автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка способов и устройств энергосбережения в сталеплавильном производстве

рть

Национальная Академия наук Украины Институт черной металлургии им.З.И.Некрасова .

На правах рукописи Пронькин ВладиславЕвгеньевич

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 05.1б.02-"Металлургия черных металлов".

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Днепропетровск 1996

Диссертация выполнена на Государственном металлургическом комбинате "Криворожсталь".

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ

доктор технических наук ,профессор,

заслуженный деятель науки и техники .

Украины , И.И.Кобе за

доктор технических наук, проферсор Г.Т.Цыганков

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

доктор технических наук, профессор И.6Лысенко

кандидат технических наук В.Я. Ботвинский

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ - Днепровский металлургический комбинат им. Ф.Э.Дзержинского

Зашита диссертации состоится Vv/ ¿¿¿jPtfdl 1996 года на заседании Специализированного совета К03.09.01 в Институте черной металлургии им.З.И.Некрасова HAH Украины по адрес)" 320050, гДнепропетровск, пл. Академика Стародубова, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в . библиотеке института.

Отзыв на автореферат в количестве двух экземпляров, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: гДнепропетровск, пл. Академика Стародубова, 1, Инспггут черной металлургии HAH Украины, ученому секретарю Специализированного совета, кандидату технических наук Г. В Левченко.

Автореферат разослан " " 1996г.

Ученый секретарь, кандидат технических наук

Г. В. Левченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и научная проблема.

В 1995 году в сталеплавильных цехах Министерства промышленности Украины произведено 21877,7 т.т. стали, в том числе в мартеновских цехах 11438,5 т.т. или 52,3%, в конверторах - 9523.1 т.т. или 43,5% и в электропечах -916,1 т.т. - 4,2%. Преобладающая доля выплавки стали остается за мартеновским процессом.

"Концепцией развития горно-металлургического комплекса Украины ( до 2000 и 2010г.г.)", утвержденной Верховным Советом Украины 17 октября 1995г., только 35 мартеновских печей из 67 предусматриваются к выводу из эксплуатации к 2010 г., что менее половины существующей мощности. Следовательно, вопрос экономии энергоресурсов в мартеновском производстве еще на ближайшие 15-20 лет остается по прежнему весьма актуальным.

Конструкция и параметры мартеновской печи в целом и отдельных ее элементов, режимы их работы оказываются не всегда оптимальными в условиях жесткой экономии энергоносителей. По данным вопросам в настоящее время мнения металлургов достаточно противоречивы, особенно в способах отопления мартеновских печей, выборе конструкций и режимов работы кислородных фурм, повышении стойкости отдельных элементов печей. Это является одной из причин существенного различия в показателях расхода энергоносителей на разных предприятиях.

Цель работы и методика исследований. а) • Целью диссертационной работы являлось исследование в натуральных условиях тепловой работы мартеновских печей, на которых были установлены горелки для сжигания природного газа с самокарбюрацией в факеле. Исследование возможности повышения и регулирования светимости, настильности и окислительной способности факела путем изменения соотношения расходов газа между горелками, их взаимного расположения, углов наклона и положения в вертикале и Лламенном окне рабочего пространства печи. Сравнение показателей работы печей, в том числе ее производительности, расхода условного топлива

и стойкости главных сводов, на газомазутном отоплении с безмазутным в аналогичных условиях.

б) Исследования эффективности продувки жидкой металлической ванны газообразными реагентами в различных режимах и разными средствами были проведены в натуральных условиях на 650-тн. мартеновских печах.

Для исследования тепло-массообмена при продувке жидкой металлической ванны струями кислорода было привлечено гидродинамическое моделирование, выполненное по известным в литературе методикам.

Результаты исследования на модели были проверены на мартеновских печах комбината "Криворожсталь", испытаны фурмы различных конструкций.

в) В натуральных условиях были проведены исследования стойкости отдельных элементов мартеновской печи. Исследованы причины и характер износа кладки главного свода в условиях работы с продувкой ванны кислородом, применение его аэродинамической зашиты различных конструкций, использование различных газов: сжатого воздуха, кислорода и пара для аэрозашнты. Исследована служба новых огнеупоров в кладке главного свода с применением в шихте электроплавленной алюмо-магнезиальной шпинели.

Исследована служба огнеупоров плоских сводов шлаковиков и регенераторов со старой и новой конструкцией подвески.

Научная новизна и практическая ценность.

а) Исследованы особенности нового способа отопления мартеновских печей. Разработана конструкция горелочных устройств, найдены оптимальные параметры установки их в головке мартеновской печи, отработаны тепловые режимы и расходы окислителей на все периоды плавки. Доказано, что принцип двухслойного сжигания топлива и конструкция горелочного устройства позволяют с целью повышения тепло- и массообмена между факелом и ванной регулировать аэродинамические. радиационные и окислительные характеристики факела в широких пределах за счет перераспределения природного газа между верхней и нижней горелками, а также изменения угла наклона горелки высокого давления, определяющей положение факела по

периодам плавки. Безмазутный способ отопления мартеновских печей с подачей газа и окислителей через горелки высокого и низкого давления, при котором, с целью повышения 1< регулирования светимости и окислительной способности факела, в горелку низкого давления подают газ, а окислитель подают отдельно от газа коаксиальными струями в горелку высокого давления реализован впервые в металлургической практике на комбинате "Криворожсталь", защитен авторским свидетельством .

