Теплотехника сталеплавильных процессов

Общая характеристика

Все технологические процессы, свойственные получению стали, совершаются при высоких (1500°С и более) темпе­ратурах. При любых конструкциях сталеплавильных агре­гатов технологические процессы совершаются в сталеплавильной ванне — части печи, заполненной расплавленным металлом. Для поддержания необходимой температуры сталеплавильную ванну надо снабжать тепловой энергией, которая может поступать в ванну или извне или выделять­ся непосредственно в расплавленном металле. В первом случае тепло выделяется вне ванны в результате сжигания: топлива или в результате использования электрической энергии и передается поверхности ванны излучением и кон­векцией. Таким образом, работают мартеновские и лектрические сталеплавильные печи. В другом случае тепло выделяется в самой сталеплавильной ванне или в резуль­тате окисления примесей, содержащихся в расплавленном чугуне или в результате приложения электромагнитного поля (индукционные электрические печи). В массовой ме­таллургии с использованием тепловой энергии, выделяю­щейся при окислении примесей (главным образом углеро­да), работают конвертеры — наиболее современные и широко распространенные сталеплавильные агрегаты. Воз­можны и промежуточные случаи. Так, при работе марте­новской печи без продувки жидкой ванны кислородом теп­ло, выделяющееся при окислении углерода, уже играет заметную роль в общем тепловом балансе агрегата. Одна­ко в настоящее время, с целью повышения производитель­ности мартеновских печей, находит все большее распрост­ранение продувка жидкой ванны кислородом, при которой выделение тепла в результате окисления примесей чугуна наряду с теплом, поступающим в ванну извне играет реша­ющую роль. Такие печи, в которых жидкая металлическая ванна получает тепло как извне, так и в результате теплогенерации в жидком металле занимают промежуточное по­ложение между печами-теплообменниками и печами-тепло­генераторами.

Тепловая работа мартеновских печей в огромной степе­ни зависит от метода сжигания топлива, от характеристик факела. Факел, в котором осуществляется процесс теплогенерации при сжигании топлива, должен обладать рядом тепло- и массообменных характеристик, без которых невоз­можно обеспечить нормальный ход сталеплавильного процесса. Факел должен иметь необходимые температуру, теплообменные и массообменные характеристики. Факел должен обладать необходимой настильностью (соприкасаться с возможно большей частью поверхности сталеплавильной ванны), без чего невозможно обеспечить должную интенсивность передачи ванне тепла и кислорода, необходимых для осуществления технологических процессов сталеваре­ния. Важным моментом в работе сталеплавильных печей-теплообменников является то, что эти печи могут переплав­лять, практически, любое количество скрапа. Электрические дуговые печи работают обычно на 100% лома, мартенов­ские печи могут, как известно, работать как скрап-процес­сом (100% скрапа и твердого чугуна), так п скрап-рудным процессом, в котором наряду со скрапом используется и жидкий чугун. На заводах с полным металлургическим циклом, обеспечивающих выплавку подавляющего количе­ства стали в нашей стране, мартеновские печи работают скрап-рудным процессом и, что очень важно, переплавля­ют большое количество скрапа. Современная промышлен­ность развивается очень бурными темпами, что влечет за собой стремительное изменение ее качественного уровня н, как следствие, частую смену устаревшего оборудования. Все это порождает образование большого количества сталь­ного лома (скрапа). Было бы, конечно, неразумно получать сталь из жидкого чугуна, не перерабатывая накапливающийся стальной лом (скрап). Поэтому сталеплавильные аг­регаты должны обладать способностью использовать в за­валку не только жидкий чугун, но и стальной скрап. Мар­теновские печи, обеспечивающие питание сталеплавильной ванны теплом извне, в этом отношении, практически, ограничения не имеют. Иная картина имеет место при рабо­те сталеплавильных конвертеров.

