соответствует двухванная печь (см. рисунок 1). Рабочее пространство имеет две ванны, каждая из которых снабжена тремя фурмами для подачи кислорода и шестью газо-кислородными горелками, расположенными в своде и предназначенными для отопления печи.

Рисунок 5 - Схема устройства рабочего пространства двухванной печи: 1 - кислородные фурмы, 2 - сводовые газо-кислородные горелки

В каждой ванне плавка ведется со смещением примерно на половину продолжительности, т. е. конец плавки в одной ванне соответствует середине плавки в другой. В первой ванне, в которой процесс закончен, осуществляются выпуск плавки, заправка ванны, завалка твердых шихтовых материалов и их прогрев главным образом теплом реакции окисления выделяющегося из второй ванны СО до СО2 и частично теплом топлива, подаваемого через сводовые горелки. В это время во второй ванне производится продувка металла кислородом. Образующийся при этом СО частично окисляется до СО2 над второй ванной, но главным образом при переходе в первую ванну. Использование тепла этой реакции оказывается эффективным, так как, во-первых, происходит полное окисление СО до СО2, во-вторых, тепло воспринимают холодные твердые материалы.

Благодаря этому, хотя процесс в двухванных печах имеет во много раз большую продолжительность (3--4 ч), чем в кислородных конвертерах (15- 20 мин), в двухванных печах возможна переработка большего количества лома, чем в конвертерах. Так, плавку в двухванных печах можно вести с использованием до 35% лома, расходуя при этом топлива всего 10-15 кг/т, причем в основном на поддержание печи в рабочем состоянии во время ее заправки.

Изменение направления движения газов (перекидка) производится один раз в середине плавки. Газы уходят из печи со стороны ванны, где идет первая половина плавки, которую часто называют холодным периодом.

Основной особенностью работы двухванной печи является высокоэффективное использование тепла окисления до СО2 оксида углерода СО, выделяющегося при интенсивной продувке металла кислородом.

Внешне двухванная печь мало отличается от мартеновской. Первая половина плавки (заправка печи, завалка и прогрев шихты, заливка чугуна) проводится, как в мартеновском процессе, но только за более короткое время. В течение первой половины плавки происходит интенсивный нагрев твердой шихты теплом, подводимым извне: теплом окисления СО до СО2, образующегося в соседней ванне, и теплом топлива, т. е. ванна в течение первой половины плавки отапливается, что и дает основание агрегат называть печью, а не конвертером.

Вторая половина плавки -- окислительное рафинирование, проводится, как в кислородном конвертере, но с меньшей интенсивностью продувки. Удельная интенсивность продувки в двухванных печах обычно составляет 0,4-0,6 м3/(т-мин) или 25-35 м3/(тч). Она в первую очередь ограничивается пропускной способностью дымового тракта печи, а также продолжительностью первой половины плавки (синхронность работы двух ванн). При увеличении пропускной способности дымового тракта и сокращении продолжительности первых операций (заправки и завалки) возможно повышение интенсивности продувки до >1 м3/(т-мин).

11. Технология плавки в двухванных сталеплавильных агрегатах

Процесс в двухванных печах по существу является определенным сочетанием отдельных элементов технологии плавки стали в мартеновских печах и кислородных конвертерах. Однако этот процесс отличается от мартеновского и конвертерного тем, что для нормальной работы агрегата необходима постоянная синхронность работы обеих ванн, требуется строгое соблюдение графика проведения операций в каждой ванне. Примерный график совмещения основных операций и их продолжительности приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 - График совмещения операций при плавке стали в двухванных печа и примерная их продолжительность (% от общей длительности плавки).

Прогрев шихты (лома) в двухванных печах осуществляется преимущественно теплом реакции окисления СО до СО2. Прогрев лома тем лучше, чем больше продолжительность этого периода, поэтому если предыдущий период - завалка затягивается, то на нагрев остается меньше времени. Температура нагрева лома, по крайней мере верхних его слоев, должна быть не ниже температуры затвердевания чугуна (1100-1150°С).

При заливке чугуна на недостаточно прогретую шихту происходит "закозление" его, и период продувки начинается ненормально: вдуваемый кислород плохо усваивается ванной, реакции окисления примесей, в том числе и углерода, протекают медленно; преимущественно окисляется железо, и в шлаке накапливается большое количество оксидов железа. Это приводит, во-первых, к удлинению второй половины плавки и снижению производительности печи; во-вторых, может вызвать выброс шлака и металла из печи вследствие возможного скачкообразного роста скорости окисления углерода кислородом оксидов железа, накопленным в шлаке в начале продувки, когда металл и шлак нагреты и приобретают нормальную жидкоподвижность.

