Конструкция, методика расчёта мартеновских печей черной металлургии

- температура печи, °К;

- температура поверхности металла, °К;

- поверхность металла (ванны), м2.

Из этого уравнения следует, что величина зависит не только от разности температур, но и от величины поверхности теплообмена и приведенной степени черноты, в частности от степени черноты пламени .

Следовательно, передача тепла металлу может быть увеличена не только за счет повышения разности температур печи и металла, но и за счет увеличения степени черноты пламени (степени черноты поверхности ме-талла, шлака и кладки достаточно высоки 0,7 - 0,95 и в отличие от черноты пламени практически не поддаются регулированию), а также и поверхности металла .

Кроме того, из уравнения видно, что чем ниже температура поверхности металла , тем больше величина . Температура же поверхности металла при прочих равных условиях зависит главным образом от свойства металла отводить тепло, переданное на его поверхность, во внутренние слои, т. е. от его теплопроводности.

Если теплопроводность металла низкая, то температура его поверхности быстро повышается, что соответственно вызывает уменьшение . И наоборот, высокая теплопроводность металла обеспечивает быстрый отвод тепла во внутренние слои. При этом температура поверхности металла будет более низкой по сравнению с первым случаем и, следовательно, количество тепла, переданное металлу за тот же промежуток времени, будет значительно больше.

Таким образом, на скорость нагрева и, следовательно, на длительность плавки влияют не только условия внешнего теплообмена, но в значительной мере и условия передачи тепла внутри нагреваемого материала.

Степень влияния отдельных факторов на скорость нагрева сильно меняется по ходу плавки, поэтому для обеспечения высокопроизводительной и экономичной работы мартеновской печи необходимо знать особенности теплообмена в каждый период плавки.

Длительность одной плавки по организационно-технологическим и теплотехническим признакам разбивается на следующие периоды:

1) заправку;

2) завалку;

3) прогрев (если печь работает на жидком чугуне, то этот период отсутствует);

4) плавление (включая время заливки чугуна при работе на жидком чугуне);

5) доводку.

2.1 Период заправки печи

Его назначение - устранить нарушения в кладке подины, вызванные механическими и физико-химическими воздействиями на нее шихтовых материалов предыдущей плавки. В этот период печь работает как бы в холостую, так как металла в ней нет, и тепло расходуется только на поддержание ее рабочей температуры. Основная задача этого периода с теплотехнической точки зрения предотвратить охлаждения кладки печи, особенно пода, так как это приводит к удлинению плавки.

Для уменьшения охлаждения кладки печи в этот период необходимо использовать все возможности для сокращения длительности заправки, а также свести до минимума подсосы холодного воздуха в печь.

Тепловую нагрузку в этот период следует поддерживать на 15 - 20% выше тепловой нагрузки холостого хода.

2.2 Период завалки

Это время, необходимое для завалки твердой шихты в печь. Этот период характеризуется наиболее благоприятными условиями для передачи тепла шихте.

К ним относятся: низкая температура и большая поверхность твердой шихты; возможность проникновения горячих газов в толщу слоя шихты, т. е. возможность развития конвективного теплообмена (до 15%); отсутствие опасности поджога свода и т. д.

Низкая температура кладки и высокая способность шихты поглощать тепло позволяют держать максимально возможные тепловые нагрузки в этот период.

Однако, несмотря на эти благоприятные условия, многое зависит и от организации режима и порядка завалки шихтовых материалов. Так, например, металлическую часть шихты, характеризуемую высокой теплопроводностью, следует загружать поверх сыпучих материалов - известняка и руды. Если сделать наоборот, то вследствие малой теплопроводности сыпучих материалов их поверхность быстро нагревается до высокой температуры, что вызывает резкое уменьшение количества тепла, передаваемого шихте.

Поэтому практикой установлен строгий порядок и режим завалки шихтовых материалов, обеспечивающий высокие тепловые потоки на шихту не только в период завалки, но и в последующие периоды плавки.

2.3 Период нагрева

Этот период необходим, чтобы поднять температуру шихты до значения, несколько превышающего температуру плавления чугуна. Если чугун заливать на непрогретую шихту, то относительно холодная шихта охладит его до температуры ниже температуры его плавления, что приведет к так называемому «закозлению» шихты. Образующаяся корка твердой шихты ухудшит передачу тепла во внутренние слои ванны, это вызовет удлинение плавки. Недопустим также и перегрев шихты. Заливка чугуна на сильно перегретую шихту вызывает бурную реакцию выгорания примесей, что может привести к выбросу металла из печи.

Условия теплообмена с точки зрения температуры кладки в этот период близки к условиям периода завалки. Поэтому тепловую нагрузку, как и в завалку, надо поддерживать на максимальном уровне.

