Тепловая работа и отопление мартеновских печей

В течение всех периодов плавки в печь подают топливо. Под дей­ствием тепла факела нагреваются кладка печи и шихта. Около 85— 90 % тепла от факела к ванне передается излучением и 5—15 % — конвекцией.

В соответствии с формулой Стефана — Больцмана, количество тепла Q, переданного холодной шихте излучением, составляет:

 

Q = δε_п [(Т_гор/100)⁴ - (Т_хол/100)⁴],

 

где δ — коэффициент, учитывающий оптические свойства кладки и форму рабочего пространства;

ε_п — степень черноты пламени;

Т_гор и Т_хол — температуры факела (горячего) и шихты (холодной), К.

Таким образом, чем выше температура факела и степень черноты пламени, тем интенсивнее нагревается шихта и тем меньше времени затрачивается на плавку. Повышения температуры факела дости­гают улучшением степени нагрева воздуха и газа в регенераторах и обогащением воздуха кислородом; повышения степени черноты факела — карбюрацией пламени.

Двухатомные газы (О₂, N₂, Н₂) практически лучепрозрачны для волн всех длин, трехатомные (СО₂, Н₂О, SO₂) обладают некоторой излучательной способностью, однако степень черноты пламени горя­чего чистого газа составляет всего 0,1—0,2. Чтобы повысить степень черноты пламени, необходимо обеспечить в нем содержание твердых «черных» частичек (в первую очередь углеродистых).

Углеродистые частицы могут появиться в пламени в результате разложения углеводородов: С_хН_у = хC_TB + уН_газ, а также при добавке к подаваемому в печь газу различных жидких или твердых топлив, богатых углеродом и сложными углеводородами (мазут, каменноугольный пек). Практически степень черноты пламени ε_п не должна быть ниже 0,5; в большинстве случаев она составляет 0,55—0,75.

При одной и той же характеристике факела разность [(Т_гор/100)⁴ - (Т_хол/100)⁴] тем выше, чем холоднее шихта. Наиболее низкая тем­пература шихты наблюдается во время завалки и в начале периода плавления. Степень черноты холодной твердой шихты близка к еди­нице (0,92—0,95). Поэтому в этот период передача тепла от факела к шихте максимальна, она настолько велика, что практически нет опасности оплавить огнеупоры, и в печь подают максимальное количество топлива.

По мере нагрева шихты температура ее Т_хол возрастает, шихта раскаляется, покрывается шлаком и сама начинает отражать тепло­вые лучи, в результате чего условия поглощения тепла шихтой ухудшаются. Во избежание нагрева и оплавления огнеупора необ­ходимо уменьшать подачу топлива.

Таким образом, подача топлива по ходу плавки меняется. Макси­мальной величины расход топлива достигает во время завалки и в начале периода плавления. Подаваемое в это время количество тепла называют максимальной нагрузкой. По мере прогрева шихты подачу топлива уменьшают и тепловая нагрузка падает. Тепловая работа мартеновской печи характеризуется средней тепловой нагрузкой или тепловой мощ­ностью печи, которая представляет собой частное от деления общего расхода тепла на время плавки:

Расход тепла, кДж /Прод. плавки, ч = Тепловая мощность, кДж/ч

Средняя тепловая нагрузка в зависимости от тоннажа печи возрастает от 23,2 для 125-т печи до 69,9 МВт (252 кДж/ч) для 900-т печи. Максимальная тепловая нагрузка на 20 — 40 % выше средней.

Для характеристики топлива и условий его сжигания применяют коэффициент использования топлива (к. и. т.):

 

 

где Q_Т — теплота сгорания топлива; Q_ПС — тепло уходящих газов.

Для мартеновских печей К.И.Т. составляет 0,50 — 0,55.

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 отвод тепла с охлаждающей водой и другие потери, в результате удельный расход тепла снижается с 840 для 10 –20т печей до 210 МДж/т для 900-т печей.

 

Топливо мартеновских печей

В России наиболее распространены в качестве топлива для мартеновских печей природный газ и мазут.

Мазут — наилучшее топливо для мартеновских печей, он дает яркосветящийся настильный высокотемпературный факел (калориметрическая температура горения мазута 2650 °С). Обычно мазут содержит 83-85 % С и 10—11 % Н₂, остальное — влага, зола и сера. Содержание серы в мартеновских мазутах колеблется в пределах 0,5—0,7 %. Сернистые мазуты (3 % S и более) в мартеновском производстве применяют редко, так как сера из топлива переходит в металл и ухудшает его качество.

Перед подачей к форсункам мазут нагревают до 70—80 °С. Рас­пыление мазута осуществляют сжатым воздухом, подаваемым под избыточным давлением 0,5—0,7 МПа или перегретым до 300—350 °С паром под избыточным давлением 1,1—1,2 МПа.

Природные газы основных месторождений России примерно на 95 % состоят из метана СН₄. Факел природного газа малосветя­щийся и для повышения его светимости одновременно с газом в печь вводят некоторое количество (до 30—40 %) мазута. Добавка мазута не только повышает светимость факела, но и утяжеляет его, делает факел более настильным

Повышать светимость факела пламени природного газа можно также конвертированием, нагревая часть его при недостатке воздуха. Метан при нагревании разлагается («реформируется») с выделением большого количества сажистых частиц (СН₄ = С + 2Н₂), что обес­печивает получение светящегося факела

Природный газ является «удобным» топливом: он не содержит ядовитых веществ и вредных примесей, дешев, легко транспорти­руется Ряд мартеновских печей оборудован газо-кислородными горелками, при помощи которых газ вводят в печь через свод, и 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, а фактическая ×0,7 = 1820-1850 °С. Таким образом, такие высококалорийные виды топлива, как мазут и при­родный газ, дают высокотемпературный факел без подогрева топлива (но с подогревом воздуха)

 

16.7 Шлакообразование и шлаковый режим мартеновской плавки

 

Для мартеновского процесса шлаковый режим имеет исключи­тельно важное значение, так как в мартеновской печи нагрев ме­талла происходит через слой шлака, т е шлак в мартеновской плавке участвует не только в рафинировании металла, но и в его нагреве.

Основные источники образования шлака следующие: продукты окисления примесей чугуна и скрапа (SiО₂, MnO, Р₂О₅, Сг₂О₃ и др); продукты разъедания футеровки агрегата (MgO и СаО в основ­ных печах и SiO₂ в кислых); загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина и др.), т. е. SiО₂, A1₂O₃; миксерный шлак; ржавчина, покрывающая скрап, т. е. Fe₃O₄, Fe₂O₃, FeO; добавочные материалы (известняк, известь, железная руда, агломерат, марганцевая руда и др.) — СаО, Fe₂O₃, MnO, SiO₂, A1₂O₃ и др.

Шлакообразование в мартеновской плавке начинается еще в период прогрева лома и получает большое развитие в начале плавления после заливки чугуна Первичный шлак, образующийся в период прогрева, состоит главным образом из оксидов железа и относительно меньшего количества оксидов марганца, кремния и кальция. По ходу плавления состав шлака непрерывно изменяется вследствие окисления примесей чугуна, всплывания из нижних слоев ванны ранее заваленных сыпучих материалов и удаления образовавшегося пенистого шлака.

Характер изменения содержания основных компонентов шлака по ходу плавки в мартеновском процессе примерно такой же, что в кислородно-конвертерном.