Организация подачи кислородного дутья. Блоки разделения воздуха

⇐ ПредыдущаяСтр 57 из 95Следующая ⇒

Кислородно-конвертерным процессом в нашей стране обычно называют процесс выплавки стали из жидкого чугуна и добавляемого лома в конвертере с основной футеровкой и с продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму; за рубежом его называют процессом ЛД. За время существования процесса (с 1952-53 гг.) было разработано несколько его разновидностей, из которых в настоящее время наряду с процессом ЛД промышленное применение находят кислородно-конвертерные процессы с донной продувкой и с комбинированной продувкой (см. рис. 9.1).

Рис. 9.1. Разновидности кислородно-конвертерных процессов: а — продувка кислородом сверху; б - продувка кислородом снизу (через дно); в - комбинированная продувка (кислородом сверху и различными газами через дно).

Быстрое развитие кислородно-конвертерного процесса объясняется тем, что он, как и прочие конвертерные процессы, обладает рядом преимуществ по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным процессами. Основные:

1) более высокая производительность одного работающего сталеплавильного агрегата (часовая производительность мартеновских и электродуговых печей не превышает 140 т/ч, а у большегрузных конвертеров достигает 400-500 т/ч);

2) более низкие капитальные затраты, т.е. затраты на сооружение цеха, что объясняется простотой устройства конвертера и возможностью установки в цехе меньшего числа плавильных агрегатов;
3) меньше расходы по переделу, в число которых входит стоимость электроэнергии, топлива, огнеупоров, сменного оборудования, зарплаты и др.;

4) благодаря четкому ритму выпуска плавок работа конвертеров легко сочетается с непрерывной разливкой.

Кроме того, по сравнению с мартеновским производством конвертерное характеризуется лучшими условиями труда и меньшим загрязнением окружающей природной среды.

Благодаря продувке чистым кислородом сталь содержит 0,002-0,005% азота, т.е. не больше, чем мартеновская. Тепло, которое выделяется при окислении составляющих чугуна, с избытком хватает для нагрева стали до температуры выпуска. Имеющийся всегда избыток тепла позволяет перерабатывать в конвертере значительное количество лома (до 25-27 % от массы шихты), что обеспечивает снижение стоимости стали, так как стальной лом дешевле жидкого чугуна.

Перемешивание ванны, возникающее при продувке в результате воздействия кислородных струй и потока выделяющихся из ванны пузырьков окиси углерода, интенсифицирует теплообмен, ускоряя процессы окисления, рафинирования и нагрева металла и расплавления стального лома.

Характер взаимодействия кислородных струй с ванной и возникающей при этом циркуляции металла показан на рис. 9.2. Под соплами фурмы расположены направленные вниз высокоскоростные потоки кислорода с увлекаемыми в них каплями металла; это первичные реакционные зоны, где весь кислород расходуется на окисление железа. По границам первичной зоны вследствие высокой концентрации кислорода окисляется много углерода с образованием СО и формируется мощный поток всплывающих пузырей СО, увлекающих за собой металл, поэтому циркуляционные потоки направлены здесь вверх.

Рис. 9.2. Структура ванны при продувке сверху: 1 – зона продувки (прямого окисления); 2 – зона циркуляции; 3 – пузыри СО; 4 – крупные газовые полоски; 5 – металл; 6 – шлак.

Поскольку контур циркуляции должен быть замкнутым, у стенок конвертера металл движется вниз. Выше зоны циркуляции металл и шлак перемешиваются всплывающими пузырями СО. Под первичными реакционными зонами, где всплывание пузырей СО затруднено, периодически формируются крупные газовые полости 4. Их объем при движении вверх возрастает в результате поглощения встречных пузырей СО, и при выходе крупных газовых объемов из ванны образуются всплески металла и шлака.

Уровень ванны изменяется по ходу продувки. В начале и конце продувки, когда скорость окисления углерода невелика, т.е. образуется мало пузырей СО, металл вспенивается незначительно, и фурма находится над ванной (рис.9.1, а). В середине продувки, когда скорость обезуглероживания сильно возрастает, большое количество выделяющихся пузырей СО вспенивают верхнюю часть ванны, и фурма оказывается погруженной в газошлакометаллическую эмульсию (рис. 9.2), а уровень ванны может достигать верха горловины конвертера. В этот период могут возникать выбросы.

