Кислородные конвертеры

Общая характеристика

Кислородные конвертеры получили широкое распрост­ранение благодаря ряду технико-экономических преиму­ществ, главными из которых являются высокая производи­тельность по сравнению с мартеновскими печами, способ­ность переплавлять скрап и давать сталь лучшего качест­ва по сравнению с воздушными конвертерами. В настоящее время кислородные конвертеры являются наиболее распро­страненными и перспективными сталеплавильными агрега­тами в мире. В достаточно широкой эксплуатации находят­ся кислородные конвертеры с верхней, наклонной и донной продувкой ванны кислородом. Наибольшее распространение получили конвертеры с верхней продувкой. Они обычно называются конвертерами ЛД по имени австрийских горо­дов Линц и Донавиц, где они были впервые построены. В этих конвертерах, работающих на мартеновских чугунах, получают сталь достаточно хорошего качества, они способ­ны переплавлять около 25% стального скрапа в металли­ческую завалку. Скорость выхода кислорода из фурм в этих конвертерах в 2 – 2,5 раза превышает скорость звука. Увеличение доли скрапа сверх 25% в этих конвертерах невозможно, так как оксид углерода, образующийся при окислении углерода, дожигается вне пределов рабочего пространства конвертера. Это является существенным не­достатком этого конвертера, так как требует специальных, весьма крупных и дорогостоящих устройств для дожигания СО улавливания выделившегося при этом тепла. Эти уст­ройства, среди которых главным является большой котел-утилизатор, располагаются над конвертером, что требует строительства специальных цехов большой высоты. Это обстоятельство несколько сдерживает распространение конвертеров ЛД, так как они не могут быть размещены в существующих и подлежащих реконструкции мартеновских цехах. Тем не менее конвертеры ЛД в настоящее время яв­ляются наиболее распространенными.

Стремление дожечь оксид углерода в пределах рабочего пространства и получить дополнительное количество тепла, необходимое для использования большей, чем 25% доли скрапа в металлическую завалку, послужило толчком для создания конвертера с подачей кислорода под углом к по­верхности металлической ванны со скоростью, не превыша­ющей 200 – 250 м/с. Конвертер расположен наклонно, имеет развитую поверхность металлической ванны и во время плавки вращается вокруг оси, что улучшает перемешива­ние металла и позволяет полезно использовать тепло, акку­мулированное кладкой. Все это позволило обеспечить до­жигание СО в пределах рабочего пространства конвертера и поднять долю скрапа в завалку до 45%. Впервые такой конвертер был построен в 1956 г. в шведском городе Домнарвете по предложению известного металлурга профессо­ра Каллинга и получил название конвертера Кал-До. В на­стоящее время в конвертерах Кал-До выплавляется при­близительно 35 млн. т стали. Распространение этих конвер­теров несколько сдерживается сложностью их строительства и эксплуатации. Конвертер Кал-До также как и ЛД рабо­тает на мартеновских чугунах и требует строительства спе­циального цеха, так как в существующих мартеновских це­хах размещен быть не может.

В 1966 – 1967 гг. за рубежом были построены кислород­ные конвертеры с донным дутьем. Необходимость создания такого конвертера возникла, в основном, по двум причи­нам. Во-первых, необходимостью переработки чугунов с повышенным содержанием марганца, кремния и фосфора, поскольку передел такого чугуна в конвертерах ЛД сопро­вождается выбросами металла в ходе продувки и не обес­печивает должной стабильности химического состава гото­вой стали. Второй причиной является то, что конвертер с донной продувкой стал наиболее приемлемой конструкцией для реконструкции существующих бессемеровских и томассовских цехов и вписывается в здание существующих марте­новских цехов, подлежащих реконструкции. Этому конвер­теру свойственно наличие большого числа реакционных зон, интенсивное окисление углерода с первых минут плавки, низкое содержание оксидов железа в шлаке. В силу специфики работы сталеплавильной ванны при данной продувке в конвертерах подобного типа выход годного несколько вы­ше, чем в конвертерах ЛД и Кал-До, а запыленность отхо­дящих газов ниже. В 1979 г. в мире работало 79 конверте­ров с донным дутьем, общая производительность которых достигала 37 – 38 млн. тонн стали, т.е. около 7% мирового производства кислородно-конвертерной стали.

Первоначально предполагалось, что особенность процесса производства стали с донной продувкой кислородом сде­лают его экономически более выгодным по сравнению с конвертерами ЛД, благодаря тому, что на бывших вначале в эксплуатации 25 – 30-тонных конвертерах переплавлялось до 40% скрапа и выход годного был выше. Однако опыт эксплуатации крупных конвертеров не подтвердил этого: удельный расход скрапа оказался на уровне 20 – 25%, вы­ход годного одного порядка с конвертерами с верхним дутьем. Недостаточный опыт эксплуатации конвертеров с донным дутьем не позволяет пока сделать окончательный вывод о преимуществах одного из этих процессов производ­ства стали. Необходимо отметить, что всем конвертерам свойственны значительный угар железа и высокая запылен­ность отходящих газов, требующая применения весьма со­вершенных методов очистки газов. Без применения газо­очисток с самой высокой степенью очистки эксплуатация кислородных конвертеров недопустима.