На тепловую работу конвертеров прежде всего большое влияние оказывает вид используемого окислителя, кото­рым, в принципе, могут быть или кислород воздуха или чис­тый кислород. С использованием воздушного дутья работа­ли п еще иногда работают бессемеровские и томассовскпе конвертеры; с использованием чистого кислорода — совре­менные кислородные конвертеры. И воздух, и кислород по­даются в конвертеры холодными. Однако газообразные продукты плавки уходят из сталеплавильного агрегата при­близительно при температуре сталеплавильной ванны. Та­ким образом, азот воздушного дутья поступив в сталеплавильную ванну холодным уходит из ванны конвертера с температурой около 1600°С и уносит с собой огромное количество тепла. В воздушных конвертерах, унос азотом дутья большого количества тепла приводит к тому, что в сталеплавильной ванне не остается запаса тепла, которое могло бы быть израсходовано на нагрев и плавление скра­па. Поэтому воздушные конвертеры, работали, практичес­ки, только на жидком чугуне, переплавляя ничтожное ко­личество скрапа. Это обстоятельство и послужило одной из причин того, что воздушные конвертеры не получили рас­пространения. Использование чистого кислорода в конвер­терной плавке резко изменило структуру теплового балан­са и позволило иметь избыток тепла, который можно использовать для нагрева и плавления скрапа. Использо­вание скрапа в кислородном конвертере выполняет и дру­гую, смежную, задачу, связанную с необходимостью использования указанного избытка тепла, так как в против­ном случае в конвертере разовьется чрезмерная темпера­тура и конвертер выйдет из строя.

Однако различные способы использования чистого кис­лорода в конвертерах, связанные с методом подачи кисло­рода и конструкцией конвертера, породили дополнитель­ные теплотехнические аспекты этой проблемы. Углерод как основная примесь чугуна может окисляться как до СО, так и до СО₂. Очевидно, что при окислении углерода до С0₂ выделяется больше тепла, чем при окислении до СО. В кис­лородных конвертерах с верхней вертикальной подачей кислорода, углерод окисляется, в основном до СО, что вле­чет за собой возможность использования в завалку 20 – 25% скрапа — это приемлемо, но недостаточно. В иных конвертерах, где образовавшийся в ванне СО дожигается до СО₂ количество скрапа в завалке может быть увеличено до 40 – 45%.

Повышение количества скрапа в завалку может быть достигнуто также применением предварительного подогре­ва скрапа или в самом конвертере или вне его. В настоящее время наиболее распространенные кислородные конверте­ры с вертикальной (сверху) подачей кислорода (ЛД-конвертеры) почти повсеместно работают с предварительным подогревом скрапа чаще всего в самом конвертере, для че­го используются специальные газо-кислородные фурмы.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что развитие и совершенствование сталеплавильных агрегатов связано с теплотехникой процесса, для понимания которой необходимо, прежде всего, тщательное знакомство с теп­ловым балансом рабочего пространства агрегата.

Тепловой баланс рабочего пространства сталеплавильного агрегата

Основные различия между сталеплавильными процес­сами заключаются в разной структуре теплового баланса, которая в значительной степени определяет тип и конст­рукцию сталеплавильного агрегата. Сталеплавильные аг­регаты работают в периодическом режиме, поэтому тепло­вой баланс обычно составляется на продолжительность пе­риода плавки — t ч. Уравнение теплового баланса для этих условий может быть записано следующим образом:

, (106)

где Q _х.т — химическое тепло топлива, кДж/период;

Q _ф.т+в — физическое тепло топлива и воздуха, по­данного для горения, кДж/период;

Q _с — количество тепла, выделившееся при окис­лении углерода жидкого чугуна, кДж/период;

Q _экз — тепло экзотермических реакций (кроме окисления углерода), кДж/период;

Q _ф.ск — физическое тепло скрапа, кДж/период;

Q _ф.ч — физическое тепло жидкого чугуна, кДж/период;

Q _м и Q _шл — физическое тепло металл.а и шлака, кДж/период;

Q _энд — тепло эндотермических реакций, кДж/период;

Q _{ух.пр.гор} — физическое тепло уходящих продуктов го­рения топлива, кДж/период;

Q _{ух.пр.ок} — физическое и химическое тепло уходящих продуктов окисления примесей, кДж/период;

Q _ух.N2 — физическое тепло, уносимое азотом дутья, кДж/период;

q _пот — все виды тепловых потерь за период, кДж/период.

Общее уравнение теплового баланса может видоизме­няться в зависимости от типа сталеплавильного агрегата.

Для мартеновской печи

Q _ух.N2 = 0; обычно Q _ф.ск = 0.

