Повышение температуры жидкого чугуна

 

Увеличить расход лома в конвертерах позволяет и повышение температуры жидкого чугуна: на каждые 100° С повышения температуры чугуна можно переплавлять дополнительно 60 кг лома на 1 т чугуна. Перегрев жидкого чугуна можно осуществить, оснастив миксеры индукционными канальными перегревателями.

Индукционные перегреватели представляют собой короткозамкнутый трансформатор с железным сердечником, в котором первичная обмотка образована индуктором, а вторичная - жидким металлом, находящимся в канале. Циркуляция металла в канале обеспечивается действием электромагнитных сил. Схемы индукционных перегревателей представлены на рисунке 14.

В США фирмой «Ajax Magnetermic» («Аджакс магнетермик») разработаны мощные индукционные устройства для перегрева жидкого чугуна. По данным фирмы, технология и имеющееся оборудование позволяют перегревать чугун на 280° С. При этом срок службы индукционных устройств -мощностью 2500—3000 кВт составляет до 15 лет. Расход электроэнергии на перегрев жидкого чугуна составляет около 440 кВт-ч/т дополнительно выплавляемой стали. Поскольку в электросталеплавильном производстве расход энергии составляет 600 кВт-ч/т, или на 35% больше, процесс перегрева чугуна в миксере является энергетически выгодным.

 

Рисунок 14 - Схема индукционного канального перегревателя

 

По утверждению «Energy Materials Conservation Corp» (США), производительность кислородно-конвертерного цеха при использовании установок для перегрева чугуна увеличивается на 13 – 15 % без роста его потребления. Дополнительная теплота может быть поглощена любым охладителем, более доступным или имеющим меньшую стоимость в условиях данного завода – металлоломом, окатышами, агломератом, прокатной окалиной или холодным чугуном. При условии точного контроля температуры чугуна, применение установки для перегрева может улучшить технологию процесса и условия службы футеровки, в ряде случаев способно свести к минимуму потери производительности сталеплавильных цехов при плановом или внезапном прекращении снабжения их жидким чугуном. В случае необходимости, в установках возможно переплавлять холодный чугун.

По мнению разработчиков, такой способ повышения доли лома в шихте имеет значительные преимущества перед другими, существующими в настоящее время: присадкой ферросилиция, карбида кремния, карбида кальция, алюминия. При их использовании неизбежны побочные нежелательные эффекты: увеличение продолжительности продувки, расхода кислорода и извести, количества шлака, и, следовательно, потерь железа, ухудшение условий службы футеровки.

4.4 Особенности различных вариантов процесса увеличении доли лома

Для переработки значительного количества лома (40 — 50 % от массы металлошихты) необходимо комплексное применение разных методов. Каждый из них обладает отличительными от других способами и режимами сжигания топлива, подогрева лома в процессе кислородной продувки.

Значительные успехи в разработке и освоении кислородно-топливного конвертерного процесса с комбинированным дутьем достигнуты фирмой "Klockner Werke" (ФРГ) и входящей в ее состав фирмой "MaxhLitte". Первоначально разработанный этими фирмами процесс Q — ВОР — S включал только донный подогрев металлического лома при стехиометрической подаче кислорода и углеводородов через донные фурмы. В дальнейшем было реализовано дожигание СО до СО₂ в объеме конвертера при помощи верхней и (или) боковых фурм и вдувание пылевидного углеродсодержащего топлива в процессе продувки. Процесс получил наименование KMS—Klockner MaxhLitte Stahlerzeugung-verfaren рисунок 15. Установлено, что дожигание конвертерных газов при комбинированной продувке ванны кислородом эффективнее, чем при верхней продувке. Благодаря только дожиганию СО до СО₂ представляется возможным увеличить расход лома на 60 кг/т стали. Повышение температуры в верхней части полости конвертера невелико, не обнаружено существенного увеличения износа футеровки.

В процессе KMS предусмотрено вдувание в жидкую ванну твердых порошков углеродсодержащих материалов — угля или кокса. Применение энергетических углей возможно независимо от содержания в них летучих углеводородов.

1 - шлакообразующие; 2 - кислород; 3 - сжатый воздух; 4 - азот или аргон| 5 - углеводороды; 6 - кокс или уголь.

Рисунок 15 - Схема КМС – процесса

 

При этом теплотехническая эффективность энергетических углей ниже (термический к.п.д. ниже на 10 %), чем кокса, если не ведется дожигание СО до СО₂ над жидкой ванной.

Конвертеры позволяющие перерабатывать металлошихту с любым соотношением лома и чугуна представлен на рисунке 16.

Последние оборудуются полыми цапфами, через одну из которых подается природный и нейтральный газы; через другую - кислород, аргон и сжатый воздух раздельными потоками к донным и боковым фурмам. Число донных фурм обычно составляет от 3 до 16 при садке агрегатов 10+350 т соответственно. Боковые фурмы устанавливаются в вертикальной плоскости, проходящей через ось цапф так, чтобы их оси пересекались под углом 45° с осью конвертера на уровне спокойной ванны.

