Ако сте влезли в топилня през 60-те години на миналия век, кислородът е означавал човек с дебели кожени облекла, който е пъхал стоманена тръба през вратата на пещта. Днес това означава кохерентни струйни фурми, горелки за последващо горене и контрол на пяната от шлака - и това е една от най-големите причини, поради които съвременните електродъгови печки могат да достигнат 40-минутно време за отваряне от едно до друго. Тази статия разглежда какво всъщност прави кислородът в пещта, как се е развила технологията и какво е важно, за да се извлече максимална полза от нея.
I. Какво прави кислородът в електродъгово-обогатяваща печка
1.1 Петте роли на кислорода
Кислородът не е само за декарбонизация, въпреки че това е заглавието. В съвременна пещ кислородът изпълнява пет различни функции:
Декарбонизация
Това е основната реакция: C + O → CO. Мехурчетата CO разбъркват ваната, което помага за отстраняването на разтворените газове и неметалните включвания. Декарбонизацията е и основният път за отстраняване на въглерод при производството на стомана в електродъгово-обработваща печка – просто не можете да произвеждате нисковъглеродна стомана ефективно без контролирано впръскване на кислород.
Дефосфоризация
Кислородът окислява фосфора във ваната до P₂O₅, който след това се комбинира с CaO, за да образува калциев фосфат, който се предава на шлаката. Без достатъчно кислород и правилно кондиционирана шлака, фосфорът няма да се отдели.
Допълнително отопление
Вдухването на кислород върху ваната не е само химия – екзотермичното окисление на желязо, въглерод, силиций и други елементи освобождава топлина. Всеки кубичен метър кислород, използван за окисление на ваната, спестява приблизително 3–5 kWh електрическа енергия на тон стомана. Не е безплатно – окислявате желязо, което попада в шлаката – но компромисът с енергията обикновено си заслужава.
Допълнително горене
CO₂, генериран чрез декарбонизация, може да бъде изгорен до CO₂ вътре в пещта: CO + ½O₂ → CO₂. Тази реакция освобождава около 238 kJ на мол CO₂ или приблизително 10,6 MJ на кубичен метър изгорен CO₂. Улавянето на тази химическа енергия е същността на последващото горене – то може да възстанови 30%–50% от химическата енергия, която иначе би отишла нагоре в комина.
Генериране на пяна от шлака
Контролираното впръскване на кислород (в комбинация със стратегическо добавяне на въглерод) генерира постоянно подаване на мехурчета CO2 през шлаката. Ако шлаката е с правилна химическа формула, тези мехурчета създават стабилна пяна, която покрива дъгата. Оттам идват истинските печалби в топлинната ефективност.
1.2 Как се е развила кислородната технология
Ерата на случващото се Ключова технология
1950-те – 1960-те Ръчно прокарване на врата Стоманена кислородна тръба, ръчна
70-те – 80-те години на миналия век Кислородно-горивни горелки за горелки за природен газ с O₂, подпомагащи разтопяването
1980-те – 1990-те Стенни фурми, фурми с водно охлаждане Фиксирани стенни фурми
1990-те – до момента Кислород с дълбоко проникване, последващо горене, контрол на пеношлаката Кохерентни струйни фурми, интегрирани системи
II. Кислородно ланцензиране на вратата на пещта
2.1 Как работи (и защо все още съществува)
Пробиването на врата е точно това, което звучи. Оператор подава стоманена тръба (обикновено с външен диаметър от ½d" до 1d") през вратата на пещта под ъгъл 15–30°, позиционира върха на тръбата на 50–200 mm над ваната и отваря кислородния клапан. Налягането обикновено е 0,3–0,8 MPa.
Грубо е, но работи. Операторът може да вижда какво се случва и да го настройва в реално време. За малки пещи и специални ситуации, това все още е полезен инструмент.
2.2 Реалността: Тя има граници
Оформянето на врати има реални недостатъци:
- Тежки условия на труд — операторът стои пред топлина от 1600°C с дим и лъчиста топлина
- Ниска кислородна ефективност — голяма част от кислорода изгаря в свободното пространство над ваната, вместо да реагира в метала
- Риск за безопасността — обратните пламъци и пръските на метал са реални опасности
- Без прецизност — не можете да контролирате скоростта на потока на кислород или дълбочината на проникване с каквато и да е последователност
Ето защо съвременните пещи са преминали към стенни, водно охлаждани, механично позиционирани фурми. Но ако управлявате малък цех, фурмите за врата все още са част от инструментариума.
