Термоизоляция мартеновских печей

Термоизоляция мартеновских печей

В описании возможностей использования современных термостойких материалов, таких, как плиты «Изолмакс» часто говорится о защите металлургического оборудования. А одним из самых известных (хоть и не самых популярных) примеров такого оборудования является мартеновская печь.

Большинство людей, далеких от металлургии, знает об этих печах из знаменитой песни Давида Тухманова «День Победы»:

Дни и ночи у мартеновских печей

Не смыкала наша Родина очей.

Но что же собой представляет мартеновская печь? Это плавильная печь, в которой предельный чугун и лом перерабатываются в сталь. Пьер Эмиль Мартен создал первую такую печь в 1864 году, в его честь она и получила свое название.

Как получают сталь в мартене?

Весь процесс обычно занимает около 8 часов. Первая стадия — плавление, на высоких темпа турах металл плавится и в нем окисляются кремний, марганец, железо и фосфор, а также образуется закись железа, которая на следующей стадии — окислении углерода — играет решающую роль. Доля углерода в составе уменьшается. Затем начинается раскисление. Излишний кислород удаляется, а также в некоторых случаях в состав вводят другие элементы.

Современность

Во время Великой Отечественной войны мартеновские печи были, действительно, едва ли не самым популярным металлургическим оборудованием. Сегодня они довольно редко используются на заводах и комбинатах. Основная доля стали теперь получается кислородно-конвертерным способом или электроплавкой. На долю мировой выплавки приходится всего около 2% объема, созданного в мартеновских печах. В нашей стране эти показатели выше: около 18% стали создается в мартенах. В последние годы одна за другой мартеновские печи выводятся из эксплуатации. От них уже отказались такие крупные предприятия, как ОАО «Уральская сталь», Златоустовский металлургический завод, Кулебакский металлургический завод и многие другие.

Термозащита

Любопытно слышать и читать отзывы людей, оказавшихся в металлургических цехах, но не имеющих отношения к этой области промышленности. Чаще всего, речь идет о журналистах. Они рассказывают, что в этих цехах (особенно мартеновских) так горячо, что там тяжело находиться. А светящиеся ленты раскаленной стали, которые для многих становятся символом металлургии, кажутся горячими даже через экран монитора.

Неудивительно, что в современной металлургии очень большое внимание уделяется термозащите оборудования. Все печи, в том числе и мартеновские, если они все еще используются на комбинатах, должны быть надежно изолированы. Во-первых, они делаются из огнестойких материалов. В мартеновских печах очень активно используется магнезитовый кирпич и магнезитовый порошок.

В качестве дополнительной термозащиты и, особенно, защиты людей от травм, используются силикатно-кальциевые плиты, такие, как «Изолмакс» и его аналоги. С помощью этого современного типа огнезащиты обрабатываются не только мартеновские печи, но и их более молодые собратья, которые только начинают использоваться на металлургических предприятиях.

Подготовлено компанией Rusradius

© 2021. Все права защищены. Все права на любые материалы, опубликованные на сайте, защищены в соответствии с российским и международным законодательством об авторском праве. При использовании текстовых материалов в интернете и при использовании текстов в печатных и электронных СМИ ссылка на данный ресурс обязательна.

Конструкция отдельных элементов мартеновской печи

Рабочее пространство мартеновской печи ограничено сверху сводом, снизу — подом (или «подиной»). На границе задней стенки и подины предусмотрено отверстие для выпуска плавки (сталевыпускное отверстие). В передней стенке печи имеются проемы — завалочные окна, через которые в рабочее пространство загружают твердую шихту и заливают (по приставному желобу) жидкий чугун.

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 металла и шлака; в рабочем простран­стве максимальная температура.

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

Огнеупорные материалы, применяемые при изготовлении подины мартеновской печи, должны соответствовать типу шлака, под которым проводится плавка (рисунок 45). В противном случае в результате энергичного взаимодействия шлака с огнеупорным материалом подина печи ошлакуется, то есть перейдет в шлак и печь выйдет из строя.

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

Рисунок 45 — Устройство кислого и основного подов мартеновской печи

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.

Изношенные участки футеровки (особенно зону шлакового пояса) ремонтируют после каждой плавки (эту опе­рацию называют заправкой печи): на изъеденные места кислой по­дины набрасывают песок, а основной подины — магнезитовый или доломитовый порошок. Заправке подвергают также и торцовые части подины, прилегающие к головкам печи; их называют откосами.