Кислородные конвертеры с верхней продувкой (ЛД)

Устройство кислородного конвертера и его размещение в цехе представлено на рис. 116. Основная, средняя часть корпуса конвертера цилиндрической формы, степы ванны сферической формы, днище — плоское. Верхняя, шламная часть конической формы. Кожух конвертера выполняют из стальных листов толщиной 30 – 90 мм. В конвертерах сад­кой до 150 т днище выполняют отъемным и крепят его к корпусу болтами. Отъемное днище облегчает ремонтные работы. При садке 250 – 350 т конвертер делают глуходонным, что вызвано необходимостью создания жесткой конст­рукции корпуса и условиями техники безопасности, гаран­тирующей от случаев прорыва жидкого металла.

Корпус конвертера крепится к специальному опорному кольцу, к которому привариваются цапфы. Одна из цапф через зубчатую муфту соединена с механизмом поворота. В конвертерах большой емкости (более 250 т) обе цапфы являются приводными. Конвертер цапфами опирается на подшипники, установленные на станинах. Механизм пово­рота позволяет вращать конвертер на любой угол вокруг горизонтальной оси.

Корпус и днище конвертера футеруют огнеупорным кир­пичом. Футеровку цилиндрической части конвертера выпол­няют из трех слоев: внутренний (рабочий) слой толщиной 600 – 800 мм, промежуточный слой толщиной 50 – 150 мм и наружный (арматурный) слой толщиной 115 – 350 мм. Ра­бочий слой выкладывают смолодоломитомагнезитовым кирпичом. Арматурный слой, примыкающий к кожуху, вы­кладывают из хромомагнезитового кирпича. Промежуточ­ный слой заполняют смолодоломитовой или смоломагнезитовой набивкой. Рабочий слой днища выкладывают смолодоломитовым, наружный — хромомагнезитовым кирпи­чом общей толщиной 800 – 900 мм.

Подача кислорода в ван­ну конвертера для продув­ки металла производится через специальную фурму, вводимую в горловину кон­вертера.

Первой операцией кон­вертерного процесса являет­ся загрузка скрапа. Разо­гретый конвертер наклоня­ют на некоторый угол от вертикальной оси и специ­альным коробом-совком ем­костью 8 – 10 м³ через гор­ловину загружают в конвер­тер скрап. Обычно загружа­ют 20 – 25% скрапа на плав­ку. Если скрап не подогре­вают в конвертере, то затем сразу же заливают жидкий чугун. После этого конвер­тер устанавливают в верти­кальное положение, через горловину в конвертер вво­дят кислородную фурму.

Для наводки шлака в конвертер по специальному желобу вводят шлакообразующие материалы: известь в количестве 5 – 7% и в небольшом количестве железную руду и плавиковый шпат.

После окисления примесей чугуна и нагрева металла до заданных величин продувку прекращают, фурму из конвер­тера удаляют и сливают металл и шлак в ковши. Легиру­ющие добавки и раскислители вводят в ковш.

Продолжительность плавки в хорошо работающих кон­вертерах почти не зависит от их емкости и составляет ~45 мин, продолжительность продувки 15 – 25 мин. Каждый конвертер в месяц дает 800 – 1000 плавок. Стойкость конвертера 600 – 800 плавок. Расход огнеупоров 3 – 3,5 кг/т стали. Выход жидкой стали 89 – 91%. Количество шлака 10 – 12%. Расход кислорода 50 – 55 м³/т. Продолжитель­ность продувки ванны кислородом по существу определяет производительность конвертера. Продолжительность про­дувки зависит от удельного расхода кислорода. Чрезмерное увеличение удельного расхода кислорода нецелесообразно, так как увеличивает разбрызгивание и ускоряет износ футе­ровки конвертеров. Практически интенсивность продувки составляет 3,5 – 4 м³ О₂/мин на 1 т стали. Длина водоохлаждаемой фурмы для подачи кислорода составляет 13 – 18 м. Слишком низкое расположение фурмы приводит к ее быст­рому износу. Поэтому фурму обычно располагают на рас­стоянии 1 – 2 м от уровня спокойной ванны, обеспечивая на выходе из сопла значение критерия Маха около 2.

В месте соприкосновения струи кислорода с жидкой ванной благодаря высокой температуре образуются пары металлического железа и оксидов, которые выносятся из ванны конвертерными газами в виде бурого дыма, т.е. происходит интенсивное пылеобразование.