Для любого конвертера

Q _х.т = 0; Q _ф.т+в = 0; Q _{ух.пр.гор} = 0.

Для кислородного конвертера, кроме того,

Q _ух.N2 = 0.

Таким образом, уравнение теплового баланса кислород­ного конвертера будет выглядеть следующим образом:

.

Следует отметить, что величина Q _с может быть представ­лена как состоящая из двух слагаемых Q _с = Q _С®СО + Q _СО®СО2. Конечно, нельзя абсолютно точно утверждать, что углерод, содержащийся в расплавленном металле, окисляется толь­ко до СО. Однако, экспериментальными работами установ­лено, что окисление углерода до СО носит преобладающий характер.

Дожигание СО в СО₂ производится вне металлической ванны и связано с соответствующими тепловыми потерями. Обычно конвертеры с достиганием СО в пределах их рабо­чего пространства перерабатывают скрапа приблизительно вдвое больше, чем конвертеры без дожигания СО. Дожига­ние СО позволяет обеспечить передачу расплавленному ме­таллу дополнительного количества тепла за счет повышения температуры в рабочем пространстве над металлом, повышения излучагелыюй способности газового объема, повышения температуры кладки конвертера, что обес­печивает передачу дополнительного количества тепла ме­таллу как излучением, так и в результате контакта метал­ла с раскаленной кладкой при вращении конвертера.

Продувка сталеплавильной ванны

В сталеплавильном производстве важнейшими являют­ся процессы удаления примесей, в основе которых лежат реакции окисления. Именно окисление примесей является тем процессом, который в решающей степени определяет продолжительность плавки и производительность агрега­та. В традиционном мартеновском скрап-рудном процессе (без продувки ванны) необходимый для окисления приме­сей кислород поступает в расплавленный металл из атмос­феры печи через шлак и из железной руды, добавляемой в ванну с целью ускорения процесса удаления примесей. Процесс передачи кислорода через шлак определяется за­конами диффузии и осуществляется весьма медленно. Зна­чительно ускорить процессы окисления примесей можно обеспечив непосредственный контакт между газообразным кислородом и расплавленным металлом, применив продув­ку расплавленного металла газообразным кислородом. При­менение продувки возможно как в течение всей плавки, так и в течение только определенного периода плавки. Кисло­родное дутье в течение всей плавки используется в кисло­родных конвертерах, где, как указывалось выше, питание агрегата теплом осуществляется за счет тепла, выделяю­щегося при окислении примесей. В отдельные периоды плавки кислородное дутье используется в мартеновских печах, работающих скрап-рудным процессом, в которых основная часть тепла поступает от сжигания топлива. При использовании кислородного дутья важнейшими являются процессы взаимодействия кислородной струи с расплавлен­ным металлом. Кислородное дутье подается через специ­альные устройства, называемые фурмами. В кислородных конвертерах с верхним дутьем фурмы размещаются над металлом в начале и в конце плавки. В процессе интенсив­ного окисления углерода под действием пузырей СО ванна вспенивается и средний, наиболее продолжительный по времени (приблизительно 3/4 времени плавки) период, плавки фурма работает в погруженном состоянии. При про­дувке кислородом мартеновской плавки фурмы также в не­которых случаях размещаются над металлом и шлаком, хотя в настоящее время признано наиболее целесообраз­ным размещать фурмы на границе шлак — металл. С поло­жением фурм связана не только интенсивность окисления.примесей чугуна, но и такое нежелательное явление как разбрызгивание. Разбрызгивание шлака и металла явля­ется причиной износа, а иногда и преждевременного выхо­да футеровки сталеплавильного агрегата из строя. Изуче­ние взаимодействия кислородной струи с расплавленным металлом в промышленных условиях, практически, невоз­можно, поэтому подобные исследования выполнялись и выполняются на моделях с использованием положений теории подобия. При воздействии кислородной струи, выходящей из фурмы (расположенной над металлом) чаще всего со сверхзвуковой скоростью, в металле образуется впадина (кратер) с определенными глубиной и диаметром, которые и определяют величину поверхности реакционной зоны. Многочисленными наблюдениями установлено, что глубина и диаметр реакционной зоны зависят от величины крите­рия Архимеда, представляющего собой соотношение инер­ционных сил струи к выталкивающим (архимедовым) си­лам, препятствующих проникновению струи в жидкость

или ,

где ρ _г и ρ _{г, 0} — соответственно плотность газа в месте встре­чи с поверхностью струи и на выходе из сопла (кг/м³);

w _г и w _г0 — скорость струи в тех же сечениях, (м/с);

d₀ —диаметр сопла (м);

d — диаметр струи в месте встречи с поверхностью жидкости (м);

ρ _ж — плотность жидкости (кг/м³).

