Назначение и устройство отдельных 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 мартеновской печи ограничено сверху сводом, снизу - подом (или "подиной"). На гра­нице задней стенки и подины показано отверстие для выпус­ка плавки (обычно его называют сталевыпускным отверс­тием). В передней стенке видны проемы — завалочные окна, через которые в рабочее пространство загружают твердую шихту и заливают (по специальному приставному желобу) жидкий чугун.

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 тяжелых условиях - в нем 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 максимальная температура. Стойкостью элементов рабочего пространства печи определяют, как правило, стойкость всей печи и, сле­довательно, сроки промежуточных и капитальных ремонтов.

В соответствии с этим к огнеупорным материалам рабоче­го пространства предъявляют высокие требования: а) высокая огнеупорность; б) химическая устойчивость против воздействия шлака, металла и печных газов; в) достаточная механическая прочность при высоких температурах; г) хорошая термостойкость при колебаниях температуры.

По химическим свойствам применяемые огнеупорные мате­риалы делят на: а) кислые - динасовый кирпич, кварцевый песок; б) основные - магнезитовый кирпич, магнезитовый порошок, доломит; в) нейтральные (со свойствами амфотерных окислов) - шамот, хромомагнезит, магнезитохромит, вы­сокоглиноземистый шамот, форстерит.

Подина печи. Так же, как и при выборе футеровки бессемеровского или томасовского конвертера, выбор футеровки для подины мар­теновской печи определяется характеристикой шлаков. Если при плавке стали шлаки кислые, то подину нужно изготов­лять из кислых огнеупорных материалов, а если шлаки ос­новные, то из основных. В противном случае в результате энергичного взаимодействия шлака и материала подины по­следний ошлакуется, перейдет в шлак, и печь выйдет из строя. Процесс, при котором в шлаке преобладают кислотные окислы, называют кислым мартеновским процессом; соответ­ственно печь, подина которой изготовлена из кислых огне­упорных материалов, называют кислой мартеновской печью. Процесс, при котором в шлаке преобладают основные окислы, называют основным мартеновским процессом, а печь - основ­ной мартеновской печью.

Рис.9.3. устройство кислого и основного подов мартеновской печи:

1-наварка (кварцевый песок); 2-наварка(магнезитовый порошок или молотый обожженный доломит ); 3-мегнезитовый кирпич; 4-динасовый кирпич; 5-стальной лист; 6-тепловая изоляция (пористый шамот); 7-шамотный кирпич.

Верхний (рабочий) слой кислой подины выполняют из кварцевого песка, который набивают или наваривают на заранее выложенные динасовые кирпичи.

Верхний слой основной подины изготовляют обычно из магнезитового порошка (реже доломитового), который наби­вают или наваривают на служащий основанием магнезитовый кирпич (рис. 9.3).

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.

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.

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.

Динасовый кирпич при высоких температурах (до 1700 °С) сохраняет достаточную прочность и повышенное сопротивле­ние сжатию. Во время эксплуатации динасовые кирпичи свода свариваются в монолит, что имеет большое значение, так как если какой-либо кусок свода упадет, то остальная часть свода будет держаться. Однако при нагреве свыше 1700 °С динасовый кирпич быстро оплавляется; кроме того, он сильно разъедается плавильной пылью, состоящей из ок­сидов железа (образуются легкоплавкие силикаты железа).

Магнезитохромитовый кирпич характеризуется более высо­кой огнеупорностью (допустимая температура нагрева 1750 °С и даже 1800 °С), что способствует повышению производительности печи. Стойкость свода (число плавок от ремонта до ремонта) из магнезитохромитового кирпича в 2-3 раза выше, чем из динасового. Вместе с тем при ис­пользовании в качестве материала свода магнезитохромито­вого кирпича приходится учитывать ряд особенностей его эксплуатации: а) магнезитохромитовые кирпичи плохо свари­ваются и не образуют монолита; б) коэффициент расширения магнезитохромитового кирпича выше, чем динасового, в ре­зультате чего при разогреве арки свода наружные швы раск­рываются, а на внутренней стороне возникают высокие напряжения сжатия, что приводит к сколу внутренней части свода; в) повышенная теплопроводность и большие неплот­ности кладки (раскрытые швы) обусловливают более высокие (почти в два раза) потери тепла с 1м² площади свода; г) объемная масса магнезитохромитового кирпича в 1,5 раза больше, чем динасового.