Движение металла в конвертере является весьма слож­ным; помимо кислородной струи, на жидкую ванну воздей­ствуют пузыри оксида углерода. Процесс перемешивания усложняется еще и тем, что шлак проталкивается струей газа в толщу металла и перемешивается с ним. Движение ванны и вспучивание ее выделяющимися оксидами углеро­да приводят значительную часть жидкого расплава в состоя­ние эмульсии, в которой капли металла и шлака тесно пе­ремешаны друг с другом. Это создает большую поверхность соприкосновения металла со шлаком, что обеспечивает вы­сокую скорость окисления углерода и высокую скорость нагрева металла. При окислении углерода на 1 м³ поданно­го в ванну кислорода выделяется 2 м³ СО. Для 200-т кон­вертера расход газа в горловине достигает 60000 м³/ч. Дожигание СО над ванной практически не происходит и газ, отходящий из конвертера, состоит из 90% СО и 10% СО₂, а его температура в среднем составляет 1700°С. За­пыленность отходящих газов очень велика, поэтому газ не­обходимо очищать. Применяемые установки мокрой очист­ки и электрофильтры требуют предварительного охлажде­ния газа (соответственно до 400°С и 250°С). Размеры установок для дожигания, охлаждения и очистки конвертер­ных газов во много раз превышают размеры самих конвер­теров (см. рис. 116). Чаще всего на заводах газ (СО) дожигают в камине при подаче холодного воздуха, засасыва­емого через зазор между горловиной и камином или пода­ваемого принудительно. Стенки камина представляют собой поверхности котла-утилизатора или водяные холодиль­ники. Газ дополнительно охлаждают впрыскиванием воды, а затем очищают.

Следует отметить, что степень использования тепла в кислородном конвертере гораздо выше, чем в сталепла­вильных агрегатах подового типа. К.п.д. (тепловой) кон­вертера составляет ~70%, в то время как для хорошо ра­ботающих мартеновских печей он не более 30%, что явля­ется большим преимуществом конвертерного процесса перед мартеновским. Кроме того, газы, отходящие из конвер­тера, имеют теплоту сгорания 10 – 11,5, МДж/м³, что ис­пользуется или при дожигании газа в котлах-утилизаторах, или как топливо при отводе газов из конвертера без дожи­гания.

Кислородные конвертеры Кал-До

Значительное количество химического тепла, содержа­щееся в оксиде углерода и выделяющееся из ванны, можно использовать в самом конвертере. Сжигание СО над ванной конвертера ЛД, как правило, не применяют, так как вследствие малой площади ванны конвертер не приспособ­лен к функциям теплообменника. Кроме того, при сгорании СО значительно повышается температура рабочего прост­ранства и усиленно изнашивается кладка.

Конструкция конвер­тера, приспособленного к сжиганию СО (конверте­ра Кал-До), показана на рис. 117. Корпус печи по­коится на роликах, два из которых — приводные, они обеспечивают враще­ние конвертера вокруг его оси со скоростью до 30 об/мин. Все ролики за­креплены в люльке, кото­рая может поворачивать­ся вместе с печью вокруг горизонтальной оси (пово­ротная цапфа на рисунке показана пунктиром). В рабочем положении ось конвертера наклонена к горизонту под углом 17°, благода­ря чему площадь ванны получается достаточно большой.

Кладка напоминает футеровку конвертеров ЛД.

Кислород подают через водоохлаждаемую фурму, на­правленную под углом к ванне. Окисление примесей ван­ны происходит в результате диффузии кислорода через шлак. Так как поверхность ванны больше, толщина шлака меньше, что способствует достаточно быстрой передаче кис­лорода в металл. Большое значение для ускорения окисле­ния ванны имеет также вращение конвертера, усиливающее перемешивание металла и шлака.

В этих условиях нет необходимости вводить кислород со сверхзвуковой скоростью. Наоборот, его подают так, чтобы шлак сильно не разбрызгивать. Обычно скорость кислорода на выходе из фурмы составляет 200 – 250 м/с. Угол накло­на и расстояние фурмы от поверхности ванны изменяют по ходу плавки.

Поскольку часть тепла, необходимого для процесса, по­ступает к ванне при сжигании СО, конвертер Кал-До не является чистым теплогенератором. Он одновременно слу­жит топкой и теплообменником.

Большая роль в процессе передачи тепла к ванне при­надлежит кладке, выполняющей функции регенератора; часть ее, находящаяся над ванной, нагревается от газовой среды с высокой температурой, а затем, вступая в контакт с более холодным металлом и шлаком, отдает им свое теп­ло. Вследствие охлаждения металлом средняя температура кладки сохраняется на допустимом уровне. Все же стой­кость кладки конвертера Кал-До значительно ниже стойко­сти кладки печи ЛД и составляет для крупных печей от 50 до 150 плавок.,Опыты по применению обожженного магне­зитового кирпича высокой чистоты говорят о том, что стой­кость кладки можно значительно повысить.

Для сохранения кладки конвертеров Кал-До расход кислорода в них поддерживают более низким, чем в кон­вертерах ЛД: 1,5 – 2,5 м³/мин на 1 т металла. Поэтому об­щая продолжительность плавки получается большей: для агрегатов емкостью 110 – 135 т она составляет 70 – 80 мин.