Было получено много эмпирических уравнений, устанав­ливающих связь между глубиной реакционной зоны h и величиной критерия Архимеда при определенных значениях Н — расстояния от среза сопла до поверхности жидкости. Впервые подобное исследование было проведено профессо­ром И. Г. Казанцевым, которым получил следующую зави­симость

для ,

где п — коэффициент названный И. Г. Казанцевым коэффи­циентом проникновения.

Для случая погружения фурмы в расплавленный металл было получено следующее выражение

а Р — давление дутья перед соплом, показывающее, что при погружении фурмы в ванну достигается максимальная глубина проникновения. Здесь уместно подчеркнуть зави­симость глубины проникновения от диаметра сопла d₀, ко­торая объясняет уменьшение глубины проникновения кис­лородной струи при использовании многосопловых фурм, в которых диаметр каждого сопла меньше, чем у односопловой фурмы. При этом снижение величины h не уменьшает общей реакционной поверхности, так как диаметр кратера у многосопловых фурм больше.

Изучение зависимости диаметра реакционной зоны (D)от характеристик продувки также привело к эмпири­ческим зависимостям типа D / d ₀ = f (Аr ₀) для различных значений H / d ₀ > 0, позволившим установить влияние ско­рости истечения, диаметра сопла фурмы и ее расположе­ния относительно поверхности ванны на диаметр реакци­онной зоны.

Взаимодействие кислородной струи с металлом обеспе­чивает также перемешивание сталеплавильной ванны.

Перемешивание способствует ускорению прогрева рас­плавленного металла, выравниванию его температуры; бла­гоприятно влияет на развитие процессов окисления приме­сей, так как обеспечивает доставку кислорода в различные зоны и объемы ванны; снижает возможность возникновения выбросов в конвертерной плавке из-за неодинаковой интен­сивности окисления углерода и газовыделения по ходу плавки. От перемещения объемов металла возникают кон­вективные потоки, которые способствуют расплавлению скрапа. Не случайно, что в конвертерах с донным кисло­родным дутьем, металлическая ванна в которых интенсив­но перемешивается, могут расплавляться более крупные куски скрапа чем в конвертерах ЛД, где перемешивание развито слабее. На перемешивание влияют очень многие факторы, главным из которых является воздействие на металл газовых струй и воздействие газовых пузырей СО и СО₂, возникших при окислении углерода, содержащегося в металле.

Как указывалось, кислородное дутье подается через специальное устройство, называемое фурмами. Фурма очень ответственный элемент сталеплавильного агрегата. Они должны обеспечивать должную интенсивность окислитель­ных процессов, иметь необходимую стойкость и долговеч­ность, не вызывать чрезмерного разбрызгивания.

Фурмы работают в крайне тяжелых температурных ус­ловиях, находясь под воздействием расплавленных метал­ла и шлака. В таких условиях может работать только водоохлаждаемая конструкция, да и то выполненная из ме­талла с высоким значением коэффициента теплопроводно­сти. В настоящее время наконечники фурм чаще всего вы­полняются из меди, что обеспечивает их удовлетворитель­ную стойкость.

Разбрызгивание шлака и металла при продувке ванны кислородом обязательно сопутствующее продувке и крайне нежелательное явление, приводящее к износу футеровки сталеплавильного агрегата. Избежать разбрызгивание, практически, невозможно; надо стараться всемерно его уменьшить. Для уменьшения разбрызгивания надо подни­мать фурму и уменьшать скорость истечение кислорода, что, как ясно из вышеизложенного, влечет за собой умень­шение глубины проникновения, снижение интенсивности окислительных процессов и, как следствие, падение производнтельности.

Таким образом, при конструировании фурм приходится учитывать весьма противоположные требования к ним и, как это часто бывает в технике, решать задачу на опти­мум, не удовлетворяющий в полной мере ни одному из предъявляемых требований.

