Мартеновская печь своими руками

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 18.09.2024

Начало мартеновского процесса относится к 1865 г., когда металлурги П. и Э. Мартены во Франции построили 1,5-тонную регенеративную* печь и получили в ней сталь удовлетворительного качества из стального лома и чугуна.

В России первая мартеновская печь более совершенной конструкции емкостью 2,5 т была построена в 1869 г. на Сормовском заводе инж. А. А. Износковым. Современные мартеновские печи имеют емкость до 900 т. Более распространенными являются печи емкостью 150—300 т. Все мартеновские печи с полным металлургическим циклом работают на смешанном газе (коксовальный + доменный). Имеются печи, работающие на мазуте и природном газе.

По роду кладки печи делятся на основные и кислые. Наиболее распространены основные печи. В основных печах под и стенки выложены магнезитом, свод у многих печей динасовый.

Исходными материалами для выплавки стали в мартеновских печах являются: металлический лом (скрап), чугун передельный мартеновский марок Ml и М2 (чушковый или жидкий), железная руда. Кроме того, применяют флюсы (преимущественно известняк). В зависимости от шихтовых материалов, поступающих для плавки, различают три основные разновидности мартеновского процесса.

1. Скрап - процесс, в котором шихтой служит металлический лом и чушковый чугун. Этот процесс применяют в мартеновских печах машиностроительных заводов, где всегда имеется большое количество металлических отходов, причем содержание их в шихте достигает 50—70%.

2. Скрап-р удный процесс , в котором содержание жидкого чугуна в шихте составляет 50—75%, остальное — металлический лом.

Скрап-рудный процесс получил свое название потому, что в нем для окисления примесей преобладающей части шихты — жидкого чугуна — расходуется значительное количество руды.

3. Рудный процесс , в котором плавка ведется только на жидком чугуне без стального лома. В настоящее время рудный процесс не применяется, так как экономически невыгоден.

Из перечисленных процессов наибольшее распространение получил скрап-рудный. Его применяют на заводах с полным металлургическим циклом.

Мартеновская печь называется пламенной регенеративной, так как принцип ее работы основан на регенерации тепла, обеспечивающей высокую температуру печи, необходимую для ведения плавки.

Важнейшей частью мартеновской печи является рабочее пространство А (рис. 1). Здесь происходят важнейшие физико-химические процессы: горение топлива, окисление примесей, расплавление шихты, образование металла и шлака. Сверху рабочее пространство ограничено сводом 1, снизу — подом (или подиной) 10, задней и передней стенками, а с боковых сторон — головками 2. В передней стенке сделаны завалочные окна 11 (их бывает от трех до семи в зависимости от величины печи). Через них загружают печь, берут пробы, наблюдают за процессом, а также наваривают или исправляют под. Завалочные окна закрываются огнеупорными заслонками. В задней стенке внизу имеется отверстие для выпуска металла и шлака, забитое огнеупорной пробкой, которую при выпуске пробивают. Головки печи расположены симметрично. В них находятся каналы 3 и 4, через которые в печь поступают газ и воздух и отходят продукты горения. В нижней части головки соединяются с регенераторами 5 и б, установленными попарно с обеих сторон печи (всего их четыре); при работе на жидком топливе можно ограничиться двумя регенераторами (по одному с каждой стороны). Регенераторы представляют собой камеры, выложенные огнеупорным кирпичом. Внутри регенератора имеется огнеупорная насадка с вертикальными каналами. В нижней части регенераторы соединены с каналами 7 и 8, по которым поступают воздух и газ и отходят продукты горения. Чтобы регулировать направление движения газа и воздуха в печь, а продуктов горения — к дымовой трубе, в каналах имеются перекидные клапаны 9.

Работа мартеновской печи начинается с ее загрузки. печь загружается завалочными машинами. При скрап-процессе вначале заваливают лом и известняк, затем чугун, при скрап-рудном процессе — сначала железную руду и известняк, а затем жидкий чугун. чугун заливают из ковша по желобу, устанавливаемому в завалочном окне. В зависимости от величины печи и степени механизации завалка длится от двух до трех часов. Одновременно с завалкой шихты в печь подают топливо и воздух (попеременно через правые и левые головки печи).