Благодаря тому, что в ванну тепло поступает извне в печах Кал-До необходимо снижать приход тепла путем теплогенерации или увеличивать расходные статьи. Для этого уменьшают долю чугуна в шихте или увеличивают количе­ство твердых окислителей. Оба способа дают Кал-До-процессу значительные экономические преимущества. Первый позволяет перерабатывать большие количества относительно дешевого стального лома (до 45% вместо 25% при ЛД-процессе), второй приводит к более высокому выходу жидкого металла.

В отличие от конвертеров ЛД из горловины печи Кал-До выходит газ, содержащий лишь незначительное количе­ство СО. Так как кислород поступает преимущественно в результате диффузии через шлак и меньше разбрызгивает­ся ванна, потери железа с пылью в печи Кал-До составля­ют 11 кг на 1 т стали по сравнению с 17 кг для печи ЛД. По этим причинам размеры установок для охлаждения и очист­ки газа для конвертеров Кал-До значительно меньшие и стоимость их значительно ниже.

Удельная продолжительность продувки в конвертере Кал-До с возрастанием расхода кислорода уменьшается, так же как и для конвертера ЛД. Часть кислорода расходует­ся на дожигание СО. Выделяющееся при этом тепло в зависимости от условий горения и теплообмена может усваи­ваться ванной в большей или меньшей степени. Тепло от сгорания примесей выделяется в ванне и усваивается ею полностью.

Кислородные конвертеры с донной продувкой

Попытки применения кислородного дутья в томассовских и бессемеровских конвертерах с донным воздушным дутьем делались неоднократно, но не принесли положи­тельных результатов, так как футеровка днища не выдер­живала тех высоких температур, которые развивались в местах подачи кислорода в металлическую ванну. В этих местах происходило очень интенсивное окисление примесей чугуна и развивалась чрезмерно высокая температура. Для предохранения кладки днища конвертера от действия вы­соких температур фурму выполняют в виде двух коаксиаль­ных трубок (рис. 118), в которых по центральной подается кислород, а по периферийной какое-либо углеводородное топливо, чаще всего природный газ. Таких фурм обычно делается 16 – 22, диаметр кислородного сопла фурм колеб­лется в пределах 28 – 50 мм, зазор для подачи топлива зависит от вида топлива и составляет 0,5 – 2,0 мм. Большое число более мелких фурм обеспечивает лучшее перемеши­вание ванны и более спокойный ход плавки. Струя топлива отдаляет реакционную зону от днища, снижает температу­ру около днища в месте выхода кислородных струй за счет отбора тепла на нагрев топлива, крекинг и диссоциацию составляющих топлива и продуктов их окисления. Охлаж­дающий эффект кроме того обеспечивается пылевидной известью, которая подается в струю кислорода. Как пока­зывает практика, количество поданного в фурмы топлива должно составлять приблизительно 5 – 7% по отношению к массе кислорода. Излишнее увеличение расхода топлива, в надежде увеличить приход тепла и получить возможность увеличить удельное количество скрапа не приносит желае­мого результата, так как приводит к образованию настылей на днище, повышению содержа­ния водорода в стали. Теплотех­нические расчеты показывают, что количество тепла, выделяемое при окислении составляющих топлива, очень не намного превы­шает количество тепла, которое расходуется на диссоциацию СО₂ и Н₂О. Однако конвертер с донным кислородным дутьем имеет несколько меньшие тепловые по­тери (по сравнению с конверте­ром ЛД), т.к. отсутствуют поте­ри тепла на охлаждение фурм; при донном дутье приблизитель­но вдвое уменьшаются потери ме­талла с дымом и, следовательно, уменьшаются потери тепла на испарение железа. Для футеров­ки конвертера с донным дутьом применяют, в основном, те же материалы, что и для конвертеров с верхним дутьем. Футеровка горловины и верха цилиндрической ча­сти в этих конвертерах изнашивается меньше чем в конвертерах ЛД; в наибольшей степени изнашивается днище, ко­торое растрескивается из-за большого перепада температур по толщине кладки. Средняя стойкость футеровки стен со­ставляет 1400 – 1500 плавок, стойкость днищ 550 – 600 пла­вок. Промежуточная замена днищ — большой недостаток конвертеров с донной продувкой.

Продувка расплавленного металла несколькими струя­ми кислорода снизу создает ряд особенностей в работе конвертера с донным кислородным дутьем. Обеспечивается большое число реакционных зон и большая межфазная поверхность контакта кислородных струй с металлом. Это позволяет увеличить интенсивность продувки, повысить ско­рость окисления углерода, интенсивность продувки кисло­родом в таких конвертерах достигает 4 – 5 м³ О₂/т×мин. Улучшается перемешивание ванны, повышается степень использования кислорода. Улучшение перемешивания влечет за собой возможность расплавления больших по массе кус­ков скрапа. Лучшая гидродинамика ванны обеспечивает более ровный и спокойный ход всей плавки, практически исключает выбросы. В силу этого в конвертерах с донным дутьем можно перерабатывать чугун с повышением содер­жания марганца и фосфора.