2.3 Ако го правиш, направи го както трябва
- Не дръжте дюзата твърде близо до ваната, защото ще получите силно пръскане; ако сте твърде далеч, по-голямата част от кислорода се окислява в газовото пространство.
- Дръжте дюзата в движение, за да не създадете локално горещо петно — искате цялата баня да се окислява, не само един ъгъл.
- Носете подходящи лични предпазни средства. Това не е място, където да се правят компромиси с безопасността.
III. Асистент за топене на кислород и гориво
3.1 Основната идея
Кислородно-горивна горелка, монтирана на стената на пещта, използва високотемпературен пламък за нагряване на скрап, до който дъгата не може да достигне директно - главно студените точки близо до стените на пещта. Горивото (природен газ, въглищен прах или леко масло) гори в чист кислород, което води до температура на пламъка от 2500–3000°C.
Това е важно, защото електрическата дъга е точков източник на топлина. Ако разчитате само на дъгата, центърът на пещта се топи бързо, а краищата изостават. Горелките изравняват това разпределение на температурата и съкращават времето за топене.
3.2 Опции за гориво
Кислород-природен газ
Индустриалният стандарт. Съотношението O₂:природен газ обикновено е около 2:1 по обем. Температура на пламъка около 2800°C. Чисто горене, добър контрол и надеждно снабдяване с природен газ в повечето промишлени зони.
Кислородно-въглищен прах
По-евтино гориво, ако имате въглища на място, но се нуждаете от система за подготовка и впръскване на прахообразни въглища. Пепелта се отвежда в шлаката, увеличавайки обема на шлаката и потенциално влияейки на химичния състав на шлаката. По-често срещано в региони, където природният газ е скъп или недостъпен.
Кислородно-леко масло
Дизел или тежко гориво. Надеждно запалване и стабилно горене, но цената на горивото е висока, а екологичните норми за NOx и твърди частици се затягат. Не е често срещан избор при новоинсталиране.
3.3 Какво всъщност предлагат горелките
- Време за топене: 10–20 минути по-кратко, когато горелките се използват ефективно
- Консумация на енергия: 30–80 kWh/t икономии на топлина
- Живот на облицовката на пещта: косвена полза — горелката нагрява стените директно, което намалява лъчистото натоварване на дъгата върху огнеупорните материали на страничните стени
- Разпределение на температурата: по-равномерно, което спомага за образуването на шлака и разтварянето на сплави
3.4 Да ги накараме да работят
Разположението на горелката е от значение. Обикновено ще видите 4–8 горелки на средна до голяма пещ, монтирани в средната до горната част на стената. Горелките трябва да бъдат последователно регулирани с регулиране на електродите – не искате горелка, която нагрява вече разтопен скрап, и не искате дъга, горяща с пълна мощност срещу студена стена.
Поддържайте дюзите на горелката чисти. Натрупването на шлака по дюзата разрушава формата на пламъка и разхищава гориво.
IV. Кохерентни струйни кислородни ланци
4.1 Защо кохерентната струя е важна
Конвенционалната свръхзвукова кислородна струя произвежда струя, която се разпръсква бързо - ефективната дълбочина на проникване е само около 10–15 пъти диаметъра на дюзата. Кохерентната струйна струя решава този проблем, като обвива централната високоскоростна кислородна струя в пръстеновидна обвивка от защитен газ (обикновено природен газ или въздух). Обвивката потиска увличането на околните газове и централната струя остава кохерентна за много по-голямо разстояние.
Дълбочина на проникване с кохерентна струя: 30–50 пъти диаметъра на дюзата. Това означава по-дълбоко проникване на ваната, по-енергично разбъркване и значително по-добро използване на кислорода.
4.2 Какво има вътре в дюзата
Кохерентната струйна фурма е композитен възел:
- Централна кислородна дюза — генерира високоскоростна кислородна струя
- Пръстеновиден газов канал — доставя потока на защитен газ
- Водно охлаждащ кожух — фурмата работи в агресивна среда; охлаждането е задължително
- Тяло на фурмата — монтирано на стената на пещта, обикновено прибиращо се, за да се държи извън ваната по време на условия на разпенваща се шлака
4.3 Какво печелите
По-дълбоко проникване, по-добро обезвъглеродяване
Кохерентната струя образува по-дълбока кухина за проникване във ваната. Контактната площ между кислород и метал и времето за реакция се увеличават значително. Ефективността на обезвъглеродяването се повишава и се постига повече работа с по-малко кислород — 10%–20% намаление на консумацията на кислород за същата цел на обезвъглеродяване.