Подогрев продуктов горения обеспечивает при сгорании топлива в рабочем пространстве температуру около 2000° С. При работе на жидком топливе регенераторы подогревают только воздух, а нефть или мазут подаются форсунками, установленными в каналах головок печей.

Первый период — плавление — начинается вскоре после начала загрузки. После окончания загрузки расплавление идет интенсивнее, так как уменьшаются потери тепла.

Во время плавления надо вводить в печь наибольшее количество тепла. Это предохранит металл от растворения в нем газов и от излишнего окисления.

Период плавления характеризуется окислительными реакциями: окисляются кремний, марганец, железо, фосфор.

Одновременно образуется большое количество закиси железа FeO , которая является основным окислителем примесей — кремния, марганца, фосфора.

Второй период — окисление — характеризуется энергичным окислением углерода за счет FeO . Это окисление протекает по реакции

Образующиеся при этом газы, стремясь вырваться из ванны, приходят в состояние кипения, поэтому второй период плавки называют периодом кипения. Выгорание углерода длится 2—3 часа. По получении требуемого процента углерода заканчивается второй период плавки.

Третий период — раскисление. Цель раскисления та же, что и в конверторе, и применяются те же раскислители: ферросилиций, ферромарганец, алюминий. Более тяжелые раскислители загружают прямо в печь, более легкие — в желоб или в ковш. Иногда для проверки раскисленности стали делают пробу. Застывший раскаленный кусок стали подвергают ковке; при плохой раскисленности образуются трещины. Если в мартеновской печи выплавляют легированную сталь, после раскисления в нее вводят легирующие элементы: ферротитан, феррохром, высококремнистый ферросилиций и др. Для получения никелевой стали вводят чистый никель.

После окончания плавки сталь выпускают в ковш. процесс плавки длится 5—8 часов, при скоростном сталеварении сроки сокращаются до 4,5—5,5 часа. Важнейшим фактором повышения производительности мартеновских печей является внедрение новой прогрессивной технологии, в первую очередь применение кислорода в мартеновской плавке.

Кислород вводят при плавке двумя способами: а) путем обогащения факела пламени в период завалки и расплавления шихтовых материалов и б) продувкой жидкой ванны в период выгорания углерода.

Применение кислорода повышает производительность мартеновской плавки на 15—25%. Особенно эффективные результаты достигаются в печах большой мощности.

В мартеновских печах выплавляют качественную углеродистую конструкционную и инструментальную сталь, а также низколегированную и среднелегированную. Сталь, выплавленная в мартеновских печах, идет на изготовление проката и поковок. Из нее делают рельсы, рессоры, балки и другие детали машин.

Есть два типа производства стали в мартеновских печах, применяемые в сталелитейной промышленности сегодня: скрап-рудный (кислый мартеновский процесс для производства стали из чугунной шихты, основание пода – SiO2) и скрап-процесс (переплавка лома металла, используют огнеупоры с СаО и MgO).

Принцип работы и устройство

Главное действие процесса — вдувание подогретой топливовоздушной смеси в камеру с низким сводом, который отражает весь тепловой поток к плавильной ванне, на расплав.

Схема работы мартеновской печи проста: в плавильной камере происходит возгорание топлива. Полученные печные газы обеспечивают необходимую температуру для расплавки чугуна и превращения его в сталь с помощью окислительных процессов, которые происходят в плавильне. Окисление происходит за счет добавления в шихту (чугуна и смеси для образования шлака) извести и добавок (для придания материалу определенных свойств: жаропрочность, коррозионная стойкость и др.)

Мартеновская печь — симметрична в фронтальном разрезе конструкция. Рабочие компоненты горения поступают в плавильную камеру с разных сторон с определенным интервалом. Газовоздушные тракты, соответственно, поочередно работают то на подачу рабочей смеси, то на отвод продуктов сгорания.

