Мартеновская печь

                                                   

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.В. ПЛЕХАНОВА

ХИМИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра ПТиПЭ

Курсовой проект

 

По дисциплине: Общая теория тепловой работы и конструкций промышленных печей.

(наименование учебной дисциплины  согласно учебному плану)

 

Тема:                  Мартеновская печь

 

 

Выполнил:  студент                           __________             / /

                                                                                                           ^{(подпись)                                      (Ф.И.О.)}

Оценка:____________

 

 

Проверил: ассистент                  __________           /Дарьин А.А./

                            ^{(должность)                                                            (подпись)                                       (Ф.И.О.)}

 

Санкт-Петербург

2012год

 

АННОТАЦИЯ

В данном курсовом проекте была рассмотрена  мартеновская печь. Приведен пример, расчет материального и теплового балансов, а так же расчет Сужающего устройства. Для расчета использованы справочные данные и общая методика расчета, изученная в процессе обучения. Для расчетов использован табличный процессор  MS Excel. Пояснительная записка оформлена в Microsoft Word.

Пояснительная записка включает: страниц -  30, таблиц - 5 , рисунков - 2.

 

THE SUMMARY

In the given academic year project  furnace has been considered. The example, calculation of material and thermal balances, and as calculation of gas system is resulted. For calculation help data and the general design procedure studied during training are used. For calculations tabulared processor MS Excel is used. The explanatory note is issued in Microsoft Word.

The explanatory note includes: pages - 30, tables - 5, figures – 2

 

Оглавление

 

.

 

Введение

Все промышленные печи, в соответствии с характером их работы, могут быть разделены на три основные группы: электрические, шахтные и пламенные.

В черной металлургии основным сталеплавильным  агрегатом является мартеновская печь. Мартеновская печь служит для получения  стали заданного состава из металлической  шихты, загружаемой в печь.

В настоящее время действуют  мартеновские печи разнообразных конструкций; они различаются в зависимости от емкости печи, вида процесса и применяемого топлива. Наибольшее распространение получили мартеновские печи емкостью 200 – 600 тонн, работающие на шихте, состоящей из 55 – 60 %жидкого чугуна и 45 – 40 % стального скрапа. Для окислении примесей чугуна и образования шлака в шихту вводится 3 – 8 % железной руды (от массы металлической шихты) и 4 – 7 % известняка. Печи работают на газомазутном или газовом отоплении с использованием кислорода для интенсификации процесса.

Мартеновская печь состоит из следующих  элементов: рабочего пространства, головок  и вертикальных каналов, шлаковиков, регенераторов, боровов, системы перекидных устройств, котлов-утилизаторов, газоочистки  и дымовой трубы.

 

Назначение мартеновской печи

Мартеновская печь была разработана  в 1865 г. французскими металлургами Э. Мартеном и его сыном П. Мартеном.

Мартеновская печь - это пламенная отражательная регенеративная печь. Мартеновская печь по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Мартеновские печи и, соответственно, процессы плавки в них могут быть основными и кислыми.

Мартеновскую сталь выплавляют, главным образом, основным процессом, который разделяется на скрап-процесс и скрап-рудный процесс.

1. Скрап-процесс, при котором основную массу шихты составляет скрап с добавкой чушек чугуна, применяется на малых печах (до 100 т) на машиностроительных заводах, где нет доменных печей.

2. Скрап-рудный процесс, при котором основная часть шихты состоит из жидкого чугуна (до 75 %), а твердая часть - из скрапа и руды, применяется на средних и крупных печах на металлургических заводах, где есть доменные печи.

Кислый мартеновский процесс применяется в небольших печах с кислой футеровкой, где нельзя использовать известь, следовательно, удалять из металла серу и фосфор. Поэтому требуется очень чистая шихта по S и Р. Это дорого.

Мартеновский основной скрап-процесс металлурги разделяют на ряд периодов плавки стали.

1. Заправка печи проводится перед каждой очередной плавкой. Она заключается в ремонте (заделке) повреждений подины. В эти места - щели, трещины - насыпают магнезитовый или доломитовый порошок.

2. Завалка (загрузка) шихтовых материалов  осуществляется через загрузочные окна завальными машинами (скрап, известняк и чугун в чушках).

3. Период плавления. При плавлении  чугуна и скрапа Si и Мn чугуна  окисляются почти полностью избыточным  кислородом печных газов:

Si + O₂ = SiО₂;

2Мn + O₂ = 2МnO.

