Исследование мартеновского процесса

Мартеновский процесс – один из главных способов производства стали, которым выплавляли основную массу металла в первой половине прошлого века. После промышленного освоения кислородно-конвертерного процесса доля мартеновской стали начала резко сокращаться. Однако, в Украине мартеновский процесс продолжает использоваться в значительной мере и его улучшение с позиций материало- и энергоемкости остается актуальным.

Основные направления научных исследований мартеновского процесса следующие.

1. Интенсификация мартеновской плавки. Обеспечивается в результате широкого применения кислорода (значительно увеличивается производительность печей). В ходе исследований разрабатываются оптимальные способы подачи кислорода в печь, создаются рациональные конструкции кислородных фурм.

2. Совершенствование тепловой работы печей. Достигается в результате повышения их тепловой мощности, улучшения параметров факела (жесткости, светимости, температуры) при одновременном снижении удельного расхода топлива.

3. Улучшение подготовки шихты и ускорение ее завалки. Улучшения качества чугуна и лома, уменьшение их загрязненности вредными примесями, цветными металлами способствуют повышению качества производимой стали. Для этого используются методы предварительной обработки чугуна (обессеривание магнием, известью, обескремнивание продувкой воздухом).

4. Вдувание пылевидных материалов в ванну. Применяется с целью интенсификации шлакообразования, снижения содержания вредных примесей (серы и фосфора) в стали, предварительного раскисления металла (вдувание графита или других углеродсодержащих материалов). В мартеновской технологии это обеспечивает снижение удельных расходов материалов (шлакообразующих, раскислителей и, в ряде случаев, чугуна), повышение качества стали, а также увеличение производительности печей.

5. Применение новых огнеупоров. Позволяет повысить срок службы отдельных элементов печей, сократить продолжительность ремонтов и затраты на футеровку.

6. Установление оптимальных режимов раскисления. Обеспечивается изменением режимов ввода раскислителей в металл, снижением окисленности металла и шлака в печи, уменьшением количества шлака, поступающего в ковш, а также использованием новых типов раскислителей.

7. Оптимизация ковшовой обработки. Достигается в результате продувки металла в ковше инертными газами, обработки шлаковыми смесями, вакуумирования металла.

8. Совершенствование технологии выплавки стали в двухванных сталеплавильных агрегатах. Достигается на основе разработки рационального режима продувки, шлакообразования, методов контроля плавки и расширения сортамента выплавляемой стали.

9. Разработка мер по охране окружающей среды. Мартеновские печи, особенно работающие с применением кислорода, являются источниками выбросов в атмосферу пыли и ряда токсичных веществ – оксидов азота, серы, CO и др. Вопросы охраны окружающей среды решаются как путем проектно-конструкторских разработок (реконструкция агрегатов с установкой газоочисток), так и путем технологических решений, обеспечивающих снижение вредных выбросов.

В области мартеновского производства ведутся теоретические, лабораторные и промышленные исследования. Большое место в теоретических исследованиях занимают расчеты материального и теплового балансов плавки или отдельных технологических периодов. В результате этих расчетов уточняются шихтовка плавки, расходы сырых материалов и раскислителей.

Математическое моделирование применяют при изучении физико-химических процессов, протекающих в мартеновских ваннах (окисление примесей, гидродинамика, тепло- и массообмен), имитации плавки в целом. Эти результаты используются как для совершенствования технологии плавки, так и для разработки систем управления процессом.

В лабораторных исследованиях применяют холодное и горячее моделирование. Для изучения гидродинамики взаимодействия дутья с ванной, перемешивания жидкой ванны, движения газов в печи используют х о л о д н о е м о д е л и р о в а н и е. В этом случае применяют различные трассеры и индикаторы, позволяющие наблюдать потоки в жидких фазах, фото- и киносъемку.

В мартеновском производстве широко ведутся промышленные исследования. Основные методы, применяемые в этом случае, аналогичны используемым при изучении кислородно-конвертерных процессов и заключаются в контроле и наблюдении за ходом плавок, использовании различного рода индикаторов, позволяющих изучать отдельные процессы в ванне; проведении балансовых плавок; статистической обработке данных. При наблюдении и контроле за ходом процесса проводятся хронометраж отдельных периодов, операций и плавки в целом; визуальные наблюдения за поведением ванны, факела, состоянием металла и шлака, футеровкой печи; отбор проб металла, шлака и газов для дальнейшего анализа; замер температуры ванны, газов и отдельных элементов кладки. Пробы берут по принятой в цеховой практике методике – пробной ложкой из среднего завалочного окна в стаканчик или на "скрапину" начиная с момента расплавления ванны и до выпуска. Шлак для анализа берется с пробной ложки или из печи сразу же после извлечения пробы металла. Иногда изготовляют специальные пробницы, с помощью которых одновременно отбирают ряд проб металла по глубине, длине и ширине ванны. Эти пробницы, как правило, громоздки, для их погружения в ванну используют завалочную машину.

При контроле температуры ванны можно использовать термопары для разовых замеров или данные о непрерывном замере температуры металла в случае, если печь оборудована соответствующей установкой. Хронометраж отбора проб и замеров температуры обязателен.

Один из важных методов исследований в мартеновских цехах – балансовые плавки. При их проведении строго учитывают все материалы, поступающие в печь; определяют их состав, массу металла в слитках, в недоливках, в виде скрапа; взвешивают количество спускаемого и конечного шлаков; анализируют их состав.

Балансовые плавки позволяют проанализировать все виды потерь металла, уточнить расходные коэффициенты шихтовых материалов, тепловой баланс процесса.

Для изучения механизма и кинетики процессов, протекающих в ванне печи, применяют различные индикаторы, в том числе радиоактивные изотопы. С их помощью можно исследовать кинетику плавления металлического лома, растворение шлакообразующих материалов, неравномерность состава и перемешивания металла и шлака в ванне. В ряде случаев используют изотопы элементов, распределяющихся между металлом и шлаком, например, серы или фосфора.

Статистические методы исследований основаны на анализе паспортных данных плавок валового производства и больших массивов экспериментальных данных. При этом чаще всего применяют метод множественной корреляции, который позволяет определить зависимость одного из показателей работы печи, процесса от ряда факторов, например, производительности печи от состава шихты, расхода кислорода, длительности организационных периодов плавки и т. д. Этот метод позволяет установить долю влияния каждого фактора на изучаемый параметр. С помощью статистических методов сравнивают показатели плавок валового массового и экспериментального крупносерийного производства. Например, сопоставляют средние показатели и другие характеристики выборок двух кампаний печи по своду, проведенных по разным технологическим режимам. Такое сравнение наиболее представительно при оценке эффективности новой технологии.

Дата добавления: 2014-11-18