книги из ГПНТБ / Квитко, М. П. Кислородно-конвертерный процесс

объясняется тем, что в начале продувки температура ванны при охлаждении ломом существенно ниже, чем при охлаждении рудой, присаживаемой отдельными порциями по ходу плавки.

Таким образом, можно считать установленным, что темпера­ тура реакционной зоны в практических условиях конвертерной плавки колеблется в пределах 2100—2600° С, при перегревах 500—800° С. Максимальные значения перегрева и температур могут относиться, по-видимому, к сильно перегретым плавкам.

Наличие высокотемпературной реакционной зоны, как уже указывалось выше, предопределяет появление выноса значитель­ ного количества пыли. Существует несколько теории пылеобразования при продувке металла кислородом. Одна из теорий, которой придерживаются большинство металлургов, заключается в том, что при высоких температурах, возникающих при контакте струн с металлом, происходит испарение железа с последующим его окислением кислородом в полости агрегата. Выше уже указыва­ лось, что, согласно этой теории, максимальное количество пыли, выделяющейся из конвертера, может достигать —7% от массы садки. Значительно меньшее пылевыделение, как уже указыва­ лось, объясняется значительным теплоотводом от реакционной зоны и фильтрацией через металл и шлак.

Карбонильная теория дымообразования основывается на пред­

с температурой плавления 21° С и кипения 105° С. Карбонильная теория получила развитие в связи с тем, что при продувке металла кислородом пылевыделение наблюдалось в случае присутствия в металле углерода. Согласно этой теории, механизм образования пыли заключается в образовании карбонила при взаимодействии окислов железа с его карбидами с последующим разложением карбонила на железо и окись углерода и окислением железа.

Карбонильная теория вызывает сомнения прежде всего потому, что в отсутствие углерода отсутствует и агент для выноса пыли— отходящие газы. Однако это не доказывает отсутствия пылеобразования. Так, в опытах [27] отмечено, что при продувке металла, не содержащего углерода, пылеобразование происходило, однако вследствие отсутствия отходящих газов пыль осаждалась на стен­ ках тигля (визуально наблюдаемого выделения бурого дыма не было). Кроме того, карбонил железа при высоких температурах является неустойчивым соединением, что установлено вдуванием в жидкую ванну паров карбонила. В связи с изложенным, карбо­ нильная теория не может объяснить пылевыделение из конвер­ теров.

Многие исследователи считают основной причиной пылеобразования механический вынос частиц из реакционной зоны. Однако это мнение не согласуется с дисперсным составом конвертерной пыли, не содержащей крупных частиц. Дисперсный состав указы­ вает на конденсационное происхождение конвертерной пыли

60

(крупных частиц — более миллиметра — конвертерная пыль Ие со­ держит). Изменение дисперсного состава конвертерной пыли по ходу продувки показано в табл. 19.

Кроме указанного, следует отметить, что теория механического выноса не объясняет снижения выноса пыли при добавках к кис­ лороду влаги, газов, пара (хотя с точки зрения механической теории введение таких добавок не должно практически влиять на содержание пыли в отходящих газах).

Исходя из очень краткого обзора теорий пылеобразования в агрегатах, работающих с продувкой кислорода, можно все-таки говорить о предпочтительности теории, образования пыли в ре­ зультате испарения и последующего окисления железа в реак­ ционной зоне. Многие исследователи, придерживаясь этой точки зрения, расходятся в качественной оценке вторичных реакций, протекающих в газовой фазе.

Расхождения заключаются в основном в том, что отдельные авторы считают, что с поверхности металла испаряется чистое железо, окисляющееся затем в атмосфере агрегата. Эта точка зрения подтверждается прежде всего тем, что химический состав пыли зависит от степени окисленности атмосферы агрегата. Спе­ циальные исследования показали [29], что в сильно окислитель­ ной атмосфере агрегата частицы пыли состоят из Fe20 3, в инерт­ ной — из Fe30 4, в восстановительной — из Fe30 4 и FeO. Другие исследователи придерживаются мнения, что окислы железа обра­ зуются в реакционной зоне.

