Мартеновские печи

 

        3.2 Характеристика  элементов

 

3.2.1 Рабочее пространство печи

 

Рабочее пространство мартеновской печи ограничено сверху сводом, снизу - подом (или «подиной»). В передней стенке видны проемы — завалочные окна, через которые в рабочее пространство загружают твердую шихту и заливают (по специальному приставному желобу) жидкий чугун.

Обычно завалочные окна закрыты  специальными футерованными крышками с отверстиями - гляделками, через которые сталевар наблюдает за ходом плавки и состоянием печи. Кладка рабочего пространства мартеновских печей, несмотря на значительную ее толщину, не может эксплуатироваться без металлического каркаса. Это объясняется тем, что она выполняется из отдельных кирпичей, слабо связанных друг с другом, имеет несимметричную форму и в связи с расширением при нагреве в ней возникают значительные усилия.

Для сохранения формы и  размеров основных элементов печи детали каркаса, которые подвергаются наибольшему  тепловому воздействию, изготовлены  в виде пустотелых стальных охлаждаемых  конструкций (кессоны газовых пролетов, пятовые балки, рамы и заслонки завалочных окон, холодильники в верхней части  задней стенки, в столбиках между  завалочными окнами, амбразурах шлаковых отверстий и кислородных фурм и др.). При этом используют как водяное, так и испарительное охлаждение.

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 металлов и шлака; в рабочем пространстве максимальная температура. Стойкостью элементов рабочего пространства печи определяют, как правило, стойкость всей печи и, следовательно, сроки промежуточных и капитальных ремонтов.

 

3.2.2. Подина печи

Верхний слой основной подины изготовляют обычно из магнезитового  порошка (реже доломитового), который  набивают или наваривают на служащий основанием магнезитовый кирпич.

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.

 

 

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 3 - Подина печи

 

3.2.3 Свод печи

Свод мартеновской печи практически  не соприкасается со шлаком, поэтому  его можно изготовлять из кислых и основных огнеупорных материалов независимо от типа процесса. Своды  изготовляют из динасового или термостойкого магнезитохромитового кирпича.

3.2.4 Головки печи

Рабочее пространство с торцов оканчивается головками. Правильный выбор конструкции  головок имеет большое значение для хорошей работы печей. Через  головки в печь подают воздух и  топливо. 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:

-хорошую настильность факела по всей длине ванны (чтобы максимум тепла передать ванне и минимум — своду и стенкам);

-минимальное сопротивление при отводе продуктов сгорания из рабочего пространства;

-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. Эта двоякая  роль головок (с одной стороны, служить  для ввода в печь воздуха и  топлива, а с другой — отводить продукты сгорания) ставит очень непростую задачу перед конструкторами при проектировании печей.

3.2.5 Шлаковики

Отходящие из рабочего пространства печи дымовые газы проходят через  головку и по вертикальным каналам  попадают в шлаковики. В шлаковиках оседает 50—75 % плавильной пыли, 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 % оксидов 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. В этом случае взаимодействие футеровки с плавильной пылью  не влияет так сильно на материал футеровки, а осевшая в шлаковике пыль представляет собой более рыхлую массу. Однако очистка шлаковиков от массы осевшей в них пыли (шлака) - операция также очень трудоемкая, для ее осуществления используют специальное оборудование.

В шлаковиках должна вмещаться вся  плавильная пыль, вылетающая из печи. В  газах, выходящих из рабочего пространства мартеновской печи, содержится пыли 2—4,5 г/м³, в моменты продувки ванны  кислородом количество пыли возрастает почти в десять раз.

3.2.6 Регенераторы

Из шлаковиков отходящие газы с  температурой 1500—1600 °С попадают в насадки регенераторов. Объем насадки регенераторов и площадь поверхности ее нагрева, то есть поверхности кирпича насадки, омываемой движущимися газами, взаимосвязаны. Эти величины определяют специальным теплотехническим расчетом, от них зависят основные показатели работы печи — производительность и расход топлива. Регенераторы должны обеспечивать постоянную высокую температуру подогрева газа и воздуха. В более тяжелых условиях работают верхние ряды насадок, поскольку в этой части регенератора температура и осаждение пыли наиболее высокие, поэтому верхние ряды насадок выкладывают из термостойкого магнезитохромитового или форстеритового кирпича. Нижние ряды насадок работают при температурах 1000-1200 °С (и менее), их выкладывают из более дешевого и прочного шамотного кирпича.

3.2.7 Перекидные клапаны

Мартеновская печь - агрегат реверсивного действия, в котором направление движения газов по системе печи периодически меняется. Для этого в боровах, а также в газопроводах и воздухопроводах устанавливают систему шиберов, клапанов, дросселей, задвижек, объединяемых общим названием «перекидные клапаны». Операция «перекидки клапанов» в современных мартеновских печах автоматизирована.

Из боровов дымовые газы поступают  в дымовую трубу. Высоту трубы  рассчитывают таким образом, чтобы  создаваемая ею тяга (разрежение) была достаточной для преодоления  сопротивления движению дымовых  газов на всем пути. Дымовая труба — сложное и дорогостоящее сооружение. Высота дымовых труб современных крупных мартеновских печей превышает 100 м. Дымовые трубы обычно выкладывают из красного кирпича с внутренней футеровкой из шамотного кирпича. Таким образом, в конструкциях современных мартеновских печей широко используют следующие огнеупорные материалы: магнезит, магнезитохромит, форстерит, динас и шамот. Объем огнеупорной кладки 500-тонной печи составляет около 3750 м³. Ряд элементов печи изготовляют из металла, некоторые из них (рамы и заслонки завалочных окон, балки, поддерживающие свод рабочего пространства, перекидные клапаны и др.) соприкасаются с горячими газами и нуждаются в непрерывном охлаждении.

