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.