В качестве верхнего дутьевого устройства используются кислородные фурмы, обеспечивающие одновременно продувку ванны и частичное дожигание выделяющегося из ванны оксида углерода. Конструкции донных и боковых фурм выполняются однотипными из жаропрочной стали в виде концентрично расположенных труб.

 

Русунок 16 – Схема кислородно топливного конвертера для выплавки стали из металлошихты с увеличенной (до 50% и более) долей лома

 

Кислородно-конвертерный процесс с комбинированной продувкой обладает широкими возможностями улучшения тепловой работы, переработки значительных количеств металлолома путем эффективного его донно-верхнего подогрева и продувки расплава с частичным дожиганием СО в полости конвертера.

При развитии KMS-процесса фирмой "Klockner - Werke" (ФРГ) был создан и запатентован в 1977 г. кислородно-топливный сталеплавильный процесс на твердой металошихте в агрегате конвертерного типа, получивший наименование — процесс KS (Klockner Stahlerzeugyg).

Сущность KS -процесса состоит в предварительном нагреве шихтовых материалов, осуществляемом путем подачи углеводородного газообразного или жидкого топлива и кислорода через донные фурмы до появления некоторого количества жидкого металла; затем ввода через донные фурмы совместно с кислородом пылевидных углеродсодержащих материалов угля или кокса. Происходит дальнейшее проплавление твердой шихты, частичное ее науглероживание, газификация твердого углерода, а затем и рафинирование металла. Технология конвертерной плавки процессом KS включает следующие операции рисунок 17.

 

1 - загрузка шихты; 2 - предварительный нагрев; 3 - образование первых порций расплава; 4 - расплавление шихты и рафинирование; 5 - выпуск и легирование металла.

Рисунок 17 - Технологические операции при процессе KS

 

В период нагрева лома предпочтительней использовать жидкое топливо мазут. Преимущество состоит в том, что донные фурмы при подаче жидкого топлива через кольцевые каналы развивают значительно большую термическую мощность. А в период кислородной продувки подача природного газа через кольцевой зазор обеспечивает защиту донных фурм.

Аналогом процесса KS является "COIN''-процесс, разработанный фирмой "Krupp", основывающийся на вдувании в конвертер через кольцевой канал коаксиальных донных фурм порошкообразного (фракции < 1 мм) угля как в жидкий период плавки, так и для нагрева твердой шихты. Информация об этом процессе слишком ограничена, чтобы можно было судить о его показателях, особенностях. В работе отмечается, что использование COIN-фурм (coal — уголь, oxygen — кислород, injection — вдувание) позволяет вводить в конвертер пылевидный уголь с интенсивностью до 22 кг/(т • мин) при интенсивности продувки кислородом до 4,5 м3 / (т • мин).

Сущность технологии заключается в интенсивном нагреве твердой металлошихты за счет комплексного использования природного газа и твердого кускового топлива (угля, антрацита) при комбинированной подаче природного газа и кислорода через донные и боковые фурмы - горелки и верхнюю кислородную фурму; плавлением шихты и дальнейшем рафинировании расплава с частичным дожиганием СО в объеме конвертера.

В конвертерном процессе при 100 % металлолома в шихте твердое углеродсодержащее топливо выполняет важные технологические функции, связанные с науглероживанием расплава, организацией кипения и перемешивания ванны. В период кислородной продувки расплавившейся металлошихты углерод твердого топлива, усвоенный ванной, является единственным источником тепла для нагрева металла. Твердое углеродсодержащее топливо имеет, как уже отмечалось, преимущества по сравнению с газообразным и жидким и с теплотехнической стороны.

На рисунке 19 представлены потери тепла, выраженные в долях от теплотворной способности топлива, в результате химического недожога горючих составляющих природного газа и твердого углерода при различных значениях недожога углерода и водорода - α и β. При равных значениях α и β на единицу топлива, подведенного топливом, в случае сжигания природного газа потери тепла больше.

Таким образом, при одинаковом химическом недожоге природного газа и твердого углеродсодержащего топлива и равных температурах отходящих газов (T_ог) доля тепла, которая может быть передана нагреваемой шихте от общего количества потенциального тепла топлива, при сжигании твердого углерода выше, чем природного газа.

 

 

 

Рисунок 19 - Потери тепла при диссоциации продуктов сгорания природного газа (1) и твердого углерод (2) при T= 298 К.

 

В связи с этим применение природного газа (или других углеводородов) самостоятельно или в сочетании с твердым углеродсодержащим топливом для нагрева и плавления металлошихты в конвертере будет целесообразно лишь в условиях, обеспечивающих близкие значения их КИТ.

В заключение следует отметить, что процесс на твердой металлоза-валке все же является экстремальным кислородно-топливным вариантом переработки металлолома в конвертере. Требуются его длительные исследования в полупромышленных и промышленных условиях с целью уточнения технологических и теплотехнических показателей, условий службы футеровки, производительности агрегатов. Ориентировочные оценки показывают, что при одинаковом объеме конвертеров, работающих обычным процессом и на твердой металлошихте, масса садки в последнем случае для действующих конвертеров должна быть снижена в 1,2—1,5 раза, что снижает его удельную производительность на соответствующую величину. С учетом увеличения необходимого расхода кислорода удельная производительность конвертерного агрегата снижается на 30—40 %.