Металлургия технология угля и неметаллических полезных ископаемых3
..pdfфутеруются магнезитовым кирпичом и до шлаковой линии прова риваются магнезитовым порошком. Этим достигается монолит ность подины, ее устойчивость против химического воздействия жидкого металла и основного шлака и достаточная механическая прочность.
Подина кислых печей выполняется из динасового кирпича и проваривается кварцевым песком.
Почти все своды основных мартеновских печей изготовляются из магнезитохромитовых кирпичей, обладающих высокой огне упорностью (до 1800°С), что позволяет повысить производитель ность печей. Однако большой объемный вес, высокий коэффици ент линейного расширения и низкая термостойкость магнезитохро митового кирпича делают необходимым изготавливать свод рас порноподвесным. Стойкость таких сводов 400—750 плавок.
Через головки печи осуществляется подача в печь топлива и воздуха, а также отвод продуктов горения. Поэтому головки дол жны обеспечивать: хорошее перемешивание топлива и воздуха для полного сжигания топлива в рабочем пространстве печи; хо рошую настильность факела по всей длине ванны; минимальное сопротивление при отводе продуктов сгорания из рабочего про странства.
Необходимость обеспечить максимальные скорости при подаче топлива и воздуха через головки и минимальное сопротивление при отводе продуктов горения усложняет конструирование голо вок. Применение высококалорийного топлива (мазута, природного газа) делают возможным изготавливать одноканальные головки (см. рис. 26).
Из головок продукты горения поступают в вертикальные кана лы, затем в шлаковики, регенераторы, откуда по системе боровов и через дымовую трубу отводятся в атмосферу.
Нижнее строение мартеновской печи (ниже уровня рабочей площадки) состоит из шлаковиков, регенераторов и боровов с пе рекидными устройствами (рис. 27).
В шлаковиках осуществляется осаждение 50—75% наиболее крупной плавильной пыли. Мелкая пыль в количестве 10—25% оседает в насадках регенераторов, остальная тонкая пыль уно сится в трубу. Почти вся пыль — основные окислы, в том числе 60—80% окислов железа. В газах, проходящих через вертикаль ные каналы, обычно содержится 1—2 г/л*3 пыли. При продувке ванны кислородом или сжатым воздухом количество пыли возрас тает в несколько раз.
Удаление шлака из шлаковиков при ремонте печи может осу ществляться монолитом на подвижных поддонах, либо выгреб ными машинами.
Отходящие из шлаковиков газы с температурой 1500—1600° С попадают в насадки регенераторов. Объем насадок и величина поверхности их нагрева должны обеспечивать постоянную и воз можно более высокую температуру нагрева холодного газа и
воздуха, так как от этого зависит производительность печи и рас ход топлива.
Верхние ряды насадок выкладываются из форстеритового кир пича (форстерит 2Mg0 -Si02), обладающего высокой огнеупор ностью (1830—1880°С), термостойкостью и довольно большой
Рис. 27. Нижнее строение 500-тоиной мартеновской печи:
1 — головка и вертикальный канал; |
2 — шлаковик; 3 — регенератор; 4 — подиасадоч- |
ное |
пространство |
стойкостью против воздействия плавильной пыли. Нижние ряды насадок изготавливаются из более дешевого шамотного кирпича.
Борова печи и дымовая труба футеруются снаружи красным, а внутренний слой — шамотным кирпичом. Высота дымовых труб достигает 100—120 м.
Общий объем огнеупорной кладки 500-тонной мартеновской печи составляет около 3750 м3. Ряд элементов печи (ардгатура, ра мы, перекидные устройства, крышки рабочих окон и др.) изготав ливается из металла. Поэтому многие элементы конструкции печи нуждаются в непрерывном охлаждении водой. Для этого широкое распространение получила пароиспарительная система охлажде ния.
В мартеновской печи периодически изменяется направление движения газов, т. е. производится реверсирование или «перекид ка клапанов». Эта операция полностью автоматизирована.
Емкость (садка) мартеновских печей изменяется в пределах 10—900 т. Причем емкость печей, работающих скрап-процессом, обычно не превышает 180—200 т, емкость печей, работающих скрап-рудным процессом, составляет 250-900 г. Размеры и пара метры некоторых типовых мартеновских печей приведены в табл. 7.
|
|
|
Т а б л и ц а |
7 |
|
Размеры и параметры мартеновских печей |
|
|
|||
|
|
Емкость печей, |
m |
|
|
Параметры |
70 |
130 |
300 |
600 |
900 |
|
|||||
Площадь пода, м2 |
37 |
54 |
85 |
125 |
160 |
Объем двух шлаковиков, мг . |
127 |
180 |
295 |
430 |
560 |
Объем воздушной насадки, м3 |
129 |
187 |
290 |
430 |
575 |
Высота дымовой трубы, м |
55 |
70 |
90 |
95 |
100 |
Топливо и тепловая работа печи
Для отопления мартеновской печи можно использовать газо образное, жидкое и твердое топливо. Наиболее часто применяют в качестве топлива смешанный коксодоменный и природный га зы, мазут.
