Принцип работы печи: доменной, мартеновской, конвекционной

Алан-э-Дейл       09.09.2022 г.

Вариации мартеновского процесса

Процесс тепловой обработки стали различается по составу используемой шихты на:

  • скрап-рудный процесс,
  • скрап-процесс.

Скрап-процесс получается, если шихта собрана из лома стального, именуемого скрапом, 25-45% предельного чушкового чугуна. Такая технология актуальна для заводов, где не предусмотрены доменные печи, зато много в наличии лома из металла. Скрап-рудный процесс означает, что шихта на 55-75% обеспечена жидким чугуном, к которому присоединяют железную руду, скрап. Такая технология востребована на заводах металлургии с печами доменными.

Различают футеровку печи. Когда при плавке возобладают основные оксиды, футеровка называется основной, когда кислые – кислой. Значительную часть стали изготавливают в мартенах по технологии основной футеровки. В ванну направляются железная руда, известняк, когда произошел подогрев, добавляется скрап. Как он нагрелся, вливается жидкий чугун. Выплавка отличается окислением чугунных примесей: фосфора, кремния, углерода (частично), марганца. Из-за этого получается шлак со значительной долей марганца, оксидов железа (называется железистый шлак). При основной футеровке получаются:

  • сталь конструкционная углеродистая,
  • низколегированная сталь,

среднелегированная (хромистая, марганцовистая).

Получить высоколегированную сталь, сплав из основного процесса в мартене невозможно. Кислая футеровка позволяет выплавить высшего качества сталь. В качестве исходника используется шихта, в какой содержание серы, фосфора низкое. Такая сталь на выходе содержит меньше кислорода, водорода, неметаллических включений, обладает улучшенными механическими показателями, как ударной вязкостью, пластичностью. Такой материал нужен для создания ответственных деталей: роторов у мощных турбин, коленчатых валов для крупных двигателей, шарикоподшипников. Кислая футеровка добивается высокого качества стальных изделий.

К технико-экономическим показателям основного плана при обработке стали мартенами относят:

  1. производительность (средний съем стали с квадратного метра подовой площади за сутки, ориентировочно 10 т),
  2. расход потребляемого топлива для тонны выплавляемой стали (традиционное значение 80 кг).

Чем крупнее в масштабах комплекса мартенов, тем выше их эффективность.

Мартеновское и немартеновское производство стали

Человек для обеспечения своих потребностей использует самые различные материалы. И к их числу, несомненно, принадлежат металлы. Ведь сейчас практически невозможно найти такую область жизнедеятельности человека, в которой они отсутствовали. А делятся металлы на несколько основных групп: цветные, благородные и черные.

Группа черных металлов включает в себя хром, марганец и, конечно же, железо с его многочисленными сплавами. И именно сплавы железа являются основой современной техники. И хотя сейчас появляются новые керамические и полимерные материалы, им еще не скоро удастся заменить старую добрую сталь и чугун.

Сталью называют сплав железа с углеродом, и содержание углерода в этом сплаве не должно превышать 2,14%. Если его содержание выше этой цифры, то этот сплав уже является чугуном. Получают сталь из чугуна или из металлолома в различных сталеплавильных печах на предприятиях металлургии. И одним из самых старых и уже устаревших процессов является производство стали в мартеновских печах. Его принцип состоит в том, что чугун и металлический лом перерабатывают в отражательной печи. Чтобы расплавить твердые шихтовые материалы и нагреть сталь до необходимой температуры, а также компенсировать значительные тепловые потери, требуется дополнительное тепло. Его получают путем сжигания топлива в струе очень сильно нагретого воздуха.

Чтобы процесс сгорания топлива давал максимальный эффект и на производство стали затрачивалось меньше энергии, нужно, чтобы это топливо сгорало именно в рабочем пространстве. Для этого воздух в печь подается в большем, чем необходимо, количестве. Это соответственно создает в ее атмосфере переизбыток кислорода. Также в этой атмосфере присутствует кислород, который образовался в результате разложения воды и углекислого газа при высоких температурах. Таким образом, в рабочем пространстве печи образуется переизбыток кислорода, который способствует окислению железа и других элементов шихты. В результате этого окисления образуется много оксидов различных металлов. Они вместе с примесями и частицами разрушающейся футеровки образуют шлак. Этот шлак легче стали, и он покрывает ее во время плавки. Поэтому производство стали мартеновским способом постепенно заменяется новыми технологиями.