Известь тоже разлагается:

СаСО₃ = СаО + СО₂. Образуется слой шлака из окислов, и окисление металла непосредственно кислородом пламени прекращается.

В период плавления создаются благоприятные  условия для удаления фосфора.

2Р + 5FеО + 4Са = (СаО)₄ ^. Р₂О ₅ + 5Fе.

Эта реакция называется процессом дефосфорации.

4. Период кипения ванны. Для  этого в печь подают некоторое  количество железной руды или  вставляют сверху фурму 3 и  продувают ванну кислородом. Происходит  интенсивное выгорание из стали  избытка углерода с образованием  угарного газа:

2С +О₂ = 2СО.

Пузырьки СО всплывают на поверхность, и ванна начинает “кипеть”. При  этом шлак вспенивается, начинает увеличиваться  в объеме и выливается через одно из окон в шлаковый ковш. Эта реакция  называется главной в мартеновской плавке, т. к. из-за энергичного перемешивания металла:

а) выравнивается температура металла  в ванне;

б) за счет выгорания углерода происходит доводка химического состава  стали по углероду;

в) пузырьки СО, поднимаясь на поверхность, захватывают с собой вредные  газы N₂ и Н₂ и шлаковые капли. Чистота стали повышается;

г) выравнивается химический состав стали.

5. Рафинирование стали - это процесс  удаления серы. Наиболее хорошо  происходит в конце периода  кипения. При так называемом  чистом кипении, когда шлак  почти вылился, продувка кислородом прекращается, и ванна продолжает кипеть за счет остатков растворенного кислорода:

FеS +СаО= FеО + СaS.

Этому способствует наличие большого количества СаО в шлаке (45-50 % СаО), уменьшение количества закиси железа FеО, нагрев металла до самой высокой температуры. Если в шлаке и стали будет много FеО, то по закону действующих масс реакция не пойдет.

Начиная с расплавления шихты, до выпуска  стали из печи, регулярно отбирают пробы металла и шлака для  химического экспресс-анализа состава. Если содержание углерода, S и Р соответствует заданному, приступают к раскислению стали. Если нет, то снова подают в печь флюс, производят продувку стали кислородом, вспенивают шлак, скачивают его в ковши, при этом происходит снижение содержания С, S и Р. Иногда вместо кислорода подают в печь чистую по сере и фосфору руду.

6. Раскисление металла производят  в два этапа:а) за счет подачи  в печь ферромарганца и ферросилиция; б) окончательно - в ковше при  разливке стали, предварительно  засыпав в ковш порцию алюминия  и ферросилиция.

Основным скрап-процессом, как правило, выплавляют спокойную, качественную сталь. При выплавке легированных сталей легкоокисляющиеся  легирующие элементы (Сr, V, Ni и Мо) в  виде ферросплавов вводят в ванну  после раскисления.

Эффективность получения стали в мартеновских печах оценивается средним съемом стали с 1 м² площади пода в сутки и расходом топлива на тонну выплавляемой стали. Средний съем стали в современных мартеновских печах составляет около 10 т/м² в сутки, а расход условного топлива - около 80 кг/т стали.

Дополнительными характеристиками мартеновской плавки являются расход кислорода на тонну стали, расход жидкого чугуна в кг/т, и себестоимость одной  тонны стали.

Область применения:

Мартеновской плавкой получают углеродистые стали и ряд марок  легированных сталей. При этом основным скрап-рудным процессом преимущественно получают углеродистые стали, т. к. чугун, известняк и железная руда вносят в металл много вредных примесей. Наиболее качественную, чаще всего легированную, сталь получают основным скрап-процессом без применения руды. Вместо руды в этом случае для проведения реакции вспенивания применяют кислород.

Кислый мартеновский процесс позволяет  получать как углеродистые, так и  легированные стали, но требует сверхчистого по сере и фосфору металлолома в большом количестве (до 50 % от массы чугуна).

Конструкция печи

Мартеновская печь состоит из следующих основных частей: рабочего пространства (под, передняя и задняя стенки, свод), где осуществляется плавка; головок (правой и левой), состоящих из собственно головок и вертикальных каналов для подачи топлива и воздуха в рабочее пространство и отвода из него продуктов сгорания; шлаковиков (воздушных и газовых) - для осаждения и накопления пыли и частиц шлака, выпадающих из проходящих через них продуктов сгорания; регенераторов (воздушных и газовых) - для подогрева поступающих в печь газа и воздуха теплом выходящих из рабочего пространства продуктов сгорания; боровов (каналов) для воздуха, газа и продуктов сгорания; системы перекидных клапанов, предназначенных для изменения направления подачи в печь топлива и воздуха и отвода из рабочего пространства продуктов сгорания; котла-утилизатора; дымовой трубы. Рабочее пространство и головки печи расположены выше рабочей площадки цеха и условно называются верхним строением печи. Остальные части находятся под рабочей площадкой и называются нижним строением.