б) Исследования на модели при условиях, максимально приближенных к условиям продувки сталеплавильной ванны кислородом (вдувание горячего воздуха с адшиаком в водоаммиачный раствор). позволили впервые в сталеплавильной практике определить оптимальную конструкцию кислородной фурмы (число сопел и угол наклона их к вертикали, расстояние между соплами на выходе из головки) и подобрать наивыгоднейший режим продувки.

Результаты исследовании на модели защищены авторским свидетельством.

Проверка в реальных условиях результатов моделирования подтвердила полученные данные - фурмы с расчетными параметрами обеспечили уменьшение длительности продувки, скорость обезуглероживания в период плавления и доводки с продувкой без подачи руды была выше соответственно на 17.6 и 23.6?<>.

в) Исследования по повышению стойкости главного свода мартеновской печи и сводов шлаковиков и регенераторов привели к разработке высоко эффективных конструкций: сводового кессона для аэродинамической защиты свода и устройства подвесного свода шлаковиков и регенераторов. Обе конструкции были внедрены впервые на комбинате "Криворожсталь" и защищены авторскими свидетельствами .

На основе исследования причин и характера износа рабочего пространства мартеновской печи в условиях продувки ванны газообразными и пылевидными реагентами эмпирическим путем получена конфигурация главного свода, обеспечивающая равномерный износ его огнеупорной кладки. Это решение защищено авторским свидетельством.

Всего в процессе выполнения данной работы было разработано 12 изобретений, защищенных авторскими

свидетельствами. Экономический эффект от внедренных изобретений составил 850 тыс. руб. в ценах 1990 г.

Публикации.

Основное содержание результатов диссертации опубликовано в 30 работах: одна статья в английском журнале "Steel Times", 17 в отраслевых журналах "Сталь", "Металлургическая и горнорудная промышленность". "Металлург", "Бюллетень ЦИИН 4M", 12 изобретений опубликованы в "Бюллетне изобретений".

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертации докладывались на: Всесоюзной школе сталеплавильщиков "Обобщение опыта работы большегрузных мартеновских печей" (г.Кривой Рог, 1964г.). Республиканской школе передового опыта "Автоматизация мартеновских печей." (г.Кривой Рог, 1965г.), научно-практической конференции ученых работников и аспирантов ЦНИИ 4M им.Бардина И.П. (г.Москва. 1971г.), XI Съезде профсоюза металлургов СССР (г.Москва, 1977г.). Всесоюзном совещании руководящих работников "Экономия металла в народном хозяйстве" (г.Магнитогорск. 1979г.), совещаниях металлургов Украины (Днепропетровск. 1988-1991г.г.).

Автор дважды награждался бронзовыми медалями Выставки достижений народного хозяйства СССР за разработку и внедрение энергосберегающих мероприятий данной работы.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения. 6 глав, заключения, перечня авторских работ, списка использованной литературы. Работа изложена на 104 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 17 таблиц. Список использованной литературы включает 137 наименований отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1. ОТОПЛЕНИЕ МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧЕЙ ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ С САМОКАРБЮРАЦИЕЙ.

Для повышения излучательной способности факела природного газа необходимо нагревать его с минимальным перемешиванием с окислителем и продуктами сгорания. Это достигается подачей природного газа струей большого диаметра, истекающего под низким давлением с малой скоростью (50-150м/сек), когда факел приближается к ламинарному.При этом внутренние слои струи газа низкого давления нагреваются за счет горения по периферии и излучения кладки и разлагаются с выделением веществ, обеспечивающих светимость факела. Под струю газа низкого давления подаются газ высокого давления и острое окислительное дутье (кислород, компрессорный воздух, пар и т.д.). Нижний высокоскоростной поток газа высокого давления и острого дутья, имеющий большую кинетическую энергию, инжектирует верхний светящийся поток газа низкого давления, образуя единый факел с достаточной степенью черноты, высокотемпературной и окислительной кромкой со стороны ванны.

Был найден оптимальный вариант установки горелок на опытной печи. По варианту 4 получились лучшие теплотехнические параметры факела. Горелочное устройство для отопления мартеновских печей природным газом с самокарбюрацией (вариант 4) показано на рис.1.

'////////Ш/Ш/Ш

Рис.1. Установка горелок высокого (а) и низкого (б) давления в соловке мартеновской исчи (вариант 4).