В особенности это касается тех марок сталей, которые содержат много компонентов. Их процентное содержание нужно выдерживать очень строго. К таким сталям относится и всем известная нержавейка. И производство нержавеющей стали — это достаточно сложная задача, решить которую мартеновским методом очень трудно. При этом углерода в нержавейке содержится очень мало, и это еще более усложняет задачу. И для выплавки нержавейки и других подобных марок часто используют электродуговые печи. Они могут иметь различную мощность и емкость. Источником тепла в такой печи служит электрическая дуга. Она возникает между электродами и шихтой или жидким металлом, после того как на них подается ток необходимой силы.

Дуга эта является потоком электронов, паров металла, шлака и ионизированных газов. Ее температура превышает отметку в 3000 градусов. Она может возникать как от приложения постоянного, так и переменного тока. Но в электродуговых печах используется только переменный ток. Поначалу, пока металл в печи хорошо не прогрелся, дуга в ней при смене полярности на электродах гаснет. Но потом, когда шихта полностью расплавится и ванна покроется ровным слоем шлака, дуга эта стабилизируется и начинает гореть ровно. Далее производство стали в такой печи протекает без осложнений.

Для плавки металлов используют также и индукционные печи. Принцип их действия такой: переменное магнитное поле возбуждает в металле электрический ток, при этом выделяется тепло, которое используется для переплавки этого металла. А источником магнитного поля в такой печи является индуктор. Поизводство стали в индукционной печи имеет несколько преимуществ по сравнению с электродуговой печью. Во-первых, в ней есть возможность для более точной регулировки температуры плавки, и она дает более высокий КПД. А во-вторых, отсутствие электрических дуг и электродов в такой печи дает возможность получать в ней низкоуглеродистые стали

Плавка в индукционной печи дает такжне и низкий угар легирующих элементов, что очень важно при выплавке сложной легированной стали

Производство стали в мартеновских печах — Справочник металлиста

По конструкции мартеновские печи делятся на:

  • стационарные;
  • качающиеся.

Стационарные печи получили наибольшее распространение.

Качающиеся печи преимущественно распространены в литейных цехах машиностроительных заводов, когда необходимо выпускать металл отдельными порциями или скачивать большое количество шлака.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

  • скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55 – 75%), скрапа и железной руды. Процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи;
  • скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома и чушкового передельного чугуна (25 – 45%). Процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома.

Что такое мартеновская печь?

Печь мартеновского типа – это особая металлургическая установка, в которой из лома железа и чугуна получается сталь.

С помощью конвективных потоков раскаленной газовоздушной смеси происходит сам процесс нагревания, а также дальнейшего плавления материала.

Ниже представлено фото мартеновской печи и сталевара, обслуживающего ее, а также контролирующего процесс выплавки металла:

Фото 1

Фото 2

Фото 3

История появления

Изобрел мартеновскую печь французский металлургический инженер Пьер Эмиль Мартен в 1864 году. С того времени – это официальная дата изобретения мартеновской печи.

Во второй половине XIX века мартеновские установки стали настоящим прорывом в сталелитейном производстве.

В России первые мартены появились в 1870 году на Сормовском заводе под Нижним Новгородом. В их создании принимал активное участие инженер А. Износков.

Благодаря интенсивному развитию промышленности в СССР, в 30-ые годы XX века, к началу Великой Отечественной войны этот комбинат стабильно обеспечивал советскую армию запасными деталями, частями корпусов из стали и чугуна для военной техники.