2.4 Период плавления металлической части шихты

Время от конца периода прогрева до полного ее расплавления.

При скрап-процессе, т. е. при работе на твердом чугуне, плавление начинается сразу после завалки, когда еще не образовалось зеркало жидкой ванны.

Таким образом, в начале этого периода условия теплообмена подобны условиям периода прогрева. Следовательно, в начале плавления можно не бояться поджога свода и держать высокие тепловые нагрузки, что и делается на практике.

Во время скрап-рудного процесса (т. е. работы на жидком чугуне) плавление твердой шихты протекает под слоем шлака в жидком чугуне (при 65 -75% чугуна в шихте по весу).

В этом случае, как и для второй половины периода плавления при скрап-процессе, вследствие высокой температуры поверхности шлака и низкой теплопроводности его, интенсивность теплообмена зависит главным образом от степени перемешивания ванны за счет выделения из нее газообразных окислов углерода, образующихся в результате разложения известняка и выгорания углерода металла.

Теплопроводность жидких металла и шлака в спокойном состоянии равна соответственно 18 - 20 и 2 - 3 ккал/м . час .оС, тогда как при интенсивном перемешивании эквивалентная теплопроводность (т. е. с учетом конвективного теплообмена) шлака достигает 100 - 120 ккал/м . час .оС, а металла 1800 - 2000 ккал/м . час .оС.

Таким образом, для обеспечения благоприятных условий теплообмена в период плавления необходимо создать условия для интенсивного перемешивания ванны, что достигается путем хорошего прогрева шихты в предшествующие периоды плавки.

Большое значение в этот период играет организация так называемого направленного теплообмена, когда большую часть тепла ванна получает непосредственно от факела, а не через посредство кладки, что происходит при отсутствии направленного теплообмена.

Условиями направленного теплообмена являются, возможно, большее приближение ядра факела с наивысшей температурой и светимостью к поверхности ванны и покрытие им большей части поверхности ванны. Это достигается, как уже отмечалось, соответствующим подбором угла наклона форсунок, скоростей выхода топлива и воздуха и т. д.

Тепловая нагрузка в этот период по мере подъема температуры поверхности ванны и овода соответственно уменьшается.

2.5 Период доводки

Время от момента полного расплавления до выпуска стали. В период доводки - самые худшие условия теплообмена. Температура ванны максимальная, температура кладки - на пределе. Интенсивность перемешивания ванны уменьшается. Все это приводит значительному уменьшению количества тепла, поглощаемого ванной, и, как следствие, - к снижению тепловой нагрузки до минимума.

В соответствии с изменением по ходу плавки условий теплообмена и тепловой нагрузки изменяется и значение термического к. п. д. печи.

3 Методика расчета

Расчет 250-т газовой мартеновской печи.

Исходные данные:

1. Садка печи (вес чугуна и скрапа) - 250 т.

2. Топливо - смешанный газ (коксовый и доменный); средняя теплотворная способность за плавку - 2300 ккал/м3;

3. Печь работает скрап-рудным процессом при расходе 65% жидкого чугуна и 35 % скрапа.

4. Выход годных слитков 99,5 % от веса чугуна и скрапа.

5. Печь оборудована магнезитохромитовым сводом.

Годовая производительность печи составляет 230 тыс. т. слитков в год. Среднесуточная производительность печи с учетом 7 % от календарного времени простоев на холодных и горячих ремонтах составит

т/сутки

Количество плавок в сутки с учетом выхода годных слитков 99,5 %

плавки

Продолжительность плавки составит

час., или 8 час. 49 мин.

Основные размеры рабочего пространства. Размеры рабочего пространства принимаются на основании опыта хорошо работающих мартеновских печей:

Площадь пода S, м2 . . . . . . . . . . . . . 77

Длина ванны L, м . . . . . . . . . . . . . . 14,5

Ширина ванны E, м . . . . . . . . . . . . . 5,3

Глубина ванны h, м . . . . . . . . . . . . . 0,95

Емкость ванны. Рассчитывается при условии вмещения до уровня порогов рабочих окон всего расплавленного металла и шлака толщиной около 50 мм. При этих условиях емкость ванны должна составить

м3.

Коэффициент емкости ванны () определяется из уравнения

, ,

Тепловые нагрузки. Для печей, отапливаемых смешанным газом (коксовый и доменный), средняя за плавку удельная тепловая нагрузка обычно составляет 0,32 млн. ккал/м2 площади пода печи в час. При этих условиях средняя за плавку тепловая нагрузка составит

млн. ккал/час.