Процесс разработки фурм требует обязательно экспе­риментальной проверки качества их работы, так как уста­новить, влияние на характер продувки числа сопел и угла их наклона по отношению к вертикали возможно лишь опытным путем.

Любая фурма обычно состоит из двух частей: собствен­но фурмы и головки или наконечника. Наконечник может меняться по мере необходимости. Фурма представляет со­бой водоохлаждаемую конструкцию, в которую вмонтиро­ваны кислородопроводы. Сама фурма выполняется из ста­ли, наконечник из меди. В наконечнике может быть одно или несколько сопел. Вся фурма, но особенно наконечник, должны хорошо охлаждаться водой. В настоящее время повсеместно (в том числе и при продувке мартеновской ванны) используются многосопловые фурмы, в которых обеспечивается рассредоточенное дутье, при котором че­рез каждое сопло (при той же скорости высокой) проходит меньшая масса кислорода, что и обеспечивает более спо­койный ход плавки. Многосопловые фурмы при некотором снижении глубины кратера обеспечивают увеличение по­верхности реакционной зоны, способствуют более равно­мерному газовыделению из ванны, более организованному перемешиванию металла. При этом снижается разбрызги­вание, повышается выход годного. В настоящее время при­меняются фурмы, имеющие чаще всего от 3 до 8 сопел. Наиболее распространены четырехсопловые и шестисопловые фурмы. Конструкции фурм многообразны. На рис. 112 в качестве примера приведена конструкция четырехсопловой фурмы. Выбор числа сопел и угла их наклона к вертикали связан прежде всего с допустимыми размерами ди­аметра реакционной зоны, т.е. в конечном счете с разме­рами конвертера. При малом расстоянии между соплами и при малом угле (до 5 – 6°) наклона их осей к вертикали индивидуальные струи сливаются, практически, в одну струю, что резко снижает эффективность применения мно­госопловых фурм. При слишком большом угле наклона со­пел заметно уменьшается глубина проникновения и уменьшается периферий­ное разбрызгивание на уров­не установки фурмы, что способствует чрезмерному износу футеровки. Сущест­вуют установленные прак­тикой оптимальные углы на­клона к вертикали сопел в многосопловых фурмах: в малых конвертерах (до 30 т) 6°; в больших конвертерах (100 т и более) 8 – 10°.

В каждом кислородном конвертере используется од­на фурма. Иное дело в мар­теновских и двухванных пе­чах, имеющих большое ра­бочее пространство вытяну­той формы. Для этих целей целесообразно использовать 2 – 3 фурмы. Кислородное дутье вызывает интенсивное дымо- и пылеобразование, снижающее выход годного металла (из-за угара желе­за) и требующего непременной очистки отходящих газов. Дожигание СО в конвертерах с верхней продувкой и очистка отходящих из всех сталеплавильных агрегатов с кислородной продувкой газов требуют специальных доста­точно крупных и дорогостоящих котлов-утилизаторов и очистных сооружений. Размеры и стоимость очистных со­оружений находятся в прямой зависимости от количества и степени запыленности отходящих газов. По этой причине ведутся настойчивые работы, направленные на поиски пу­тей снижения дымо- и пылеулавливания. Одним из таких путей является газокислородная продувка.

Снижение дымообразования может быть достигнуто до­бавкой к кислороду каких-либо газов, уносящих из зоны реакций окисления физическое тепло и тем самым снижа­ющих температуру в зоне реакций. Для практического ис­пользования наиболее пригодны водяной пар и метан, так как другие газы дороги. Метан является очень доступной и недорогой добавкой, поскольку природный газ на 95 – 98% состоит из метана. Благоприятное влияние добавок метана на дымообразование объясняется тем, что при его добавке сильно увеличивается количество газовой фазы, уно­сящей значительное количест­во физического тепла. Однако использованию добавок мета­на (природного газа) прису­щи следующие побочные отри­цательные явления:

— кислород расходуется на окисление метана, что влечет за собой снижение скорости окисления углерода,

— образование значительно­го количества газовой фазы влечет за собой увеличение разбрызгивания шлака и ме­талла.

В силу этих причин созда­ние газокислообразных фурм должно исходить из необходи­мости использования мини­мально необходимого количе­ства метана с использованием специальных мер, направлен­ных на снижение разбрызгива­ния.

