Конструкции металлургических печей

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное общеобразовательное учреждение высшего  профессионального образования

«ТОМСКОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА»

_______ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ______ 
 
 
 
 

Механико-машиностроительный факультет

Кафедра – Металлургия черных металлов 
 
 
 
 

Реферат

по дисциплине: Производство стали

на тему: «Конструкции металлургических печей» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила:

Студентка гр.10260                                                                        Н.С. Стаханова 

Проверил:

Преподаватель                                                                                 М.А. Платонов

Юрга 2009 

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

    1 Конструкция  доменной печи

       1.1  Устройство и работа доменной печи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

    2 Конструкция мартеновских печей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

       2.1 Верхнее строение печи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

       2.2 Нижнее строение мартеновской  печи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

       2.3 Кладка мартеновской печи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

       2.4 Производство стали в мартеновских  печах . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    3 Конструкция двухванной сталеплавильной  печи . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

       3.1 Устройство работы двухванной печи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

    4 Конструкция индукционной печи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

       4.1 Плавка стали в индукционных  печах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    5 Конструкция  вакуумной печи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

       5.1 Производство стали в вакуумных  печах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

       5.2 Производство стали в вакуумных  дуговых печах . . . . . . . . . . . . .25

    Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

    Список  использованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли как конструкционного материала.

    Металлы разделяют на несколько групп: черные, цветные и благородные. К группе черных металлов относятся железо и его сплавы, марганец и хром. К цветным относятся почти все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева.

    Железо  и его сплавы являются основой  современной технологии и техники. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические  материалы находят все большее применение. Железо и его сплавы составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве.

    Самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Углерод  придает прочность сплавам железа. Эти сплавы образуют большую группу чугунов и сталей.

    Сталями называют сплавы железа  с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Сталь – важнейший конструкционный  материал для машиностроения, транспорта и т. д. 

    Сталеплавильное производство – это получение стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется.

    Сталеплавильный процесс является окислительным  процессом, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна – углерода, кремния, марганца и фосфора. Отличительной особенностью сталеплавильных процессов является наличие окислительной атмосферы. Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы  и получают сталь заданного химического состава.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1 Конструкция доменной печи 

1. Устройство  и работа доменной печи

    Доменная  печь предназначена для выплавки чугуна из стальных руд и является важнейшим агрегатом чёрной металлургии. Основой технологических действий, протекающих в доменной печи, являются процессы восстановления окислов железа.

    Доменная  печь представляет собой высшую шахту  круглого сечения, опирающуюся на железобетонный фундамент традиционно многогранной формы. Нижняя часть (подошва) фундамента находиться на глубине 6 – 7 м. Надземная часть фундамента выложена из огнеупорного бетона.

    Профиль рабочего пространства печи в вертикальном разрезе составляют колошник (верхняя  цилиндрическая часть), шахта (верхняя  конусная часть), распар (широкая цилиндрическая часть), заплечики (нижняя конусная часть) и горн (нижняя цилиндрическая часть).

    Футеровка колошника защищена металлическими кольцами, собранными из частей, от ударного и истирающего деяния кусков шихты, падающих с огромного конуса засыпного  аппарата. Шахту, распар и заплечики  футеруют высококачественным шамотным кирпичом, а горн и лещадь (под печи) – высокоглиноземистым кирпичом либо углеродистыми блоками. Футеровку нижней части шахты, а также распара, заплечиков, горна и лещади охлаждают водяными холодильниками.

    Кладка  шахты заключена в цельносварной  металлической кожух. Внизу, на уровне перехода шахты к распару, кожух заканчивается опорным кольцом, которое поддерживается колоннами с особыми опорами, передающими нагрузку на несущую плиту фундамента. Горн также опоясан сварным стальным кожухом.

    Горячее дутье от воздухонагревателей через футерованный воздухопровод поступает в футерованную кольцевую трубу. Из кольцевой трубы воздух направляется в футерованные рукава и через медные водоохлаждаемые фурмы, расположенные в верхней части горна по окружности, поступает в доменную печь. Фурмы вставлены в конические холодильники, которые входят в амбразуры, плотно прилегающие к кожуху печи.

