» » Применение кислорода для интенсификации мартеновского процесса
29.04.2015

В 1926 году проф. К.Г. Трубин для интенсификации процесса горения в мартеновской печи предложил использовать кислород в качестве распылителя мазута в форсунках. Первые промышленные опыты по применению кислорода были проведены в 1933—1934 гг. на заводах «Серп и молот» и «Красное Сормово» в мартеновских печах, отапливаемых мазутом. В 1945—1950 гг. исследовательскими работами, проведенными на заводе «Серп и молот» под руководством акад. И.П. Бардина, была подтверждена целесообразность и экономическая эффективность применения кислорода для интенсификации горения топлива, а также для продувки ванны при скрап-процессе. После успешных опытов по применению кислорода в скрап-рудном процессе, проведенных на за воде «Запорожсталь», кислород стали использовать в мартеновском производстве во все возрастающих масштабах В 1958 г. с применением кислорода в России было выплавлено 13,9 млн. т стали из 54,9 а в 1965 должно быть выплавлено около 64 млн. т. В настоящее время нашли применение в основном два метода использования кислорода.
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)
Применение кислорода для интенсификации мартеновского процесса

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 при скрап 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 мартеновского процесса

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 при скрап 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 имеет 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. Интенсивный барботаж 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.
Применение кислорода для интенсификации мартеновского процесса

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%.