Расход воды на охлаждение этих элементов  печи очень значителен. Современные  большие мартеновские печи требуют  для охлаждения более 400 м³ воды в 1 ч. С охлаждающей водой теряется 15—25 % общего количества тепла, вводимого в печь. Расход воды зависит от ее жесткости. Допустимая температура нагрева воды тем выше, чем меньше жесткость воды. Обычно допускается нагрев охлаждающей воды на 20—25 °С, что равносильно тому, что 1 л воды уносит 85—105 кДж.

Для уменьшения расхода воды водяное  охлаждение ряда элементов печи заменяют испарительным. Если применять не техническую, а химически очищенную воду, то можно, не боясь выпадения осадка (накипи), нагревать ее до 100 °С и выше. При этом от охлаждаемого элемента отводится не только тепло, затрачиваемое на нагревание воды до кипения, но и скрытая теплота парообразования (2,26 МДж/кг), то есть 1 л воды отводит от охлаждаемого элемента печи не 85—105 кДж, а 2,58—2,6 МДж. Таким образом, расход воды можно сократить почти в 30 раз, кроме того, на больших печах получают при этом некоторое количество пара (до 10 т/ч), который может быть использован.

Существует также так называемое «горячее» охлаждение печей. Система  горячего охлаждения технологически мало отличается от обычного способа охлаждения обычной производственной водой. Все  охлаждаемые элементы печи остаются без изменения, но через них вместо обычной производственной воды с  температурой 15—30 °С пропускают химически очищенную теплофикационную воду из оборотной теплофикационной сети с температурой 50—80 °С, которая, пройдя охлаждаемые элементы печи и подогревшись в них на 20—30 °С, возвращается обратно в теплофикационную сеть, где передает полученное тепло потребителю.

 

 

4 Анализ возможных отказов технической  системы

 

4.1 Взаимодействие и взаимосвязь основных элементов мартеновской печи

 

Под печи конструктивно выполнен с уклоном к выпускному отверстию, чтобы весь металл и шлак могли полностью вытекать из печи. Рабочее плавильное пространство расположено на высоте 4,5 -8 м от уровня пола с таким расчетом, чтобы под выпускной желоб можно было подводить разливочный ковш.

В настоящее время на отечественных  заводах повышается удельный  вес крупных мартеновских печей, повышается емкость действующих печей, разработаны типовые мартеновские печи ёмкостью 600—700 т и 800—900 т. Работа мартеновских печей переведена на автоматическое управление с применением в отдельных случаях счетно-решающих машин.

Регенераторы  (рисунок 1) расположены под печью или под рабочей площадкой. Они занимают первый этаж и углублены значительно ниже уровня пола. Регенераторы устанавливают с двух сторон печи попарно. При этом одна пара нагревается, вторая пара отдает тепло.

Регенераторы 10 (рисунок 1) нагревают воздух, а регенераторы 11 нагревают газ. Если печь работает на жидком топливе или высококалорийном природном или коксовом газе, то регенераторы нагревают только воздух.

Для предохранения отдельных  частей металлической арматуры печей  последние охлаждаются водой. Мартеновская печь работает по следующему принципу. Через правую пару регенераторов (рисунок 1) по каналам подают газ и воздух, которые, проходя регенераторы 10 и 11, постепенно нагреваются до 1100° и выше. Нагретые газ и воздух смешиваются в головке печи и сгорают. Образующиеся продукты сгорания направляются на поверхность металлической ванны и удаляются из рабочего пространства через каналы 13’, 14’ в левую пару регенераторов. Температура отходящих газов в верхней части регенераторов 1600°; по мере их опускания температура их понижается: из газового регенератора они удаляются с температурой 600° и через дымовые каналы отводятся в трубу.

Спустя некоторое время, движение газов в печи переключают  в противоположном направлении  так, чтобы левая пара регенераторов  нагревала воздух и газ, а правая  нагревалась.

Направление отходящих газов  и подачу холодного воздуха и  газа регулируют с помощью специальных  клапанных перекидных устройств 15 (рисунок 1). Регулирование теплового режима мартеновской печи осуществляется автоматически. Для этой цели в местах заданных температур устанавливают приборы для измерения температуры связанные с автоматическими устройствами. В настоящее время более 90% стали выплавляется на автоматизированных мартеновских печах. Мартеновские печи имеют устройства для подачи кислорода для форсирования горения топлива или для окисления примесей в жидкой ванне.

Кислород для окисления  примесей подается через сводовые водоохлаждаемые фурмы 19 (рисунок 1). При подаче кислорода в жидкую ванну его используют для введения порошкообразных флюсов непосредственно в жидкий металл. В отдельных случаях для этой цели используют воздух. Ввод порошкообразных материалов в жидкий металл ускоряет процессы шлакования вредных примесей.

 

4.2 Возможные отказы технической  системы

 

Важными понятиями в теории надежности и практике эксплуатации технических систем (ТС) являются повреждения и отказы.

Повреждением называется событие, заключающееся в нарушении  исправности ТС или ее составных  частей из-за влияния внешних условий, превышающих уровни, установленные  нормативно – технической документацией.

Отказ - это случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности ТС под влиянием ряда случайных факторов, или событие, после возникновения которого, изделие утрачивает способность выполнять заданные функции.