Мартеновская печь - агрегат симметричный: правая и левая её стороны относительно вертикальной оси одинаковы по устройству. Топливо и воздух для горения поступают в рабочее пространство поочерёдно то с правой, то с левой стороны; продукты сгорания отводятся из рабочего пространства соответственно с противоположной стороны. Изменение направления подачи топлива и воздуха, то есть изменение направления факела в рабочем пространстве, осуществляется системой клапанов и шиберов и называется «перекидкой» клапанов. Продукты сгорания поступают из шлаковика в регенератор сверху при температуре 1500- 1600 °C и, проходя по насадке (огнеупорная кладка регенераторов), передают ей значительную часть содержащегося в них тепла. При последующем прохождении через нагретую насадку холодного воздуха или газа они нагреваются до 1100- 1200 °С.

 Все элементы Мартеновская печь выкладывают из огнеупорных материалов. В зависимости от характера огнеупорных материалов, из которых выложено рабочее пространство,

 Мартеновская печь делятся на основные и кислые. Для кладки основной мартеновская печь применяют магнезитовый, магнезито-хромитовый, хромомагнезитовый кирпичи, магнезитовый порошок (для наварки пода), для кладки кислой Мартеновская печь - динасовый кирпич и кварцевый песок. В нижнем строении печи используются форстеритовый, высокоглинозёмистый, магнезитовый и шамотный кирпичи. Для придания строительной прочности всей конструкции печи кладка крепится металлической арматурой. Узлы и детали Мартеновская печь, работающие в условиях высоких температур, постоянно охлаждаются.

Мартеновская печь бывают двух типов - стационарные и качающиеся. Большинство Мартеновская печь стационарные. Качающиеся Мартеновская печь обычно применяются для переработки фосфористых чугунов, так как при этом требуется несколько раз «скачивать» богатый фосфором шлак, что легче осуществлять на качающихся печах. Мартеновская печь могут отапливаться жидким (мазутом) или газообразным (природный, смешанный, генераторный газ) топливом. Смешанный газ (коксовый и доменный) и генераторный газ, обладающие недостаточной теплотой сгорания, перед поступлением в рабочее пространство подогреваются в регенераторах примерно до 1150 °С. Природный газ и мазут используются без подогрева. Кислород, служащий для интенсификации горения топлива, вводится через фурмы, помещенные в головках печи, а подаваемый для продувки ванны - через фурмы, опускаемые в отверстия в своде. Некоторое количество топлива может поступать вместе с кислородом в рабочее пространство печи с помощью топливо-кислородных горелок, также опускаемых через свод. Печи, отапливаемые низкокалорийными видами газообразного топлива, имеют две пары шлаковиков и две пары регенераторов (для подогрева газа и подогрева воздуха), располагаемых попарно соответственно под каждой головкой печи; отапливаемые мазутом или природным газом имеют под каждой головкой по одному шлаковику и одному регенератору - только для подогрева воздуха. Несмотря на наличие регенераторов, отходящие газы перед дымовой трубой имеют температуру 400-800 °С. Для утилизации этого тепла за мартеновская печь устанавливают котлы-утилизаторы. Печи оборудованы контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей не только контролировать их работу, но и автоматически поддерживать заданный тепловой режим в различные периоды плавки.

Рис.1 Схема  мартеновской печи. 
Тепловая работа мартеновской печи

В течение плавки в печь подают топливо. Под действием тепла  факела нагреваются и шихта, и  кладка печи. Около 90 % тепла от факела к ванне передается излучением и 5—15 % — конвекцией. Доля тепла, передаваемого конвекцией, возрастает по мере повышения мощности факела. Мощный факел обеспечивает хорошее смешение топлива с воздухом (или кислородом), подаваемым для горения, повышение доли тепла, передаваемого ванне непосредственно конвекцией при соприкосновении факела с ванной, интенсивную передачу ванне кислорода из атмосферы рабочего пространства (окислительную способность печи).

Расходная часть теплового баланса  включает следующие основные статьи:

1) тепло на нагрев ванны (металла  и шлака);

2) тепло на испарение влаги, попавшей в печь вместе с шихтой;

3) тепло, затраченное на восстановление оксидов железной руды (если в печь загружалась железная руда);