Шлаковики, регенераторы и борова расположены в головках. Шлаковики (воздушные и газовые) устраивают для сбора оседающих частиц шлака, выделяющихся в процессе горении. Регенераторы (сеть каналов из огнеупорного кирпича, для предварительного подогрева поступающих топлива и воздуха до 1200 °С) расположены вверху головок. Разогрев регенератора до необходимого состояния происходит за счет передачи тепла от очищенных газов, которые прошели через шлаковики. Подогрев позволяет получить температуру в плавильной ванне порядка 1800-2000 °С. Газоотводные каналы (боровы) проходят в самом низу головок, а основной выход в дымоход находится под подом печи, средняя температура выходящих газов 1550 °С.

Циркуляция рабочих потоков (печные газы, воздух, топливо) осуществляется с помощью системы перекидных клапанов (дросселей). Отработанные газы передают свое тепло регенераторам. При смене стороны горения, холодные топливо и воздух, преодолевая горячие регенераторы, подогреваются. Таким методом происходит подготовка рабочих газовых потоков для горения, поддержания эффективной температуры.

Технология скрап-рудного процесса

Сталь готовится в несколько этапов:

• загрузка (завалка) шихты (железная руда, известняк, скрап);
• нагрев;
• заливается чугун в жидком состоянии;
• плавка и кипение расплава;
• отбор образцов для анализа;
• удаление шлака первичного образования;

• засыпка материала для образования нового шлака для процесса дефосфации (повторяется до тех пор, пока количество фосфора не будет в норме)
• отбор проб для анализа на требуемое содержание фосфора;
• кипение. Во время процесса происходит выгорание углерода. Продукт процесса – окись углерода, всплывает через толщу металла, перемешивая его, выравнивает химический состав, очищает расплавленную массу от газов и примесей;
• отбор образцов металла на содержание углерода;
• раскисление и легирование;
• выдержка;
• выпуск жидкого металла для дальнейшей разливки.

Сегодня используются прогрессивные методы плавки с использованием кислорода, как для оптимизации горения, так и для продувки металла. Для этого через свод к ванне с кипящим металлом подводят кислородные фурмы, охлаждаемые водой.

Рабочее пространство плавильной установки подвержено наибольшим тепловым нагрузкам. Устройство мартеновской печи таково, что огнеупорные материалы плавильни находятся под постоянными тепловыми и механическими нагрузками различной интенсивности. Химические процессы также способствуют разрушению огнеупоров. Поэтому жаропрочность и прочность конструкции плавильного отделения, условия и устойчивость его работы и определяют основные характеристики при выборе материалов.

Футеровка для пода зависит от характеристик шлака, который планируют получить в ходе производства. Для кислого метода выплавки под делают из кислых огнеупоров, которые засыпают сверху слоем кварцитового песка. Тыльную и фронтальную стены кислой плавильни строят из кремеземнистого огнеупора (динаса). Для основных шлаков – под строят из основных огнеупорных материалов, верх конструкции засыпают магнезитовым песком, реже –мелкозернистым доломитовым материалом. Передний и задний откосы подины выкладывают из магнезитового кирпича. В местах соприкосновения ванны с раскаленным шлаком, после окончания плавки возникают небольшие спекания, которые удаляют, и разрушения, устраняемые засыпкой песка (магнезитового порошка), подаваемого заправочными машини.

Свод изготавливают из любых жаропрочных и огнестойких материалов, но чаще для футеровки применяют динасовый или магнезитохромитовый кирпич с повышенными свойствами термостойкости. Свод строят распорно-подвесным с креплением и прокладками между кирпичами. Применяется горизонтальная компоновка свода – для минимизации объема пространства горения, чтобы уменьшить потери тепла на обогрев всего объема. Основные магнезитохромитовые своды применяются повсеместно, так как их ресурс работы &доходит до 1000 плавок, а ресурс свода из динаса – 200-350 плавок.

Трубу для отвода сгоревшего газа изготавливают из простого керамического кирпича с внутренней облицовкой из простого огнеупорного материала – шамотного кирпича. Ряд элементов (ограждения и крышки окон, балки свода, элементы перекидной системы клапанов) изготавливают из металла. Эти элементы требуют непрерывного водяного или испарительного охлаждения.