    В нижней части горна на высоте 600 – 1000 мм от лещади расположены одна либо две чугунные летки – каналы для периодического выпуска чугуна и шлака. Шлак отделяют от чугуна в желобе при помощи перевала и перегородки (скимера). В промежутках меж выпусками чугуна отверстие летки забивают огнеупорной массой при помощи специального устройства – электрической поршневой пушки.

    На  высоте 1400 – 1600 мм от металлической летки под неким углом друг к другу расположены две шлаковые летки, через которые выпускают шлак. Шлаковая летка состоит из полой медной водоохлаждаемой фурмы, которая входит в конический медный холодильник, вставленный в металлический холодильник, вставленный в металлический холодильник со змеевиком. Отверстие шлаковой летки закрыто особым стопором со металлической пробкой.

    Доменную  печь загружают шихтой сверху через  особый засыпной аппарат. Он состоит  из огромного конуса с воронкой, перекрывающего колошник печи, и малого конуса с вращающейся приемной воронкой. Таковая конструкция засыпного аппарата дозволяет умеренно распределять материал на окружности колошника и избавляет утраты газов в атмосферу. Загрузку шихты в доменную печь осуществляют послойно.

    Процесс развития доменного производства идет в направлении повышения содержания железа в рудном сырье, понижения  расхода топлива и частичной  замены природным газом (реже мазутом) дефицитного топлива, которым является кокс. Растут также размеры доменных печей. Полезные объемы доменных печей достигают 5000 м³.

    Повышение содержания железа в рудном сырье, ведущее  к уменьшению количества шлака, понижает издержки физического тепла на нагрев и плавление составляющих шлака, приводит к разогреву низа печи и дозволяет понизить расход топлива. Понижение расхода топлива увеличивает в свою очередь экономичность и производительность печи.

    В настоящее время в качестве рудной части шихты употребляют агломерат  – продукт обогащения стальной руды спеканием измельченной руды, стального концентрата, колошниковой пыли и флюсов.

    Очень перспективным является применение окатышей – продукта окомкования и обжига стального концентрата.

    Главным видом топлива в доменной печи является кокс. В качестве дополнительного топлива употребляется природный газ, который подаётся через фурмы.

    Раскаленные газы, получающиеся в области фурм в итоге горения опускающегося  кокса до СО и вдуваемого природного газа до СО и Н₂, продуваются (фильтруются) через столб кусковых материалов под действием напора, создаваемого воздуходувками. Загружаемые через засыпной аппарат рудное сырьё и кокс равномерно нагреваются и теряют воду и летучие. При использовании флюсов и сырых руд происходят также процессы разложения карбонатов. Железорудное сырьё восстанавливается. Высший окисел Fe₂О₃ преобразуется в железо последовательно через промежуточные окислы. Процесс восстановления осуществляется фактически по всей высоте печи, но заканчивается выше уровня фурм до поступления составляющих рудного сырья в зону горения. Восстановителями служат составляющие газа (СО и Н₂), окисляющиеся в процессе восстановления до СО₂ и H₂О.

    Процесс восстановления железа складывается из реакций 

    FeO + CO = Fe + CO₂+C + CO₂ = 2 CO      (1)

    FeO + C = Fe + CO

    таковой процесс просит издержки углерода и поглощает огромное количество (156,64 МДж/моль) тепла.

    При больших температурах, достигаемых  после расплавления и разделения, составляющих рудной части шихты  на сплав и шлак, получают некое  развитие эндотермические процессы прямого восстановления кремния и марганца, а также процесс науглероживания железа. Эти процессы осуществляются при стекании струй чугуна и шлака через слой кокса (коксовую постель), выполняющего роль фильтра, пропускающего расплавы и газы и преграждающего путь ещё не расплавленным либо полурасплавленным кускам рудных материалов.

    Окись углерода, которая появляется по реакциям (1) и представляет собой основную горячую составляющую доменного (колошникового) газа, удаляется из печи с температурой приблизительно 650 К и употребляется в дальнейшем для отопления доменных печей.