Свод мартеновской печи практически не соприкасается со шла­ком, поэтому его можно изготовлять из кислых и основных огнеупор­ных материалов независимо от типа процесса. Своды мартеновских печей изготовляют из динасового или термостойкого магнезито-хромитового 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 позволяет выполнять его самонесущим (в виде акрки) и гарантирует его надежность даже в случае, если какой-либо кусок свода упадет. Однако при нагреве свыше 1700 °С динасовый кирпич быстро оплавляется; кроме того, он сильно разъедается плавильной пылью, состоящей из окислов железа (образуются легкоплавкие силикаты железа).

Магнезитохромитовый кирпич характеризуется более высокой огнеупорностью (допустимая температура нагрева 1800 °С), что способствует повышению производительности печи. Стойкость свода из магнезито-хромитового кирпича в 2—3 раза выше, чем из динасового. Особенности эксплуатации свода из магнезито-хромитового кирпича: а) кирпичи плохо свари­ваются и не образуют монолита; б) коэффициент расширения магнезито-хромитового 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 1 м 2 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.

Стойкость магнезитохромитового свода составляет 500—1000 пла­вок (динасового 200—350 плавок).

Головки печи

Головки служат для подвода топлива и воздуха и отвода из плавильного пространства продуктов сгорания. 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. Поэтому, в зависимости от условий работы, выбирают промежуточный вариант.

Отходящие из рабочего пространства печи дымовые газы про­ходят через головку и по вертикальным каналам попадают в шлаковики (рисунок 46).

1 — вертикальные каналы; 2 — шлаковик; 3 — насадки регенераторов, 4 — подвес­ной свод наднасадочного пространства; 5 — поднасадочные пространства

Рисунок 46 — Устройство шлаковиков и регенераторов мартеновской печи

Шлаковики служат для улавливания плавильной пыли и шлаковых частиц, уносимых продуктами сгорания из рабочего пространства, и тем самым предохраняют насадки регенератора от засорения. Сечение шлаковика гораздо больше сечения вертикального канала, поэтому при попада­нии дымовых газов в шлаковик их скорость резко уменьшается и, кроме того, меняется направление движения газов. Это приводит к тому, что значительная часть (50—75 %) плавильной пыли оседает в шлаковиках, 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 % окислов 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.

В связи с этим для кладки вертикальных каналов и шлаковиков часто применяют термостойкий магнезитохромитовый кирпич.

Регенераторы

Из шлаковиков отходящие газы при температуре 1500— 1550 °С попадают в насадки ре­генераторов (рисунок 9).

Регенераторы должны обес­печивать более или менее по­стоянную высокую температуру подогрева газа и воздуха. В наиболее тяжелых условиях ра­ботают верхние ряды насадок, поскольку в этой части темпе­ратура и содержание пыли наи­более высоки. Поэтому верхние ряды насадок выкладывают из термостойкого магнезитохромитового кирпича. Нижние ряды насадок рабо­тают при температурах менее 1000—1200 °С, поэтому их выклады­вают из более дешевого и в то же время прочного шамотного кирпича.

Из поднасадочного пространства отходящие газы при темпера­туре 500—700°С попадают в борова, которые предназначены для подвода к регенераторам газа, воздуха и отвода от них продуктов сгорания к трубе или к котлу-утилизатору. Кладка боровов обычно состоит из двух слоев: внутреннего, выполняемого из шамотного кирпича, и внешнего — из обычного красного кирпича.

Нижнее строение мартеновской печи

К нижнему строению относятся шлаковики, регенераторы, борова, перекидные клапаны и механизмы управления ими.

В зависимости от вида используемого топлива мартеновские печи имеют одну (жидкое топливо или холодный газ высокой теплоты сгорания) или две пары регенераторов (в случае подогрева и газа и воздуха). В соответствии с этим меняется и число шлаковиков, боров и т. д.

Шлаковика служат для улавливания частиц шлака и плавильной пыли, уносимых газами из рабочего пространства печи.

Регенераторы. Высокие температуры в плавильном пространстве мартеновской печи (свыше 1750°) могут быть получены только при значительном подогреве газа и воздуха, либо только воздуха (в случае сжигания топлива высокой теплоты сгорания).

Газ и воздух, поступающие в рабочее пространство, подогреваются до 1050 – 1250°.

Наиболее ответственным элементом регенераторов является их насадка. Правильно выбранное соотношение основных размеров насадки регенераторов и сечения ее ячеек обеспечивает необходимый тепловой режим работы мартеновской печи.