Заключение

Мартеновская печь (мартен) — плавильная печь для переработки передельного чугуна и лома чёрных металлов в сталь нужного химического состава и качества. Название произошло от фамилии французского инженера и металлурга Пьера Эмиля Мартена, создавшего первую печь такого образца в 1864 году.

История

Пьер Мартен предложил новый способ получения литой стали в регенеративных пламенных печах. Использовав разработанный в 1856 году немецким инженером К. В. Сименсом принцип регенерации тепла продуктов горения, Мартен применил его для подогрева не только воздуха, но и газа. Благодаря этому удалось получить температуру, достаточную для выплавки стали. Первая плавка была осуществлена Мартеном на одном из французских заводов 8 апреля 1864 года. Мартеновский способ стал широко применяться в металлургии в последней четверти XIX века, а в начале XX века в мартеновских печах выплавляли половину общего мирового производства стали.

Распространению мартеновского способа выплавки стали в Европе способствовал высокий спрос на рельсы и возможность добавления в шихту мартеновских печей до 30 % стального и железного лома (в том числе изношенных рельсов). Проблема повышенного содержания фосфора в европейских рельсах первоначальной укладки решалась добавлением в печь ферромарганца. Таким образом, мартеновская и бессемеровская сталь в 1860-х годах практически заменили тигельную в производстве колёсных бандажей, рессор, осей и рельсов.

В 1879 году Джон Юз запустил первую мартеновскую печь на Юзовском заводе.

Начиная со второй половины XX века доля мартеновской стали в общем объёме производства снижается во всех основных странах-производителях. При этом происходит замещение сталью, выплавляемой в кислородных конвертерах и электропечах. Так, например, в период с 1960 по 2005 годы в СССР (России) доля мартеновской стали в общем объёме производства снизилась с 85 до 25 %; в США — с 87 до нуля %; на Украине — с 53 до 45 %; в Китае — с 25 до нуля %; в Германии — с 47 до нуля %; в Японии — с 68 до нуля %. Начиная с 1970-х годов новые мартеновские печи в мире более не строятся. Мартеновский процесс практически вытеснен гораздо более эффективным кислородно-конвертерным способом (около 63 % мирового производства), а также электроплавкой (более 30 %). По результатам 2008 года на мартеновский способ производства приходится не более 2,2 % мировой выплавки стали. Наибольший удельный вес выплавки стали мартеновским способом в мире по результатам 2008 года наблюдался на Украине.

В 2018 году была закрыта последняя крупная мартеновская печь в России. После этого данный способ производства стали сохранился только на Украине.

Классификация

В зависимости от состава огнеупорных материалов подины печи мартеновский способ выплавки стали может быть основным (в составе огнеупора преобладают СаО и MgO) и кислым (подина состоит из SiO2). Выбор футеровки зависит от предполагаемого состава шлака в процессе плавки.

Основной принцип действия — вдувание раскалённой смеси горючего газа и воздуха в печь с низким сводчатым потолком, отражающим жар вниз, на расплав. Нагревание воздуха происходит посредством продувания его через предварительно нагретый регенератор (специальная камера, в которой огнеупорным кирпичом выложены каналы). Нагрев регенератора до нужной температуры осуществляется очищенными горячими печными газами. Происходит попеременный процесс: сначала нагрев регенератора продувкой печных газов, затем продувка холодного воздуха.

Мартеновский способ также зависит от состава шихты, используемой при плавке. Различают такие разновидности мартеновского способа выплавки стали:

скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25—45 % чушкового передельного чугуна; процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома
скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55—75 %), скрапа и железной руды; процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Технология

Периоды процесса получения стали в мартеновской печи длятся от пяти до восьми часов (при скоростном сталеварении — до 4,5—5,5 часа) и состоят из этапов:

При необходимости, после раскисления вводят легирующие элементы: ферротитан, феррохром, высококремнистый ферросилиций, чистый никель и другие.

После окончания плавки сталь выпускают в ковш.