    Для отвода газа в куполе печи предусмотрены  четыре боковых восходящих газоотвода. Вертикальные участки газоотводов  соединены попарно в два газоотвода, переходящих в один нисходящий газоотвод, который входит сверху по оси в первичный пылеуловитель. Газоотводы футерованы шамотным кирпичом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2 Конструкция мартеновских печей 

    Мартеновские  печи строят двух типов: стационарные и качающиеся. Основное количество стали, выплавляется в стационарных печах.

    В отличие от стационарных у качающихся печей рабочее пространство может  наклоняться для спуска и выпуска  металла. Такие печи применяют только в случае переработки чугуна с  повышенным содержанием фосфора  или кремния.

    Качающиеся  печи сложнее и требуют больших капитальных затрат по сравнению со стационарными.

    В зависимости от футеровки мартеновские печи разделяют на основные и кислые. Наибольшее распространение получили основные печи, так как они позволяют  перерабатывать разнообразную по составу  шихту с повышенным содержанием вредных примесей (фосфора, серы). Подина этих печей наваривается магнезитом или смесью магнезита с доломитом, т. Е. основными огнеупорными материалами.

    Кислые  печи используют для выплавки высококачественных, легированных сталей. Подина наваривается кварцевым песком, содержащим минимальное количество посторонних примесей.

    Одной из основных характеристик мартеновских печей является емкость (или садка). Емкостью (или садкой) мартеновской печи называется вес металлической  части шихты, загружаемой в печь для одной плавки.

    В настоящее время работают печи с  садкой до 500 т. Проектируется постройка  печей с садкой до 850 т. 

    2.1 Верхнее строение печи 

    Рабочее пространство – это наиболее ответственная часть печи, где происходит выделение тепла и передача его шихтовым материалам.

    Размеры площади пода и глубины ванны  сильно влияют на работу мартеновской печи. С точки зрения улучшения  условий передачи тепла металлу  желательно увеличить площадь пода, а глубин у ванны уменьшить. Однако чрезмерно большая площадь пода и заниженная глубина ванны приводят к повышенному окислению металла, что увеличивает потери и затрудняет получение стали заданного состава.

    Увеличение  ширины ванны сверх оптимальной  затрудняет загрузку материалов в печь. При чрезмерной длине ванны возможен отрыв от нее факела, что приводит к ухудшению прогрева металла и к поджогу свода.

    Высота  свода также выбирается оптимальной. При недостаточной высоте свод быстро разрушается от воздействия факела и брызг шлака, попадающих на него. Чрезмерно высокий свод приводит к удорожанию печи и к ухудшению условии нагрева металла, так как уменьшается настильность факела.

    В передней стенке сделаны рабочие  окна, через которые загружается  шихта, а также осуществляется заливка  чугуна (при работе на жидком чугуне) и спуск шлака. В задней стенке предусмотрено отверстие для выпуска стали и отверстие для шлака (при работе на жидком чугуне), которое находится выше уровня порога рабочих окон.

    Головки мартеновских печей одновременно служат для подачи топлива и воздуха в рабочее пространство и для отвода из него продуктов сгорания. В связи с этим к ним предъявляются противоречивые требования. Они должны:

    1) обеспечивать сжигание топлива  в пределах рабочего пространства  при настильном факеле, покрывающем  возможно большую часть поверхности ванны;

    2) отводить продукты сгорания при  минимальных потерях напора в  головках.

    Первое  требование удовлетворяется при  больших скоростях выхода топлива  и воздуха из головки, что может  быть достигнуто при относительно малом  сечении на выходе из нее.

    Однако  снижение потерь напора при отводе дыма через головки требует увеличения ее размеров.

    Применение  мазута и газов, характеризуемых  высокой теплотой сгорания, исключает  необходимость в регенераторах  для подогрева топлива, что упрощает конструкцию печи в целом и, в частности, конструкцию головок.

    Требуемые скорости и настильность факела обеспечиваются за счет кинетической энергии струи  распыленного мазута. На мазутных печах  можно менять угол наклона форсунок по ходу плавки, что обеспечивает поддержание необходимой настильности факела в течение всей плавки.

