Öppen härd ( öppen härd ) - en smältugn för bearbetning av tackjärn och järnskrot till stål med önskad kemisk sammansättning och kvalitet. Namnet kommer från namnet på den franske ingenjören och metallurgen Pierre Emile Martin , som skapade den första ugnen av denna typ 1864.
Pierre Martin föreslog en ny metod för att tillverka gjutstål i regenerativa flamugnar. Med hjälp av principen om värmeregenerering av förbränningsprodukter utvecklad 1856 av den tyske ingenjören K. W. Siemens , använde Marten den för att värma inte bara luft utan även gas. Tack vare detta var det möjligt att få en temperatur tillräcklig för stålsmältning.
Försöken att använda Siemens-ugnar inom järnmetallurgi började omedelbart, men de vilade på det otillräckliga motståndet hos de då existerande fodermaterialen mot stålets aldrig tidigare skådat höga smälttemperatur, så de begränsades till att använda dessa ugnar för att smälta stål från cementerat järn i deglar. [1] Av en ren slump hade sanden som användes för att tillverka dinas tegel nära Martens fabrik i Sirøy föroreningar som gjorde att den kunde sintra bättre, och detta, som senare upptäcktes, gav ett utmärkt brandmotstånd för badet [2] .
Den första smältningen utfördes av Mårten vid hans anläggning den 8 april 1864, medan varken avkolning eller avlägsnande av föroreningar från gjutjärn med hjälp av oxidation utfördes. Metoden, som nu kallas öppen härd, blev allmänt använd inom metallurgin under 1800-talets sista fjärdedel , och i början av 1900-talet smältes hälften av världens totala stålproduktion i ugnar med öppen härd [3] . Mårten själv tjänade dock inte så mycket på detta, eftersom en ingående granskning av hans patent i andra länder avslöjade att hans prioritet egentligen bara gäller slaggbildande tillsatser, som snabbt ersattes av nyare, och allt annat var antingen utvecklat av Siemens eller kända även före dem. båda. [fyra]
Spridningen av stålsmältningsmetoden med öppen härd i Europa underlättades av den höga efterfrågan på räls och möjligheten att lägga till upp till 30 % av stål- och järnskrot (inklusive slitna räls) till laddningen av ugnar med öppen spis. Problemet med högt fosforinnehåll i den ursprungliga anläggningens europeiska räls löstes genom att tillsätta ferromangan i ugnen . Således ersatte öppen härd och Bessemer - stål på 1860-talet praktiskt taget degelstål vid tillverkning av hjuldäck , fjädrar , axlar och skenor [5] .
I Ryssland byggdes den första ugnen med öppen spis av S. I. Maltsev 1866-1867 vid Ivano-Sergievsky järnverk i Maltsevsky fabriksdistrikt . Den 16 mars 1870 genomfördes den första smältningen av en 2,5-tons ugn vid anläggningen i Sormovo [6] . Anläggningens grundare, en grekisk köpman som accepterade ryskt medborgarskap, Dmitry Yegorovich Benardaki , tog 1870 med sig en ung ingenjör Alexander Iznoskov , som byggde ugnen. 1998 upphörde ugnarna med öppen härd vid Sormovsky-fabriken att fungera. I juni 2005 ingicks en säkerhetsskyldighet för verkstadsbyggnaden, där den första ryska ugnen med öppen spis installerades, mellan anläggningen och kulturministeriet i Nizhny Novgorod-regionen . I maj 2012 demonterades byggnaden av den rullande butiken i strid med kraven i den federala lagen "Om föremål för kulturellt arv (monument av historia och kultur) av folken i Ryska federationen" [7] [8] .
År 1879 lanserade John Yuz den första ugnen med öppen härd vid Yuzovsky-fabriken [9] .