По нашему мнению, пылеобразование обусловлено образова­ нием в реакционной зоне как паров железа, так и закиси железа, однако преимущественное развитие испарения закиси железа и чистого железа происходит в различные периоды плавки. Теплоты

В начале продувки при слабом развитии массообмена в районе реакционной зоны, сравнительно высокой вязкости металла и малых температурах поставка углерода в реакционную зону огра­ ничена, восстановление закисной пленки углеродом происходит

61

в сравнительно малой степени и температура реакционной зоны стабилизируется в результате испарения закиси железа, переокисление которой до высших окислов происходит в атмосфере агрегата. После роста температуры и начала интенсивного обез­ углероживания массообмен резко возрастает, возрастают скорости восстановления окисной пленки в реакционной зоне углеродом и испаряется преимущественно чистое железо. В конце плавки при малых скоростях обезуглероживания тип процесса становится аналогичным типу первого периода.

Таких же взглядов на процесс испарения, особенно в конце плавки, придерживается В. И. Явойский [21]. Интенсивность испарения железа (или закиси железа) из реакционной зоны зави­ сит от множества, технологических факторов, к которым прежде всего относятся содержание кремния в чугуне и температура стали 1.

Исследования, проведенные ЦНИИчерметом и НИИОгазом на конвертерах различной емкости, достаточно отчетливо пока­ зали, что с ростом содержания кремния в чугуне интенсивность пылевыделения увеличивается независимо от конструкции при­ меняемых фурм и интенсивности продувки. Данные, характери­ зующие увеличение выноса пыли при росте концентрации крем­ ния, приведены в табл. 20.

Увеличение выноса пыли с ростом концентрации кремния по­ нятно, поскольку тепловой эффект окисления кремния почти в 4,5 раза выше теплового эффекта окисления углерода ив 1,5 раза выше теплового эффекта окисления железа. Поэтому перегрев окисной пленки при увеличении концентрации кремния растет; следовательно, возрастает и вынос пыли за плавку. Такие данные еще раз подчеркивают недопустимость увеличения концентрации кремния в чугуне выше определенных пределов, т. е. еще раз подтверждают соображения, приведенные в гл. 1.

1 Пылевыделение зависит также от интенсивности подачи кислорода и кон­ струкции фурм. Для удобства изложения эти вопросы разбираются в разделе об интенсификации процесса.

62

Кроме увеличения перегрева окисной пленки, увеличение кон­ центрации кремния (вернее, нестандартность его содержания) может привести к перегреву металла выше необходимых норм. Следствием же увеличения температуры ванны является повыше­ ние температуры реакционной зоны. Это может быть показано расчетами. Подобные расчеты выполнены Л. М. Ефимовым.

Однако авторы считают целесообразным привести еще один метод расчета, позволяющий оценить изменение пылевыделения при росте температур. Расчет основан на окислении железа. Он интересен тем, что показывает аналогию результатов при расче­ тах по различным методикам.

Известно, что скорость процесса испарения пропорциональна упругости паров железа:

частиц от общего их количества; т — масса молекулы испаряющегося вещества, г;

Коэффициент а для условий испарения в реакционной зоне неизвестен. Однако для наших целей знать этот коэффициент не обязательно. Заменяя в уравнении зависимости упругости пара от температуры

величину упругости пара значениями уравнения (32), получаем

Определим значение первой производной скорости испарения по температуре

63

Исследование уравнения (35) показывает, что

ИкД | Q

ект ;> о при всех значениях Т ;

- 1 > 0 при Т < 84 600%

Отсюда можно сделать вывод, что dw/d,T > 0 и что с ростом температуры скорость испарения растет.