Использование конвертеров с донной продувкой кисло­родом из-за меньшего угара железа позволяет получить больший выход годной стали, превышающий таковой для конвертеров ЛД на 1,5 – 2%. Плавка в 180-тонном конвер­тере с донной кислородной продувкой длится 32 – 39 мин, продувка 12 – 14 мин, т.е. производительность выше, чем у конвертеров ЛД. Однако, необходимость промежуточной замены днищ нивелирует это различие в производительно­сти.

Конвертеры с донным дутьем могут размещаться в ре­конструируемых мартеновских цехах, что подкрепляет их перспективность. При установке конвертеров в мартенов­ском цехе обеспечивается экономия на здании (с учетом его реконструкции), равная 20 – 25% стоимости нового цеха, что является очень существенным. Отсутствие в конверте­рах с донным дутьем вертикально расположенной конвер­терной фурмы упрощает и удешевляет конструкции газоочистных устройств.

Мартеновские печи

Мартеновские печи долгое время оставались основным сталеплавильным агрегатом благодаря своей универсаль­ности в отношении шихты, состава готовой стали, исполь­зуемого топлива. Преобладающая часть тепла поступает в мартеновскую ванну из рабочего пространства печи в ре­зультате теплоотдачи от факела и элементов кладки.

На заводах с полным металлургическим циклом в мар­теновских печах переплавляют обычно 50 – 75% жидкого чугуна и 25 – 50% скрапа (скрап-рудный процесс). На ме­таллургических заводах, не имеющих доменных печей и на машиностроительных заводах шихта мартеновских печей состоит практических из скрапа (скрап-процесс), твердый чугун добавляется в том случае, если необходимо обеспе­чить требуемое содержание углерода в готовой стали.

Мартеновские печи делят на стационарные и качающие­ся. У качающихся печей рабочее пространство может на­клоняться в сторону разливочного пролета для выпуска стали и в сторону печного пролета для скачивания шлака. Качающиеся мартеновские печи обычно применяют для переработки чугунов с содержанием в них до 2% фосфора. Для удаления фосфора необходимо наводить в печи боль­шое количество шлака и периодически его удалять, что и делается наклоном печи в сторону печного пролета. Эти печи удобны в работе и когда необходимо выпускать металл отдельными порциями (например, при фасонном литье, дуплекс-процессе и др.). Качающиеся печи удобны в экс­плуатации, но сложны по конструкции и требуют больших затрат при строительстве. Основное количество мартенов­ской стали выплавляют в стационарных печах.

В СССР эксплуатируются промышленные мартеновские печи садкой до 900 т. Под садкой (или емкостью) печи по­нимают массу чугуна и скрапа, загружаемые в печь для одной плавки. Кислород необходимый для процесса окис­ления примесей, поступает в ванну обычно из двух источ­ников: из атмосферы печи диффузией через шлак и из твер­дых окислителей (чаще всего железной руды), вводимых в ванну. Развитие тепломассообменных процессов в рабочем пространстве мартеновской печи определяется условиями сжигания топлива и характеристиками факела. Необходи­мость иметь в рабочем пространстве печи температуру око­ло 1750°С требует таких условий сжигания топлива, при которых калориметрическая температура горения должна быть около 2500°С. Такую температуру горения невозмож­но получить без обеспечения подогрева воздуха, идущего на горение, или воздуха и газа. Из рабочего пространства печи уносится приблизительно 80% тепла, поданного в печь. Это тепло уносится с отходящими газами, имеющими температуру 1600 – 1700°С. Поэтому целесообразно подо­грев воздуха (или воздуха и газа) производить утилизируя тепло отходящих продуктов сгорания. В силу этого все мартеновские печи оборудованы регенераторами: если печь работает на топливе с высокой теплотой сгорания (природ­ный газ, мазут), то подогревается только воздух, если на топливе с низкой теплотой сгорания, то подогревается и воздух и само газообразное топливо. Подогрев и воздуха и газа осуществляется до температуры 1050 – 1150°С. Таким образом, если печь отапливается смешанным газом (смесь доменного и коксового газа) с низкой теплотой сгорания (до 14000 кДж/м³), то необходимо подогревать как воздух, так и газ, для чего требуется две пары регенераторов. При отоплении печей природным газом или мазутом требуется только одна пара регенераторов для подогрева воздуха. Основным видом передачи тепла в печи является теп­ловое излучение (~ 90%), поэтому повышение температу­ры в рабочем пространстве, наряду с обеспечением опти­мальных радиационных характеристик факела являются весьма эффективным средством интенсификации теплооб­мена и повышения производительности печей. Повышение температуры ограничено огнеупорностью футеровки печи, поэтому в отдельные периоды плавки (доводка), когда температура футеровки находится на пределе, достижение не­обходимого уровня теплоотдачи возможно лишь за счет по­вышения излучательной способности факела.