Устройство

Основными элементами, представляющими устройство мартеновской печи, являются:

  • Корпус, состоящий из передней и задней стенок, а также ее свода.
  • Головки, оснащенные каналами, расположенными вертикально. Через них происходит газовый обмен рабочей камеры с внешней средой, а также подается топливо.
  • Шлаковики воздушного и газового типа, в них происходит сбор и накопление крупнофракционной плавильной пыли.
  • Регенераторы, которые обеспечивают стабильную температуру подаваемого газа и воздуха, за счет тепловой энергии, выходящей из рабочей камеры.
  • Труба для отвода дыма и газов.
  • Котел-утилизатор.
  • Реверсивно-регулирующие клапаны, их функция состоит в выведении продуктов сгорания, а также в правильной подаче газового топлива и воздуха в камеру.

Ниже приведены типовые схемы мартеновских печей:

Принцип работы

Мартеновская печь – это пламенный отражающий механизм, который действует по принципу регенерации металла. В рабочем пространстве происходит сжигание природного газа или мазута.

Температура в мартеновской печи может достигать 18000 градусов Цельсия. Такой высокий уровень температуры поддерживается с помощью регенерации тепловой энергии печных газов.

Описание принципа работы:

  1. Подогретый до 1200 – 1250 градусов газ, попадает в рабочую камеру, где происходит процесс его смешивания с топливом. Возникающий факел направляется на закладку шихты и происходит выплавление металла из нее.
  2. В свою очередь, отработанные газы, в смеси с шихтовой пылью, удаляются через дымоход в атмосферу, подвергаясь фильтрации в регенераторе. По завершении цикла, с помощью клапанов происходит переключение регенераторов и вертикальных головок. Процесс повторяется в зеркальном отображении, благодаря симметричной конструкции мартена.
  3. Процесс получения стали в такой установке длится несколько часов. Во время работы сталевар осуществляет контрольную выемку расплава специальным приспособлением, после чего направляет ее в цеховую лабораторию для определения процентного соотношения металла и примесей, таких как марганец, фосфор, сера и прочих.
  4. По результатам такого анализа, в рабочую камеру добавляются специальные присадки, улучшающие качество стали. В конце процесса производится процедура удаления кислорода из расплава с помощью раскислителей, ими являются ферромарганец, алюминий и ферросилиций.

Кислый мартеновский процесс.

В настоящее время кислый мартеновский процесс имеет ограниченное применение в виду высоких требований к чистоте шихты. В кислой печи процесс ведут с кислым шлаком, поэтому удаление из металла серы и фосфора невозможно. Для ведения кислого процесса используют высококачественные древесно-угольные или коксовые чугуны, в которых содержание вредных примесей не превышает 0,025%.

Металлический лом, поступающий с других предприятий, переплавляют в основных печах для получения шихтовой заготовки, загружаемой вместо лома и полупродукта, когда металл заливают в кислую печь в жидком виде. Жидкий полупродукт выпускают из основной печи в ковш и затем переливают в кислую печь. Такой процесс называют дуплекс-процессом, так как в нем участвуют два агрегата – основная и кислая мартеновская печи.

Топливо при кислом процессе должно содержать минимальное количество серы. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше неметаллических включений, водорода и кислорода, чем выплавляемые в основной печи. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, и ее используют для особо ответственных деталей (коленчатых валов крупных двигателей, артиллерийских орудий, роторов мощных турбин).

Тепловой и материальный баланс плавки

Для двух типовых составов:

Материальный баланс 1
  • Расход: скрап — 66, чугун — 34, известняк — 4, заправочный материал — 3, руда — 2, ферромарганец — 1
  • Приход: сталь жидкая — 96, шлак конечный — 8, шлак после выпуска — 5 , СО от окисления углерода — 3, СО от разложения извести и известняка — 2, влага — 1, корольки — 1
Тепловой баланс 1
  • Расход: теплота сгорания топлива — 61, тепло воздуха в регенераторах — 29, экзотермические реакции выгорания примесей — 8
  • Приход: уносится с продуктами — 61, потери в окружающую среду — 16, на нагрев стали — 15, на нагрев шлака — 3
Материальный баланс 2
  • Расход: скрап — 34, чугун — 66, руда в завалку — 15, известняк — 5 , заправочный материал (доломит и магнезит) — 3, руда в период кипения — 2, ферромарганец — 1
  • Приход: сталь жидкая — 103, шлак конечный — 8, шлак после выпуска — 7, СО от окисления углерода — 6, СО от разложения извести и известняка — 2, влага — 1, корольки — 1
Тепловой баланс 2
  • Расход: теплота сгорания топлива — 48, тепло воздуха в регенераторах — 20, тепло газа в регенераторах — 11, экзотермические реакции выгорания примесей — 8
  • Приход: уносится с продуктами — 58, потери в окружающую среду — 15, на нагрев стали — 20, на нагрев шлака — 5, разложение известняка — 1

Плюсы и минусы

Основными достоинствами печей мартеновского типа являются:

  • Хорошее качество продукции.
  • Возможность осуществлять контроль качества выплавляемого металла в процессе работы установки.
  • Простота управления и обслуживания.
  • Низкие требования к качеству исходного сырья.
  • Способность переплавлять металлолом.
  • Возможность применения присадок и добавок, улучшающих качество стали.

Но отрицательных моментов у мартеновских печей больше, они следующие:

  • Низкая экономичность;
  • Высокое количество отходов металла;
  • Сложность и дороговизна ремонтных работ;
  • Невозможность получить сталь высокого качества;
  • Долгое время плавки металла;
  • Большой расход футеровочных материалов при строительстве и ремонте;
  • Недопустимо высокое количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу;
  • Вредные и опасные условия труда у рабочих;
  • Малая производительность труда.

Производство стали в двухванных сталеплавильных агрегатах.

Двухванные сталеплавильные агрегаты имеют две ванны, соединенные каналом для перехода из одной ванны в другую (рисунок 23). Принцип работы двухванной печи следующий. Когда в одной ванне после заливки чугуна ведут продувку металла кислородом, в другой производят завалку и подогревают твердую шихту отходящими из первой ванны газами. После выпуска металла из первой ванны проводят завалку шихты. Одновременно начинается продувка второй ванны кислородом. Топливо в двухванные агрегаты подается через топливно-кислородные горелки, установленные в своде и торцах печи. Если в шихте содержится жидкого чугуна больше 65%, то двухванная печь может работать без расхода топлива, так как количество физического тепла и тепла выделяющегося при окислении примесей чугуна, а также окисления СO до CO2 увеличивается. В этом случае двухванная печь становится аналогичной кислородному конвертеру.

Качество металла, производимого в двухванных агрегатах не отличается от качества мартеновской или кислородно-конвертерной стали. Технико-экономические показатели процесса в двухванных сталеплавильных агрегатах характеризуются:

  • высокой производительностью;
  • низким удельным расходом топлива и огнеупоров.

К основным недостаткам процесса, ограничивающим его широкое распространение, относятся:

  • более высокий расход жидкого чугуна по сравнению с мартеновским скрап-рудным процессом;
  • более высокий угар железа;
  • ограниченность сортамента выплавляемого металла.

Упоминания в популярной культуре

Дни и ночи у мартеновских печей Не смыкала наша Родина очей

  • Работе сталеваров-мартеновцев посвящён роман В. Ф. Попова «Сталь и шлак» (1948), посвящённый трудовому и патриотическому подвигу донецких металлургов в годы Великой Отечественной войны, получивший Сталинскую премию второй степени (1949), а также роман-продолжение «Закипела сталь» (1955).
  • В одном из самых популярных кинофильмов 1950-х годов в кинопрокате СССР «Весна на Заречной улице» один из главных героев фильма — сталевар-мартеновец, ударник труда Александр Савченко (артист Николай Рыбников). В кадрах фильма показана работа мартеновского цеха и мартеновские печи. А в ставшей всенародно любимой популярной песне из фильма есть такие строки:

Когда на улице Заречной В домах погашены огни, Горят мартеновские печи, И день и ночь горят они.

