Мартеновские печи.

История развития.

Мартеновские печи – сталеплавильные печи ванного, регенеративного типа.

Первая печь такого типа была построена П. Мартеном (Франция) в 1864 году. Идея мартеновской регенеративной печи принадлежит Ф. Сименсу (Германия).

В настоящее время новые мартеновские печи не строятся, а старые постепенно выводятся из эксплуатации. В 50-х годах XX-го столетия в мире до 80% стали выплавлялось в мартеновских печах, а в настоящее время, не более 3%. Начиная с 60-х годов ХХ века, происходит постепенное вытеснение мартеновского способа плавки, кислородно-конверторным способом, которым получают более 60% процентов мирового производства стали и электродуговым способом (более 30%).

Рис.__ Устройство мартеновской печи: 1 - завалочное окно; 2 - сталевыпускное отверстие; 3 - рабочее пространство; 4 - свод; 5 - отверстие для спуска шлака; 6 - подина; 7 - головка; 8 - вертикальные каналы; 9 - шлаковик; 10 - боров; 11 - насадка регенераторов; 12 - регенераторы; 13 - передняя стенка; 14 - задняя стенка; 15 - рабочая площадка.

Принцип действия

Мартеновские печи энергоемкие и имеют большие габариты (садка печи составляет 600-900т). Достоинством мартеновских печей можно считать возможность перерабатывать большое количество металлического лома и чушкового передельного чугуна на метзаводах не имеющих доменных печей и в регионах с избытком металлического лома. Но на таких заводах, как правило, печи отапливаются природным газом и мазутом, что значительно повышает себестоимость стали по сравнению с печами, садкой которых является жидкий чугун, так как современные цены на топливо очень высокие.

В мартеновских печах работающих на природном газе и мазуте – газовые регенераторы отсутствуют. При сжигании коксо-доменного газа происходит его подогрев в регенераторах (как и воздуха) до 1100-1150˚С. Температура уходящих газов за регенераторами 400-800˚С, поэтому для утилизации тепла уходящих газов устанавливаются котлы утилизаторы. Время плавки зависит от способа плавки и емкости печи и колеблется от 4 до 6 часов.

Способ мартеновской плавки зависит от состава шихты используемой во время процесса. Различают два основных способа выплавки стали в мартеновских печах:

1. Скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) более чем на 50%, чушкового передельного чугуна 25-45% и флюсов; данный процесс применяется на заводах, не имеющих доменных печей.

2. Скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из стального лома 40-50 %, жидкого чугуна, обогащенной железной руды и флюсов.

В зависимости от состава флюсов и материалов огнеупоров процесс плавки может быть основным или кислым.

В печах с кислой футеровкой (используется динас кварц и кварцевый песок) при плавке стали образуется кислый шлак, который почти не содержит окиси кальция, но зато имеет повышенное содержание кремнезема .

При ведении кислой мартеновской плавки затруднено удаление из расплава серы и фосфора, поэтому изначально шихта используется более чистая (цена выше) и процесс плавки длится дольше, чем при основном.

В результате плавки в кислой среде получают сталь высокого качества, которая используется при изготовлении особо ответственных изделий:

- крупных коленчатых валов;

- роторов турбин;

- стволов артиллерийских орудий;

Металл таких изделий должен иметь высокие изотропные и прочностные свойства.

Более 95% мартеновской стали получают путем основной выплавки (скрап-процесс и скрап-рудный процесс).

В качестве огнеупоров, в основном мартеновском процессе, используются магнезиальные огнеупоры (основа ), а в шлаке преобладают основные окислы , . Для этого в шихту добавляют доломит, известняк, плавиковый шпат и др., которые обеспечивают протекание окислительных реакций и удаление вредных примесей из расплава, в том числе фосфора и серы.

Рис. 2 Схема мартеновской печи:

Загрузка шихты осуществляется через загрузочные окна, после чего в печь подается топливо и подогретый в регенераторах воздух. Шихта подогревается до температуры 800-850˚С после чего в печь (в специальных миксерах) подается жидкий чугун. Количество металлического лома и чугуна может колебаться в различных диапазонах в зависимости от разновидности процесса плавки. После заливки чугуна, через свод, вводятся кислородные фурмы, через которые подается технический кислород непосредственно в расплав.

Подача кислорода резко повышает температуру расплава и ускоряет удаление из расплава углерода, серы и фосфора. В дальнейшем высокая температура плавки поддерживается за счет сжигания топлива (природный газ, коксовый и доменный газы, смеси газов, мазут) в потоке подогретого воздуха. Избыток кислорода в продуктах сгорания ускоряет процесс окисления элементов шихты, сокращает время плавки.

В завершающем периоде плавки проводят раскисление и легирование расплава, т. е. доведение расплава до заданного химического состава.

