Дожигание монооксида углерода в конвертере
Интересным методом подогрева жидкой ванны с конструктивной и технологической точек зрения является дожигание окиси углерода отходящих газов в полости конвертера с помощью двухъярусных фурм. В этом случае не требуется подача в конвертер дополнительного топлива, дожигание СО до СО2 происходит без увеличения объема газов, что не ограничивает интенсивности подачи кислорода при заданной производительности дымососов, конструктивные изменения фурм относительно несложны.
Однако этот метод отличается двумя весьма серьезными недостатками. Во-первых, температура горения СО в кислороде достигает 3000° С. Во-вторых, резкое увеличение содержания СО2 в образующихся газах сопровождается увеличением окисленности шлака в течение всей плавки.
Воздействие высокотемпературного кислородно-топливного факела и повышенной окисленности шлака должно привести к резкому снижению стойкости футеровки конвертеров.
Практика подтверждает, что в таком процессе при увеличении расхода лома на 7—15% от массы чугуна стойкость футеровки снижается на 20—25%. Следует учитывать также возможность уменьшения выхода жидкого (годного) металла как вследствие повышения окисленности шлака, так и в результате выбросов, обусловленных ею.
В связи с изложенным такой метод работы конвертеров в настоящее время не может быть рекомендован для промышленного применения.
Перспективным способом улучшения теплового баланса кислородно-конвертерного процесса является повышение степени использования тепла, выделяющегося при дожигании отходящих газов в полости конвертера за счет применения кислородных фурм специальной конструкции. Такой способ не требует использования дополнительных энергоносителей и является экономичным, с минимальными энергозатратами. К специальным дутьевым устройствам обычно относят такие фурмы, которые применяют как для подачи кислорода на продувку и окисление примесей конвертерной ванны, так и для решения других специальных технологических задач, например, дожигания оксида углерода в полости конвертера.
В соответствии с современными представлениями основное количество углерода, содержащегося в конвертерной ванне, окисляется до СО и лишь 10 % углерода металла – до СО2. При этом повышение содержания СО2 в отходящих газах только лишь на 1 % позволяет увеличить приходную часть теплового баланса плавки и снизить расход чугуна примерно на 3,3 кг/т стали.
Для решения такой задачи наиболее целесообразным является применение специальных двухъярусных или двухконтурных фурм (рисунок 12) с раздельным подводом кислорода, предназначенного на рафинирование ванны и на дожигание оксида углерода. Дополнительный поток кислорода на дожигание в этом случае организуют при помощи как отдельной запорной и регулирующей арматуры, так и в виде ответвления от основного потока с меньшим проходным сечением трубопроводов и сопел внутри фурмы.
Опыт применения в промышленных конвертерах двухъярусных фурм показал, что таким методом можно увеличить массовое содержание в шихте лома на 6 – 7 %, одновременно повышая интенсивность продувки и производительность конвертеров при том же газоотводящем тракте. Возможность использования того же газоотводящего тракта обусловлена дожиганием СО до СО2 и уменьшением выхода газов на единицу вводимого кислорода.
а – двухконтурная; б – двухъярусная; 1 – кислородные сопла для продувки металла; 2 – кислородные сопла для дожигания отходящих газов
Рисунок 12 – Специальные продувочные фурмы, приспособленные для дожигания СО в полости конвертера
Производительность конвертеров повышается вследствие сокращения продолжительности продувки на 10 – 27 % [28].