Фрагмент песни «Рабочий Квартал» (музыка и слова Юрия Шевчука):

В рабочем квартале жгут светлые дали В мартеновских лютых печах. Как небо титаны державу держали И носят её на плечах.

Стихотворение Владимира Маяковского «Рассказ Хренова о Кузнецкстрое и о людях Кузнецка»:

Здесь встанут стройки стенами. Гудками, пар, сипи. Мы в сотню солнц мартенами Воспламеним Сибирь.

Фрагмент песни «Уткина Заводь (песня)» (музыка и слова Бориса Гребенщикова)

Ты проходила мимо цеха, там взорвался мартен, Таких штучек не может даже сам Бин Ладен.

Кислый мартеновский процесс

Реализуется с помощью высокочистой шихты, он способен давать сталь с очень низким содержанием неметаллических примесей, того же водорода или кислорода. Именно из-за слишком больших требований к чистоте шихты кислый процесс применяется не так часто.

Такой метод плавления работает с применением кислого шлака, а это исключает возможность убрать с металла фосфор, серу и другие опасные вещества. Работа в кислой печи требует применения чугуна с количеством примесей не более 0,025%.

В этом случае металлический лом заранее перерабатывается в основных печах, откуда он в жидком виде переливается ковшом в кислую мартеновскую печь. Благодаря использованию двух печей (основной и кислой), подобный процесс часто называют дуплекс-процессом.

Получаемая в результате сталь отличается высокими механическими свойствами, обладает хорошей пластичность, вязкостью и применяется исключительно для изготовления важнейших и ответственных деталей в технике – роторов турбин, валов больших двигателей, в производстве артиллерийских установок.

Принцип работы мартеновской печи

Принцип работы мартеновской печи

Если кратко рассмотреть принцип функционирования такой печи, то выглядит он следующим образом. В загруженную печь подается мощный поток заранее нагретого воздуха и газа.

Проходя через насадки регенераторов, такой поток приобретает температуру приблизительно в 1000–1200 градусов по Цельсию. Потом происходит сгорание этого топлива, благодаря чему рабочая температура в установке повышается еще больше – до 1,9–2 тыс. градусов.

Пройдя через одну пару насадок регенераторов, поток продуктов сгорания топлива направляется в другую пару головок. Здесь он отдает свое оставшееся тепло и спускается в дымоход, как отработанный материал.

Попеременное задействование насадок регенераторов помогает добиться того, что они не претерпевают перегрева, перегрев способен негативно сказаться на работе всей печи. В случае когда какие-то насадки не в состоянии нагреться до нужной рабочей температуры, в действие вступает автоматическое перенаправление горящего пламени от топлива именно в эту головку.

Благодаря такому подходу все насадки работают с одинаковой нагрузкой, периодически, меняясь, совей ролью. Подающие головки выполняют функции выкачивающих элементов продукты сгорания и наоборот. Мартеновский способ производства все еще применяется в металлургии, но процент, выработанной благодаря ему стали, быстро уменьшается, уступая место более современным технологиям.

Предусмотренные в конструкции печи шлаковики нужны для того, чтобы прочищать газы из регенераторов от пыли, частиц шлака и других загрязнений. Только после прохождения шлаковиков газ поступает на другие участки устройства, благодаря чему его срок службы существенно увеличивается, а продукция выходит более качественной. Чем больше температуры рабочего газа, тем эффективнее движется производство.

https://youtube.com/watch?v=Knn7pQs2zLw

Индустриализация

После революции и гражданской войны перед правительством СССР встал вопрос об индустриализации страны. Чтобы не отстать от остального мира, требовалось в кратчайшие сроки строить новые заводы и фабрики, выпускать машины, корабли, современное вооружение, сельскохозяйственный инвентарь и технику.

Самым главным материалом стал металл. От его наличия зависела судьба страны. По всему Советскому Союзу вырастали новые предприятия или реконструировались старые. Мартеновским печам отводилась важная роль в деле производства высококачественных сталей.

