Топливо мартеновской плавки

В течение всех периодов 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 известной формулой Стефана-Больцмана, количество тепла, переданного холодной шихте излуче­нием, может быть выражено следующей формулой:

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 (О₃, N₂, Н₂) практически лучепрозрачны для волн всех длин, трехатомные (СО₂, Н₂О, SО₂) 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_x Н_y = xС_ТВ + yН_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 (T_ГОР/100)⁴-(T_XОЛ/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. Частное от деления общего расхода тепла топлива для одной плавки на время плавки называют средней тепловой нагрузкой или тепловой мощностью печи, т.е.

= тепловая мощность 10⁶кДж.

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.)

η=(Q_T-Q_yx)-тепло уходящих газов,

где Qт - теплота сгорания топлива; Q_yx –тепло уходящих газов.

Для мартеновских печей к.и.т. составляет 0,50-0,55.

Удельный расход тепла (расход тепла топлива на 1т 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 10-20-т печей до 210МДж/т для 900-т печей.

Применяемое для отопления мартеновских печей топливо различают: а) по физическому состоянию: жидкое (мазут, смо­ла), газообразное (доменный, коксовый, природный газы), твердое (каменноугольная пыль);

6) по теплоте сгорания: низкокалорийное (доменный газ, теплота сгорании 3,78— 4,2 МДж/м^э) и высококалорийное (мазут 39,9-42 МДж/кг, коксовый газ 16,8— 18,0 МДж/м^э, сухой природный газ типа саратовского 33,6—35,2 МДж/м³, жирный природный газ типа грозненского 63 МДж/м^э).

Для успешного проведения мартеновской плавки недоста­точно подать в печь определенное количество тепла, необ­ходимо еще, чтобы температура факела при сгорании топлива была достаточно высокой. Температура поверхности шлака в конце плавки составляет примерно 1650 °С. Чтобы тепло пламени достаточно интенсивно передавалось металлу, тем­пература факела должна быть не ниже 1750 °С.

Практическая температура факела t_пр=кt_кал, где t_кал - калориметрическая температура горения топлива; k -пирометрический коэффициент, зависящий от отдачи тепла нагреваемым предметом, 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 по­дают с некоторым избытком, равным обычно 10—20% (так называемый "коэффициент избытка воздуха" α. = 1,1+1,2).

Калориметрическая температура горения доменного газа низка (~2250 °С), температура факела нагретого доменного газа в горячем воздухе ниже 1600 °С, следовательно, нагреть ванну до нужной температуры при отоплении марте­новской печи одним только доменным газом невозможно. По­высить температуру можно, заменяя воздух кислородом.

Обычно доменный газ применяют в качестве топлива для мартеновских печей только в смеси с другими, более кало­рийными видами топлива (коксовым газом, мазутом, природ­ным газом).

Наиболее распространены в качестве топлива для марте­новских печей природный газ, мазут и смешанный газ (смесь коксового и доменного газов).

Смешанный газ содержит, %: 16-20 СО, 7-9 СО₂, 20-30 Н₂, 8—12 СН₄, 30—40 N₂; состав газа и его теплота сгора­ния меняются в зависимости от соотношения долей, входящих в состав смеси доменного и коксового газов. Для улучшения светимости факела к смешанному газу обычно добавляют небольшое количество карбюратора (мазута или смолы). Калориметрическая температура горения нагретого смешанно­го газа в нагретом воздухе составляет около 2600 °С, что обеспечивает получение высокотемпературного факела.

Смешанным газом отапливают печи заводов, имеющих в своем составе доменный и коксохимический цехи. В тех случаях, когда доменного и коксового газов   для отопления всех мартеновских и других печей завода не хватает, используют природный газ и мазут.

Природным газом или мазутом отапливают также печи за­водов, в составе которых нет доменных и коксохимических цехов. Мазут - первоклассное 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 % Н₃, остальное - влага, зола и сера. Содержание серы в марте­новских мазутах колеблется в пределах 0,5—0,7 %. Сернис­тые мазуты (3 % 8 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 70-80⁰ 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.

По мере развития газовой промышленности большое число печей в нашей стране было переведено на отопление природным газом. Природные газы основных месторождений СНГ 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 - "удобное" топливо: не содержит ядови­тых веществ, 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.

Таким образом, такие высококалорийные виды топлива, как мазут и природный газ дают высокотемпературный факел без подогрева топлива (но с подогревом воздуха).

Вид топлива, следовательно, оказывает влияние на кон­струкцию печи, которая при отоплении высококалорийным топливом становится значительно проще: вместо двух пар регенераторов (для подогрева газа и воздуха) достаточно иметь только одну пару регенераторов (для подогрева воз­духа), соответственно вдвое уменьшается число шлаковиков, отсутствуют газовые вертикальные каналы, упрощается кон­струкция головки и система перекидки клапанов, легче осу­ществить автоматизацию печи.

Периоды мартеновской плавки

Мартеновскую плавку можно условно разделить на несколько периодов: 1)заправка печи; 2)завалка шихты; 3)плавле­ние шихты; 4) кипение ванны (доводка), раскисление и ле­гирование; 5) выпуск плавки.

Заправка. После выпуска плавки печь осматривают и испра­вляют замеченные неполадки. Особенно внимательно осматри­вают подину печи. За время плавки те части задней и передней стенок, а также откосов печи, которые соприкасались со шлаком, подвергаются определенному воздействию этого шлака и поэтому обычно нуждаются в профилактическом ремонте. При помощи заправочных машин на эти места набрасывают заправочные материалы (обычно доломит или магнезит). Эту операцию назы­вают заправкой печи и проводят обязательно после каждой плавки. Операция заправки печи в зависимости от состояния подины, размеров печи и условий проведения операции продолжается от 10 до 30 мин.

Завалка и плавление шихты. Эти операции решающим образом влияют на производительность печи ( 2/3—3/4 продолжительности всей плавки), поэтому в зависимости от конкретных условий производства принимают необходимые меры для ускорения про­цесса завалки, рационального размещения на подине заваливае­мых твердых составляющих (стального лома, чушкового чугуна, железной руды, известняка и т. п.), заливки жидкого чугуна и обеспечения необходимого теплового режима печи.

Кипение, раскисление и легирование. Этот период часто назы­вают также периодом рафинирования. Момент начала периода определяется на основании следующих признаков: 1) металл должен быть полностью расплавлен и нагрет до температуры, предусмотренной технологической инструкцией для данной марки стали; 2) шлак должен быть сформирован. В зависимости от содержания углерода принимают решение о вводе в ванну порции железной руды или о продувке ванны. Стадию плавки, в процессе которой в результате введения железной руды или продувки происходит интенсивное кипение ванны, часто называют поли­ровкой. В результате скачивания шлака из ванны удаляется фосфор, по ходу полировки вследствие подсадок извести посте­пенно формируется высокоосновной шлак (основность возрастает - 1,5—2,0 до 2,5—4,0) и повышается температура ванны. Это создает благоприятные условия для удаления серы. Через некоторое время содержание углерода приближается к требуемому, начинается следующая стадия плавки, называемая доводкой, в процессе которой должны достигаться заданные состав и тем­пература ванны.

Кипение ванны, продолжающееся во время доводки, обеспе­чивает уменьшение содержания газов и включений в металле, способствует выравниванию его состава и температуры. За 10— 40 мин (в зависимости от марки стали, вместимости печи и др.) до момента раскисления подсадка железной руды или продувка панны прекращаются. Эта небольшая, по продолжительности стадия плавки называется периодом чистого кипения. Кипение ванны прекращается в момент ввода в нее раскислителей и леги­рующих.