В последние годы получила распространение продувка мартеновской ванны кислородом, которая позволила значи­тельно увеличить производительность печей, хотя и поро­дила свои дополнительные проблемы.

На рис. 119 показана одна из конструкций стационар­ной мартеновской печи, отапливаемой высококалорийным топливом. Печь можно условно разделить на верхнее (вы­ше рабочей площадки 16)и нижнее (ниже рабочей площадки) строения. Верхнее строение печи состоит из рабо­чего пространства 8,головок 6 и вертикальных каналов 4. Нижнее строение печи включает в себя регенераторы 2,шлаковики 3,борова 1.

Рабочее пространство — это та часть печи, где протека­ют процессы выплавки стали, сгорания топлива и передачи тепла материалам шихты.

В передней стенке рабочего пространства предусмотре­ны завалочные окна 15,обрамленные с обеих сторон стол­биками 14.Завалочные окна служат для завалки шихты в печь, заливки чугуна и скачивания шлака. Число окон обычно нечетное (от 3 для малых печей до 7 для больших). В задней стенке 11 расположены отверстия для выпуска стали и шлака. Среднее окно предназначено также для об­служивания сталевыпускного отверстия. На некоторых печах жидкий чугун заливают через отверстие, находяще­еся в задней стенке рабочего пространства. Стены печи на­клонены для того, чтобы при заправке с них не осыпались заправочные материалы.

Нижняя часть рабочего пространства, ограниченная по­диной 10 и откосами 7 и 9 печи (нижней частью передней, задней и торцевых стенок), называется ванной. Ванна вме­щает весь жидкий металл и шлак. Верхним уровнем ванны являются пороги — стальные плиты, образующие нижнюю часть завалочных окон. Сверху рабочее пространство огра­ждено арочным сводом 13.В своде есть отверстия, через которые в печь вводят кислородные фурмы 12 для продув­ки ванны кислородом.

С торцевых сторон к рабочему пространству примыка­ют головки печи. Головки служат для подвода топлива в печь при помощи горелок 5, смешения его с воздухом и подготовки к сжиганию, а также для отвода из печи про­дуктов сгорания топлива и технологических газов. Поэтому требования, предъявляемые к ним, противоречивы. С од­ной стороны, когда через головку в печь подается топливо и воздух для создания больших скоростей истечения газов, т.е. для хорошего перемешивания топлива с воздухом и получения жесткого факела, необходима небольшая пло­щадь газовых каналов. С другой стороны, каналы малого сечения характеризуются большим гидравлическим сопро­тивлением в тот период, когда головка служит для отвода газов из печи. Правильный выбор конструктивных разме­ров головок печи особенно усложняется для печей, отапливаемых низкокалорийным топливом и, следовательно, обо­рудованных газовыми (для подогрева газообразного топлива) и воздушными (для подогрева воздуха) регенераторами. В этом случае головки должны быть так сконструированы и иметь такие размеры окон для выхода газа и возду­ха, чтобы обеспечить правильное распределение проходя­щих через них продуктов сгорания между воздушными и газовыми регенераторами.

Применение таких топлив с высокой теплотой сгорания, как природный газ и мазут, упрощает конструкцию головки и всей печи в целом, так как исключается потребность в регенераторах для подогрева топлива. Печи с такими го­ловками имеют только одну пару регенераторов для подо­грева воздуха и оборудованы обычно одноканальными го­ловками. В одноканальных головках (см. рис. 119) воздух подается по вертикальному каналу, а топливо — через го­релку или форсунку. Как уже отмечалось, факел мартенов­ской печи должен обладать достаточной светимостью, т.е. иметь хорошую излучательную способность. Если печь отапливается мазутом, то дополнительных мер принимать не надо, так как мазутный факел обладает достаточной све­тимостью. При отоплении печей газообразным топливом обычно обеспечение должной светимости достигается добавками мазута или смолы (искусственная карбюризация факела). Иногда обеспечивается самокарбюризация факела за счет разложения углеводородов газообразного топлива.

Вертикальные каналы мартеновских печей служат для соединения рабочего пространства со шлаковиками.

К нижнему строению печи относятся шлаковики, регене­раторы, дымовые борова, перекидные устройства. Шлако­вики предназначены для очистки газов, уходящих из рабо­чего пространства, от крупной пыли. Очистка основана на том, что газы, попадая в шлаковик, теряют свою скорость вследствие резкого и внезапного расширения канала. Газы, движущиеся с небольшой скоростью, не могут увлечь за собой крупные частицы пыли, и последние оседают на дно шлаковика. Частично очищенные газы изменяют на 90° на­правление своего движения и поступают в регенераторы, где отдают свое тепло огнеупорной насадке. Объем шлако­вика должен быть таким, чтобы в нем умещалась пыль, оседающая за время межремонтного периода (2 – 3 мес.). Проходя через регенераторы, дымовые газы охлаждаются с 1500 – 1600 до 800 – 600°С. После перекидки клапанов, когда через разогретую насадку регенераторов пропускает­ся воздух или газ, тепло насадки передается им, в резуль­тате чего температура воздуха или газа поднимается до 850 – 1150°С. Борова предназначены для отвода продуктов сгорания из регенераторов и подвода к ним газа или воз­духа. Переключение регенераторов с нагрева на охлажде­ние и наоборот осуществляется с помощью перекидных устройств — клапанов тарельчатого и золотникового типов и шиберов. Перекидка клапанов осуществляется автомати­чески, а в необходимых случаях вручную.