Влияние установки горелок прежде всего проявилось в изменениях температуры продуктов горения по периодам плавки (рис.2) и температуры факела (рис.3) по длине рабочего пространства в период доводки. По варианту 4 была обеспечена наилучшая излучательная способность факела в доводку. При этом зона максимальной температуры

то

I

<1

то

то

,2___ 4 ув 1

ч. 0„ /

I • л ш ж г

Рис.2. Изменение температуры дыма но периодам планки при различных вариантах установки горелок для самокарбюрации (1-4) и при га:юмаэутном отоплении (0ц О с кислородом и без кислорода) : /-завалка,// прогрев,/// заливка,IV плавление, V доводка.

/ 2 3 4 5 6 7

Окна щ »аяримеине факела

Рис.3. Измеиение температуры факела но его длине при различных вариантах уещновки горелок (/ 4).

смешалась в первую половину факела, характеризуя сжигание топлива и теплоотдачу от факела к ванне. Во время испытания варианта 4 опробовали несколько соотношений

расходов природного газа через горелки НД и ВД -соответственно 50:50; 65:35; 80:20; и 100:0; и различные расходы кислорода. С увеличением расхода кислорода температура газового факела повышалась, причем во всех случаях зона максимальной температуры и светимости располагалась в районе второго окна по ходу факела.

Наивысшая оптическая температура факела наблюдалась при подаче 65-70% природного газа на реформирование. Определяющее значение для выбора оптимальной установки горелок при новом варианте отопления имеет соответствующая окислительная способность печной атмосферы (рис.4), по варианту безмазутного отопления (4) она более высокая, чем при газомазутном отоплении (0).

4 0.30

0,20

S 0.10

0,20 0,30 ОМ 0,50

Шсрхание gt/iepola

Рис.4. Изменение скорости выюраним углерода в период чистого кипения в зависимости от установки горелок (1,2,4 - безмазутное отопление. О - газома-эутнос) и содержания углерода и ванне.

Способ отопления природным газом с самокарбюрацией не влияет на стойкость печи.

2. О ВЫБОРЕ КОНСТРУКЦИЙ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ КИСЛОРОДНЫХ ФУРМ. а)ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КИСЛОРОДНЫХ ФУРМ.

Основные параметры кислородных фурм, применяемых сегодня на меткомбинатах, отличаются различными

диаметрами головок (108-150мм), сопел (1(М6мм) и углами наклона их к оси фурмы (15-50град.).

В производственных условиях в связи с изменением большого числа параметров плавки не представляется возможным провести сравнение и выявить с достаточной степенью точности влияние отдельных факторов.

В этих условиях большое значение имеют исследования наиболее характерных зависимостей процесса на упрощенных (приближенных) моделях.

Известно, что скорость химических реакций в сталеплавильной ванне значительно превышает скорость переноса реагирующих компонентов. Исходя из этого, для изучения в качестве модели выбрали систему, в которой основное сопротивление в процессе определялось переносом реагирующих веществ в газовой фазе, а скорость химической реакции была достаточно высокой. Одной из таких систем яатяется растворение в воде аммиака, подаваемого в виде смеси с воздухом.

В опытах изучали влияние, оказываемое на коэффициент усвоения аммиака (^ ) изменением расхода газа через вертикальные и наклонные сопла.

Для наклонных сопел наиболее полное усвоение достигается при критерии Архимеда Аг> ] 00. С повышением расхода газа через сопло после определенного значения усиливается разбрызгивание жидкости, которое увеличивает вынос пыли и снижает стойкость футеровки печи. Поэтому диаметр сопла и режим продувки следует выбирать такими, чтобы критерий Архимеда был наименьшим, но в то же время обеспечивал бы наиболее полное усвоение. Коэффициент усвоения при этом описывается уравнением: ^ - 0,96 Аг / (Аг+4,55)

Было установлено взаимное влияние сопел; максимум коэффициента усвоения получен в диапазоне расстояния между соплами от 4 до 8 калибров (при Аг=200-300). Оптимальный диаметр этой окружности Э, на которой расположены выходные отверстия сопел, можно определить по уравнению:

Э = 7а-п/АЕ

Как показали исследования, угол наклона сопла к вертикали существенно влияет на степень усвоения газа и интесивность перемешивания жидкости. Обнаружены два

оптимальных угла: при близком расположении сопел (меньше 4с1) и при расстоянии между соплами более пяти калибров. На рис.5,я показана зависимость коэффициента усвоения от угла наклона сопла для шестисопловой фурмы с диаметром сопел 4,2мм и относительным расстоянием между соплами 1,96(1 при различных критериях Архимеда. Во всех случаях наибольший коэффициент усвоения наблюдался при угле наклона сопла 55 град.

На рис.5 б показаны аналогичные данные для фурм с двумя расстояниями между соплами 1,96с1 и 6,1-6,7(3 при Аг соответственно 140 и 250. В первом случае наблюдается четкий максимум коэффициента усвоения ири угле наклона сопла 55 град., во втором при 45 град.

Как показали исследования, при подаче острой струи движение в жидкости распространяется на определенный слой, глубина которого зависит от режима продувки, физических свойств жидкости и их качественных и количественных изменений в процессе продувки.