Смешанный коксодоменный газ содержит 16—20% СО, 7—9% С02, 20—30% Н2, 8—12% СН4 и 30—40% N2. Теплота сгорания газа в зависимости от его состава изменяется в пределах 2000— 2500 ккал/м3.
Для улучшения светимости факела к смешанному газу обычно добавляют мазут. Калориметрическая температура горения нагре того в регенераторах смешанного газа в нагретом воздухе состав ляет около 2600° С.
Смешанным газом отапливаются мартеновские печи металлур гических заводов, имеющих доменный и коксовый цехи. При не достатке смешанного газа или при отсутствии на данном заводе доменного и коксовых цехов для отопления печей используют мазут или природный газ.
Мазут дает настильный светящийся факел; калориметрическая температура горения мазута в нагретом воздухе 2650° С. Для отопления печей обычно используют мазут следующего состава: 83—87% углерода; 10—13% водорода; не более 0,4% кислорода; 0,5% серы и 2% влаги. Теплота сгорания -—10000 ккал/кг. По догретый до температуры 70—80° С мазут распыляют сжатым воздухом (6—8 ати) или перегретым паром (10—12 ати). Мазут
употребляется как самостоятельное топливо и в смеси с природ ным или коксовым газом.
В последнее время все большее распространение получает природный газ, являющийся дешевым высококалорийным видом топлива (8500—9000 ккал/м3), почти не содержащим серы. Он на 95—98% состоит из метана. Добавка мазута (20—30% по теплу) не только увеличивает теплоту сгорания смеси, но также повышает светимость факела, утяжеляет его, т. е. делает факел более настильным.
Вид и качество топлива определяют конструкцию печи и влияют на показатели ее работы.
При использовании для отопления печи высококалорийного топлива — мазута, природного газа или их смесей необходимый пирометрический эффект достигается без предварительного подо грева топлива. В этом случае упрощается конструкция головок, печь оборудуется только одной парой воздушных насадок, умень шается общая протяженность боровов, количество клапанов и шиберов. Стоимость сооружения таких печей приблизительно на 20% ниже; снижаются также эксплуатационные расходы.
Условия теплопередачи в рабочем пространстве печи сущест венно изменяются в ходе процесса плавки и зависят от конструк ции и емкости печи, качества и вида топлива, свойств и располо жения шихтовых материалов, состава и физического состояния шлака, интенсивности кипения ванны и других факторов.
Характеристика топлива и условия его сжигания оцениваются коэффициентом использования топлива (КИТ)
^кит = |
QT-- Qyx |
0^ * |
где QT — теплота сгорания топлива; Qyx — тепло уходящих газов.
Для мартеновских печей различной емкости КИТ составляет обычно 0,45—0,65.
Мартеновская печь является весьма несовершенным тепловым агрегатом: на нагрев металла и шлака расходуется лишь 18—20%
(скрап-процесс) или 24—26% |
(скрап-рудный |
процесс) |
поступаю |
щего тепла. С отходящими |
газами уносится |
58—64% |
тепла, а |
в регенераторах утилизируется около 30% тепла. |
|
Обогащение воздуха кислородом уменьшает потери тепла с уходящими газами Qyx за счет сокращения объема продуктой
горения, |
интенсифицирует процессы теплообмена между факелом |
и ванной |
вследствие повышения температуры факела (до 2100— |
2200°С). В этих условиях оказывается возможным увеличить тепловые нагрузки печи (в 1,5—1,8 раза) без опасения за пол ноту сжигания топлива и разрушение огнеупоров, что в итоге приводит к уменьшению длительности плавки стали и снижению удельного расхода топлива.
Практика показала, что наилучшие результаты тепловой ра-
3 М. А. Менковский и др. |
65 |
боты мартеновской печи достигаются при обогащении, воздуха, кислородом до 32—35%.
Удельный расход тепла на 1 т стали зависит прежде всего от емкости печи: для малых печей (10—20 т) расходуется около 2-106 ккал/т, а для большегрузных печей (600—900 т)— 0,5Х X 106—0,7 • 106ккал[т.
Основной скрап-процесс
Мартеновская плавка при основном скрап-процессе состоит из следующих периодов: заправки печи; завалки шихты; плавления шихты; кипения ванны (доводки), раскисления и легирования; выпуска стали.