Для печей, отапливаемых высококалорийным топливом (мазут, природный газ и мазут, коксовый газ и мазут), средняя за плавку удельная тепловая нагрузка составляет около 0,38 млн. ккал/м2. Расход смешанного газа определится с учетом теплотворной способности смеси, равной 2300 ккал/м3:

м3/час.

При условии теплотворной способности коксового газа 4300 ккал/м3 и доменного 900 ккал/м3 в смеси газов будет содержаться по объему 41 % коксового и 59 % доменного газов.

Отсюда расход коксового газа при средней тепловой нагрузке составит

м3/час;

расход доменного газа

м3/час

В период завалки и части периода плавления тепловая нагрузка на печь увеличивается до максимальной, при этом коэффициент форсирования печи, по практическим данным, для 250-т печи равен 1,25.

Следовательно, максимальная тепловая нагрузка печи будет равна

млн. ккал/час

или на 1 м2 площади пода

млн. ккал/м2.час.

Расход смешанного газа в этот период определится с учетом постоянства величины расхода доменного газа, равной 6300 м3/час. Расход коксового газа составит

м3/час.

В этот период в смеси газов по объему будет содержаться приблизительно 48 % коксового 52 % доменного газов.

Расход тепла. При скрап-рудном и скрап-процессах тепловые нагрузки распределяются во время плавки приблизительно следующим образом: 70 % продолжительности плавки в печи держат среднюю тепловую нагрузку и 30 % - максимальную тепловую нагрузку. При этих условиях суммарный расход тепла на плавку составит

млн. ккал.

Удельный расход тепла на 1 т годных слитков

млн. ккал/т.

Головки и вертикальные каналы. Печь имеет головки типа Вентури и вертикальные каналы.

Шлаковики. Размеры шлаковиков рассчитываются с учетом их заполнения плавильной пылью в течение кампании работы печи по своду и количества пыли, осаждающейся в шлаковиках на 1 т выплавленной стали. Кампания работы печей по своду (хромомагнезитовой) составляет для печей до125 т не менее 700 плавок, для 185-т - 600 плавок и для 250-т и выше - 500 плавок. При работе скрап-рудным процессом без кислорода осаждается в шлаковиках 5,5 кг пыли на 1 т стали.

В 250-т печи суммарный объем шлаковиков должен составлять

,

где - число плавок за кампанию работы печи по своду;

- садка печи, т;

- коэффициент выхода годной стали;

- количество пыли, осаждающейся в шлаковиках, т/т стали;

- объемный вес пыли, равный в среднем 3 т/м3;

0,8 - коэффициент заполнения шлаковиков.

Подставляя цифровые значения, получим следующий общий объем шлаковиков:

м3.

В действительности суммарный объем шлаковиков в 250-т печи составляет

м3.

Регенераторы. Суммарная поверхность нагрева газовой и воздушной насадки должна составить

м2.

Поверхность нагрева 1 м3 насадки при размерах ячейки 157157 мм составляет 13,2 м3/м3. Следовательно, объем пары насадок (газовой и воздушной) будет равен

м3.

Удельный объем пары насадок составляет

м3/м2.

В действительности, объем пары насадок составит, м3:

Газовой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Воздушной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Суммарный объем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

По данным практики, 40 % отходящих газов проходит через газовую насадку и 60 % через воздушную, следовательно, соотношение объемов насадок должно приблизительно отвечать распределению продуктов горения.

Относительный объем газовой насадки составит

%.

Расчет дымовой трубы. Трубу рассчитывают при максимальной тепловой нагрузке печи с учетом сопротивлений на пути движения продуктов горения по системе печи.

Заключение

Технико-экономическая оценка работы мартеновских печей

Благодаря преимуществам, которыми мартеновский процесс отличался от других способов массового получения стали:

· большая гибкость и возможность применять его при любых масштабах производства;

· менее строгие требования к исходным материалам;

· относительная простота контроля и управления ходом плавки;

· высокое качество и широкий ассортимент выплавляемой стали;

· сравнительно небольшая стоимость передела,

он стал основным сталеплавильным процессом. Однако в связи с бурным развитием кислородно-конвертерного производства строительство мартеновских цехов практически прекратилось; относительная доля мартеновской стали непрерывно уменьшается. В 1970 в мартеновских печах выплавлено в мире ~240 млн. т стали (~40 %). Мартеновский процесс - основной потребитель стального лома (около 50 %).

Список использованных источников

1 Кривандин В.А. Металлургические печи / В.А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. - Москва: Металлургия, 1962. - 461 с.

2 Кривандин В.А. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей - 2 том / В.А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. - Москва: Металлургия, 1986. - 212 с.

Страницы: 1, 2