Производство стали в мартеновских печах

     Приравнивая приходную и расходную части баланса, по их разности определяют тепло сгорания топлива. Зная теплотворную способность топлива, можно определить его расход (см., например, табл. 1). 
 
 
 

Таблица 1. Тепловой баланс рабочего пространства мартеновской печи

'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.

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.

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.  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. 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 использования, а также методы непрерывного замера температур металла и др.

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 k близка 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 мартеновских печей обычно используют мазут и (или) природный газ. Мазут — первоклассное топливо для мартеновских печей: он дает яркосветящийся настильный 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.

7. СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Кудрин В. А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. — М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003