Футеровка печи, особенно рабочего пространства, рабо­тает в очень тяжелых условиях. Механические удары и ис­тирание, химическое взаимодействие плавильной пыли и шлаков, высокие температуры являются причиной использования для кладки мартеновских печей высококачествен­ных огнеупорных материалов. Чтобы предотвратить разъ­едание кладки основными оксидами шлака, рабочее прост­ранство выкладывают из основных огнеупоров. Под печи, заднюю и переднюю стенки, а также откосы выполняют из магнезитового кирпича. В качестве тепловой изоляции слу­жит шамотный и пеношамотный кирпич, который применя­ют для кладки наружных слоев. Внутреннюю поверхность пода покрывают толстым слоем магнезитовой наварки. Иногда подину печи не наваривают, а набивают магнезито­вым порошком.

Для свода печи применяют термостойкий магнезитохромитовый кирпич. В процессе кладки свода между отдель­ными кирпичами устанавливают тонкие металлические про­кладки. При сильном разогреве свода эти прокладки расплавляются, и отдельные кирпичи свариваются между собой.

Головки и стены вертикальных каналов выкладывают из хромомагнезитового кирпича, стены шлаковиков и верх­нюю часть стен регенераторов — из динасового кирпича с облицовкой хромомагнезитом. Облицовка защищает кладку от вредного воздействия плавильной пыли. Нижнюю часть стен и большую часть насадки регенераторов выполняют из шамотного кирпича; верхние ряды насадки регенераторов — из форстеритовых или высокоглиноземистых огнеупоров, более устойчивых против агрессивного действия плавильной пыли. Борова и внутреннюю часть дымовой трубы футеру­ют шамотным кирпичом. Современная мартеновская печь обычно оборудована котлом-утилизатором, позволяющим использовать до 50% тепла дымовых газов для получения пара, установкой для очистки дымовых газов от пыли, комп­лексом контрольно-измерительных приборов и приборов ав­томатического управления тепловым режимом печи. Печи снабжены также системой испарительного охлаждения.

Длительность одной плавки в мартеновской печи по организационно-технологическим и теплотехническим при­знакам разбивается на следующие периоды: заправка, за­валка, прогрев (если печь работает на жидком чугуне, то этот период отсутствует), плавление, доводка.

Обычно для мартеновских печей составляется тепловой график плавки, один из которых в качестве примера приве­ден на рис. 120. Как видно из графика, по ходу плавки контролируются такие величины, как тепловая нагрузка 1, температура поверхности свода 2,температура поверхности шихты и ванны 3,рассчитывается термический к.п.д. Теп­ловая нагрузка и температура свода — основные величины, по которым ведется плавка.

Производительность мартеновских печей определяется несколькими показателями: годовой (т/год), часовой (т/ч) производительностью и съемом стали с 1 м² площади пода в сутки. Удельный расход тепла колеблется от 2100 МДж/т (крупные печи) до ~ 6300 МДж/т (малые печи). Годовая производительность — наиболее важный показатель рабо­ты печи зависит от часовой производительности и длитель­ности простоев на ремонт. Для современных мартеновских печей холодные и горячие ремонты составляют 5 – 7% вре­мени эксплуатации. Годовая производительность для 200-т печей составляет 200 – 240 тыс. в год; для 400-т печей 370 тыс. т в год; для 600-т печей 490 тыс. т в год; для 900-т печей 670 тыс. т в год; часовая производительность соответ­ственно 24 – 29; 45; 59 и 81 т/ч.

Двухванные печи

При интенсивной продувке мартеновской ванны выде­ляется значительное количество СО, которую трудно пол­ностью дожечь в самом рабочем пространстве. Часть несго­ревшей СО и большое количество пыли выносятся дымо­выми газами из рабочего пространства печи. Для лучшего использования СО и частичного улавливания пыли в самом рабочем пространстве создана двухванная- сталеплавиль­ная печь (рис. 121).

Рабочее пространство такой печи разделено переводом на две ванны. Обе ванны имеют общий свод, так что про­дукты сгорания, образующиеся в одной ванне, проходят вторую часть рабочего пространства.