Все это исключает возможность применения обычного арочного свода. Свод приходится выполнять распорно-подвесным с креплением и прокладками между кирпичами, а это усложняет и удорожает конструкцию.

Однако возможность повысить температуру в печи при использовании магнезитохромитового свода, а также увели­чить срок службы свода делает устройство сложной системы подвесок рентабельным, поэтому своды такого типа нашли широкое применение. Почти все своды мартеновских печей в настоящее время делают из основных магнезитохромитовых кирпичей.

Стойкость магнезитохромитового свода составляет 300-1000 плавок (динасового 200-350 плавок). В тех слу­чаях, когда на основной печи устанавливают кислый динасовый свод, между основным огнеупорным материалом стенок печи (магнезитом) и кислым материалом свода (динасом) выкладывают слой амфотерных огнеупоров (например, хромис­того железняка).

Следует отметить две тенденции в конструировании и строительстве мартеновских печей: 1) применение вместо отдельных кирпичей для кладки пода, стен печи, а также свода заранее подготовленных крупных блоков, что позволяет существенно сократить время строительства или ремон­та печи; 2) применение вместо огнеупорной кладки водоохлаждаемых конструкций.

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: 1) хорошую настильность факела по всей длине ванны (чтобы максимум тепла передать ванне и минимум- своду и стенкам); 2)минимальное сопро­тивление при отводе продуктов сгорания из рабочего прост­ранства; 3) хорошее перемешивание топлива и воздуха для полного сжигания топлива в рабочем пространстве печи.

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 (рис. 9.4). Как уже было сказано, в шлаковиках оседает 50-75% плавильной печи, 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.

Рис.9.4. Устройство шлаковиков и генераторов мартеновской печи средней емкости:

1-вертикальные каналы; 2-шлаковик; 3-насадки генераторов; 4-подвесной свод наднасадочного пространства; 5-поднасадочные пространства.

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 ее 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. При расчетах размеров шлаковиков принимают, что на 1 т выплавляемой стали в них осаждается 7-12 кг шлака (пыли). Это значит, например, что за одну плавку в шлаковиках 600-т мартеновской печи осаждается - 4 т шлака. Для облегчения условий труда и проведения операции очистки шлаковиков их выполняют выкатными, а стены - из блоков, скрепленных металлическими кассетами. При ремонте шлаковик выкатывают из-под печи при помощи полиспаста, краном убирают блоки-кассеты и шлак увозят из цеха на железнодорожных платформах.

Регенераторы. Из шлаковиков отходящие газы с темпера­турой 1500-1600 °С попадают в насадки регенераторов (рис.9.6). Объем насадки регенераторов и площадь поверх­ности ее нагрева, т.е. 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 дешевого и прочного шамотного кирпича.

Перекидные клапаны. Мартеновская печь— агрегат реверсивного действия, в ко­тором направление движения газов по системе печи периоди­чески меняется.   Для этого в боровах, а также в газопрово­дах и воздухопроводах устанавливают систему шиберов, кла­панов, дросселей, задвижек, объединяемых общим названием "перекидные клапаны". Операция "перекидки клапанов" в современных мартеновских печах автоматизирована.

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 всем пути.

Дымовая труба — сложное и дорогостоящее сооружение. Высота дымовых труб современных крупных мартеновских пе­чей превышает 100м, 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. Объем огнеупорной кладки 500-т 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 ее жесткости. Допустимая температура нагрева воды тем выше, чем меньше жесткость воды. Обычно допускается нагрев охлаждающей воды на 20-25 °С, что равносильно тому, что 1л 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 ее 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), т.е. 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 10т/ч), который может быть использован.

Существует также так называемое "горячее" охлаждение печей. Система горячего охлаждения технологически мало отличается от обычного способа охлаждения обычной произ­водственной водой. Все охлаждаемые элементы печи остаются без изменения, но через них вместо обычной производствен­ной воды с температурой 15-30 °С пропускают химически очищенную теплофикационную воду из оборотной теплофика­ционной сети с температурой 50-80 °С, которая, пройдя охлаждаемые элементы печи и подогревшись в них на 20—30 °С, возвращается обратно в теплофикационную сеть, где передает полученное тепло потребителю.