Если принять, что две плавки проводятся в совершенно ана­ логичных условиях и различаются в определенный момент вре­

a отношение скоростей испарения

При равенстве коэффициентов испарения из уравнения, харак­ теризующего отношение скоростей испарения, можно сделать вы­ вод, что увеличение температуры реакционной зоны на 50° С при­ водит к увеличению скорости испарения в 1,26 раза. Данные расчета практически полностью совпадают с данными, получен­ ными Л. М. Ефимовым при расчете испарения на основе предполо­ жения о выделении тепла при обезуглероживании.

Отсюда следует весьма важный вывод, заключающийся в том, что любые технологические отклонения, вызывающие повышение температуры ванны и реакционной зоны, приводят к увеличению потерь металла с отходящими газами в виде пыли, с чем следует считаться. Известные методы уменьшения пылевыделения из кон­ вертеров основаны на введении в реакционную зону охлаждающих добавок или топлива.

Простейшим способом ввода добавок в реакционную зону яв­ ляется вдувание вместе с кислородом пылевидной извести или руды. Вдуваемые материалы понижают температуру реакционной зоны, способствуя тем самым уменьшению пылевыделения. Однако ни вдувание пылевидной извести, ни вдувание вместе с кислородом руды практически не может снизить потери железа с пылью более чем на 0,1—0,2%, так как охлаждающий эффект извести невелик,

64

а подача руды резко ограничена количеством избыточного тепла. Кроме того, до настоящего времени вопрос подачи в струе кисло­ рода руды не решен, так как при высоких скоростях наблюдается значительное истирание трубопроводов, приводящее к выходу их из строя уже через несколько плавок. Если же удается органи­ зовать подачу руды через трубопроводы со сравнительно невысо­ кими скоростями, то из строя выходят головки фурм, так как скорости потока на выходе из фурм строго регламентированы.

Несколько больший эффект дает подача вместе с кислородом воды или пара, так как последний при прохождении через фурмы длиной несколько метров и при расширении струн по выходе из сопла конденсируется, что равнозначно подаче воды. Тепловой эффект разложения воды при реакции ее с углеродом очень велик: порядка 51 000 ккал на 1 кмоль Н 20. При концентрированном подводе дутья в конвертеры полное устранение пылевыделения возможно, как показано расчетами [18], при расходе воды около 0,8 л на 1 м3 кислорода. Однако такой расход невозможен по усло­ виям теплового баланса конвертеров.

Длительные опыты на заводе им. Петровского показали, что при переделе обычного мартеновского чугуна расход воды не мо­ жет превышать 8—12 л на 1 т при расходе ее в соотношении с кис­ лородом не более 0,28—0,35 л на 1 м3 кислорода. В этом случае наблюдалось довольно существенное снижение пылевыделения (до 0,4—0,5%). В то же время применение воды сопровождалось резким уменьшением выхода годного металла (в результате выноса крупных капель) и ухудшением других показателей процесса, что обусловлено в основном замедлением шлакообразования. Основ­ ность конечных шлаков была несколько ниже, продолжитель­ ность продувки увеличивалась на 2 мин и, что самое главное, резко уменьшался выход жидкого металла с 87,5 до 85,5% (в сред­ нем). Поэтому работу с применением воды в качестве охладителя нельзя признать целесообразной.

Применение топлива в качестве добавки для уменьшения пылеобразования основано на том, что при вводе его в струю кисло­ рода продукты горения топлива, контактируя с металлом, разла­ гаются со значительным поглощением тепла, охлаждая реакцион­ ную зону. Нужно отметить, что это охлаждение является, во вся­ ком случае частично; локальным. Топливо, сгорая в кислородной струе, дает значительное количество тепла, которой частично передается ванне, что компенсирует затраты тепла в реакционной зоне.