Газокислородные фурмы, в принципе, могут быть двух типов: с внешним (вне фурмы) смешением кислорода и природного газа и с внутренним смешением. Фурмы с вне­шним смешением оказались малопригодными, т.к. смеше­ние кислорода и метана было неудовлетворительным и ды­мообразование практически не уменьшалось. К тому же, в таких фурмах невозможно отключать газ, что иногда быва­ет нужно делать в практических условиях.

Фурмы с внутренним смешением необходимо выполнять таким образом, чтобы исключить возможность забрызгивания газового или кислородного сопла. Одна из таких фурм представлена на рис. 113. Промышленные исследования га­зокислородной продувки на мартеновских и двухванных печах различной емкости показали, что при этом можно снизить вынос пыли в 2 – 4 раза по сравнению с примене­нием чистого кислорода и повысить выход годного при­близительно на 1%.

Таким образом, газо-кислородная продувка расплавлен­ной ванны подовых сталеплавильных печей — процесс, тая­щий в себе большие возможности и требующий дальнейше­го изучения.

Предварительный подогрев скрапа и его значение

Необходимость использования все увеличивающегося в каждой стране количества скрапа требует увеличения его доли в металлической завалке современных конвертеров и двухванных печей. Из анализа теплового баланса конвер­тера, приведенного в § 2 данной главы следует, что одним из методов повышения доли скрапа является обеспечение его предварительного подо­грева. Предварительный по­догрев скрапа целесообразно применять и в электриче­ских плавильных печах, что позволяет экономить доро­гую электрическую энергию. В предельном случае целе­сообразно использовать рас­плавленный скрап.

Предварительный подо­грев скрапа для использо­вания его в кислородных конвертерах может осущест­вляться как непосредствен­но в конвертере, так и в спе­циальных загрузочных емко­стях. Подогрев лома в конвертерах осуществляется с использованием газо-кислородных горелок, в которых чаще всего сжигается природный газ в атмосфере кислорода. Одна из таких горелок представлена на рис. 114. Газ в этой горелке подается по заполненной трубками диа­метром 15мм кольцевой щели между кислородной трубой и водяной рубашкой. Большая часть кислорода поступает по трем расширяющимся соплам со сверхзвуковой скоро­стью, что обеспечивает высокую скорость факела в месте встречи его с ломом. Остальной кислород подается с дозву­ковой скоростью по 33 мелким отверстиям двойного диамет­ра, расположенным по периферии головки, что способству­ет стабилизации горения и уменьшению шума. Сжигание газа в чистом кислороде обеспечивает температуру факела, превышающую 2000°С. В этих условиях для быстрого на­грева скрапа необходимо топливо сжигать в непосредствен­ной близости от металла, обес­печивая тем самым высокий уровень теплоотдачи излучени­ем и конвекцией. Учитывая вы­сокую производительность конвертеров подогрев скрапа должен производиться быстро, во избежание снижения общей производительности конверте­ра и цеха. По этой причине га-зо-кислородная горелка долж­на иметь высокую тепловую мощность. Предварительный подогрев скрапа в самом кон­вертере дает весьма сущест­венное увеличение количества скрапа в завалку. Обычно по­догрев скрапа в конвертере производится до температуры, не превышающей 700 – 800°С, так как при более высоких температурах развиваются процессы окисления железа. Как для конвертеров, так и для электроплавильных печей пред­варительный подогрев скрапа может осуществляться в спе­циальных устройствах, одно из которых представлено на рис. 115. Установка состоит из футерованной загрузочной корзины, которая после помещения в нее металла устанавлива­ется на вытяжной колодец, соединенный с дымососом и трубой, и накрывается крышкой, в которой смонтирована горелка. Предварительный подогрев скрапа для электропе­чей позволил сократить время плавления на 23 – 30 мин, повысить производительность печей на 15 – 18%, сократить расход электроэнергии на 78 – 85 кВт× ч на 1 т стали.

Весьма перспективным является процесс предварительного расплавления скрапа в жидкий полупродукт в высоко­экономичных топливных печах с последующей доводкой в электропечах. Работы в этом направлении ведутся, одна­ко пока промышленных печей такого типа в эксплуатации нет.