Для ускорения процесса и повышения производительности на 15—25 % используют кислород. Его вводят при плавке двумя способами:

обогащая факел пламени в период завалки и расплавления шихтовых материалов;
продувая через жидкую ванну в период выгорания углерода.

Назначение и устройство элементов печи

Все строение мартеновской печи делится на верхнее и нижнее. Верхнее строение расположено над площадкой мартеновского цеха, которую сооружают для обслуживания печи на высоте 5—7 м над уровнем пола цеха. Верхнее строение состоит из собственно рабочего пространства печи и головок с отходящими вниз вертикальными каналами. Нижняя часть расположена под рабочей площадкой и состоит из шлаковиков, регенеративных камер с насадками и боровов с перекидными устройствами.

Рабочее пространство печи

Обычно завалочные окна закрыты специальными футерованными крышками с отверстиями — гляделками, через которые сталевар наблюдает за ходом плавки и состоянием печи.

Из всех элементов печи рабочее пространство находится в наиболее тяжёлых условиях — в нём идет плавка стали. Во время завалки твердой шихты огнеупорные материалы, из которых изготовлено рабочее пространство, подвергаются резким тепловым и механическим ударам, во время плавки они подвергаются химическому воздействию расплавленных металлов и шлака; в рабочем пространстве температура максимальна. Стойкостью элементов рабочего пространства печи определяют, как правило, стойкость всей печи и, следовательно, сроки промежуточных и капитальных ремонтов.

Подина печи

Подиной является нижняя часть рабочего пространства мартеновской печи. Над подом находится расплавленный металл. Подина должна выдерживать массу металла и шлака, удары при загрузке шихты, воздействие эрозионных процессов при взаимодействии с расплавленными металлом и шлаком, действие напряжений, возникающих в огнеупорных материалах при частых и резких перепадах температур.

Верхний слой основной подины изготовляют обычно из магнезитового порошка (реже доломитового), который набивают или наваривают на служащий основанием магнезитовый кирпич.

Задняя и передняя стенки мартеновской печи работают (особенно в нижней части) почти в тех же условиях, что и подина, так как они также соприкасаются с жидким металлом и шлаком. Заднюю и переднюю стенки кислой мартеновской печи выкладывают из динасового кирпича, основной мартеновской печи — из магнезитового. В магнезитовой части кладки предусматривают температурные швы, заполняемые картоном, фанерой, деревянными прокладками. При нагреве прокладки выгорают, а расширяющийся кирпич заполняет зазоры.

Несмотря на то, что материал пода, а также задней и передней стенок по своим химическим свойствам соответствует характеру шлака (основного или кислого), шлак взаимодействует с огнеупорной футеровкой. Те места ванны, которые соприкасаются во время плавки со шлаком, оказываются после выпуска плавки несколько поврежденными (изъеденными шлаком). Если не принять специальных мер, то через несколько плавок степень износа может возрасти настолько, что печь будет в аварийном состоянии. Чтобы избежать этого, после каждой плавки подину ремонтируют (заправка печи): на изъеденные места кислой подины набрасывают песок, а основной подины — магнезитовый или доломитовый порошок. Заправке подвергают и торцовые части подины, прилегающие к головкам печи; их называют откосами. Заправку осуществляют с помощью специальных заправочных машин.

В 1958 году Геннадий Иванович Барышников предложил оригинальный способ наварки подин с помощью обыкновенной окалины. В результате время наварки подин сократилось до 7 часов. Попутно было найдено решение проблемы долговечности подин. Над этой проблемой безуспешно бились многие учёные с мировым именем, в том числе и знаменитый советский металлург В. Е. Грум-Гржимайло, а справился с ней выпускник металлургического техникума. Применение мелкодисперсного магнезитового порошка, размолотого до состояния пыли, вместо обычного порошка создавало подину высокой прочности. При этом время заправки подин (профилактического ремонта после каждой плавки) сократилось до одного часа.

Свод печи

Свод мартеновской печи практически не соприкасается со шлаком, поэтому его можно изготовлять из кислых и основных огнеупорных материалов независимо от типа процесса. Своды изготовляют из динасового или термостойкого магнезитохромитового кирпича.