Сложно сказать, как бы повернулся ход течения Великой Отечественной войны, если бы не мартены. В этих печах выплавляли львиную часть металла, пригодного для производства вооружения. Особенно ценной была броневая сталь, которую использовали при изготовлении танков, самоходок, бронепоездов.

Устройство домны

Конструкция домны очень сложная, это большой комплекс, который включает в себя следующие элементы:

  • зона горячего дутья;
  • зона плавления (сюда входят горн и заплечики);
  • распар, то есть зона, где происходит восстановление FeO;
  • шахта, где происходит восстановление Fe2O3;
  • колошник с предварительным нагревом материала;
  • загрузка шихты и кокса;
  • доменный газ;
  • зона, где находится столб материала;
  • выпуски для шлака и жидкого чугуна;
  • сбор для отходящих газов.

Высота доменной печи может достигать 40 м, вес – до 35 000 тон, вместимость рабочей зоны зависит от параметров комплекса.

Точные значения зависят от загрузки предприятия и его назначения, требований к объемам получаемого металла и прочих параметров.

Более подробный вариант устройства:

Разряды ремонта домны

Для поддержания рабочего состояния домны регулярно проводится капитальный ремонт (каждый 3-15 лет). Он разделяется на три вида:

  1. Первый разряд включает в себя работы по выпуску продуктов плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
  2. Второй разряд – это полная замена элементов оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
  3. Третий разряд требует полной замены устройства, после чего выполняется новая засыпка сырья с правкой колошников.

Системы и оборудование

Доменная печь – это не только установка для получения чугуна, но и многочисленные вспомогательные узлы. Это система подачи шихты и кокса, отвод шлака, расплавленного чугуна и газов, система автоматического управления, кауперы и многое другое.

Принципы работы печи остались такими же, как и столетия назад, но современные компьютерные системы и автоматизация производства сделали домну более эффективной и безопасной.

Кауперы

Современное устройство доменной печи предполагает использование каупера для нагрева подаваемого воздуха. Это установка циклического действия из жаростойкого материала, которое обеспечивает нагрев насадки до 1200°С.

Каупер включает при остывании насадки до 800-900°С, что позволяет обеспечить беспрерывность процесса, снизить расход кокса и повысить общую эффективность конструкции.

Ранее такое устройство не применялось, но начиная с 19 в. оно является обязательно частью домны.

Количество батарей кауперов зависит от размеров комплекса, но обычно их не менее трех, что делается с расчетом на возможную аварию и сохранение работоспособности.

Колошниковый аппарат

Колошниковый аппарат – эта часть является наиболее ответственной и важной, включающей в себя три газовых затвора, действующих по согласованной схеме

Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

  • в исходном положении конус поднят, он преграждает выход, нижний конус опущен;
  • скип загружает в колошник шихту;
  • вращающаяся воронка поворачивается и пропускает сырье через окна на малый конус;
  • воронка возвращается в исходное положение, закрывая окна;
  • малый конус опускается, загрузка проходит в межконусное пространство, после чего конус поднимается;
  • большой конус принимает исходное положение, выпуская шихту в полость домны для переработки.

Скип

Скипы – это специальные подъемники шихты. При помощи таких подъемников калошей из скиповой ямы захватывается сырье, подаваемое наверх по наклонной эстакаде.

Затем калоши опрокидываются, подавая шихту в загрузочную область, и возвращаются вниз за новой порцией. Процесс этот сегодня осуществляется автоматически, для управления используются специальные компьютеризированные узлы.

Фурмы и летки

Сопло фурмы печи направлено в ее полость, через него можно наблюдать течение процесса плавки. Для этого через специальные воздуховоды монтируются гляделки с жаростойкими стеклами. На срезе давление может достигать значения в 2,1-2,625 МПа.

Летки используются для слива чугуна и шлака, сразу после выпуска они плотно запечатываются специальной глиной. Раньше использовались пушки, которые выстраивали пластичным глиняным ядром, сегодня применяются дистанционно управляемые пушки, которые могут подходить к конструкции вплотную. Такое решение дало возможность снизить травматичность и аварийность процесса, сделать его более надежным.

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.