Sedan andra hälften av 1900-talet har andelen öppenhärdstål av den totala produktionsvolymen minskat i alla större producerande länder. I det här fallet är det en ersättning med stål som smälts i syreomvandlare och elektriska ugnar. Så, till exempel, under perioden från 1960 till 2005 i Sovjetunionen (Ryssland), minskade andelen öppenhärdstål i den totala produktionsvolymen från 85 till 25%; i USA - från 87% till noll; i Ukraina - från 53 till 45%; i Kina - från 25% till noll; i Tyskland - från 47% till noll; i Japan, från 68 % till noll [10] . Sedan 1970-talet har inga nya ugnar med öppen spis byggts i världen [11] . Den öppna härdprocessen har praktiskt taget ersatts av en mycket effektivare syrgasomvandlarmetod (cirka 63 % av världsproduktionen), såväl som av elektrisk smältning (mer än 30 %). Enligt resultaten från 2008 står den öppna härdproduktionsmetoden för inte mer än 2,2 % av världens stålproduktion [11] . Enligt resultaten från 2008 observerades den största andelen stålsmältning med öppen härdmetoden i världen enligt resultaten från 2008 [12] i Ukraina .
2018 stängdes den sista stora ugnen med öppen spis i Ryssland [11] . Efter det bevarades denna metod för stålproduktion endast i Ukraina [13] .
Sedan 1999 har användningen av lågintensiv syrefri sprängning börjat i öppen härdproduktion. Tekniken för "dold" bottenblåsning baserades på tillförsel av neutral gas genom blåselementen installerade i härdens murverk , och användningen av speciella eldfasta pulver för dess fyllning. Under 6 år överfördes 32 ugnar med öppen härd med olika kapacitet - från 110 till 400 ton, till denna teknik, 26 av dem arbetade med skrotprocessen. Beroende på ugnens kapacitet installerades 3–5 blåselement i härden med ett flöde på 30–100 l/min per element. Denna teknik har avsevärt minskat stilleståndstiden för varma och kalla, inklusive för reparation av härd; för att minska smälttiden med 10-20%; med 12-18 % för att öka ugnarnas produktivitet per faktisk timme och produktionen av stål i verkstaden; minska kostnaderna för standardbränsle, fyllnadsmaterial och eldfasta ugnsmaterial; 1,3-2 gånger ökade valvets motstånd och varaktigheten av kampanjen under översynsperioden .
Beroende på sammansättningen av de eldfasta materialen i ugnshärden kan den öppna härdmetoden för stålsmältning vara basisk ( CaO och MgO dominerar i sammansättningen av det eldfasta materialet ) och sur (härden består av SiO 2 ). Valet av foder beror på den förväntade sammansättningen av slaggen under smältningsprocessen .
Grundprincipen för driften är insprutning av en het blandning av brännbar gas och luft i en ugn med lågt välvt tak, som reflekterar värmen ner på smältan. Luft värms upp genom att blåsa den genom en förvärmd regenerator (en speciell kammare där kanalerna är fodrade med eldfasta tegelstenar). Regeneratorn värms upp till önskad temperatur av renade heta ugnsgaser. En alternerande process inträffar: först värms regeneratorn genom att blåsa ugnsgaser och sedan blåsa kall luft.
Metoden med öppen härd beror också på sammansättningen av den laddning som används vid smältning. Det finns sådana varianter av den öppna härdmetoden för stålsmältning:
Perioderna för processen att erhålla stål i en ugn med öppen härd varar från fem till åtta timmar (med höghastighetståltillverkning - upp till 4,5-5,5 timmar) och består av steg [14] :
Vid behov införs legeringselement efter deoxidation : ferrotitan , ferrokrom , ferrokisel med hög kiselhalt , rent nickel och andra.
Efter avslutad smältning släpps stålet ut i skänken.
Syre används för att påskynda processen och öka produktiviteten med 15–25 %. Det introduceras under smältning på två sätt:
Hela strukturen i den öppna ugnen är uppdelad i övre och nedre. Den övre strukturen är placerad ovanför plattformen för butiken med öppen spis, som är byggd för att serva ugnen på en höjd av 5-7 m över butiksgolvet. Den övre strukturen består av ugnens faktiska arbetsutrymme och huvuden med vertikala kanaler som sträcker sig nedåt. Den nedre delen är placerad under arbetsplattformen och består av slaggtankar , regenerativa kammare med munstycken och svin med vältningsanordningar.
Arbetsutrymmet för en öppen spisugn begränsas ovanifrån av ett valv, underifrån - av en härd (eller "härd"). Öppningar är synliga i de främre väggfyllande fönstren , genom vilka fast laddning laddas in i arbetsutrymmet och flytande järn hälls (genom en speciell bifogad ränna ).
Vanligtvis är påfyllningsfönstren stängda med speciella fodrade lock med peepers genom vilka ståltillverkaren övervakar smältans framsteg och ugnens tillstånd.
Av alla element i ugnen är arbetsutrymmet i de svåraste förhållandena - det är smältningen av stål. Under fyllningen av den fasta laddningen utsätts de eldfasta materialen från vilka arbetsutrymmet är tillverkat för skarpa termiska och mekaniska stötar, under smältning utsätts de för kemisk attack av smälta metaller och slagg; temperaturen i arbetsytan är maximal. Motståndet hos elementen i ugnens arbetsutrymme bestämmer som regel motståndet för hela ugnen och följaktligen tidpunkten för mellanliggande och större reparationer.
Härden är den nedre delen av arbetsutrymmet i ugnen med öppen spis. Ovanför botten finns smält metall. Härden måste motstå massan av metall och slagg, stötar vid laddning av laddningen, påverkan av erosionsprocesser vid interaktion med smält metall och slagg, verkan av spänningar som uppstår i eldfasta material med frekventa och skarpa temperaturförändringar.
Det översta lagret av huvudhärden är vanligtvis gjord av magnesitpulver (mindre ofta dolomit ), som är stoppad eller svetsad på en magnesit tegelsten som fungerar som bas.
Ugnens bak- och framväggar fungerar (särskilt i den nedre delen) under nästan samma förhållanden som härden, eftersom de också kommer i kontakt med flytande metall och slagg. Bak- och framväggarna på den sura ugnen med öppen spis är gjorda av tegelsten , huvudugnen med öppen spis är gjord av magnesit. I magnesitdelen av murverket finns expansionsfogar, fyllda med kartong, plywood och trädistanser. Vid uppvärmning brinner packningarna ut, och den expanderande tegelstenen fyller luckorna.
Trots att härdens material, såväl som bak- och framväggarna, i sina kemiska egenskaper motsvarar slaggens natur (basiskt eller surt), interagerar slaggen med den eldfasta beklädnaden. De platser i badet som kommer i kontakt med slagg under smältningen visar sig vara något skadade (korroderade av slagg) efter att smältan släppts. Om speciella åtgärder inte vidtas, kan slitagegraden efter flera uppvärmningar öka så mycket att ugnen kommer att vara i ett nödläge. För att undvika detta, efter varje smältning, repareras härden (tankning av ugnen): sand kastas över de korroderade platserna i den sura härden och magnesit eller dolomitpulver används för huvudhärden. Tankning utsätts också för änddelarna av härden som gränsar till ugnens huvuden; de kallas backar. Tankning utförs med hjälp av speciella påfyllningsmaskiner.
1958 föreslog Gennadij Ivanovitj Baryshnikov en originalmetod för hårdbeläggning av en härd med hjälp av vanlig kvarnskala. Som ett resultat reducerades härdsvetstiden till 7 timmar. Längs vägen hittade man en lösning på problemet med härdens hållbarhet. Många världsberömda forskare, inklusive den berömda sovjetiska metallurgen V. E. Grum-Grzhimailo , kämpade utan framgång över detta problem, och en examen från den metallurgiska tekniska skolan klarade av det. Användningen av fint dispergerat magnesitpulver, malt till ett tillstånd av damm, istället för det vanliga pulvret, skapade en härd med hög styrka. Samtidigt reducerades tiden för tankning av eldstaden (förebyggande reparationer efter varje värme) till en timme.
Taket på en öppen spisugn är praktiskt taget inte i kontakt med slagg, så det kan tillverkas av sura och basiska eldfasta material, oavsett typ av process. Valven är gjorda av dinas eller värmebeständiga tegelstenar av magnesit -kromit .
Arbetsutrymmet från ändarna slutar med huvuden. Rätt val av huvuddesign är avgörande för god ugnsprestanda. Luft och bränsle matas in i ugnen genom huvudena. Formen och ett antal andra egenskaper hos brännaren beror på hastigheten med vilken luft och bränsle förs in i arbetsutrymmet och hur väl bränslestrålarna och luften blandas, och hela ugnens drift beror på brännaren.
Chefer måste tillhandahålla:
För att uppfylla de första och tredje kraven måste tvärsnittet av utloppen vara litet (så att luft- och bränsleinsprutningshastigheterna är maximala); för att uppfylla det andra kravet måste tvärsnittet tvärtom vara maximalt. Denna dubbla roll för huvudena (å ena sidan tjänar de till att införa luft och bränsle i ugnen, och å andra sidan att ta bort förbränningsprodukter) utgör en mycket svår uppgift för designers när de designar ugnar.
Rökgaser som lämnar ugnens arbetsutrymme passerar genom huvudet och kommer in i slagggroparna genom vertikala kanaler. 50-75 % av smältdammet sedimenterar i slaggen, och grovt stoft sedimenterar, finare fraktioner förs till stor del bort i röret (10-25 % av dammet lägger sig i regeneratorernas munstycken). På vägen för rörelse av rökgaser reagerar det smältande dammet som finns i dem med murverksmaterial. Denna omständighet måste beaktas vid val av material för att lägga vertikala kanaler och slagggropar.
Nästan allt damm är basiska oxider (inklusive 60-80 % järnoxider). Om de vertikala kanalerna och slagggroparna är fodrade med kiseldioxidtegel, så samverkar de basiska oxiderna som utgör dammet kraftigt med det sura fodermaterialet för att bilda lågsmältande järnsilikater. Fodrets motstånd är otillräckligt, och dessutom bildar dammet som sätter sig i slaggen en tät monolit, som är mycket svår att ta bort under reparationer.
I detta avseende används ofta värmebeständiga tegelstenar av magnesit-kromit för att lägga vertikala kanaler och slagggropar. I det här fallet påverkar inte fodrets växelverkan med smältdamm fodermaterialet så mycket, och dammet som lagt sig i slaggen är en lösare massa. Men att rengöra slagg från massan av damm (slagg) som lagt sig i dem är också en mycket tidskrävande operation; specialutrustning används för dess genomförande.
Slagtankarna ska innehålla allt smältdamm som flyger ut ur ugnen. De gaser som lämnar arbetsutrymmet i den öppna ugnen innehåller damm på 2–4,5 g/m³, i de ögonblick då badet renas med syre ökar mängden damm nästan tio gånger.
Från slagggroparna kommer avgaser med en temperatur på 1500–1600 °C in i regeneratormunstyckena. Volymen av regeneratorpackningen och ytarean av dess uppvärmning, det vill säga ytan på packningsstenen tvättad av rörliga gaser, är sammankopplade. Dessa värden bestäms av en speciell värmeteknisk beräkning, huvudindikatorerna för ugnsdriften beror på dem - produktivitet och bränsleförbrukning. Regeneratorer måste ge en konstant hög temperatur för uppvärmning av gas och luft. De övre raderna av munstycken fungerar under svårare förhållanden, eftersom temperaturen och dammavsättningen är högst i denna del av regeneratorn, därför är de övre raderna av munstycken utlagda av värmebeständiga tegelstenar av magnesit-kromit eller forsterit . De nedre raderna av munstycken arbetar vid temperaturer på 1000-1200 ° C (eller mindre), de är utlagda från billigare och mer hållbara tegelstenar av lera .
En ugn med öppen härd är en reversibel enhet i vilken riktningen för gasernas rörelse genom ugnssystemet ändras periodiskt. För att göra detta, i svin, såväl som i gasledningar och luftledningar, installeras ett system med slussventiler , ventiler, trotlar , gateventiler, förenade med det vanliga namnet "vippventiler". Driften av "ventilomkastning" i moderna ugnar med öppen härd är automatiserad.
Från svinen kommer rökgaser in i skorstenen . Rörets höjd beräknas på ett sådant sätt att dragkraften (vakuum) som skapas av den är tillräcklig för att övervinna motståndet mot rökgasernas rörelse hela vägen.
Skorstenen är en komplex och dyr struktur. Höjden på skorstenarna i moderna stora ugnar med öppen spis överstiger 100 m. Skorstenarna är vanligtvis utlagda av rött tegel med en invändig beklädnad av lersten.
Följande eldfasta material används i stor utsträckning i designen av moderna ugnar med öppen härd: magnesit, magnesit-kromit, forsterit, dinas och eldlera. Volymen av eldfast tegel i en 500-tons ugn är cirka 3 750 m³. Ett antal element i ugnen är gjorda av metall, några av dem (ramar och luckor för fyllningsfönster, balkar som stöder taket på arbetsutrymmet, vältventiler etc.) kommer i kontakt med heta gaser och kräver kontinuerlig kylning.
Vattenförbrukningen för kylning av dessa element i ugnen är mycket betydande. Moderna stora ugnar med öppen spis kräver mer än 400 m³ vatten per timme för kylning, 15-25 % av den totala mängden värme som tillförs ugnen går förlorad med kylvatten. Vattenförbrukningen beror på dess hårdhet. Den tillåtna vattenuppvärmningstemperaturen är högre ju lägre vattnets hårdhet är . Det är vanligtvis tillåtet att värma kylvattnet med 20-25°C, vilket motsvarar att 1 liter vatten transporterar bort 85-105 kJ.
För att minska vattenförbrukningen ersätts vattenkylning av ett antal ugnselement med evaporativ kylning. Om du använder inte tekniskt, utan kemiskt renat vatten, kan du, utan rädsla för nederbörd ( skala ), värma upp det till 100 ° C och över. Samtidigt avlägsnas inte bara värmen som spenderas på att värma vattnet till en kokning från det kylda elementet, utan också det latenta förångningsvärmet (2,26 MJ / kg), det vill säga 1 liter vatten tar inte bort 85-105 kJ, men 2, 58-2,6 MJ. Således kan vattenförbrukningen minskas med nästan 30 gånger, dessutom, på stora ugnar, erhålls viss ånga (upp till 10 t / h), som kan användas.
Det finns också den så kallade "heta" kylningen av ugnar. Det varma kylsystemet skiljer sig tekniskt lite från den vanliga metoden att kyla med vanligt industrivatten. Alla kylda element i ugnen förblir oförändrade, men istället för vanligt industrivatten med en temperatur på 15–30 ° C, leds kemiskt renat värmevatten genom dem från det cirkulerande värmenätet med en temperatur på 50–80 ° C, vilket, efter att ha passerat genom de kylda elementen i ugnen och värmts upp i dem i 20-30 °C, återgår den tillbaka till värmenätet, där den överför den mottagna värmen till konsumenten.
För två typiska kompositioner [15] :
Materialbalans 1Eftersom smältning med öppen härd består av fyra perioder, kännetecknade av sina egna termiska och tekniska uppgifter, ställer var och en av dem lämpliga krav på processautomatisering. De viktigaste uppgifterna som är nödvändiga för att säkerställa lämpliga smältparametrar och kontrollåtgärder är:
Följande egenskaper hos ugnar med öppen spis särskiljs ur automationssynpunkt i jämförelse med andra smältugnar [16] :
Från och med augusti 2009 var ugnar med öppen spis i drift vid följande ryska metallurgiska företag: [11]
Den 23 mars 2018 stängdes den sista stora ugnen med öppen spis i Ryssland vid Vyksa Metallurgical Plant. [23] Men från och med augusti 2021 fortsatte produktionen med öppen härd vid Petrostal Metallurgical Plant i St. Petersburg att fungera [24] , och enligt uppskattningar från World Metallurgical Association, 2020, 2 % av stålet i Ryssland producerades med öppen härdmetoden [25] .
Järnmetallurgi | ||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Allmänna begrepp Svarta metaller Legering Järn- och stålverk Metallurgiskt komplex Historien om produktion och användning av järn | ||||||||||||
Kärnprocesser _ |
| |||||||||||
Huvudenheter _ |
| |||||||||||
Huvudprodukter och material |
|
Ugnar | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Uppvärmning | |||||||||||
Uppvärmning och matlagning | |||||||||||
kök | |||||||||||
Industriell |
|