Теоретически легко предположить, что при определенном соот­ ношении количеств кислорода и топлива в струе'(превышающих соотношения полного сгорания или равных им) пылевыделения не будет, так как с металлом будут контактировать только про­ дукты сгорания топлива. Поскольку при диссоциации продуктов сгорания (в основном С 02 и Н 20) выделяется достаточно большое количество кислорода, процесс рафинирования металла будет

происходить, но, естественно, со значительно меньшими скоро­ стями. Однако трудно ожидать, что весь кислород струи даже при значительном его избытке будет использован на горение топлива, так как имеется химическая неполнота горения. Степень химиче­ ской неполноты сгорания (недожигания) можно определить по ме­ тодике, предложенной М. Б. Равичем [31]. Расчет выполняют по следующей формуле:

Яотношение объема сухих продуктов сгорания, полу­ ченных при сжигании топлива с избытком (недостат­ ком) воздуха (кислорода), к объему сухих продук­ тов сгорания в теоретических условиях; низшая теплота сгорания рабочего топлива, отне­

сенная к 1 м3 сухих продуктов сгорания, образую­ щихся в теоретических условиях, ккал/м3;

Qnp.г = 30,2 СО' + 25,8 Но + 85,5 СН4;

СО', НгСН,, — содержание окиси углерода, водорода и метана в сухих продуктах сгорания, % (объемн.).

Величину Я подсчитывают по данным анализа продуктов сго­ рания:

СОо

уу _ _______ -щах_______ ;

С0'2+ СО' + СН4 ’

где С 02тах — содержание С 02 в сухих продуктах сгорания при полном сгорании топлива.

Расчеты химической неполноты сгорания топлива выполнены авторами при проведении ранее упоминавшейся работы по подо­ греву лома. В условиях экспериментов при расчетах были при­ няты следующие значения величин q и С 02П1ах: для природного

Степень химической неполноты сгорания колебалась в исследо­ вательских плавках в пределах 18,&—50,7% при нагреве лома природным газом и 3,54— 16,1% — при нагреве мазутом.

Установлено также, что степень химической неполноты сгора­ ния топлива возрастает с увеличением количества газа (мазута). Зависимость степени химической неполноты сгорания от соотно­

66

ния постоянна и равна приблизительно 30%. Это указывает на высокий окислительный потенциал факела.

Присутствие в струе значительного количества свободного кислорода не дает основания рассчитывать на полное устранение дымообразования.

Метод ввода топлива в кислород при расплавлении скрапа и последующей продувке жидкой ванны опробован в лабораторных условиях в Англии и в СССР. За рубежом этот процесс получил название FOS-процесса. В промышленных условиях FOS-процесс опробован на одном'из английских заводов. Установка емкостью 30 т представляла собой цилиндрическую печь с завалкой сбоку.

поверхность жидкой ванны, в течение всей плавки, причем в ка­ честве топлива использовали как мазут, так и природный газ. Как и в английских исследованиях, обнаружено резкое падение пылевыделения: от 45—50 г/м3 до 2—4 г/м3 отходящего газа. Однако снизить количество пыли в газе ниже указанных пределов даже при очень высоком содержании мазута или природного газа

вдутье практически не удавалось. Зависимость содержания пыли

вгазе от количества присадок мазута в дутье приведена на рис. 17. При снижении концентрации пыли в газе ниже 4 г/м3 кривая концентрации пыли становится параллельной оси абсцисс. Такой ход кривых обусловлен химическим недожогом, полностью изба­ виться от которого в силу микронеоднородности факела, по-види- мому, невозможно даже при весьма совершенном перемешивании кислорода и топлива и совершенных конструкциях фурм.

Уже один этот факт показывает, что серьезных надежд, с точки зрения устранения пылевыделения, на кислородно-топливный

процесс возлагать не следует. Согласно санитарным нормам, до­ пустимое количество пыли в отходящих газах на выходе из дымо­ вой трубы должно быть не более 80—100 мг/м3. Минимальные получаемые концентрации пыли даже при больших расходах топ­ лива превышают указанные максимальные пределы в 20—40 раз, что не дает никаких оснований говорить об отказе от газоочисток.