Перегрев лома также недопустим, так как при перегреве в ванне накапливается большое количество жидких оксидов железа. При заливке чугуна эти оксиды железа вызывают бурное окисление углерода чугуна, что тоже может привести к выбросу металла и шлака из печи. Вследствие кратковременности (0,5-0,7 ч) и непослойного прогрева среднемассовая температура шихты обычно составляет 700-800°С, что ограничивает расход лома.

Заливка чугуна в двухванных печах является периодом, соответствующим середине плавки. Продолжительность периода заливки чугуна определяется организационными возможностями. Обычно чугун к двухванным печам подают в двух ковшах, поэтому продолжительность его заливки значительно больше, чем в конвертерных цехах, и обычно достигает >25 мин. Кроме того, в конвертер чугун заливают на холодный лом, и нет опасности бурного окисления углерода, поэтому допустима высокая скорость заливки. В двухванных печах лом в ванне перед заливкой чугуна прогрет и имеется определенное количество жидких оксидов железа, поэтому заливку чугуна необходимо производить осторожно с малой скоростью.

Продувка ванны кислородом, основная технологическая операция плавки, начинается с момента заливки чугуна и, как правило, ведется без остановки до достижения заданного содержания углерода. Режим продувки характеризуется интенсивностью подачи кислорода и положением фурм.

Удельная интенсивность подачи дутья в двухванных печах обычно колеблется в пределах 0,4-0,6 м3/(т мин), но может достигать > 1 м3/(т мин). По ходу плавки, как правило, интенсивность подачи дутья не изменяют. При нормальной продувке фурмы опускают в шлак, стараясь держать их концы на границе шлак-металл, в этом случае улучшается усвоение кислорода, уменьшается разбрызгивание шлака и металла, нет опасности прогара фурмы. Однако в отдельные моменты плавки одну или две фурмы поднимают выше уровня шлака и осуществляют поверхностную продувку. Это делается при недостаточном нагреве металла для окисления СО до СО2 над ванной и усиления нагрева ее теплом этой реакции. Кроме того, поверхностная продувка используется для ускорения шлакообразования, так как при этом, во-первых, улучшается нагрев и, во-вторых, повышается содержание оксидов железа в шлаке, что ускоряет растворение извести в нем, и теплота образования оксидов железа улучшает нагрев ванны.

В двухванных печах продувку металла можно вести не техническим (чистота 99,5%), а технологическим (чистота 95%) кислородом. Это объясняется, во-первых, тем, что в зоне реакции температура несколько ниже, чем в конвертерах вследствие меньшего поступления кислорода через одну фурму; во-вторых в двухванных печах ввиду относительно большой площади ванны получает значительное развитие удаление азота из металла в пузырях СО, выделяющихся из ванны вне зоны вдувания кислорода.

Шлаковый режим. Сходство шлакового режима процессов в двухванных и мартеновских печах в первую очередь заключается в возможности спуска первичного шлака по мере его образования. Это позволяет при необходимости обеспечить высокую степень дефосфорации металла при меньшем расходе флюсов. Кроме того, спуск первичного шлака улучшает десульфурацию, так как, во-первых, первичный шлак обладает определенной серопоглотательной способностью и уносит серу; во-вторых, удаление значительного количества SiO2 с первичным шлаком позволяет получить конечный шлак с меньшим содержанием SiO2, обладающий повышенной серопоглотительной способностью. Основное различие в шлаковом режиме состоит в том, что в двухванных печах нет необходимости в спуске первичного шлака для улучшения нагрева ванны, так как во время продувки ванна нагревается в основном теплом экзотермических реакций окисления компонентов металла, а не теплом факела, как в мартеновских печах.

Шлаковый режим двухванной печи имеет некоторые недостатки. Во-первых, в шлаке двухванных печей содержание МgО всегда выше, чем в конвертерном шлаке, и составляет >10% (большая продолжительность плавки и более реакционный шлак), в связи с чем фосфоро- и серопоглотительная способность ниже. Во-вторых, шлак в двухванных печах в основном нагревается от металла, поэтому повышение его основности выше 3-3,5 невозможно. При более высокой основности шлак получается гетерогенным, физически и особенно химически малоактивным. По содержанию основных компонентов (CaO, SiO2, FeO) формирование шлака в двухванных печах подчиняется закономерностям, характерным для кислородно-конвертерного процесса.

Режим окисления углерода в основном определяется дутьевым режимом. В течение первых 2/3 продувки об остаточном содержании углерода в металле судят по расходу кислорода. По достижении расчетного остаточного содержания углерода (1,0-1,5%) отбирают пробу металла и измеряют его температуру. При нормальном ходе плавки к этому моменту лом успевает полностью раствориться, и весь металл находится в жидком состоянии. Рафинирование металла в основном сводится к окислению избыточного количества углерода, причем эта реакция практически до конца плавки остается единственным источником тепла для нагрева ванны.