На рис.5, в видно, что угол наклона сопла существенно влияет на глубину слоя. Горячий воздух вдували в масло через шестисопловую фурму с диаметром сопла 4,2мм и расстоянием между соплами 1,96<3; с увеличением критерия Архимеда глубина перемешиваемого слоя соответственно

V 6

■ 1 • " у

У \

/ у >

/ с

45 ВО 7515 30 45 ВО 75 15 30 45 60 75 ' Иш тклот сопла к Серташа, гдад.

УГЛа '",клона сопсл ФУРММ «и коэффициент усвоения при п™""*, ™ачсниях критерии Архимеда (а) и относительного расстояния между соплами (б - при 1,96 и 6,1 - 6.7 <1) и на глубину

Т\ ЖИДКОСШ <» ПРИ Р«™™«* значениях

критерия Архимеда (цифры у кривых и точек - Аг)

увеличивалась. Характер кривых был совершенно таким же, как для зависимости коэффициента усвоения от угла наклона сопла.

Промышленные испытания фурм проводили на 650-г. мартеновских печах. На печи Б, где опытные фурмы подверглись более длительному испытанию, плавки группы Б. (опытные фурмы) получились короче плавок группы Б (обычные фурмы) на 4%, производительность печи на них была выше на 3.86%, расход условного топлива ниже на 2скорость обезуглероживания в период плавления и доводки с продувкой без подачи руды выше соответственно на 17,6 и 23,6%.

Итак, согласно исследованиям на модели и испытаниям в реальных условиях продувку металла предлагается вести таким образом, что величина критерия Архимеда находится в пределах 100 - 300, т.е. отношение квадра1а скорости газа на выходе из сопла к диаметру выходного отверстия сопла находится в пределах 5000 - 15000. При этом условии достигается наиболее высокое усвоение газа, наименьшее разбрызгивание расплава, повышение стойкости футеровки печи.

Расстояние между соплами должно составлять ~ 7 диаметров сопла, что также улучшает поглащение газа и уменьшает разбрызгивание металла.

Оптимальный угол наклона сопла зависит от положения фурмы относительно поверхности жидкой ванны в спокойном состоянии. При установке фурмы на поверхности жидкого металла в качестве оптимальной величины угол наклона оси сопел к оси фурмы должен быть 45-55 град. Если газ при продувке выходит из сопел под углом 60-80 град, к оси фурмы, то для достижения наилучших показателей работы фурмы ее устанавливают ниже поверхности расплава металла на 10-20 диаметров сопла. При выходе струй газа из сопел под углом 6-14 град, к оси фурмы она должна быть расположена над поверхностью металла на расстоянии не менее 10 диаметров сопла фурмы. б)ПРОДУВКА ЖИДКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ВАННЫ

КИСЛОРОДОМ ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТЬЮ.

На большегрузных мартеновских печах исследована продувка ванны кислородом высокой интенсивностью его подачи ( до 9000 куб.м./ч.) . Ниже приведены наиболее

важные результаты, полученные при проведешш двух опытных кампаний 650тн. мартеновской печи.

При 1штенсивности продувки 7-9 тыс.куб.м/час наблюдалось раннее образование холодного пенистого шлака с высоким содержанием окиси железа, спуск которого через шлаковые отверстия в задней стене был затруднен. Понижение интенсивности ввода кислорода в металл до 4000 куб. м/час в первые 40мин продувки устранило образование пены, что позволило заканчивать спуск шлака в более короткий срок. Затем интенсивность продувки опять повышается. Содержание закиси железа в спускаемом шлаке понизилось с 40-42 до 28-32%, уменьшились также и потери железа в виде "корольков" металла со спускаемыми шлаками, что существенно повлияло на выход годных слитков. Так был впервые отработан ступенчатый режим продувки плавки кислородом, который сегодня применяется на 2-х ванных печах. Процесс десульфурации металла, несмотря на снижение расхода известняка и извести на плавку, проходил достаточно энергично и обеспечивал получение заданного содержания серы в готовой стали. В стали плавок с продувкой кислородом наблюдалось более низкое содержание серы (на 0,003-0,005%), чем в стали аналогичных марок, выплавленной по обычной технологии. На отдельных плавках производительность составляла 108-130 т/ч, или повысилась в 2-2,5 раза. Суммарный расход кислорода возрастал до 41,7 .м./т, из которого -50°с шло на ванну. Расход условного топлива сокращался в зависимости от расхода кислорода на продувку ванны и составил 83,6-68,5 кг/т годных слитков против 124 кг/т на плавках текущего производства цеха. В плавках при высоком расходе кислорода (7000-9000 куб.м/час.) выход годных слитков уменьшался на 2%.

Для повышения выхода годного, исходя из проведенного исследования, было предложено продувку начинать после нагрева металла до температуры 1440 - 1470 град., при этом достигается высокая скорость окисления углерода и снижение угара железа.