По-добро разбъркване
Мехурчетата CO, генерирани от дълбоко инжектиране на кислород, имат по-дълъг път през ваната. Това означава по-щателно смесване, което спомага за хомогенизиране на температурата и химичния състав преди потупване.
По-лесна пяна от шлака
Дълбокото инжектиране поставя въглерод-кислородната реакция в долната част на ваната. Мехурчетата CO трябва да се издигнат през целия слой шлака, разширявайки се по пътя си – и точно това е механизмът, който изгражда стабилна пяна от шлака.
4.4 Монтаж и експлоатация
- Положение: долна стена на пещта, наклонена надолу под ъгъл 15–30°, така че струята да прониква дълбоко във ваната
- Време: започнете инжектирането от средата до края на разтопяването до края на периода на окисление
- Налягане: обикновено 0,8–1,5 MPa при тръбата
- Контрол на позицията на тръбата: тръбата трябва да се прибира с понижаване на нивото на ваната, поддържайки постоянна дълбочина на проникване
V. Допълнително горене
5.1 Улавяне на енергията на CO2
Всеки кубичен метър CO2, който напуска пещта неизгорял, е химическа енергия, за която сте платили (в кислород и електрическа енергия) и не сте я възстановили. Допълнителното горене изгаря този CO2 до CO₂ вътре в пещта, където топлината може да се пренесе към ваната и скрапа.
Струва си да се разберат стойностите за възстановяване на енергия:
- CO → CO₂ освобождава ~238 kJ на мол CO
- Това е ~10,6 MJ на кубичен метър изгорен CO2
- При ефективност на последващото горене от 50%–70%, икономиите на електроенергия са значителни
5.2 Как да го направите
Специализирани тръби за допълнително горене
Стенно монтирани тръби, които инжектират кислород в свободния борд - пространството между повърхността на шлаката и покрива. Кислородът се смесва с издигащия се CO2 и го изгаря.
Интегрирани дизайни на ланци
Някои усъвършенствани кохерентни струйни фурми включват отвори за кислород след горене на едно и също тяло на фурмата. Това опростява разположението на стената на пещта и ви позволява да контролирате основния кислород и кислорода след горене от една система за позициониране.
Инжектиране на врата или покрив
По-рядко срещано, но възможно. Кислородът се впръсква през вратата или през отвор на покрива, за да се насърчи изгарянето на CO2 в надводния борд.
5.3 Осъществяване на последващото горене
Кислородът трябва да се смеси с CO2, което означава, че точката на инжектиране трябва да бъде в свободния борд, където концентрацията на CO2 е висока. Също така трябва да съобразите потока на кислород след горенето с основната скорост на инжектиране на кислород - твърде много кислород след горенето и вие преокислявате шлаката, което увеличава натоварването от дезоксидация по време на редукционния период.
Анализът на пещния газ в реално време (съдържание на CO и CO₂) ви позволява да настройвате потока кислород след горенето. Ако не измервате отработените газове, просто гадаете.
5.4 Резултати, които можете да очаквате
- Възстановяване на енергия: 30%–50% от наличната химическа енергия на CO2
- Спестяване на енергия: 15–40 kWh/t
- По-кратко време за загряване: 3–8 минути
- Предупреждение: ако прекалите, ще окислите прекомерно шлаката, което означава повече дезоксидатори и потенциално по-голяма склонност към включване в крайната стомана.
VI. Практика с пеношлака
6.1 Как се образува пеношлака
Пенообразната шлака е най-ефективната мярка за термична ефективност при производството на стомана в електродъгово-печна печка. Когато скоростта на образуване на мехурчета от CO2 в шлаката надвиши скоростта на отделяне на газ, мехурчетата се натрупват, шлаката се разширява и се получава пяна.
Трябва да бъдат изпълнени четири условия:
Постоянно генериране на CO2 — от кислородно декабуризиране
2. Подходящи свойства на шлаката — вискозитетът не може да бъде твърде нисък (мехурчетата излизат, преди да се натрупат) или твърде висок (шлаката няма да се разшири)
3. Достатъчен обем шлака — ако няма достатъчно шлака, не можете да изградите стабилен слой пяна
4. Мехурчета, издигащи се от ваната — реакцията въглерод-кислород трябва да се случи в метала, така че мехурчетата влизат отдолу
6.2 Контролиране на пяната
Химия на шлаката
Обичайната цел е основност (CaO/SiO₂) в диапазона 2,5–3,5. Твърде ниска е и шлаката няма да се флуидизира правилно; твърде висока и става вискозна. Малко количество флуоршпат помага за флуидизацията. Съдържанието на FeO също е от значение – твърде много FeO и шлаката става тънка и пяната се разпада.