З а п р а в к а печи производится обожженным доломитом или магнезитовым порошком в основном по шлаковой линии, где футеровка изнашивается значительнее. При этом устраняются также механические повреждения подины металлической шихтой (ямы, выбоины).
З а в а л к а шихт ы осуществляется мульдами завалочной машиной кранового типа с вращающейся кабиной. В шихту вво дятся стальной лом, чушковый чугун, известняк или известь. Ко личество чугуна в шихте определяется его составом, маркой вы плавляемой стали и окислительной способностью печи. Для обес печения необходимых условий кипения ванны и рафинирования содержание углерода в металле после расплавления должно быть на 0,5—0,9% выше, чем в готовой стали.
Порядок завалки шихты оказывает большое влияние на про должительность ее плавления и условия доводки плавки.
Обычно завалку шихты производят в следующем порядке: лег ковесный лом на подину (10—15% от садки печи), затем извест няк или известь, оставшуюся часть лома и сверху чугун.
П л а в л е н и е м е т а л л и ч е с к о й ш и х т ы ведется при максимальной тепловой нагрузке печи. К моменту полного рас плавления шихты металл должен быть достаточно нагрет и по крыт гомогенным шлаком основностью 1,6—2,2. Для ускорения растворения извести в шлаке используют добавки плавикового шпата, шамотного боя или боксита.
К и п е н и е в а нн ы (рудное) происходит в результате введе ния в печь некоторого количества железной руды (1—2%)- При этом ванна кипит вследствие интенсивного окисления углерода по реакции
3 [С] + Fe20 3 = ЗСО + 2Fe.
Перемешивание металла способствует удалению газов и не металлических включений, выравниванию температуры ванны. В этих условиях также осуществляется дефосфорация металла шлаком по реакции
2 [Р] + 5 (FeO) + 3 (СаО) = (ЗСа0-Р20 Б) + 5Fe.
Образование пенистого шлака при рудном кипении ванны об легчает его скачивание, удаление фосфора и части серы из ме талла.
После наводки нового гйлака основностью 2,3—2,9 добавками извести наступает период «чистого» кипения, когда запрещается введение в ванну шлакообразующих материалов.
При чистом кипении, возникающем в результате окисления углерода растворенным в металле кислородом
[С] + [О] = СО,
осуществляется дальнейшая очистка металла от газов (N, Н) и неметаллических включений, происходит нагрев ванны, вырав
нивание ее температуры |
и десульфурация металла основным |
шлаком. |
л е г и р о в а н и е с т а л и производится |
Р а с к и с л е н и е и |
описанными выше способами. Скрап-процессом обычно выплавляют спокойную сталь, используя метод осаждающего раскисления.
Сталь в печи раскисляют ферромарганцем, вводят в нее соот ветствующие легирующие элементы и выпускают. В струю металла на желобе или в разливочный ковш вводят ферросилиций (45или 75%-ный) и алюминий.
Разновидностью диффузионного раскисления стали является обработка ее жидким синтетическим (известково-глиноземистым) шлаком в ковше. При падении струи металла с большой высоты получается шлакометаллическая эмульсия с очень большой по верхностью раздела фаз. В этих условиях ускоряется диффузия кислорода из металла, удаление серы и неметаллических вклю чений.
Выход жидкой стали при скрап-процессе составляет 90—94%.
Расход металлошихты на 1 |
г годных слитков стали |
1100—1150 кг. |
|
Скрап-рудный |
процесс |
Скрап-рудным процессом перерабатывают жидкий чугун и
стальной |
лом |
в сталь. В |
шихту вводят обычно 65—70% чугуна. |
|
З а в а л к а |
т в е р д о й |
ш и х т ы |
осуществляется следующим |
|
образом. |
На |
подину заваливают |
легковесный стальной лом |
( ^—10%), железную руду (10—15%), известняк или известь (8—10%). После хорошею прогрева неметаллической шихты заваливаюттяжеловесный лом, который также прогревают до оп лавления. Количество руды, вводимой в шихту, зависит от марки стали, состава чугуна, окислительной способности печи и опре деляется обычно опытным путем, по данным предыдущих плавок. Для ускорения процесса шлакообразования на некоторых метал
лургических |
заводах используют |
офлюсованный агломерат |
|
(5— |
10% СаО) или рудно-флюсовые брикеты. |
||
З |
а л и в к а |
ж и д к о г о чуг уна, |
который проходит через |
скрап и взаимодействует с железной рудой, сопровождается ин тенсивным окислением примесей чугуна (С, Si, Мп и Р) и обра
зованием пенистого низкоосновного ( —— = 1,0—1,3] железистого
\S i0 2 /
шлака. Этот шлак удаляется из печи самотеком и называется сбегающим первичным шлаком. Количество сбегающего шлака составляет 7—10% от веса металла.