в)ИСПОЛЬЗОВАНИ£ СВОДОВЫХ ГАЗОКИСЛОРОДНЫХ ГОРЕЛОК НА МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ Исследованием было предусмотрено, прежде всего, изучить запыленность отходящих газов при использовании

сводовых газокислородных горелок, а также сравнить шлакообразование и десулъфурадию на опытных и обычных плавках, оценить скорость обезуглероживания и нагрева металла. С этой целью провели три группы плавок. В первой группе плавок использовали одну газокислородную и три кислородные фурмы; во второй - две газокислородные горелки и две кислородные фурмы; в третьей - две газокислородные горелки и три кислородные фурмы. На каждой опытной плавке в период плаатения шихты отбирали в вертикальном канале с помощью эжектора по 5-8 проб пыли. Расход природного газа в зависимости от его давления и числа горелок составлял 605-2100 куб.м/час при интенсивности продувки ванны кислородом 4000-7000 куб.м/час. Для сравнения определяли содержание пыли в отходящих газах на 15 обычных плавках, проведенных с продувкой ванны только кислородом с той же интенсивностью.

Из исследований видно, что при добавке к кислороду природного газа (на опытных плавках) запыленность отходящих газов уменьшалась на 20-30% при интенсивности продувки от 4000 до 7000 куб.м/час.

Уменьшение запыленности отходящих газов при подаче в печь смеси природного газа и кислорода обусловлено снижением температуры металла в реакционной зоне.

Процесс шлакообразования на опытных и обычных плавках заметно различался. Так, на опытных плавках в спускаемых шлаках периода плавления было пониженное (9,8-16%) суммарное содержание окислов железа, тогда как в спускаемых шлаках обычных плавок оно соствляло 14-19%. В более поздние периоды плавки это различие становилось менее заметным. Несмотря на относительно низкое содержание окислов железа в спускаемом шлаке, для периода плавления опытных плавок характерна более высокая, чем на обычных плавках, основность шлака.

Повышенная скорость шлакообразования в период плавления на опытных плавках объясняется лучшим, чем на обычных плавках, прогревом шихты. В связи с этим к началу чистого кипения скорость шлакообразования на опытных плавках снижается, поскольку шлак к этому моменту уже практически сформировался. Скорость шлакообразования на обычных плавках в период. чистого кипения остается почти

такой же, как и в период плавления: Образование к моменту расплавления ванны гамогенного активного шлака способствовало лучшей десульфурации опытных плавок.

Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом на опытных плавках выше, чем на обычных, при

О < > *х

о к •

о в/ ' о > 5 ч * X

о

io ц tri {i 2,0 гл г.* 2Jt

Основность шяала (CaO-SlOj)

Рис.6. Зависимость коэффициента распределения серы от основности шлака в период доводки опытных (1) и обычных(2) плавок.

одинаковой основности шлака (рис.6). Степень десульфурации металла на опытных плавках была значительно выше, чем на обычных. Среднее содержание серы в опытном металле перед раскислением было на 89о ниже, чем в обычном.

Установлено также, что на опытных плавках скорость обезуглероживания металла при различной интенсивности продувки была несколько ниже, а скорость нагрева металла на 10-14град./час выше, чем на обычных. Это, по-видимому, обусловлено сжиганием природного газа непосредственно над ванной. Относительная скорость нагрева металла (отношение абсолютных скоростей нагрева и обезуглероживания) на опытных плавках составляла 145-155град.С/1%С против 120-130град.С/1%С на обычных, что способствовало повышению производительности печи.

Анализ балансовых плавок показал, что потери металла со спускаемым первичным и конечным шлаками в виде окислов железа и "корольков" на опытных плавках меньше, чем на обычных, вследствие меньшей окисленности и меньшего содержания в первичном спускаемом шлаке железа в виде "корольков".

Таким образом, использование газокислородных горелок на большегрузных мартеновских печах взамен обычных

кислородных фурм позволяет снизить содержание пыли в отходящих продуктах горения и на 0,7-1,0% сократить потери металла; при этом ускоряется нагрев металла и несколько уменьшается скорость его обезуглероживания. Качество стали в обоих случаях практически одинаковое.

3. ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ. а)ГЛАВНЫЙ СВОД И АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА.

Проведено исследование с целью разработки мер для повышения стойкости главных сводов большегрузных мартеновских печей, работающих с продувкой ванны кислородом.

Было установлено, что при продувке ванны кислородом интенсивно изнашивается кладка свода в месте расположения кислородных фурм, что подтверждается топографией износа (рис.7) главных сводов мартеновских

Рис.7. Топографии износа кладки главных сводов мартеновских пеней при продувке ванны кислородом (цифры у кривых величина износа свода мм/плавку): а,б,в,Гу»,с,ж - линии иамсра износа свода; 3, Ц, И - соответственно задняя, центральная и передняя линии свода.

печей. В связи с этим был разработан сводовый кессон (рис.8). В качестве защитного газа выбрали пар с температурой 300 град.С и давлением 15атм, вырабатываемый котлами-утилизаторами, имеющий по сравнению с компрессорным воздухом более высокое давление и, следовательно, более высокую кинетическую энергию при выходе из кессона. Кроме того, пар, трехатомный газ, является непрозрачным для излучения реакционной зоны.