Отношение суммы объемов воздушной и газовой насадок (пары насадок) к площади пода в современных газовых печах составляет 4,3 – 5,5 м3/м2 (первая цифра относится к большим печам).

Температура дыма на входе в регенератор достигает 1550 – 1600°, а на выходе из насадок – около 700 – 800о.

Борова служат для отвода продуктов сгорания из регенераторов печи в котел-утилизатор или дымовую трубу.

Температура дыма в боровах колеблется от 500 до 850о .

Регенеративные печи и, в частности, мартеновские, -по характеру движения в них газов относятся к реверсивным, V е. печам с периодически изменяющимся направлением движения газов. Изменение направления движения газов осуществляется при помощи перекидных клапанов.

1.3 Кладка мартеновской печи

Огнеупорный кирпич, применяемый для кладки рабочего пространства, работает в наиболее тяжелых условиях. Он должен отличаться высокой огнеупорностью хорошей строитель прочностью при высоких температурах (до 1800о) и устойчивостью против механического и физико-химического воздействия материалов плавки.

Для кладки рабочего пространства широкое распространение получили основные огнеупоры. В настоящее время в большинстве случаев свод выкладывают из термостойкого хромомагнезита.

Применение магнезитохромитовых огнеупоров для кладки свода позволило повысить не только производительность печи, но и стойкость свода. Стойкость свода увеличилась в 2 – 2,5 раза по сравнению с динасовым сводом и достигла 600 и более плавок. Стены печи снизу до верхнего уровня шлака обычно выкладывают из магнезитового кирпича. Остальная часть – из хромомагнезита (при основном своде), либо из динаса с промежуточным слоем в 1 – 2 хромомагнезитового кирпича (при динасовом своде).

Под основной печи выкладывают по высоте из нескольких рядов различных огнеупоров. Верхний слой толщиной 470 – 565 мм выкладывают из магнезитового кирпича, поверх которого идет слой магнезитовой наварки толщиной около 250 мм. Кладку головок и вертикальных каналов для печей с основным сводом в последнее время (выполняют из хромомагнезитового кирпича, а внутренняя часть металлического кессона футеруется высокоглиноземистым или термостойким хромо-магнезитовым кирпичом.

Верхнюю часть насадки и внутренних стен регенеративной камеры часто выполняют из динасового огнеупора, остальную – из шамота. В настоящее время верхнюю часть насадок стали выкладывать из форстеритового или высокоглиноземистого огнеупоров, которые мало реагируют с плавильной пылью и более стойки.

2 Тепловая работа мартеновской печи

Под тепловой работой понимают совокупность всех тепловых процессов, совершающихся в печи. Основными из них являются обеспечение подвода в плавильное пространство печи требуемого количества тепла (получаемого главным образом в результате сжигания топлива) и передача его материалам мартеновской плавки. От интенсивности передачи тепла твердой шихте или жидкой ванне зависит скорость нагрева и плавления шихто­вых материалов и качество работы мартеновской печи в целом.

Большая часть различных мер (совершенствование конструкции головок и печи в целом, организация факела и режима завалки и т. д.) направлена на то, чтобы создать условия, при которых максимум подведенного тепла в печь передавался бы непосредственно металлу.

Как известно, чем выше разность температур между теплообменными поверхностями, тем больше тепла передается нагреваемому телу в единицу времени. Следовательно, для ускорения плавки необходимо стремиться поддерживать максимальную разность температур между поверхностью твердой шихты или жидкой ванны и температурой печи.

В настоящее время, благодаря применению топлива высокой теплоты сгорания, а также вследствие высокого подогрева газа и воздуха, обогащения воздуха кислородом и т. д. можно получить температуру в печи до 2000° и выше почти в течение всей плавки. Однако по условию службы огнеупоров температура их внутренней поверхности не может превышать определенное значение (динас –1680°, хромомагнезит – 1750 – 1800°), что ограничивает температурный уровень печи и, следовательно, интенсивность теплообмена.

Вследствие высоких температур в рабочем пространстве печи (выше 1700°) основную роль в передаче тепла играет излучение (более 90% от всего тепла, получаемого ванной, передается излучением).

Если принять, что все тепло металлу (ванне) передается только излучением и считать, что поверхность металла имеет какую-то среднюю температуру Тм, то теплообмен между поверхностью металла и рабочим пространством печи в целом (пламенем и внутренней поверхностью стен и свода) может быть выражен уравнением

ккал/час,

где – тепловой поток, передаваемый металлу, ккал/час;

– приведенная степень черноты пламени, кладки, металла;

– 4,96 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, ккал/м2 час. град4;

– 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 ме­талла, 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:

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

Устройство и монтаж мартеновских печей

Мартеновские печи относятся к классу агрегатов с отражательной регенеративной функцией.