Со сбегающим шлаком удаляется значительное количество SiO2 и Р2О5, а также и окислов железа и марганца.
Бурное кипение ванны при заливке чугуна происходит в ре зультате интенсивного окисления углерода чугуна рудой. Выде ляющаяся окись углерода дожигается в рабочем пространстве печи, что позволяет снизить расход топлива в этот период плавки.
За период плавления полностью окисляется кремний, почти
весь |
марганец, большая часть фосфора и углерода. |
В |
результате протекания реакций окисления примесей чугуна |
преимущественно кислородом железной руды восстанавливается 5—9% железа. Поэтому при скрап-рудном процессе выход жидкой стали составляет 101—103% от веса исходной металлошихты.
Д о в о д к а п л а в к и, р а с к и с л е н и е и л е г и р о в а н и е стали при скрап-рудном процессе практически не отличается от описанной выше технологии при скрап-процессе.
Материальный баланс плавки приведен в табл. 8.
Т а б л и ц а 8
Материальный баланс скрап - рудного процесса (на 100 единиц массы металлической
_____________ шихты)___________________________________
Расход |
Количе |
Приход |
Количе |
ство |
ство |
||
Чугун жидкий |
65,0 |
Сталь жидкая |
103,522 |
Скрап |
35,0 |
Корольки металла в шлаке |
0,757 |
Ферромарганец |
0,578 |
Шлак: |
8,0 |
Железная руда: |
15,472 |
сбегающий |
|
в завалку |
конечный |
7,355 |
|
в период кипения |
2,000 |
Окись углерода |
6,064 |
Известняк |
4,755 |
Углекислый газ |
2,203 |
Известь |
0,672 |
Влага |
0,151 |
Заправочные материалы и огне |
3,200 |
|
|
упоры |
1,375 |
|
|
Кислород из атмосферы печи |
|
|
|
И т о г о |
128,052 |
|
128,052 |
Скрап-рудным процессом выплавляют кипящую, полуспокойную и спокойную сталь на заводах с полным металлургическим циклом.
В мартеновских цехах, работающих скрап-рудным процессом (рис. 28), подача жидкого чугуна из миксера осуществляется в
ковшах, установленных на специальные железнодорожные плат формы. Подача металлического лома, железной руды, извести; известняка и других добавочных материалов из шихтового отде ления производится в ..мульдах, установленных на тележках нор мальной колеи. Завалка твердых материалов осуществляется машиной напольного типа, а заливка чугуна— мостовым краном.
Т е х н и к о-э к оно ^ и ч е с к и е п о к а з а т е л и . Производи тельность мартеновских печей измеряют несколькими показате лями: съемом стали с 1 м2 площади пода в сутки, часовой и го довой производительностью.
С увеличением емкости печей их. производительность возра
стает, что характеризуется следующими данными: |
|
|||
|
|
* |
|
|
Емкость печи, т . . . . |
. |
.300 |
600 |
900 |
Производительность часовая, т |
38,2 |
60,5 |
85? |
|
То же, годовая, тыс. т |
|
5315—350 |
500—600 700—800(1000) |
|
|
|
з |
|
|
В году печь работает 330—340 дней. |
|
расходом ших |
||
Стоимость стали |
.определяется |
стоимостью и |
товых материалов, выходом годного металла, а также расходами по переделу. j v
Расход металлошихты на 1 г годных стальных слитщй зави сит от вида разливки (сверху, сифоном, непрерывная), брйка и составляет примерно 1050—1100 кг. ‘
С увеличением емкости печей и объема производства металла в цехе снижаются расходы по переделу (топливо, энергетические затраты, ;расходы на амортизацию, ремонт, транспорт, зарплату и др.).
Кислый скрап-процесс
Кислый скрап-процесс осуществляется в печи, подина которой изготовлена из кислых материалов (около 95% SiCb). Сера и фосфор из металла не удаляются. Поэтому к шихте и топливу предъявляют особые требования. Содержание серы в мазуте не должно превышать 0,5%.
В качестве металлической шихты обычно используют высоко качественные древесноугольные или коксовые чугуны и шихтовую заготовку, выплавленную в основных мартеновских печах. Со держание серы и фосфора в этих материалах не должно превы шать 0,020—0,025%.
Возможна работа кислой мартеновской печи на жидком полу продукте ;из основной печи. Такой процесс называют дуплекс-про цессом (основная — кислая мартеновские печи). Ход плавки в кис лой мартеновской печи существенно отличается от плавки в ос новной печи.
В завалку используют конечный шлак предыдущих плавок, кварцевый песок и шамотный бой в количестве 2—4% от массы металла.