Пар для аэродинамической защиты свода также , как и кислород для продувки ванны, подавали с первой плавки после ремонта печи. Перед остановкой печи на холодный ремонт (за 20-30 плавок) подачу пара, как правило, прекращали.

Анализ топографии (рис.9) износа кладки главного свода при удовлетворительной работе аэродинамической защиты показывает, что на своде практически отсутствуют зоны максимального износа кладки. В случае выхода из строя одного из кессонов во время кампании резко меняется интенсивность износа кладки свода на этом участке, тогда как остальная часть свода изнашивается сравнительно равномерно и менее интенсивно.

Стойкость сводов с применением аэродинамической защиты возросла в среднем по цеху на 38 плавок , или на 15,5%. Топография остаточной толщины главного свода по результатам 19-ти законченым кампаниям еще раз подтвердила, что различные точки свода испытывают не одинаковое влияние реакционной зоны, образующейся при продувке, вследствие различного расстояния до этой зоны.

С целью достижения равномерного износа кладки главного свода и повышения стойкости печи было предложено выполнять свод по радиусу, равному расстоянию

Рис.9. Топография износа кладки главных сводов мартеновских пеней оборудованных кессонами для аэродинамической защиты свода (I) то же' при выходе из строя одного из кессонов (II) (расшифровку обозначений см. в подрисуночной подписи к рис. 7).

2

ПробенЬ порогоб

Рис.10. Конфигурация главного свода, определенная эмпирическим путем: 1 - кладка иодкиы; 2 - кладка передней сгенки; 3 - кладка задней стенки; 4 - кладка предлагаемого свода; 5 - пятовые балки; 6 -кислородная фурма; 7 - существующий свод.

от точки пересечения оси, фурмы с горизонтальной плоскостью, проходящей на уровне металлических порогов завалочных окон, до пятовых балок (рис.10).

Исследованиями также установлено, что сводовые огнеупоры, изготовленные с применением в шихте электроплавлеиной алюмомагнезиальной шпинели имеют на 30% меньший износ по сравнению . с переклазошпинелидными ( ПШС ), и, в отличие от последних, изнашиваются не из-за сколов (что вызывается объемными изменениями), а из-за оплавления рабочей поверхности.

б)МОДЕРНИЗАЦИЯ ПЛОСКИХ СВОДОВ ШЛАКОВИКОВ И РЕГЕНЕРАТОРОВ.

Набранные по проекту плоские своды шлаковиков показали низкую стойкость (1,5-2 кампании по главному своду). Исследования показали, что основная причина выхода из строя - перегорание подвесных прутков, (рис.11).

мхсн-ж ^мхск-зз

Рис.11. Схема выполнения плоского свода шлаковиков.

Была разработана новая конструкция подвески свода шлаковика (рис.12). Реконструированные своды шлаковиков показали более высокую стойкость (не менее 3 кампаний по главному своду). С целью улучшения работы печи и увеличения стойкости нижнего строения реконструировали также и своды регенераторов (рис.13). Как показали исследования, основной недостаток высокоглиноземистого свода - сколы огнеупоров по всей поверхности. При меньшем содержании А^О^в огнеупорах по поверхности свода наблюдается меньше сколов, но зато происходит

4\__/1 Е

'Рис.12. Схема выполнении плоского свода регенераторов.

т

Рис.13. Нова» система под вески плоских сводов.

интенсивное оплавление кирпича. Капельки шамота, попадая на поверхность насадки, способствуют более быстрому зашлакованию первого ряда. Выполнение сводов регенераторов из магнезитохромита повысило их стойкость до уровня и выше стойкости сводов шлаковиков, поскольку условия службы огнеупоров в регенеративных камерах значительно легче, чем в шлаковиках.

в) РЕГЕНЕРАТОР МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ.

Исследована работа регенераторов мартеновской печи. Установлено, что в связи с широким применением кислорода для интенсификации процессов ячейки заносятся плавильной пылью, что приводит к ухудшению теплотехнических показателей регенератора и быстрому выходу его из строя.

Предлагаемый регенератор мартеновской печи отличается тем, что он снабжен не заполненной огнеупорным кирпичом камерой, соединенной с дымовым боровом через поднасадочное пространство, и отсечным устройством. Это позволяет в период повышенного выноса

пыли из рабочего пространства дымовые газы пропускать в боров минуя насадки регенераторов.