При продувке металла двухъярусной фурмой (рисунок 12, 1-й вариант), имевшую во втором ярусе 6 сопел диаметром 15 мм с углом наклона 45º, удаленных от торца фурмы на расстояние 1650 мм, наблюдался значительный местный износ футеровки конвертера против каждого из сопел верхнего яруса на 400 – 800 мм выше точки пересечения оси сопла и поверхности кладки (в зоне горловины конвертера). Поэтому в дальнейшем для снижения скорости истечения струи кислорода из сопла и уменьшения угла встречи струи с футеровкой количество сопел во втором ярусе увеличили до восьми, их диаметр – с 15 до 18 мм и уменьшили угол наклона оси сопел к вертикали с 45 до 30º (вариант 2). При использовании фурм с такими параметрами и расходе кислорода 2,5 м3/с и более зона локального износа футеровки смещалась к середине цилиндрической части конвертера (к зоне интенсивного износа на обычных плавках). При расходе кислорода менее 2,5 м3/с (~35 % расхода через нижние сопла) зона локального износа футеровки практически исчезает, однако происходит равномерный повышенный износ огнеупоров горловины конвертера.
Наиболее высокие показатели получили при использовании фурм варианта 2 с удалением второго яруса сопел от ее торца на расстояние 1650 мм и подачей кислорода в количестве 30 – 35 % от расхода через рафинировочные сопла. Благодаря значительному поступлению теплоты в ванну от дожигания СО удалось увеличить расход лома на 7 %, сократить продолжительность продувки на 22 %, снизить расход извести, известняка и плавикового шпата, повысить основность конечного шлака, степень десульфурации и дефосфорации металла. Окисленность металла и содержание в нем азота на опытных и сравнительных плавках находились на одном уровне, окисленность шлаков на исследовательских плавках была на 2 – 3 % выше, чем на сравнительных. Данные о величине брака на первом переделе свидетельствовали о том, что качество металла на опытных плавках не ухудшалось по сравнению с обычными плавками. Механические свойства готового проката из опытной стали, по данным сдаточных испытаний, также не ухудшались. Вынос пыли и железа из конвертера на опытных плавках был ниже, чем на сравнительных, на 35 – 40 %).
1 - трубы подвода основного потока кислорода; 2 - подвода охлаждающей фурму воды; 3 - подвода вторичного кислорода на нижний и верхний ярусы сопел; 4 - отвода воды; 5 – штампованная медная чаша; 6 – цельноточеный медный корпус головки фурмы; 7 – медные сопла для подачи основного потока кислорода; 8 и 9 – сопла для подачи кислорода на дожигание оксида углерода; 10 – цельноточеный медный сопловый насадок; 11 – проточки в медном корпусе головки для воды; 12 и 13 – соответственно проточки для кислорода и воды; 14 – кольцевая полость для подвода вторичного кислорода
Рисунок 13 – Специальная многорядная продувочная фурма, приспособленная для дожигания СО в полости конвертера
Поскольку теплопередача металлической ванне, в данном случае от факела горения СО, осуществляется недостаточно эффективно (термический КПД составляет 30 – 35 %), а стойкость футеровки в верхней части снижается (~ на 30 %), процесс дожигания газов в полости конвертера необходимо еще совершенствовать.
Возможным решением вопроса повышения эффективности дожигания оксида углерода в полости конвертера может быть использование специальных многорядных фурм, сочетающих конструктивные элементы двухконтурных фурм (рисунок 13) [4].
Данная фурма за счет обеспечения одновременного интенсивного протекания процессов шлакообразования и обезуглероживания при оптимальной окисленности шлака в течение всей продувки металла, а также ориентации встречных и сопровождающих потоков кислорода, истекающих из составных сопловых насадок, позволяет более эффективно дожигать СО до СО2, способствуя интенсивному перемешиванию кислорода и окиси углерода во встречных потоках, в пределах образующихся реакционных зон с непосредственной передачей тепла металлическому и шлаковому расплаву.
Расход технического кислорода, подаваемого на продувку, составляет 75 % суммарного кислорода, поступающего в фурму.
Применение двухконтурных, двухъярусных и многорядных продувочных фурм облегчает решение задачи улучшения теплового баланса конвертерного процесса. Однако относительно низкая технологическая стойкость таких фурм, сложность конструкции ограничивает широкое использование последних в конвертерных цехах отрасли.