Выпуск металла из печи производят через специальные отверстия в задней стенке печи в сталеразливочный ковш, который подается к изложницам или на установку непрерывной разливки стали. Доводку стали иногда проводят в ковше, добавляя в него определенные флюсы и легирующие добавки.

Тепловой баланс мартеновской печи.

Наиболее полное представление о тепловых процессах, происходящих в печи, дает анализ теплового баланса.

В качестве примера рассмотрим тепловой баланс мартеновской печи садкой 190т.

Таблица.___ Примерный тепловой баланс мартеновской печи работающей на коксо-доменной смеси:

Анализируя тепловой баланс мартеновской печи необходимо отметить, что количество тепла, поступающее в печь от сжигания топлива, составляет только половину от необходимого тепла. Существенный вклад в приход тепла вносят экзотермические реакции выгорания примесей и окисления самого металла, особенно в период продувки ванны кислородом. Значительное количество тепла (до 30%) вносится с подогретыми в регенераторах газом и воздухом, остальное тепло поступает с жидкими чугунами. Тепло вносимое со скрапом и флюсами, можно не учитывать, т.к. оно составляет доли процентов, от общего количества вносимого в печь тепла.

В расходной составляющей теплового баланса- тепло теряемое с расплавом стали. Это относительно небольшая величина потерь и уменьшить эти потери невозможно. Возможна частичная утилизация тепла стали в изложницах.

Количество шлака, а соответственно и потери тепла с расплавом шлака, в мартеновских плавках, не велико, около 3%.

Значительное количество тепла отводится из печи с продуктами сгорания (до 50%), однако часть этого тепла аккумулируется кладкой регенераторов и возвращается в печь с физическим теплом воздуха и газа (до 30%).

Эндотермические реакции в печи поглощают существенное количество тепла (более 10%), это тепло расходуется на разложение железной руды, известняка, испарение влаги, диссоциацию продуктов сгорания и топлива. Эти потери неизбежны при ведении высокотемпературной плавки.

Ряд потерь существенно зависит от хода процесса плавки и срока эксплуатации печи. Это потери с охлаждающей водой, с излучением через окна, потери через кладку и потери с выбиваемыми газами.

В процессе эксплуатации печи происходит частичное разрушение кладки печи. При этом ухудшается изоляция водоохлаждаемых элементов, в стенах появляются микротрещины, что существенно увеличивает потери с охлаждающей водой и выбиваемыми газами. Утончение кладки увеличивает потери в окружающую среду, потери излучением через окна практически неизменны в процессе эксплуатации.

Однако через окна (гляделки завалочных окон) выбивается часть высокотемпературных газов. Мартеновские печи работают под небольшим избыточным давлением (максимально 40-45Па). Однако на уровне завалочных окон должна проходить нулевая линия давления. Только в этом случае потери с выбиваемыми газами будут минимальные. Уменьшение давления приводит к подсосу холодного воздуха в рабочую зону печи, понижению температуры и как следствие повышению расхода топлива.

Значительное влияние на тепловой баланс печи оказывают потери через кладку (до 10% от тепла топлива).

Повышение эффективности мартеновских печей.

Поскольку температура кладки находится на уровне начала размягчения огнеупоров, наложение тепловой изоляции отрицательно повлияет на стойкость огнеупоров и прочность печи. С учетом свойств огнеупоров необходимо внедрять мероприятия способствующие увеличению срока службы кладки и свода печи. Основным является внедрение системы испарительного охлаждения стен и свода печи. По мере разрушения кладки растут потери тепла, которые воспринимаются водоохлаждаемыми элементами, с выработкой большого количества пара. Принудительное охлаждение кладки снижает темпы её разрушения и срок службы кладки печи увеличивается в 2-2,5 раза, что существенно снижает затраты на выплавку стали.

На эффективность плавки влияет также работа регенераторов, поскольку каждые 10-15минут они переключаются из режима нагрева насадки в режим дутья. Для каждого периода работы печи есть свое оптимальное время переброски клапанов. В период завалки до 15 минут, в период плавки до 10минут.

На скорость плавки существенно влияет интенсивность кислородной продувки расплава, что позволяет сократить время плавки примерно в 2 раза. При этом следует учитывать: стоимость кислородного дутья, увеличение запыленности продуктов сгорания до 30 г/м³, увеличение угара железа в расплаве с образованием пылевидных оксидов. Мартеновская пыль содержит более 70% окислов железа.

Практика показала, что с повышением емкости печи, удельный расход тепла на тонну стали снижается

При массе 100т. q = 6,15 мДж/кг;

При массе 300т. q = 4,75 мДж/кг;

При массе 600т. q = 4,1 мДж/кг;

Коэффициент использования тепла мартеновских печей 30-34%, в зависимости от емкости печи.