Головки печи

Рабочее пространство с торцов оканчивается головками. Правильный выбор конструкции головок имеет большое значение для хорошей работы печей. Через головки в печь подают воздух и топливо. От того, с какой скоростью вводят в рабочее пространство воздух и топливо и насколько хорошо струи топлива и воздуха перемешиваются, зависят форма и ряд других характеристик факела, а от факела зависит и вся работа печи.

Головки должны обеспечить:

Чтобы удовлетворить первому и третьему требованиям, сечение выходных отверстий должно быть малым (чтобы скорости ввода воздуха и топлива были максимальными); для удовлетворения второго требования сечение, наоборот, должно быть максимальным. Эта двоякая роль головок (с одной стороны, служить для ввода в печь воздуха и топлива, а с другой — отводить продукты сгорания) ставит очень непростую задачу перед конструкторами при проектировании печей.

Шлаковики

Отходящие из рабочего пространства печи дымовые газы проходят через головку и по вертикальным каналам попадают в шлаковики. В шлаковиках оседает 50—75 % плавильной пыли, причем оседает крупная пыль, более мелкие фракции в значительной степени уносятся в трубу (10—25 % пыли оседает в насадках регенераторов). На пути движения дымовых газов плавильная пыль, содержащаяся в них, реагирует с материалами кладки. Это обстоятельство приходится учитывать при выборе материалов для кладки вертикальных каналов и шлаковиков.

Почти вся пыль представляет собой основные окислы (в том числе 60—80 % оксидов железа). Если вертикальные каналы и шлаковики футерованы динасовым кирпичом, то основные окислы, из которых состоит пыль, энергично взаимодействуют с кислым материалом футеровки с образованием легкоплавких силикатов железа. Стойкость футеровки оказывается недостаточной, и, кроме того, оседающая в шлаковиках пыль образует плотный монолит, который во время ремонта очень трудно извлекать.

В связи с этим для кладки вертикальных каналов и шлаковиков часто применяют термостойкий магнезитохромитовый кирпич. В этом случае взаимодействие футеровки с плавильной пылью не влияет так сильно на материал футеровки, а осевшая в шлаковике пыль представляет собой более рыхлую массу. Однако очистка шлаковиков от массы осевшей в них пыли (шлака) — операция также очень трудоемкая, для её осуществления используют специальное оборудование.

В шлаковиках должна вмещаться вся плавильная пыль, вылетающая из печи. В газах, выходящих из рабочего пространства мартеновской печи, содержится пыли 2—4,5 г/м³, в моменты продувки ванны кислородом количество пыли возрастает почти в десять раз.

Регенераторы

Из шлаковиков отходящие газы с температурой 1500—1600 °С попадают в насадки регенераторов. Объём насадки регенераторов и площадь поверхности её нагрева, то есть поверхности кирпича насадки, омываемой движущимися газами, взаимосвязаны. Эти величины определяют специальным теплотехническим расчетом, от них зависят основные показатели работы печи — производительность и расход топлива. Регенераторы должны обеспечивать постоянную высокую температуру подогрева газа и воздуха. В более тяжелых условиях работают верхние ряды насадок, поскольку в этой части регенератора температура и осаждение пыли наиболее высокие, поэтому верхние ряды насадок выкладывают из термостойкого магнезитохромитового или форстеритового кирпича. Нижние ряды насадок работают при температурах 1000—1200 °С (и менее), их выкладывают из более дешёвого и прочного шамотного кирпича.

Перекидные клапаны

Из боровов дымовые газы поступают в дымовую трубу. Высоту трубы рассчитывают таким образом, чтобы создаваемая ею тяга (разрежение) была достаточной для преодоления сопротивления движению дымовых газов на всём пути.

Дымовая труба — сложное и дорогостоящее сооружение. Высота дымовых труб современных крупных мартеновских печей превышает 100 м. Дымовые трубы обычно выкладывают из красного кирпича с внутренней футеровкой из шамотного кирпича.