Конструкция состоит из таких элементов:

• Резервуар, в котором происходит плавка. Чаще всего он выложен специальным кирпичом;
• Сферический свод, который находится над емкостью. Его предназначение заключается в отражении продуктов горения во время плавки.
• Тепло направляется обратно к плавящемуся в ванной металлу, а температура поддерживается на необходимой отметке. Максимальная – 2 000 о С. Только при таком пороге происходит полноценная плавка.

Равномерное распределение жара по ванне происходит за счет соблюдения правил конвекции.

Топят мартеновские печи газообразным топливом, кроме которого агрегат употребляет еще и мазут. В наше время для таких агрегатов используется природный газ, но раньше это были доменный или коксовый.

Для загрузки сырья используются особые завалочные окна, которые закрываются толстыми задвижками из стали. Благодаря выпуклой форме задней стенки выпускного отверстия, получается направлять готовую сталь непосредственно в ковш. Во время плавки окно закрывается огнеупорной глиной.

Претерпев массу изменений в своей конструкции, современная мартеновская печь имеет вид камеры, вытянутой горизонтально. Строится она из кирпича, но плавильное пространство, в котором происходит основная работа, ограничено подиной, по бокам стенками, а сверху сводом. Подина повторяет своей формой емкость, в которой происходит процесс плавки.

Спереди расположены загрузочные окна, а сзади выход для получения готового металла.

Фундамент для мартеновской печи состоит из следующих элементов:

• подошва, располагающаяся немного ниже заводского пола;
• пень – наружная часть основания.

В целом он является мощным армированным массивом из железобетона, который способен выдержать удары с динамикой и высокие нагрузки.

Описание работы

Плавильная печь такого типа перерабатывает лом и передельный чугун в сталь конкретного химического состава.

В зависимости от материалов, мартеновский метод плавки стали делится на два типа:

• основной;
• кислый.

Определение с футеровкой полностью зависит от состава шлака, который предполагаемо получится в процессе плавки.

Ключевой принцип действия заключается во вдувании раскаленного газообразного вещества (воздух с газом) в печь. Низкий сводчатый потолок отражает жар и направляет его на плавящийся металл, своеобразно аккумулируя.

Прежде чем попасть в печку, газ проходит через 4 регенератора, где нагревается. Из специальных камер, выложенных огнеупорным кирпичом, нагретый газ перемещается в верхнюю часть печи, где смешивается и сгорает. Действие происходит попеременно: нагрев регенератора продувкой, продувка холодным воздухом.

Мартеновская методика сильно зависит от состава шихты, которая применяется во время расплава и различает такие способы выплавки:

• скрап-процесс;
• скрап-рудный процесс.

Разница заключается в процентном соотношении составляющих.

Реалии XXI века

Очень долго мартеновские печи не покидали своего пьедестала, но с недавних пор их стали вытеснять:

• 63% – кислородно-конвертерные;
• 30% – электроплавки;
• 7% – мартеновские.

Статистика приведена в мировых производственных масштабах.

Начиная с конца 70-х, мартеновские печи больше не производятся. Потому заводы, где еще можно найти таких «старушек», которые, по каким-то причинам не могут заменить их на более современную альтернативу, ремонтируют.

В России осталось около 16 заводов, которые все еще используют мартеновские печи.

Ремонтные работы

Могут ли современные специалисты качественно выполнить ремонтные работы агрегата, который давно «вышел из моды». Оказывается, что да, но компании, предоставляющие такие услуги, выполняют их неохотно, если только это не масштабная реконструкция, во время которой выполняется:

• замена огнеупорных элементов кладки;
• ремонт свода, стен, подины;
• очистка газоходов;
• замена всех стоек и балок;
• замена плит – выпускного отверстия, подпороговых, средних, облицовочных;
• замена всех желобов и балок;
• установка современных частотных преобразователей;
• ремонтные работы площадки;
• восстановление системы КИПиА.

Практически полное преобразование с частичной модификацией.

Нынешние способы плавки более выгодны, но появились они благодаря мартеновскому. Ликвидация таких печь начнется с отметки в 2% функционирующих агрегатов в мировом масштабе. Только тогда они официально станут считаться устаревшими.