Åben ildovn ( åben ildsted ) - en smelteovn til forarbejdning af råjern og jernskrot til stål af den ønskede kemiske sammensætning og kvalitet. Navnet kommer fra navnet på den franske ingeniør og metallurg Pierre Emile Martin , som skabte den første ovn af denne type i 1864.
Pierre Martin foreslog en ny metode til fremstilling af støbt stål i regenerative flammeovne. Ved at bruge princippet om varmeregenerering af forbrændingsprodukter udviklet i 1856 af den tyske ingeniør K. W. Siemens , anvendte Marten det til at opvarme ikke kun luft, men også gas. Takket være dette var det muligt at opnå en temperatur, der var tilstrækkelig til stålsmeltning.
Forsøg på at bruge Siemens-ovne i jernmetallurgi begyndte med det samme, men de hvilede på de dengang eksisterende foringsmaterialers utilstrækkelige modstandsdygtighed over for stålets hidtil uset høje smeltetemperatur, så de var begrænset til at bruge disse ovne til at smelte stål fra cementeret jern i digler. [1] Ved et rent tilfælde havde sandet, der blev brugt til at lave dinas-teglsten i nærheden af Martens fabrik i Sirøy , urenheder, der gjorde det muligt at sintre bedre, og dette gav, som det senere blev konstateret, fremragende brandmodstandsdygtighed af badet [2] .
Den første smeltning foretog Marten på hans anlæg den 8. april 1864, mens der hverken blev foretaget afkulning eller fjernelse af urenheder fra støbejern ved hjælp af oxidation. Metoden, der nu kaldes åben ildsted, blev meget brugt i metallurgien i den sidste fjerdedel af 1800-tallet , og i begyndelsen af 1900-tallet blev halvdelen af verdens samlede stålproduktion smeltet i ovne med åben ild [3] . Marten selv tjente dog ikke meget på dette, eftersom en detaljeret undersøgelse af hans patenter i andre lande afslørede, at hans prioritet faktisk kun vedrører slaggedannende additiver, som hurtigt blev erstattet af nyere, og alt andet var enten udviklet af Siemens eller kendt før dem begge. [fire]
Udbredelsen af stålsmeltemetoden med åben ild i Europa blev lettet af den store efterspørgsel efter skinner og muligheden for at tilføje op til 30 % af stål- og jernskrot (inklusive slidte skinner) til afgiften på ovne med åben ild. Problemet med højt fosforindhold i de europæiske skinner i den oprindelige installation blev løst ved at tilsætte ferromangan til ovnen . Således erstattede åbent ildsted og Bessemer - stål i 1860'erne praktisk talt digelstål i produktionen af hjuldæk , fjedre , aksler og skinner [5] .
I Rusland blev den første ildstedsovn bygget af S. I. Maltsev i 1866-1867 på Ivano-Sergievsky jernværket i Maltsevsky fabriksdistriktet . Den 16. marts 1870 blev den første smeltning af en 2,5 tons ovn udført på Sormovo-anlægget [6] . Grundlæggeren af anlægget, en græsk købmand, der accepterede russisk statsborgerskab, Dmitry Yegorovich Benardaki , bragte i 1870 en ung ingeniør Alexander Iznoskov , som byggede ovnen. I 1998 ophørte de åbne ovne på Sormovsky-anlægget med at fungere. I juni 2005 blev der indgået en sikkerhedsforpligtelse for værkstedsbygningen, hvor den første russiske åben ildovn blev installeret, mellem anlægget og kulturministeriet i Nizhny Novgorod-regionen . I maj 2012 blev bygningen af den rullende butik demonteret i strid med kravene i den føderale lov "Om genstande af kulturarv (monumenter af historie og kultur) af folkene i Den Russiske Føderation" [7] [8] .
I 1879 lancerede John Yuz den første åben ildovn på Yuzovsky-fabrikken [9] .
Siden anden halvdel af det 20. århundrede har andelen af åbent ildfast stål i den samlede produktionsmængde været faldende i alle større producentlande. I dette tilfælde er der en udskiftning med stål smeltet i iltkonvertere og elektriske ovne. Så for eksempel i perioden fra 1960 til 2005 i USSR (Rusland) faldt andelen af åbent ildfast stål i det samlede produktionsvolumen fra 85 til 25%; i USA - fra 87% til nul; i Ukraine - fra 53 til 45%; i Kina - fra 25% til nul; i Tyskland - fra 47% til nul; i Japan, fra 68 % til nul [10] . Siden 1970'erne er der ikke bygget nye ovne med åben ild i verden [11] . Åben ildprocessen er praktisk talt blevet afløst af en meget mere effektiv iltkonverteringsmetode (ca. 63 % af verdensproduktionen) samt af elektrisk smeltning (mere end 30 %). Ifølge resultaterne fra 2008 tegner produktionsmetoden med åben ild sig ikke for mere end 2,2 % af verdens stålproduktion [11] . Ifølge resultaterne fra 2008 blev den største andel af stålsmeltning ved åben ild-metoden i verden ifølge resultaterne fra 2008 observeret [12] i Ukraine .
I 2018 blev den sidste store ildstedsovn i Rusland lukket [11] . Derefter blev denne metode til stålproduktion kun bevaret i Ukraine [13] .
Siden 1999 er brugen af lavintensiv iltfri sprængning begyndt i åben ildproduktion. Teknologien til "skjult" bundblæsning var baseret på tilførsel af neutral gas gennem blæseelementerne installeret i ildstedets murværk og brugen af specielle ildfaste pulvere til dets fyld. I 6 år blev 32 åbne ovne med forskellig kapacitet - fra 110 til 400 tons, overført til denne teknologi, 26 af dem arbejdede med skrotprocessen. Afhængig af ovnens kapacitet blev der installeret 3-5 blæseelementer i ildstedet med en flowhastighed på 30-100 l/min pr. element. Denne teknologi har reduceret nedetid for varme og kolde markant, herunder til reparation af ildsteder; at reducere varigheden af smeltning med 10-20%; med 12-18 % for at øge produktiviteten af ovne pr. faktisk time og produktionen af stål i butikken; reducere omkostningerne til standardbrændstof, påfyldningsmaterialer og ildfaste ovne; 1,3-2 gange øget modstanden af hvælvingen og varigheden af kampagnen i overhalingsperioden .
Afhængig af sammensætningen af de ildfaste materialer i ildstedet , kan den åbne ildmetode til stålsmeltning være basisk ( CaO og MgO dominerer i sammensætningen af det ildfaste ) og sur (herden består af SiO 2 ). Valget af foring afhænger af slaggens forventede sammensætning under smeltningsprocessen .
Det grundlæggende funktionsprincip er indsprøjtning af en varm blanding af brændbar gas og luft i en ovn med lavt hvælvet loft, der reflekterer varmen ned på smelten. Luft opvarmes ved at blæse den gennem en forvarmet regenerator (et specielt kammer, hvor kanaler er foret med ildfaste mursten). Regeneratoren opvarmes til den nødvendige temperatur af rensede varme ovngasser. En alternerende proces sker: først opvarmes regeneratoren ved at blæse ovngasser, derefter blæse kold luft.
Åben ildmetoden afhænger også af sammensætningen af den ladning, der anvendes ved smeltning. Der er sådanne varianter af den åbne ildstedsmetode til stålsmeltning:
Perioderne i processen med at opnå stål i en åben ildovn varer fra fem til otte timer (med højhastighedsstålfremstilling - op til 4,5-5,5 timer) og består af trin [14] :
Om nødvendigt indføres legeringselementer efter deoxidation : ferrotitanium , ferrochrom , ferrosilicium med højt silicium , rent nikkel og andre.
Efter afslutningen af smeltningen frigives stålet i øsen.
Ilt bruges til at fremskynde processen og øge produktiviteten med 15-25%. Det introduceres under smeltning på to måder:
Hele strukturen af ovnen med åben ild er opdelt i øvre og nedre. Den øverste struktur er placeret over platformen i butikken med åben ild, som er bygget til at servicere ovnen i en højde på 5-7 m over gulvet i butikken. Den øvre struktur består af ovnens faktiske arbejdsrum og hoveder med lodrette kanaler, der strækker sig nedad. Den nederste del er placeret under arbejdsplatformen og består af slaggetanke , regenerative kamre med dyser og svin med væltningsanordninger.
Arbejdsrummet i en åben ildovn er begrænset ovenfra af en hvælving, nedefra - af en ildsted (eller "ildsted"). Åbninger er synlige i de forreste vægfyldende vinduer , gennem hvilke fast ladning indlæses i arbejdsrummet og flydende jern hældes (gennem en speciel fastgjort sliske ).
Sædvanligvis lukkes påfyldningsvinduerne med specielle forede dæksler med peepers, hvorigennem stålproducenten overvåger smeltningens fremskridt og ovnens tilstand.
Af alle ovnens elementer er arbejdsrummet under de vanskeligste forhold - det er smeltningen af stål. Under påfyldning af den faste ladning udsættes de ildfaste materialer, hvorfra arbejdsrummet er lavet, for skarpe termiske og mekaniske stød; under smeltning udsættes de for det kemiske angreb af smeltede metaller og slagger; temperaturen i arbejdsområdet er maksimal. Modstanden af elementerne i ovnens arbejdsrum bestemmer som regel modstanden af hele ovnen og følgelig timingen af mellemliggende og større reparationer.
Ildstedet er den nederste del af arbejdsrummet i ovnen med åben ild. Over bunden er smeltet metal. Herden skal modstå massen af metal og slagger, stød ved belastning af ladningen, virkningen af erosionsprocesser, når de interagerer med smeltet metal og slagger, virkningen af spændinger, der opstår i ildfaste materialer med hyppige og skarpe temperaturændringer.
Det øverste lag af hovedherden er normalt lavet af magnesitpulver (mindre ofte dolomit ), som er fyldt eller svejset på en magnesitsten, der tjener som base.
Den åbne ovns bag- og forvægge fungerer (især i den nederste del) under næsten samme forhold som ildstedet, da de også kommer i kontakt med flydende metal og slagger. Bag- og forvæggene i den sure åben ildovn er lagt ud af dinas mursten , hoved ovnen med åben ild er lavet af magnesit. I murværkets magnesit-del er forsynet med dilatationsfuger, fyldt med pap, krydsfiner og afstandsstykker i træ. Ved opvarmning brænder pakningerne ud, og den ekspanderende mursten fylder hullerne.
På trods af at ildstedets materiale såvel som bag- og forvæggene svarer i sine kemiske egenskaber til slaggens natur (basisk eller sur), interagerer slaggen med den ildfaste foring. De steder i badet, der kommer i kontakt med slagger under smeltning, viser sig at være noget beskadiget (tæret af slagger) efter frigivelsen af smelten. Hvis der ikke træffes særlige foranstaltninger, kan slidgraden efter flere opvarmninger øges så meget, at ovnen vil være i en nødsituation. For at undgå dette repareres ildstedet efter hver smeltning (påfyldning af ovnen): Sand kastes over de tærede steder i den sure ildsted, og der bruges magnesit- eller dolomitpulver til hovedherden. Brændstofpåfyldning udsættes også for de endedele af ildstedet, der støder op til ovnens hoveder; de kaldes skråninger. Brændstofpåfyldning udføres ved hjælp af specielle påfyldningsmaskiner.
I 1958 foreslog Gennady Ivanovich Baryshnikov en original metode til hårdbelægning af en ildsted ved hjælp af almindelig mølleskala. Som et resultat blev ildstedssvejsetiden reduceret til 7 timer. Undervejs fandt man en løsning på problemet med ildstedets holdbarhed. Mange verdensberømte videnskabsmænd, herunder den berømte sovjetiske metallurg V. E. Grum-Grzhimailo , kæmpede uden held over dette problem, og en kandidat fra den metallurgiske tekniske skole klarede det. Brugen af fint dispergeret magnesitpulver, formalet til en tilstand af støv, i stedet for det sædvanlige pulver, skabte en ildsted med høj styrke. Samtidig blev tiden for optankning af ildstedet (forebyggende reparationer efter hver varme) reduceret til en time.
Taget på en åben ildovn er praktisk talt ikke i kontakt med slagger, så det kan fremstilles af sure og basiske ildfaste materialer, uanset procestypen. Hvælvingerne er lavet af dinas eller varmebestandige magnesit -kromit mursten.
Arbejdsrummet fra enderne ender med hoveder. Korrekt valg af hoveddesign er afgørende for god ovnydelse. Luft og brændstof føres ind i ovnen gennem hovederne. Brænderens form og en række andre egenskaber afhænger af den hastighed, hvormed luft og brændstof indføres i arbejdsrummet, og hvor godt brændstof- og luftstrålerne blandes, og hele ovnens drift afhænger af brænderen.
Hoveder skal give:
For at opfylde de første og tredje krav skal tværsnittet af udløbene være lille (så at luft- og brændstofindsprøjtningshastighederne er maksimale); for at opfylde det andet krav skal tværsnittet tværtimod være maksimalt. Denne dobbelte rolle for hovederne (på den ene side tjener de til at indføre luft og brændstof i ovnen og på den anden side til at fjerne forbrændingsprodukter) udgør en meget vanskelig opgave for designere, når de designer ovne.
Røggasser, der forlader arbejdsrummet i ovnen, passerer gennem hovedet og kommer ind i slaggegruberne gennem lodrette kanaler. 50-75 % af smeltestøvet sætter sig i slaggen, og groft støv sætter sig, finere fraktioner føres stort set bort i røret (10-25 % af støvet sætter sig i regeneratorernes dyser). På vejen til bevægelse af røggasser reagerer smeltestøvet i dem med murværksmaterialer. Denne omstændighed skal tages i betragtning ved valg af materialer til lægning af lodrette kanaler og slaggegrave.
Næsten alt støv er basiske oxider (inklusive 60-80 % jernoxider). Hvis de lodrette kanaler og slaggegrave er foret med silica mursten, så interagerer de basiske oxider, der udgør støvet, kraftigt med det sure foringsmateriale for at danne lavtsmeltende jernsilikater. Foringens modstand er utilstrækkelig, og desuden danner støvet, der sætter sig i slaggen, en tæt monolit, som er meget vanskelig at fjerne under reparationer.
I denne henseende bruges varmebestandige magnesit-chromit mursten ofte til at lægge lodrette kanaler og slaggegrave. I dette tilfælde påvirker foringens vekselvirkning med smeltestøv ikke foringsmaterialet så meget, og støvet, der sætter sig i slaggen, er en løsere masse. Rensning af slagger fra massen af støv (slagge), der er aflejret i dem, er også en meget tidskrævende operation; specielt udstyr bruges til dets gennemførelse.
Slaggetankene skal indeholde alt smeltestøv, der flyver ud af ovnen. De gasser, der forlader arbejdsrummet i den åbne ovn, indeholder støv på 2-4,5 g/m³; i de øjeblikke, hvor badet skylles med ilt, stiger mængden af støv næsten tidoblet.
Fra slaggegravene kommer udstødningsgasser med en temperatur på 1500–1600 °C ind i regeneratordyserne. Volumenet af regeneratorpakningen og overfladearealet af dens opvarmning, det vil sige overfladen af pakningsstenen vasket af bevægelige gasser, er indbyrdes forbundet. Disse værdier bestemmes af en speciel varmeteknisk beregning, hovedindikatorerne for ovndriften afhænger af dem - produktivitet og brændstofforbrug. Regeneratorer skal give en konstant høj temperatur til opvarmning af gas og luft. De øverste rækker af dyser fungerer under vanskeligere forhold, da temperaturen og støvaflejringen er de højeste i denne del af regeneratoren, derfor er de øverste rækker af dyser udlagt af varmebestandige magnesit-chromit eller forsterit mursten. De nederste rækker af dyser fungerer ved temperaturer på 1000-1200 ° C (eller mindre), de er lagt ud fra billigere og mere holdbare ildlersten .
En åben ildovn er en reversibel enhed, hvor bevægelsesretningen af gasser gennem ovnsystemet periodisk ændres. For at gøre dette, i svin såvel som i gasrørledninger og luftrørledninger, er der installeret et system af gateventiler , ventiler, drosler , gateventiler, forenet med det almindelige navn "vippeventiler". Driften af "ventilvending" i moderne ovne med åben ild er automatiseret.
Fra svinene kommer røggasser ind i skorstenen . Højden af røret beregnes på en sådan måde, at det tryk (vakuum), der skabes af det, er tilstrækkeligt til at overvinde modstanden mod bevægelse af røggasser hele vejen.
Skorstenen er en kompleks og dyr struktur. Højden af skorstenene i moderne store ildovne overstiger 100 m. Skorstenene er normalt udlagt af røde mursten med en indvendig beklædning af ildlersten.
Følgende ildfaste materialer er således almindeligt anvendt i design af moderne ovne med åben ild: magnesit, magnesit-chromit, forsterit, dinas og ildler. Volumenet af ildfast murværk i en 500 tons ovn er omkring 3.750 m³. En række elementer i ovnen er lavet af metal, nogle af dem (rammer og skodder til fyldningsvinduer, bjælker, der understøtter taget af arbejdsrummet, vælteventiler osv.) kommer i kontakt med varme gasser og kræver kontinuerlig afkøling.
Vandforbruget til afkøling af disse elementer i ovnen er meget betydeligt. Moderne store ovne med åben ild kræver mere end 400 m³ vand i timen til afkøling.15-25% af den samlede mængde varme, der indføres i ovnen, går tabt med kølevand. Vandforbruget afhænger af dets hårdhed. Den tilladte vandopvarmningstemperatur er højere, jo lavere vandets hårdhed er . Det er normalt tilladt at opvarme kølevandet med 20-25°C, hvilket svarer til, at 1 liter vand bortfører 85-105 kJ.
For at reducere vandforbruget erstattes vandkøling af en række ovnelementer med evaporativ køling. Hvis du bruger ikke teknisk, men kemisk renset vand, så kan du uden frygt for nedbør ( skala ) varme det op til 100 ° C og derover. Samtidig fjernes ikke kun den varme, der bruges på at opvarme vandet til kog, fra det afkølede element, men også den latente fordampningsvarme (2,26 MJ / kg), det vil sige, 1 liter vand fjerner ikke 85-105 kJ, men 2, 58-2,6 MJ. Vandforbruget kan således reduceres med næsten 30 gange, desuden opnås der på store ovne noget damp (op til 10 t / h), som kan bruges.
Der er også den såkaldte "varme" køling af ovne. Det varme kølesystem adskiller sig teknologisk lidt fra den sædvanlige metode til afkøling med almindeligt industrivand. Alle afkølede elementer i ovnen forbliver uændrede, men i stedet for almindeligt industrivand med en temperatur på 15-30 ° C ledes kemisk renset varmevand gennem dem fra det cirkulerende varmenetværk med en temperatur på 50-80 ° C, hvilket, efter at have passeret gennem ovnens afkølede elementer og opvarmet i dem til 20-30 °C, vender den tilbage til varmenettet, hvor det overfører den modtagne varme til forbrugeren.
For to typiske kompositioner [15] :
Materialebalance 1Da smeltning med åben ild består af fire perioder, kendetegnet ved deres egne termiske og teknologiske opgaver, stiller hver af dem passende krav til procesautomatisering. De vigtigste opgaver, der er nødvendige for at sikre de passende smelteparametre og kontrolhandlinger, er:
Følgende egenskaber ved ovne med åben ild skelnes ud fra et automatiseringssynspunkt i sammenligning med andre smelteovne [16] :
Fra august 2009 var ovne med åben ild i drift hos følgende russiske metallurgiske virksomheder: [11]
Den 23. marts 2018 blev den sidste store ildstedsovn i Rusland lukket på Vyksa Metallurgical Plant. [23] Fra august 2021 fortsatte produktionen med åben ild på Petrostal Metallurgical Plant i Skt. Petersborg dog med at fungere [24] , og ifølge World Metallurgical Associations estimater, i 2020, 2% af stålet i Rusland blev fremstillet ved åben-ild-metoden [25] .
Jernholdig metallurgi | ||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Generelle begreber Sorte metaller Legering Jern- og Stålværker Metallurgisk kompleks Historie om produktion og brug af jern | ||||||||||||
Kerneprocesser _ |
| |||||||||||
Hovedenheder _ |
| |||||||||||
Vigtigste produkter og materialer |
|
Ovne | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Opvarmning | |||||||||||
Opvarmning og madlavning | |||||||||||
køkken | |||||||||||
Industriel |
|