Таким образом, в конструкциях современных мартеновских печей широко используют следующие огнеупорные материалы: магнезит, магнезитохромит, форстерит, динас и шамот. Объём огнеупорной кладки 500-тонной печи составляет около 3750 м³. Ряд элементов печи изготовляют из металла, некоторые из них (рамы и заслонки завалочных окон, балки, поддерживающие свод рабочего пространства, перекидные клапаны и др.) соприкасаются с горячими газами и нуждаются в непрерывном охлаждении.

Расход воды на охлаждение этих элементов печи очень значителен. Современные большие мартеновские печи требуют для охлаждения более 400 м³ воды в 1 ч. С охлаждающей водой теряется 15—25 % общего количества тепла, вводимого в печь. Расход воды зависит от её жёсткости. Допустимая температура нагрева воды тем выше, чем меньше жёсткость воды. Обычно допускается нагрев охлаждающей воды на 20—25 °С, что равносильно тому, что 1 л воды уносит 85—105 кДж.

Для уменьшения расхода воды водяное охлаждение ряда элементов печи заменяют испарительным. Если применять не техническую, а химически очищенную воду, то можно, не боясь выпадения осадка (накипи), нагревать её до 100 °С и выше. При этом от охлаждаемого элемента отводится не только тепло, затрачиваемое на нагревание воды до кипения, но и скрытая теплота парообразования (2,26 МДж/кг), то есть 1 л воды отводит от охлаждаемого элемента печи не 85—105 кДж, а 2,58—2,6 МДж. Таким образом, расход воды можно сократить почти в 30 раз, кроме того, на больших печах получают при этом некоторое количество пара (до 10 т/ч), который может быть использован.

Тепловой и материальный баланс плавки

Для двух типовых составов:

Расход: скрап — 66, чугун — 34, известняк — 4, заправочный материал — 3, руда — 2, ферромарганец — 1
Приход: сталь жидкая — 96, шлак конечный — 8, шлак после выпуска — 5 , СО от окисления углерода — 3, СО от разложения извести и известняка — 2, влага — 1, корольки — 1

Расход: теплота сгорания топлива — 61, тепло воздуха в регенераторах — 29, экзотермические реакции выгорания примесей — 8
Приход: уносится с продуктами — 61, потери в окружающую среду — 16, на нагрев стали — 15, на нагрев шлака — 3

Расход: скрап — 34, чугун — 66, руда в завалку — 15, известняк — 5 , заправочный материал (доломит и магнезит) — 3, руда в период кипения — 2, ферромарганец — 1
Приход: сталь жидкая — 103, шлак конечный — 8, шлак после выпуска — 7, СО от окисления углерода — 6, СО от разложения извести и известняка — 2, влага — 1, корольки — 1

Расход: теплота сгорания топлива — 48, тепло воздуха в регенераторах — 20, тепло газа в регенераторах — 11, экзотермические реакции выгорания примесей — 8
Приход: уносится с продуктами — 58, потери в окружающую среду — 15, на нагрев стали — 20, на нагрев шлака — 5, разложение известняка — 1

Автоматизация мартеновских печей

Поскольку мартеновская плавка состоит из четырёх периодов, характеризующихся своими теплотехническими и технологическими задачами, каждый из них предъявляет соответствующие требования к автоматизации процесса. Основными задачами, которые необходимы для обеспечения соответствующих параметров плавки и управляющих воздействий являются:

Обеспечение минимальной продолжительности плавки.
Получение стали заданного состава и температуры.
Обеспечение стойкости огнеупорной кладки.
Экономичное использование топлива.

Выделяют следующие особенности мартеновских печей с точки зрения автоматизации по сравнению с другими плавильными печами:

процесс циклически повторяется от завалки до выпуска плавки (периодичность);
питание печи теплом и температура различных частей печи меняются по ходу плавки, от плавки к плавке и по ходу кампании печи;
технологические процессы, протекающие в печи, идут с поглощением и выделением тепла и выделением горючего газа из ванны;
режим работы печи подвержен резким возмущениям, связанным с периодическим реверсированием факела;
отсутствует полное математическое описание технологических и теплотехнических процессов;
отсутствуют многие датчики, необходимые для автоматического управления мартеновской плавкой (датчики состава металла, шлака и др.);
многие элементы печи, в особенности ванна, имеют плохие динамические свойства.