После расплавления ванны должна быть обеспечена синхронность проведения процессов окисления углерода и нагрева ванны. Это является важнейшей задачей, решаемой во время продувки. Ее решение упрощается, если возникает перегрев ванны, так как перегрев легко снимается присадкой твердого окислителя. Если обнаруживается недогрев, то необходимо обеспечить большее дожигание СО над продуваемой ванной. Для этого одну или две фурмы поднимают, располагая конец над ванной и расходуя часть кислорода на окисление СО. При этом также происходит некоторое окисление железа, так как, когда фурмы находятся над шлаком, содержание оксидов железа в нем повышается.

Указанным методом можно устранить небольшие недогревы. Если недогрев большой, то необходимо перейти к выплавке стали с возможно низким содержанием углерода, или доливать чугун.

При достижении заданных значений содержания углерода в металле и температуры его нагрева продувку прекращают.

Окисленность металла в двухванных печах не отличается от окисленности его в кислородных конвертерах, если конечный шлак нормальный, гомогенный и не переокислен. По содержанию азота при использовании технологического кислорода металл двухванных печей не отличается от конвертерного и мартеновского, а по содержанию водорода лучше мартеновского, поэтому при нормальном дутьевом и шлаковом режимах плавки сталь, полученная в двухванных печах, обычно не уступает мартеновской и кислородно-конвертерной.

Выпуск плавки может быть сразу после прекращения продувки или через некоторое время после 5-10 мин выдержки для снятия избыточного содержания оксидов железа в шлаке. Как показали исследования на ММК и других заводах, для снятия переокисленности шлака достаточно выдержки ~ 10 мин. Поскольку продолжительность выпуска плавки составляет - 10 мин, то выпуск плавки, сразу после окончания продувки нельзя рассматривать как ошибочный технологический прием.

Раскисление и легирование металла, как при кислородно-конвертерном процессе, проводят исключительно в ковше.

12. Перспективы применения двухванных печей

По производительности двухванные печи уступают кислородным конвертерам. Но установка кислородных конвертеров в мартеновских цехах существенно повышает стоимость реконструкции, усложняет эксплуатацию. Поэтому в 70-е годы в СССР и за рубежом на ряде заводов часть мартеновских печей заменили двухванными.

Однако, как показала практика, двухванные печи по сравнению с мартеновскими хотя и имеют явное преимущество по производительности, но по возможности переработки лома они уступают мартеновским печам. По этому показателю двухванные печи стоят ближе к кислородным конвертерам, т.е требуют высокого расхода чугуна, вводимого в шихту. Кроме того, качество выплавляемой стали и условия труда у двухванных печей хуже, чем у мартеновских печей и конвертеров. К 2000 году примерно половина двухванных агрегатов была остановлена в связи с развитием кислородно-конвертерного производства.

Литература

1. Металлургия стали./ Под ред. Явойского В.И. и Кряковского Ю.В. М.: Металлургия, 198 - С.125-187.

2. Баптизманский В.И. Теория кислородно-конвертерного процесса. М.: Металлургия, 1975. - С.14-47.

3. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали. Бигеев. А.М., Бигеев В.А. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - С.342-352.

4. Дюдкин, Д.А. Современная технология производства стали. / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко. М.: Теплотехника, 2007. - 528 с.

5. Металлургия стали / Явойский, В.И., Кряковский, Ю.В., Григорьев, В.П. и др. - М.: Металлургия, 1983. - 584с.

6. Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов.- М.: "Мир", ООО "Издательство АСТ", 2003. - 528 с.

7. Чалмерс, Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968. - 280 с.

8. Колосов, М.И., Смирнов, Ю.Д. и др. Сменное оборудование для разливки стали. - Челябинск, 1961. - 320с.

9. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / Колпаков, С.Ф., Старов, Р.В., Смоктий, В.В. и др. - М.: Металлургия, 1991. - 464с.

10. Развитие технологии непрерывной разливки ста¬ли. Лякишев, Н.П., Шалимов, А.Г. М.: ЭЛИЗ, 2002. - 208 с.

11. Емельянов, В.А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок. - М.: Металлургия, 1988. - 143с.

12. Журавлев, В.А., Китаев, Е.М. Теплофизика формирования непрерывного слитка. - М.: Металлургия, 197 - 216с.

13. Литвин, А.В., Мазур, В.Л., Темошенко, В.Л. Разработка литейно-прокатных комплексов для производства листовой стали, тонких слябов и лент за рубежом. Черная металлургия, 1990, № - С.23-31.

Размещено на Allbest.ru