Для внедрения кислородных струй в металл и полного усвоения кислорода необходима высокая кинетическая энергия струй. Поэтому применяют сопла Лаваля, которые, преобразуя энергию давления в кинетическую, обеспечивают сверхзвуковую скорость выхода кислорода из сопла (500м/с и более). С тем, чтобы поддерживалась работа сопла в таком режиме, его диаметр при данном расходе кислорода рассчитывают, а давление кислорода перед соплом должно быть более 0,9-1,2 МПа. С учетом потерь давления в фурме, давление кислорода, подаваемого в конвертерный цех, должно составлять 1,5-2,0 МПа.

Высота расположения фурмы имеет оптимальные пределы. При чрезмерно высоком расположении фурмы кинетическая энергия струй теряется на пути до встречи с ванной, поэтому кислородные струи не будут внедряться в металл ("поверхностный обдув") и будет низка степень усвоения кислорода; при чрезмерно низком положении ("жесткая продувка") усиливается вынос капель металла отходящими газами и абразивный износ фурмы каплями металла, существенно замедляется шлакообразование из-за уменьшения количества FеО в шлаке. Оптимальная высота обычно находится в пределах, соответствующих расстоянию до уровня ванны в спокойном состоянии от 1,0 до 2,5м; в этих пределах высота обычно возрастает при увеличении вместимости конвертера и зависит от особенностей принятой в цехе технологии.

Изменение высоты положения фурмы во время продувки обычно используют для регулирования окисленности шлака и ускорения его формирования. При этом учитывают, что в подфурменной зоне вдуваемый кислород расходуется преимущественно на прямое окисление железа, а образующиеся оксиды могут растворяться как в металле, так и в шлаке. При большом заглублении кислородных струй в металлическую ванну весь кислород будет усваиваться металлом. Уменьшение заглубления струй приближает зону прямого окисления к шлаку, и в шлак будет переходить больше образующихся в этой зоне оксидов железа. Обогащение же шлака оксидами железа существенно ускоряет растворение извести, т.е. шлакообразование.

С учетом этого обычно применяют следующий режим продувки, В течение первых 2-4 мин продувки с целью ускорения шлакообразования фурму устанавливают в повышенном положении (в 1,2-2,0 раза выше, чем в остальное время плавки), а затем ее опускают до оптимального уровня (в один или несколько приемов).

Уменьшение давления и расхода кислорода так же, как и подъем фурмы, вызывает уменьшение заглубления кислородных струй в ванну, и в результате этого шлак обогащается оксидами железа. Подобный прием регулирования окисленности шлака также иногда применяют.

Кислородную продувку количественно характеризуют удельным расходом кислорода, его общим расходом на плавку, минутным расходом и интенсивностью подачи кислорода. Удельный расход (м³/т стали) и общий расход на плавку (м³) определяются количеством кислорода, необходимого для окисления составляющих шихты; эти величины возрастают при увеличении содержания окисляющихся примесей в чугуне и уменьшаются при росте доли лома в шихте, поскольку лом содержит меньше окисляющихся примесей, чем чугун. Удельный расход кислорода обычно изменяется в пределах 47-57 М³/т стали. Минутный расход кислорода (м³/мин) увеличивается с ростом вместимости конвертера, достигая для большегрузных конвертеров 1600-2000 м³/мин.

С целью сокращения длительности плавки интенсивность продувки стремятся увеличить. Однако опыт показал, что имеется предел, после превышения, которого начинаются выбросы металла и шлака из конвертера. Объясняется это тем, что при росте расхода кислорода возрастает скорость окисления углерода и, следовательно, количество выделяющихся пузырей СО, вспенивающих ванну, при подъеме вспенившейся ванны до уровня горловины могут появиться выбросы.

Применяемые в настоящее время трех-шестисопловые фурмы обеспечивают, как отмечалось, интенсивность продувки от 2,5 до 5м³/(т * мин); расход кислорода через одно сопло не превышает 150-250 м³мин.