Российские заводы, использовавшие мартеновские печи

23 марта 2018 года закрыта последняя мартеновская печь в России на Выксунском металлургическом заводе. По состоянию на август 2009 года мартеновские печи функционировали на следующих российских металлургических предприятиях:

Мартеновская печь (Мартен) — плавильная пламенная отражательная регенеративная печь для переработки передельного чугуна и лома в сталь. Создал печь французский инженер — металлург Пьер Эмиль Мартен в 1864 году.

Схема мартеновской печи.

1 — регенератор; 2 — головка печи (служит для смешивания топлива с воздухом); 3 — трубка с кислородом; 4 — загрузочное окно; 5 — передняя стенка; 6 — шихта; 7 — факел; 8 — дымовая труба; 9 — желоб для выпуска стали; 10 — задняя стенка; 11 — свод печи; 12 — подина

Рисунок — Строение мартеновской печи

Мартеновская печь имеет рабочее плавильное пространство, ограниченное снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали в шлаке преобладают основные окислы, процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые — кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичом, на который набивают магнезитовый порошок. Кислую мартеновскую печь футеруют динасовым кирпичом, а подину набивают из кварцевого песка. Свод мартеновской печи делают из динасового кирпича или магнезито-хромитового кирпича. В передней стенке печи имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней — отверстие 9 для выпуска готовой стали.

В России первая мартеновская печь была запущена еще во времена Российской империи в 1870 году 16 марта на Сормовском заводе. Основоположником был греческий купец, принявший российское подданство. Дмитрий Егорович Бенардаки привез в 1870 году молодого инженера Александра Износкова, который и построил первую в России мартеновскую печь весом в 2,5 тонны.

В нашей стране работают мартеновские печи вместимостью 200— 900 т жидкой стали. Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую условно подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. Например, для печи вместимостью 900 т площадь пода составляет 115 м2. Головки печи 2 служат для смешения топлива (мазута или газа) с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство.

Для подогрева воздуха и газа (при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1. Регенератор—это камера, в которой размещена насадка — огнеупорный кирпич, выложенный в клетку. Отходящие из печи газы имеют температуру 1500-1600°C. Попадая в регенераторы, газы нагревают насадку до 1250-1280°С. Через один из регенераторов, например, правый подают воздух, который, проходя через насадку, нагревается до температуры 1100-1200 °С и поступает в головку печи, где смешивается с топливом на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6. Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую) очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли, и направляются во второй (левый) регенератор нагревая его насадку. Охлажденные газы покидают печь через дымовую трубу 8. После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны и поток газов в печи изменяет направление: через нагретые левый регенератор и головку в печь поступает воздух, а правый нагревается теплотой отходящих газов.

Факел имеет температуру 1750—1800°С и нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса: 1) скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25— 45 % чушкового передельного чугуна; процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома; 2) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55—75 %), скрапа и железной руды; процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи. Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой, что позволяет переделывать в сталь различные шихтовые материалы.

Плавка стали скрап-рудным процессом в основной мартеновской печи. В печь с помощью завалочной машины загружают железную руду, и известняки после их прогрева подают скрап. По окончании прогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. В и период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и частично углерод. Оксиды SiO2, Р2О5, МnО, а также СаО и извести образуют шлак с высоким содержанием FeO и МnО (железистый шлак).

Кислый мартеновский процесс. Этим способом выплавляют качественные стали.

Список заводов используемых мартеновскую печь (информация на август 2009 г.):

Основные технико-экономические показатели производства стали в мартеновских печах следующие: производительность печи, определяемая съемом стали с 1м2 площади пода в сутки (т/м2 в сутки) и расход топлива на 1 т выплавляемой стали (кг/т). Средний съем стали с 1м2 площади пода в сутки составляет 10 т/м, а расход условного топлива — до 80 кг/т.

Читайте также: