Способы подачи кислорода для интенсификации мартеновской плавки

1. Метод интенсификации сжигания горючего в рабочем пространстве мартеновской печи. Кислород подается в рабочее пространство печи в зону горения топлива. При отоплении печей жидким топливом или холодным высококалорийным газом кислород вводится обычно через форсунку или горелку под струю топлива. При отоплении печей подогретым газом (генераторным, смесью коксового и доменного) кислород подается в струю газа через две водоохлаждаемые фурмы, установленные с наружной стороны газового кессона под углом 8—10° к горизонту (рис. 27). Кислород подается со скоростью не ниже критической под давлением 6—10 ати. При обогащении воздуха кислородом повышается температура горения топлива и несколько увеличивается лучеиспускательная способность пламени Наряду с этим струи кислорода, вводимые в зону горения с большой скоростью, ускоряют смешение топлива с воздухом и придают факелу большую жесткость и настильность.

Из выражения для определения теоретической температуры горения (tтeop)

 следует, что возрастание температуры факела с повышением содержания кислорода в воздухе (при обогащении воздуха кислородом) происходит за счет уменьшения объема горения вследствие снижения содержания в них балластного азота.

Наиболее значительно поднимается температура (рис. 28) при обогащении воздуха кислородом до 30%; при обогащении же до 40% возрастание температуры становится менее значительным вследствие увеличивающейся диссоциации продуктов горения (CO2 и H2O). При скрап-процессе можно считать экономически целесообразным обогащение воздуха кислородом до 25—27%, а прискрап рудном процессе — в ряде случаев до 30—35%.

Обогащение воздуха кислородом приводит к уменьшению потерь тепла с отходящими продуктами горения и улучшению использования тепла в рабочем пространстве мартеновской печи. Уменьшение объема продуктов горения создает возможность увеличения подачи топлива в печь при тех же тяговых устройствах.

 Применение кислорода для интенсификации тепловой работы печи приводит к значительному ускорению прогрева и плавления шихты, формирования активного шлака, создает благоприятные условия для дефосфорации и десульфурации металла. Подача кислорода в факел в период кипения ускоряет процесс обезуглероживания металла и нагрев ванны, что приводит к сокращению продолжительности и этого периода плавки. Таким образом, с применением кислорода сокращается продолжительность всей плавки, что сопровождается также и снижением расхода топлива.

Наибольший эффект от использования кислорода достигается на печах с основными сводами при условии надлежащей организации производства, в частности при ускорении завалки шихты.

На заводах России подача кислорода в факел производится от начала завалки шихты до конца плавления, и в ряде случаев прискрап рудном процессе вплоть до чистого кипения. При скрап-рудном процессе увеличение производительности мартеновских печей при обогащении воздуха кислородом до 25% составляет 18—20%, при обогащении воздуха до 30—35% производительность возрастает до 40—60%. Экономия топлива составляет соответственно около 15 и до 30—40%, а расход кислорода 35—40 и 50—60 м3/т. При обогащении воздуха до 25% было достигнуто увеличение производительности на печах при скрап процессе на 13—15%, снижение расхода условного топлива на 5—7% при удельном расходе кислорода 18—22 м3/т.

2. Метод «прямого окисления» жидкой ванны кислородом нимеет целью ускорение процесса окисления примесей в результате непосредственного действия кислорода на расплавленный металл. Кислород вводят в ванну чаще всего в период доводки вплоть до раскисления, а при скрап-рудном процессе кислород также можно вводить и в период плавления после заливки чугуна. Самым простым способом является ввод кислорода в ванну через железные трубки диаметром 1''—1 1/4'', вставленные в завалочные окна или в специальные отверстия в задней стенке печи.

Наиболее рациональна подача кислорода через отверстия в своде печи с помощью водоохлаждаемых фурм (см. рис. 27). Кислород подают под давлением 8—10 ати; продувка ванны кислородом приводит к существенному ускорению процесса окисления углерода, особенно значительному при низкой концентрации углерода в металле (ниже 0,1%). Например, для снижения содержания углерода с 0,1 до 0,04% при обычном процессе необходимо 2—2,5 часа, а при «прямом окислении» всего 50 мин. Эффективность применения кислорода в сильной степени зависит от содержания углерода в металле. При содержании углерода выше 0,4% при продувке используется почти весь кислород, а при содержании менее 0,1%—небольшая часть кислорода (до 10%). Прямое окисление в начале доводки благоприятствует дефосфорации металла. Интенсивныйбарботаж ванны при продувке кислородом улучшает десульфурацию металла и способствует снижению газонасыщенности стали. Обычно продувку начинают при 0,3—0,5% углерода и заканчивают за 10—30 мин. до выпуска плавки. При этом достигается увеличение производительности на 8—10% и сокращение удельного расхода топлива на 6—8% при расходе кислорода 5—6 м3/т.

Прямое окисление ванны получило широкое распространение при выплавке малоуглеродистой стали.

Существенным недостатком метода прямого окисления является интенсивное пылеобразование, так как в зоне взаимодействия струи кислорода с металлом развиваются высокие температуры. По расчетным данным Л.М. Ефимова, при окислении чистого железа чистым кислородом температура поверхности жидкого металла в реакционной зоне может достигать 3010° К, по другим данным, 3900—4000° К. Непосредственные измерения температуры реакционной зоны пирометром цветного излучения показали, что при продувке ванны кислородом перегрев ее относительно температуры металла оказался равным 700° и более, при продувке воздухом 300—400°.

В результате развития высоких температур в реакционной зоне количество плавильной пыли в продуктах горения по сравнению с обычной плавкой возрастает с 2—3 до 16—32 г/м3, причем вынос пыли увеличивается с повышением концентрации углерода в металле.