Правда, при уменьшении концентрации пыли в газе размеры газоочисток могут быть сокращены. Но не следует забывать, что львиная доля затрат на газоочистку и отвод отходящих газов приходится на газоходы и котлы-утилизаторы, т. е. на агрегаты

быть не очень большим (соотношение расходов топлива и кисло­ рода не более 0,25—0,3), а пылевыделение составит 9—10 г/м3. Увеличение выхода годного в результате уменьшения пы­ левыделения может максимально составить 0,6—0,8%. Однако этим и кончаются практически преимущества кислородно-топ­ ливного процесса' (при использовании факела в течение всей плавки).

Выше, при обсуждении предварительного подогрева лома, уже отмечалось, что увеличение доли лома в шихте при одинако­ вой (с народнохозяйственной'точки зрения) цене на лом и чугун не является преимуществом. Затраты же на увеличение выхода жидкого металла (на 0,6—0,8%) и увеличение доли лома в шихте значительны. Применение факельного процесса приводит и к уменьшению производительности конвертерных цехов, причем снижение производительности тем больше, чем выше доля пере­ рабатываемого лома и чем выше экономия выхода годного за счет сокращения пылевыделения.

68

При увеличении доли лома до 50% и увеличении выхода год­ ного за счет устранения пылеобразования до 0,6—0,8% произво­ дительность падает почти в полтора раза, а в результате увеличе­ ния длительности продувки — вдвое. Конечно этого можно избе­ жать, увеличив интенсивность подачи и кислорода,, и топлива. Однако при этом следует иметь в виду, что количество отходящих газов соответственно возрастает, что потребует увеличения разме­ ров котлов-утилизаторов, газоходов и других агрегатов, а также соответствующего увеличения капиталовложений на эти устрой­ ства, что может оказаться весьма невыгодным.

Приведенные выше соображения показывают, что целесообраз­ ность использования кислородно-топливного (факельного) про­ цесса является проблематичной. Лучшим показателем подобной проблематичности служит тот факт, что FOS-процесс и процессы, подобные ему, известны и широко рекламируются уже несколько лет. Однако ни в одной стране мира эти процессы не нашли скольконибудь широкого применения; использование их ограничивается либо лабораторными, либо полупромышленными и промышлен­ ными исследованиями.

В качестве метода устранения пылеобразования можно назвать еще продувку ванны жидким кислородом. Однако этот метод на­ ходится в стадии полупромышленных разработок и какие-либо надежные сведения об этом процессе, с точки зрения пылевыделения, отсутствуют.

3. Окисление углерода

Окисление углерода при кислородно-конвертерном процессе отличается от окисления в бессемеровском (томасовском) процессе, в котором основную роль играет окисление углерода кислородом дутья, и от окисления в мартеновском, когда окисление происхо­ дит главным образом за счет растворенного в металле кислорода. Окисление углерода в кислородном конвертере происходит по-ви­ димому, под действием вводимого кислорода и кислорода, раство­ ренного в металле. Развитие процессов окисления углерода кисло­ родом дутья и кислородом, растворенным в металле, различно в разное время плавки. Нужно полагать, что в первый период плавки при низких температурах, высокой сравнительно вязкости металла, высоких содержаниях кремния и марганца в чугуне основную роль играет окисление углерода кислородом струи в реакционной зоне. Однако этот период непродолжителен и составляет 4—-8 мин в зависимости от емкости конвертера и интен­ сивности продувки. В течение всего остального времени плавки окисление углерода происходит, по-видимому, главным образом растворенным в металле кислородом на границе раздела металл— газовый пузырь. 1

Нужно отметить, что чисто теоретически трудно решить вопрос, где преимущественно окисляется углерод, поскольку формальные

69