На рис.14 показан описываемый регенератор.Он состоит из камеры 1, не заполненной огнеупорным кирпичом, насадки 2, имеющей наднасадочное пространство 3 и поднасадочное пространство 4. Свободная камера и насадка разделены стенкой 5. Камера 1 и поднасадочное пространство 4 образуют сообщающийся тракт. Отсечное устройство 6 может перекрывать свободную камеру 1 и наднасадочное пространство 3. Отвод дыма осуществляется в боров 7. Для снижения температуры дыма имеются водяные

В период продувки ванны кислородом отсечным устройством 6 открывают камеру 1, и перекрывают наднасадочное пространство 3, и дымовые газы через поднасадочное пространство 4 отводят в боров 7. Температура дыма снижается за счет воды, подаваемой в форсунки 8. В этот период верх насадок, если необходимо, обогревается горелками. При изменении направления факела воздух подается в рабочее пространство печи через поднасадочное пространство 4 и камеру 1.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТА ТЫ РАБОТЫ.

I.Разработан и внедрен безмазутный способ отопления

мартеновских печей, в котором, с целью повышения и регулирования светимости и окислительной способности факела, в горелку низкого давления подают газ, а окислитель подают отдельно от газа коаксиальными струями в горелку высокого давления, л/

2.Способ сжигания природного газа двухслойным факелом применен для отопления печей, как работающих скрап-рудным процессом на жидком чугуне с применением кислорода для интенсификации горения и продувки ванны, так и для печей, работающих скрап-процессом на холодном чугуне без кислорода, а также для чугуноплавильных печей.

3.Доказано, что изменение ориентации факела по отношению к зеркалу ванны изменением угла наклона горелок и перераспределением газа между горелками по периодам плавки приводит к уменьшению расхода топлива на единицу полученной стали.

4.Установлено и практически подтверждено, что при различных расстояниях фурмы по отношению к границе шлак-металл наилучшее использование кислорода для продувки жидкого металла достигается при определенных углах наклона сопла к оси фурмы. Установлена величина этих углов, о, с, А/// Л6

5.Доказано, что рациональный диаметр головки фурмы с числом сопел и их диаметром связаны соотношением:

Б = 7<3 п/<£

6.Разработаны й внедрены способы продувки ванны кислородом, обеспечивающие уменьшение угара железа, потерь металла со спускаемыми шлаками и подавления пылевыделения, е,

7. Практически доказано, что использование сводовых газокислородных горелок позволяет сократить до 35% пылевыделение из ванны.

8.Разработана и испытана конструкция сводового кессона, с помощью которого реализован принцип аэродинамической защиты главного свода мартеновской печи, о.е, «/У Щ11М1 1,

9.Разработано и внедрено устройство подвесного свода шлаковиков и регенераторов, что в два раза повысило их стойкость, <?.е- ¿¿ОббРЯ,-

Ю.Эмпирическим путем определена улучшенная конфигурация главного свода мартеновской печи, которая

обеспечивает равномерность износа огнеупоров по поверхности свода и повышает его стойкость, ¿г.**.

11.Установлено, что главные своды из огнеупоров с электроплавленной алюмомагнезиальной шпинелью имеют износ на 30% меньший по сравнению с периклазошпинелидными.

12. Разработаны конструкция и способ работы регенератора мартеновской печи в условиях продувки ванны кислородом, й,е. tJ/JAoPiVO, &&£>'f1+.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1.Пронькин В. Е. "Безмазутное отопление мартеновских печей". 'Металлургическая и горнорудная промышленность', 1996г.,№1.

2.Пронькин В.Е. "К вопросу о выборе конструкций и режимов работы кислородных фурм". Металлургическая и горнорудная промышленность', 1995г.,№4.

3.Воронов Ю.Ф.,Белокуров Э.С.,Пронькин В.Е. "Освоение 600-тонных мартеновских печей." Металлургическая и горнорудная промышленность, !962г..№3.

4.КолгановГ.С.,БабенышевМ.А.,ПронькинВ.Е.,ГрековЕ.А. "Выплавка стали в большегрузных печах с продувкой ванны кислородом." Бюллетень ЦИЙН ЧМ,1965г.,№10.

5.Кобеза И.И.,Белокуров Э.С.,Пронькин В.Е. "Отопление 600-тонной одноканальной мартеновской Печи природным газом с самокарбюрацией." Сталь, 1965г.,№ 12

6.Бабенышев М.А. Пронькин В.Е."Работа 600-тонной мартеновской печи с продувкой" ванны кислородом." Металлург, 1966г..№ 1

7.Белокуров Э. С. и Пронькин В.Е. "Реконструкция плоских сводов шлаковиков и регенераторов одноканальной мартеновской печи." Металлург, 1966г.,№5.

S.E.S.Belokurov and V.E.Pron'kin "Redesign of Flat Roofs of the Slag Pockets and Regenerators of an O-H Furnace with Single uptake Ports."Steel Times. Oktober, 1967,№13.

9.Ветров H.И.,Греков Е.А.Литвин В.М.,ПронькинВ.Е. "Опыт эксплуатации кислородных фурм различной конструкции на 600-тонной мартеновской печи. Бюллетень ЦИИН 4M ,1966г,№11.

Ю.Гавриленко Н.Г..Кобеза И.И.,Пронькин В Е. и др. "Работа 600-т. одноканальных мартеновских печей на природном газе с самокарбюрацией в факеле. Сталь, 1968г.,.N"9 8.