Массообменные процессы, условия перемешивания ванны и контакта металла со шлаком, состав отходящих газов и характер плавильной пыли, условия службы футеровки и др. заметно изменяются при замене продувки металла кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму на продувку сбоку или снизу, через днище конвертера. От конвертеров верхнего дутья (с подачей кислорода через фурму сверху) конвертеры донного дутья отличаются несколько меньшим удельным объемом (0,6-0,9 м³/т). Это отличие объясняется тем, что при продувке через дно операция (особенно во время обезуглероживания) протекает более спокойно, без чрезмерно сильного вскипания, вызванного местным переокислением металла в отдельных участках объема ванны. В центральную часть днища на некотором расстоянии от стен устанавливают (при набивке днища) фурмы для подачи кислорода. Каждая фурма обычно состоит из двух концентрически расположенных труб (труба в трубе), по внутренней трубе подается кислород, а в щель внутренней и внешней защитный газ или жидкое топливо (рис. 9.3).

Рис.9.3. Схема устройства фурмы для донной продувки кислородом в конвертере:

1 – природный газ (или другая защитная среда); 2 – кислород.

Под влиянием высоких температур углеводороды, поступающие через щель между внутренней и внешней трубами, разлагаются, на что расходуется определенное количество тепла. Этого тепла должно быть достаточно для предотвращения быстрого разрушения фурм и частей днища, прилегающих к фурмам. Обычно расход природного газа, состоящего в основном из метана, составляет 6-7 % от расхода кислорода, расход пропана 3,5 %. Углерод и водород, образующиеся при разложении углеводородов, частично сгорают, частично растворяются в металле. Выходя из ванны, водород и монооксид углерода уносят с собой часть тепла. Расчеты показали, что приход тепла от частичного сгорания в области фурм углерода и водорода меньше, чем расход тепла на нагрев и разложение углеводородов и на увеличение потерь тепла с отходящими газами. В связи с этим при донной продувке перерабатывается несколько меньшее (на 2-3 %) количество охладителей (лома или железной руды), чем при верхней. При определении давления кислорода перед фурмами и размера внутренней трубы предварительными расчетами и моделированием учитывают два случая:

1) при очень высокой турбулентности потока смешение кислорода с защитным газом происходит на выходе из фурмы и стойкость фурм оказывается низкой;

2) при определенных расходах кислорода и газа возможен канальный характер движения потоков через металлическую ванну, при этом ухудшаются условия перемешивания и степень усвоения кислорода (непрореагировавший кислород уходит через ванну в газовую фазу).

Использование донных фурм позволяет в случае необходимости продувать ванну снизу не только кислородом, но и инертным газом (или азотом). При продувке через дно по сравнению с продувкой сверху несколько изменяются ход реакций окисления углерода, марганца и фосфора, а также окисленность ванны, наблюдается иной характер пылеобразования, резко возрастает интенсивность перемешивания, увеличивается поверхность контакта газ — металл (по сравнению с верхней продувкой в 10-20 раз). Дополнительную поверхность представляют также частицы извести, вдуваемые в металл струей кислорода. Все это существенно улучшает условия образования и выделения монооксида углерода, в результате чего возрастает скорость обезуглероживания. Поскольку, помимо кислорода, в ванну поступают углеводороды, образующие Н₂, Н₂0 и СО₂, то пронизывающие ванну пузыри характеризуются меньшим парциальным давлением монооксида углерода. Уменьшение монооксида углерода одновременно с улучшением условий зарождения пузырей СО позволяет без существенного переокисления ванны получать в конце операции металл с содержанием углерода <0,05 % (в необходимых случаях до 0,01 %).

Примерно так же, как и при верхней продувке, при высоких концентрациях углерода интенсивность обезуглероживания определяется скоростью подвода окислителя. В этих условиях ванна поглощает практически 100 % вдуваемого кислорода. При низких концентрациях углерода интенсивность его диффузии к месту реакции становится меньше интенсивности процесса окисления железа и оксиды железа, не успевшие прореагировать с углеродом, переходят в шлак. Избежать этого можно следующими способами:

1) понизив интенсивность подачи кислорода;

2) рассредоточив подачу дутья (очень много фурм малого сечения каждая);

3) разбавив кислород инертным газом.

Первые два способа практически трудно осуществимы, третий используется на практике. Кислород разбавляется аргоном или азотом.

Разбавление газовой фазы продуктами разложения и окисления составляющих, подаваемых для защиты фурм (т.е. снижение монооксида углерода), а также очень благоприятные условия для выделения СО приводят к тому, что окисленность металла при донной продувке ниже, чем при продувке сверху.

Условия, определяющие содержание газов в стали при продувке снизу, существенно отличаются от условий, соответствующих верхней продувке. Наиболее важные отличия следующие:

1) температура в реакционной зоне при донной продувке благодаря охлаждающему действию слоя защитных газов и вдуваемой извести ниже, чем в реакционной зоне при верхней продувке;

2) при продувке сверху некоторое количество атмосферного воздуха обычно эжектируется кислородной струей в полость конвертера. В результате в составе газовой фазы в конвертере содержится некоторое количество воздуха, который является источником поступления азота в металл. Чем выше давление кислорода, тем больше «воронка» в том месте, где струя кислорода входит в металл, тем на большую глубину проникает газо-металлическая эмульсия и тем больше ее путь (и продолжительность контакта с металлом) вначале вниз, а потом наверх. При донной продувке чем выше давление кислорода, тем меньше продолжительность контакта дутья с металлом, подсос атмосферного воздуха в полость конвертера при продувке снизу практически отсутствует. Как вследствие снижения температуры реакционной зоны, так и в результате уменьшения подсоса атмосферного воздуха при дутье снизу содержание азота ниже, чем при продувке сверху. Обычно содержание азота в конце операции при донной продувке составляет 0,001-0,003 %. Некоторые колебания содержания азота объясняются применяемыми методами охлаждения ванны и чистотой кислорода.

Накопленный опыт эксплуатации конвертеров с донной продувкой позволяет отметить следующие особенности организации ведения плавки:

1. Рассредоточенная подача кислорода и хорошее перемешивание ванны дают возможность проводить продувку очень интенсивно. Продолжительность собственно продувки при использовании для охлаждения железной руды и извести составляет обычно 7 - 8 мин, а при использовании металлического лома и руды 10 - 12 мин. Поскольку плавка в конвертере с донной продувкой идет быстрее, соответственно производительность конвертера может быть увеличена (по расчетам, на >5 %); вместе с тем высокая производительность может быть достигнута лишь при высокой стойкости днищ (при равной стойкости футеровки). При низкой стойкости днищ неизбежны существенные затраты времени на смену днищ.

2. Выход жидкой стали при донной продувке несколько выше, чем при продувке сверху (в результате уменьшения выноса плавильной пыли и снижения содержания железа в шлаке), в случае правильно организованной технологии.

3. Существенно различие тепловых балансов плавок с продувкой снизу и сверху. При продувке сверху определенное количество тепла теряется с водой, которой охлаждается фурма. Вместе с тем в отходящих газах в конвертере с верхней продувкой много СО₂, т.е. заметное количество СО догорает непосредственно в полости конвертера, увеличивая приход тепла). При продувке сверху большее, чем при продувке снизу, количество тепла поступает от окисления железа. При продувке снизу меньше продолжительность продувки, меньше удельный объем конвертера, соответственно ниже холостые потери тепла (т. е. потери тепла на поддержание футеровки в рабочем нагретом состоянии). Вместе с тем при донной продувке больше тепла теряется с отходящими газами, увеличиваются потери тепла, связанные с нагревом и разложением углеводородов защитного газа. В целом оказывается, что потери тепла при донной продувке несколько выше, чем при верхней, поэтому количество лома, которое можно переработать в конвертере донной продувкой, несколько меньше, чем в конвертере с верхней продувкой.

4. В связи с более интенсивной продувкой, а также с вводом смеси кислорода с углеводородами при продувке снизу объем отходящих газов в единицу времени примерно на 20 % больше, чем при верхней продувке; в отходящих газах при донной продувке содержится примерно в пять раз меньше плавильной пыли, средний размер частиц этой пыли существенно меньше (из ванны с пузырями газа уходят мельчайшие частички, которые «витают» в пузырях). Существенным отличием состава отходящих газов из конвертера является высокое содержание в них монооксида углерода и водорода. При таком составе газов предъявляются очень высокие требования к работе улавливающих установок, прежде всего с точки зрения охраны труда и техники безопасности.

5. Особенности ведения плавки при донной продувке и характер состава отходящих газов требуют очень тщательного уплотнения между кожухом горловины конвертера и нижней частью устройства для отсоса и улавливания газов. При такой работе затрудняется организация контроля за ходом операции во время продувки (отбор проб металла, замер температуры) обычными методами.