Координация на кислорода и въглерода
Впръскването на кислород задвижва декарбонизацията, която генерира CO. Ако естествената скорост на декарбонизация не е достатъчна, можете да добавите кокс или въглища към ваната, за да увеличите скоростта на реакцията въглерод-кислород. Ключът е в съчетаването на интензивността на реакцията въглерод-кислород с мощността на дъгата - искате достатъчно мехурчета, за да заровите дъгата, но не толкова много, че шлаката да прелее.
Височина на пяната
Слоят от пяна от шлака трябва да е 1,5–2 пъти дължината на дъгата, така че дъгата да е напълно заровена. Това обикновено означава слой шлака с дебелина 300–500 мм. Ще разберете, че работи, когато електрическият КПД се повиши и температурата на огнеупорната стена спадне.
6.3 Защо ви е необходима пеношлака
Защита от дъгова радиация
Пенестата шлака напълно обгръща дъгата. Дъговото лъчение се абсорбира от шлаката и се пренася във ваната, подобрявайки топлинната ефективност с 10%–15%. В същото време стените и покривът на пещта са защитени от директно дъгово лъчение, което удължава живота на огнеупорните материали.
Намаляване на шума
Пеношлаката абсорбира шума от дъгата. Добре разпенената пещ е забележимо по-тиха — с 10–15 децибела по-малко. В контролната зала това е разликата между викането и нормалното говорене.
Стабилност на дъгата
Резистивният характер на пяната шлака спомага за стабилизиране на дъгата, което намалява трептенето и улеснява работата на регулатора на електрода.
Защита на облицовката на пещта
Пяната шлака покрива горната част на стената, намалявайки ерозията и термичния шок, на които иначе биха били подложени огнеупорните материали.
6.4 Предпазни мерки при работа
- Не позволявайте пяната да стане твърде висока, иначе ще избутате метала от пещта
- Не позволявайте алкалността да стане твърде висока, иначе шлаката стане твърде вискозна, за да се разпени правилно.
- Не позволявайте на FeO да стане твърде високо, в противен случай пяната се разпада.
- Преди да докоснете водата, разчупете част от пяната, за да можете да видите ваната и да се уверите, че сте готови да я излеете.
VII. Разработване на кислородна фурма: Тестване и симулация
7.1 Защо тествате ланцети
Производителността на кислородната фурма определя колко ефективно пещта използва кислород, колко разбърква се банята и колко дълго издържа самата фурма. Изпитването в горещо състояние ви позволява:
- Измерете дълбочината на проникване на струята и скоростта на разпръскване
- Оптимизиране на геометрията на дюзите (диаметър, ъгъл, разположение)
- Валидиране на CFD симулации
- Вземайте решения, основани на данни, относно избора на фурма и работните параметри
7.2 CFD симулация при проектиране на ланци
Изчислителната флуидна динамика се е превърнала в стандартен инструмент при разработването на кислородни фурми. Какво можете да симулирате:
- Кислороден поток и затихване в средата на пещта
- Дълбочина на проникване на струята в разтопената вана
- Поле на потока и температурно поле във ваната
- Въглерод-кислородна реакция и поведение на CO мехурчетата
- Динамика на мехурчетата при образуването на шлака и пеношлака
Често срещани софтуерни платформи: ANSYS Fluent, CFX, OpenFOAM и специализирани пакети за симулация на металургични процеси.
Стойността на симулацията е реална: по-малко физически изпитания, по-добре оптимизирани конструкции на фурмите и възможност за прогнозиране на производителността в редица работни условия, преди да режете стомана за фурмите на фурмите.
Обобщение
Кислородната технология е преминала от ръчна, неточна операция към високотехнологична система, която е от основно значение за производителността на електродъговата печка. Кохерентните струйни фурми, последващото горене и контролът на пяновата шлака работят заедно - кислородът генерира CO2, фурмата го доставя дълбоко във ваната, последващото горене възстановява енергия от отработените газове, а пяновата шлака улавя топлината на дъгата.
Извличането на максимална полза от тези системи изисква координация: потокът на кислород, добавянето на въглерод, химичният състав на шлаката и вложената мощност си взаимодействат. Цеховете, които разбират тези взаимодействия – и ги настройват топлина след топлина – са тези, които постигат кратките времена от точка до точка и ниските енергийни стойности, които правят производството на стомана в електродъгово-дугово заваряване конкурентноспособно.