    Головки для газов высокой теплоты  сгорания, аналогичны головкам для  сжигания мазута. Выходное сечение  горелок рассчитывают на скорость топлива 60 – 70 м/сек. Часто газ сжигается вместе с мазутом в комбинированных горелках. Добавка мазута обеспечивает получение нужной светимости факела.

    В настоящее время появился ряд  усовершенствованных головок мартеновских печей, в которых предусмотрено  устройство для подачи сжатого воздуха  или кислорода. Подача сжатого воздуха через головку позволяет лучше организовать факел и одновременно увеличить газовый пролет. Последнее способствует уменьшению потерь напора при отводе через головки продуктов сгорания.

    Вертикальные  каналы (см. рисунок 1) мартеновских печей соединяют головки со шлаковиками 4. Размеры вертикальных каналов рассчитываются из условия, что скорость топлива составляет 1,5 – 2 м/сек (при t = 0°). 

    2.2 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. 
 

    2.3 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 хромомагнезитовым 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. 

    2.4 Производство стали в мартеновских  печах 

    Сущность  мартеновского процесса состоит  в переработке чугуна и металлического лома на паду отражательной печи. В мартеновском процессе в отличие от конвертерного не достаточно тепла химических реакций и физического тепла шихтовых материалов. Для плавление твердых шихтовых материалов, для покрытия значительных тепловых потерь и нагрева стали до необходимых температур в печь подводиться дополнительное тепло, получаемое путем сжигания в рабочем пространстве топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.

    Для обеспечение максимального использования  подаваемого в печь топлива (мазут или предварительно подогретые газы) необходимо, чтобы процесс горения топлива заканчивался полностью в рабочем пространстве. В связи с этим в печь воздух подается в количестве, превышающем теоретически необходимое. Это создает в атмосфере печи избыток кислорода. Здесь также присутствует кислород, образующийся в результате разложения при высоких температурах углекислого газа и воды.

    Таким образом, газовая атмосфера печи имеет окислительный характер, т. Е. в ней содержится избыточное количество кислорода. Благодаря этому металл в мартеновской печи в течение всей плавки подвергается прямому или косвенному воздействию окислительной атмосферы.

    Для интенсификации горения топлива  в рабочем пространстве часть  воздуха идущего на горение, может  заменяться кислородом. Газообразный кислород может также подаваться непосредственно в ванну (аналогично продувке металла в конвертере).

    В результате этого во время плавки происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте. Образующиеся при этом оксиды металлов FeO, Fe₂O₃, MnO, CaO, P₂O₅, SiO₂ и др. Вместе с частицами постепенно разрушаемой футеровки, примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак. Шлак легче металла, поэтому он покрывает металл во все периоды плавки.

    Шихтовые  материалы основного мартеновского  процесса состоят, как и при других сталеплавильных процессах, из металлической части (чугун, металлический лом, раскислители, легирующие) и неметаллической части (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит).

    Чугун может применятся в жидком виде или в чушках. Соотношение количества чугуна и стального лома в шихте может быть различным в зависимости от процесса, выплавляемых марок стали и  экономических условий.

    По  характеру шихтовых материалов основной мартеновский процесс делиться на несколько разновидностей, наибольшее распространение из которых получили скрап-рудный и скрап-процессы.

    При скрап-рудном процессе основную массу  металлической шихты (от 55 до 75 %) составляет жидкий чугун. Этот процесс широко применяется на заводах с полным металлургическим циклом.

    При скрап-процессе основную массу металлической  массы шихты (от 55 до 75 %) составляет металлический лом. Чугун (25 – 45 %), как правило, применяется в твердом виде. Таким процессом работают заводы, на которых нет доменного производства. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3 Конструкция двухванной сталеплавильной  печи 

    При интенсивной продувке мартеновской ванны выделяется значительное количество СО, которую трудно полностью дожечь в самом рабочем пространстве. Часть несгоревшего СО и большое количество пыли выносятся дымовыми газами из рабочего пространства печи.