В связи с этим снижается выход металла и возможно сокращение кампании печи. Для уменьшения интенсивности пылеобразования в струю кислорода добавляют воду или пар. Применение кислородо-водяной смеси с 40—50% воды приводит к снижению количества пыли в 5 раз.

Комбинированный метод применения кислорода путем подачи его в факел и ванну является наиболее эффективным. По этому методу кислород подают в факел в период завалки, прогрева и плавления, а иногда — в период рудного кипения. Продувку ванны начинают в конце рудного кипения при содержании углерода 0,3—0,6%. В последнее время все шире применяют также прямое окисление в периоды плавления и доводки.

Комбинированный способ использования кислорода при надлежащей организации производства в цехе позволяет повысить производительность мартеновских печей на 25—50%.

Применение сжатого воздуха для интенсификации сжигания топлива и продувки ванны в последнее время находит все более широкое применение, особенно на заводах, не имеющих кислородных станций. Подача компрессорного воздуха в головку (по бокам кессона или в торец) способствует лучшей организации пламени, снижает недожог топлива в рабочем пространстве, повышает теплоусвоение ванной печи, способствует повышению производительности печи на 8—10% и снижению расхода топлива на 6—8%.

70- дутьевой режим и конструкции кислородных фурм в конвертерном производстве

Кислород подают в конвертер через вертикально расположенную водоохлаждаемую фурму, которую вводят в полость конвертера через горловину строго по его оси. Давление кислорода перед фурмой составляет 1,0-1,6 МПа. Высоту фурмы над ванной можно изменять по ходу плавки; обычно она увеличивается при росте емкости конвертера и находится в пределах 1, 0-4, 8 м от уровня ванны в спокойном состоянии. Поднимают и опускают фурму с помощью механизма, сблокированного с механизмом вращения конвертера. Конвертер нельзя повернуть, пока из него не удалена фурма. Скорость подъема и опускания фурмы изменяется в пределах 0,1-1 м/с. Фурма выполнена из трех концентрично расположенных стальных труб и снабжена снизу медной головкой с соплами . Полости, образованные трубами, служат для подачи кислорода, подвода и отвода охлаждающей воды. Наиболее часто применяют фурмы с центральной подачей кислорода . По средней трубе при этом подводят охлаждающую воду, а по наружной - отводят. Применяются также кислородные фурмы с центральной подачей охладителя . В таких фурмах подаваемую через центральную трубу воду отводят по наружной трубе, а кислород подают по средней трубе. К верхней части труб прикреплены патрубки 5 для подвода кислорода, подвода и отвода воды. Чтобы избежать разрушения фурмы из-за напряжений, вызываемых различным тепловым расширением труб (наружная труба удлиняется сильнее, чем более холодные внутренние), в фурме предусматривают компенсирующие устройства: сильфонные компенсаторы, т.е. гофрированные металлические шланги ; подвижные сальниковые уплотнения при соединении двух труб; телескопическое соединение двух труб. Длина фурмы 300-т конвертера достигает 27 м. Головка фурмы является сменной, ее соединяют с трубами сваркой или резьбой в сочетании со сваркой. В головке расположены сопла Лаваля , через которые кислород поступает в полость конвертера и распределитель воды, направляющий ее вдоль поверхности головки. Головки выполняют сварными и иногда литыми. Всю головку или ее нижнюю часть с соплами, обращенную к зоне наибольших (до 2600 °С) температур в конвертере, выполняют из меди. Это делают потому, что, обладая высокой теплопроводностью, медь быстро передает тепло охлаждающей воде, и поэтому даже в зоне высоких температур головка не перегревается и сохраняет прочность. Число сопел Лаваля в головке изменяется от трех-четырех до шести-семи, возрастая по мере роста вместимости конвертера и количества вдуваемого кислорода. Сопла располагают веерообразно расходящимися, чтобы повысить степень рассредоточения дутья по объему ванны. Угол расхождения сопел (угол а наклона их осей к вертикали) уменьшают по мере снижения вместимости конвертера (от 19° у семисопловой фурмы для большегрузного конвертера до 9° у трехсопловой для небольшого конвертера); это необходимо, поскольку при большом угле расхождения кислородных струй они у малых конвертеров будут слишком приближаться к стенкам, вызывая усиленный износ футеровки. Сопла Лаваля применяют потому, что они, преобразуя энергию давления в кинетическую, обеспечивают скорость кислорода на выходе в 500 м/с и более; это необходимо для заглубления струй в ванну и Полного усвоения ею кислорода. Давление кислорода перед соплом должно быть более 0,9-1,2 МПа, а его диаметр определяют расчетом; приближенно диаметр минимального (критического) сечения сопла можно определить по формуле, мм: d = 3,5V/Р , где р- давление перед соплом, МПа; V- расход кислорода через сопло (обычно не более 250 м3/мин). Воду для охлаждения фурмы подают насосом в таком количестве, чтобы перепад температур на входе и выходе не превышал 30° во избежание выпадения из воды солей жесткости; на больших конвертерах расход воды достигает 500 м3/ч. Стойкость головок фурм составляет 50-150 плавок. В первые годы освоения кислородно-конвертерного процесса применялись односопловые фурмы, позволявшие работать с небольшими расходами (до 200-250 м3/мин) кислорода; увеличение расхода кислорода при подаче одной струей вызывало выбросы металла при продувке. Позднее были разработаны повсеместно применяемые в настоящее время многосопловые фурмы, которые благодаря рассредоточению кислородного потока на несколько струй, обеспечили более "мягкую" продувку и резкое уменьшение количества выбросов.