Печь работает следующим образом: в одной ванне (го­рячей) происходит плавление и доводка с интенсивной про­дувкой металла кислородом, а во второй ванне (холодной) в то же время идет завалка и прогрев твердой шихты. Га­зы из горячей части печи направляются в холодную и со­стоят до 35% из оксида углерода. В холодной части печи СО догорает до СО₂ и за счет выделяющегося тепла проис­ходит нагрев твердой шихты. Недостающее для процесса нагрева тепло восполняется подачей природного газа через горелки, установленные в своде печи. Сгорание природного газа и догорание СО совершаются за счет дополнительного кислорода.

Когда готовую сталь из первой ванны выпускают, во вторую ванну заливают жидкий чугун. После заливки чугуна тут же начинают продувку ванны кислородом. Закан­чивается продувка за 5 – 7 мин до выпуска. С выпуском металла из первой ванны цикл плавки заканчивается и на­чинается новый. В то же время с помощью перекидных шиберов изменяется направление движения газов. Теперь бывшая холодная ванна становится горячей. Первую ван­ну заправляют и производят завалку шихты, и цикл повто­ряется.

Двухванная печь должна работать таким образом, что­бы было равенство холодного и горячего периодов, проте­кающих одновременно в разных ваннах. В холодный пери­од входит выпуск, заправка, завалка, прогрев, заливка чугуна; в горячий период — плавление и доводка. Напри­мер, для печи с садкой каждой ванны 250 т общая продол­жительность плавки составляет 4 ч, каждый период длится по 2 ч. Металл выпускается также через каждые 2 ч. Рас­кисление стали производят в ковше.

Металл продувают кислородом в каждой ванне через две — три кислородные фурмы с интенсивностью 20 – 25 м³/ч на 1 т металла. Каждая часть печи оборудована сводовыми кислородными фурмами и газокислородными горелками. Горелки необходимы для сушки и разогрева печи после ремонтов, а также для подачи дополнительного топлива.

Современные двухванные печи работают на техничес­ком кислороде без вентиляторного воздуха, поэтому реге­нераторы отсутствуют. Холодная ванна печи.частично вы­полняет роль регенераторов, аккумулируя тепло газов, по­кидающих горячую часть печи с температурой ~ 1700°С, и частично улавливает плавильную пыль, тем самым выпол­няет роль шлаковиков. Тем не менее количество пыли в продуктах сгорания, покидающих печь, составляет большую величину (20 – 40 г/м³). Пыль состоит на 85 – 90% из окис­лов железа.

Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печи с температурой около 1500°С, поступают по вертикальному каналу в шлаковик, в котором охлаждаются водой до тем­пературы 900 – 1000°С, а затем направляются в боров. В борове за счет подсоса холодного воздуха происходит дальнейшее понижение их температуры до 700°С.

Распространение двухванных печей определилось их преимуществами в сравнении с мартеновскими печами: малым удельным расходом огнеупоров (4 – 5 кг в сравне­нии с 12 – 15 кг на мартеновских печах), меньшим объемом ремонтов, значительным облегчением условий труда ре­монтных рабочих, в 3 – 5 раз меньшим расходом топлива, более высокой стойкостью, достигающей 800 – 1000 плавок.

Производительность двухванных печей в 3 - 4 раза вы­ше, чем мартеновских; их устанавливают на месте сущест­вующих мартеновских печей без реконструкции здания и изменения грузопотоков в цехе.

В двухванных печах выплавляют стали широкого сорта­мента, в том числе низколегированные, не уступающие по качеству сталям, выплавляемым в мартеновских печах.

К недостаткам существующих конструкций двухванных печей следует отнести меньший выход годной стали, повы­шенный расход жидкого чугуна и выбивание большого ко­личества технологических газов через завалочные окна в цех.

Выбивание газов из рабочего пространства происходит через завалочные окна при поднятых заслонках и по пе­риметру закрытых заслонок, а также через стационарные желоба для заливки чугуна. Как показала практика, опти­мальное с точки зрения тепловой работы существующих двухванных печей давление под сводом печи составляет 3 – 4 Па. При этом нулевая линия давления располагается на уровне порога печи или несколько выше его. При этих ус­ловиях, как показывают расчеты, через одно открытое окно выбивается 6 – 8 тыс. м³ газа в час (запыленность 20 – 40 г/м³). В отдельные периоды плавки расчетное количе­ство выбивающихся газов превышает 20% всего количест­ва газов, поступающих в дымоотводящий тракт.

На некоторых печах вследствие недостаточной пропуск­ной способности дымоотводящего тракта давление под сво­дом при интенсивной продувке повышается до 5 – 6 Па, что приводит к еще большему увеличению количества газов, поступающих в цех.

Выбивание газов ухудшает условия труда, затрудняет обслуживание печи, загрязняет воздушный бассейн. Часть пыли не удаляется через фонарь здания, а циркулирует над рабочей площадкой печного пролета и попадает в разли­вочный пролет. Выбивание приводит также к ухудшению тепловой работы печи, так как часть оксида углерода и фи­зического тепла дыма не используется для нагрева лома.