6. При переходе на донную продувку изменяются требования к конструкции конвертера и к зданию. Отношение массы садки к объему конвертера может быть увеличено, т. е. в конвертере того же объема можно продувать большую порцию металла. Отношение высоты к диаметру конвертера может быть уменьшено. Изменяются условия проектирования здания: отпадает необходимость в размещении поднимающейся продувочной фурмы и механизмов для ее подъема; при вдувании флюсов в порошкообразном виде снизу вместе с кислородом отпадает необходимость размещения вверху цеха транспорта для подачи к конвертерам добавочных материалов. Все это позволяет уменьшить высоту цеха. Однако при этом необходимы новые решения по конструированию пылеулавливающих устройств, так как они лимитируют высоту цеха в целом. При донной продувке требуются соответствующие конструктивные решения по организации размола и подачи к конвертерам порошкообразных флюсов, подачи природного газа или мазута для охлаждения фурм, подачи инертного газа и т. д., и т. п. Как видно из рис. 9.4, недостатки, присущие конвертерам с верхней продувкой и донной продувкой, исчезают при использовании комбинированной продувки.

Рис. 9.4. Сравнительная оценка работы конвертеров с верхней, донной и комбинированной продувкой: а — продувка сверху; б — донная продувка; в — комбинированная продувка; 1 — хороший контроль шлака; 2 — выбросы; 3 — неоднородный состав ванны; 4 — высокая температура шлака, 5 — слабое развитие реакций шлак— металл; 6 — недостаточное перемешивание ванны; 7 — ускорение реакций шлак —металл; 8 — хорошее перемешивание ванны; 9 — введение углеводородов; 10 — введение смеси О₂ + порошок СаО;

11 — низкая температура шлака; 12 — затрудненный контроль шлака; 13 — относительно невысокая температура шлака; 14 — дополнительное перемешивание ванны;

15 — введение инертного и охлаждающего газа, а также порошка СаО.

Конвертерный процесс с комбинированной продувкой включает процессы с подачей кислорода сверху, а нейтральных газов — снизу. Нейтральные газы, а также углеводороды используются для создания оболочки вокруг кислородной струи при подаче кислорода снизу для защиты днища конвертера. Разные способы ввода дополнительного топлива в конвертер используются для ускорения расплавления лома или увеличения его количества.

Наибольшее распространение получила комбинированная продувка кислородом сверху и нейтральным газом снизу. По такой технологии в мире работает около 80% конвертеров.

Рассмотрим по подробней технологический процесс разделения воздуха, который состоит из следующих основных стадий:

1. Очистка воздуха от пыли и механических примесей;

2. Сжатие воздуха, очистка его от двуокиси углерода, углеводородов и осушка сжатого воздуха;

3. Разделение воздуха на кислород и азот, и извлечение редких газов;

4. Наполнение емкостей готовыми продуктами;

Воздух от воздухозабора по воздухопроводу проходит через камеры фильтров, где очищается от механически примесей.

Очищенный воздух поступает в турбокомпрессоры, где сжимается до 6,5 атм. и поступает во влагоотделители. Осушенный воздух направляется на узел ректификации, который состоит из нижней и верхней колонн и конденсаторов.

В состав блоков разделения воздуха входят и дополнительные блоки, предназначенные для получения редких газов. Технологические схемы дополнительных блоков отличаются друг от друга, так как на одних получают криптоновый концентрат и технический азот или аргон, на других - криптоновый концентрат и чистый азот, на третьих - криптоновый концентрат и технический кислород и т.д.

В состав дополнительных блоков входят криптоновая и азотная колонны и конденсаторы. Продукты разделения направляется через наполнительные рампы потребителю.

При получении аргона происходит его дальнейшая очистке на установках УТА-4; УТА-5; УТА-5А; АРТЛ-0,15; АРТ-0,75.

Для повышения концентрации криптона, криптоновый концентрат перерабатывается на установке УСК-1.

Ниже приводится принципиальная схема получения кислорода и азота по схеме низкого давления (рис. 9.5).

Рис.9.5. Принципиальная схема установки низкого давления для получения кислорода и азота: 1 – камера фильтров; 2 – воздушный турбокомпрессор; 3 – концевой холодильник;

4 – кислородный генератор; 5 – азотный генератор; 6 – теплообменник; 7 – турбодетандер; 8 – переохладитель азота; 9 – верхняя колонна; 10 – конденсатор; 11 – нижняя колонна; 12 – адсорбер.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 897; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 52 53 54 55 565758 59 60 61 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!