И.Воронов Ю.Ф.,Шаповалов Э.В.,Пронькин В.Е. и др. "Использование сводовых газокислородных горелок на большегрузной мартеновской печи." Бюллетень ЦИИН ЧМ, 1969г.№12.

12.Греков Е.А:,Боршевский И.К.,Пронькин В.Е. и др. "Влияние режима продувки ванны кислородом на выход металла в мартеновской печи." Бюллетень ЦИИН ЧМ,1969г..№21.

И.Глинков М.А.,Демин Г.И.,Пронькин В.Е. и др."0 выборе конструкции и режимов работы кислородных фурм." Сталь, 1970г..№2.

14.БородулинА.И.,Кобеза И.И.,Пронькин В.Е. и др. "Особенности работы мартеновских печей, оборудованных сводовыми газокислородными горелками." Бюллетень ЦИИН ЧМ, 1970г.,№16.

15.Бородулпн А.И.,Воронов Ю.Ф..Пронькин В.Е. и др. "Повышение стойкости сводов большегрузных мартеновских печей." Бюллетень ЦИИН ЧМ, 1970г.,№22.

16.Воронов Ю.Ф.,Колганов Г.С.,Пронькин В.Е. и др. "Эффективность продувки ванны мартеновской печи кислородом через фурмы различной конструкции." Бюллетень ЦИИН ЧМ. 1972г.,№1.

17.Бородулин А.И., Кобеза И.И.,Пронькин В.Е. и др. "Отопление однотрактовых мартеновских печей природным газом с самокарбюрацией факела." Металлургическая и горнорудная промышленность, 1971г.,№2.

18.ШаповаловВ.С., АнтоновГ.И., ПронысинВ.Е. и др. "Служба кирпича с электроплавленной шпинелью в своде большегрузной мартеновской печи." Металлургическая и горнорудная промышленность, 1975г.,№4.

19-30. Авторские свидетельства Пронькина В.Е. и др. : №№ 269175, 331094, 268456, 214557, 248721, 339742, 206602, 250940, 250177, 212281, 427058, 238825.

RESUME

V.E.Pron'kin. The development of equipment and methods of energy saving in steelmelting production.

A thesis for Scientific Degree of Candidate of Tecliical Sciences in speciality 05.16.02 - metallurgy of black steel, Dnepropetrovsk, Institute of Blak Metallurge named by Z.I.Necrasov, NAS, Dnepropetrovsk, 1996.

18 published works and 12 author's certificates includinq theoretical researches of heat work of Marten (Blast) furnace usinq different methods of heatinq are presented here. Structural implementation of burninq equipments is solved and parameters of their adjustment in port ends are defined.

Effective using of heat in slaqqinq and ekzothermal reactions in modem conditions depends on optimum introduction of oxyqen in liquid metallic bath, lit was necessaiy to researh on models the heat and mass chanqes of qas jet with liquid and also to define optimum slopes of nozzles of furma their diameter and quantity.

For increasinq the efficiency of blowinq conditions, increasinq of qood output and decreasinq of dust formation, new technique, of heat blowinq were required. <-}

The researd of purposes and character of wear of main elements of Marten furnace qave the possibility to fmd new arranqements and methods for increasinq their resistance:

new confiquration of principal arch, new suspension of slaqs arches and reqenerators new construction and method of work of rtqenerators in conditions of bath blowinq with oxyqen.

All arranqements and methods suqqested in the present work were defended by futhor s certificates.

Ключов1 слова :

Мартешвська ni4, киснева фурма, газовий пальник.

АННОТАЦИЯ

Пронькин В.Е. Разработка способов и устройств энергосбережения в сталеплавильном производстве.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - металлургия, черных металлов, днепропетровский Институт черной металлургии имени З.И.Некрасова, HAH Украины, Днепропетровск, 1996.

Защищается 18 печатных работ и 12 авторских свидетельств, в которых содержатся теоретические исследования тепловой работы мартеновской печи при разных способах отопления, решено конструктивное оформление горелочныч устройств, определены параметры их установки в головках мартеновских печей.

Эффективное использование тепла шлакообразования и от экзотермических реакций в современных условиях зависит от оптимального внедрения кислорода в жидкую металлическую ванну.Потребовалось на модели исследовать тепло-массообмен газовой струи с жидкостью, определить утлы наклона сопел фурмы, их диаметр, количество. Для повышения эффективности режимов продувки, увеличения выхода годного, снижения пылевыделения потребовались новые способы продувки плавки.

Исследование причин и характера износа основных элементов мартеновской печи позволили найти новые устройства и способы для повышения их стойкости : аэрозащита, новые огнеупоры и новая конфигурация главного свода, новая подвеска сводов щлаковиков и регенераторов в условиях продувки ванны кислородом.

Все устройства и способы, предложенные в настоящей работе, защищены авторскими свидетельствами.

Ключов» слова:

Мартен 1вська шч, киснева фурма, газовий пальник.