Оптимизация пенирования шлака в электродуговых печах для повышения эффективности

Пенирование шлака в электродуговой печи

Пенирование шлака стало важной и критичной практикой для современной электродуговой печи (ЭДП), поскольку качественная пенистая шлак вносит значительный вклад в эффективность и дает другие преимущества процесса. Качество пенирования шлака — важный фактор в процессе сталеплавления в ЭДП, так как оно гарантирует, что тепло от жидкой ванны не теряется через стенки печи. Пенистый шлак полезен для процесса сталеплавления в ЭДП с точки зрения большой площади поверхности, образующейся при пенировании, и защиты от прямого контакта расплава с атмосферой.

Пенирование шлака — техника, одновременно полезная и экономичная. Она широко применяется не только потому, что позволяет экономить энергию, но и благодаря ряду преимуществ: (1) повышение энергоэффективности, так как тепло дуги захватывается шлаком, (2) защита водяных панелей и крыши от излучения, (3) снижение вибраций и шумового загрязнения, (4) уменьшение азотирования ванны.

Стадии образования пенистого шлака

Образование пенистого шлака можно разделить на 3 стадии: (1) стадия 1 — инжекция кислорода в жидкую сталь, (2) стадия 2 — инжекция угля в шлак, (3) стадия 3 — инжекция кислорода в шлак. Изначально кислород инжектируют в жидкий металл (стадия 1). Этот кислород реагирует с имеющимся углеродом, образуя пузырьки CO (угарный газ). Кислород также реагирует с железом ванны. По мере потери железа в виде оксида железа, в шлак инжектируют углерод (стадия 2), осуществляя реакцию восстановления оксида железа. Эта стадия генерирует газ CO и заставляет железо возвращаться в ванну, улучшая работу печи. На стадии 3 кислород инжектируют в шлак для окисления углерода, присутствующего в шлаке. На этой стадии углерод и кислород могут инжектироваться одновременно, что обеспечивает лучшее образование CO и лучшее пенирование.

Характеристики пенистого шлака

Обычно под пеной существует плотный слой шлака. Однако возможно, что весь имеющийся шлак требуется для образования пены и плотного слоя не существует. В таком случае количество шлака недостаточно для образования всей пены, которую может дать шлак и газ.

Сообщается, что процесс пенирования шлака может экономить 3–10 % энергии и 25–63 % расхода огнеупоров. Для пенирования существуют два основных требования: (1) реакции или процессы, генерирующие малые газовые пузырьки, и (2) подходящие свойства шлака для удержания пузырьков в виде стабильной пены. Обычно газы, получающиеся в химических реакциях, пенируют шлак более мелкими пузырьками, тогда как инжекция газовых фаз (кислород, аргон и др.) дает более крупные пузырьки и менее стабильную пену.

Желательна определенная пенообразовательная способность шлаков для ЭДП по ряду причин. В процессе пенистый шлак защищает графитовые электроды износа и покрывает дуги. Это позволяет повысить производительность печи, так как увеличивается теплопередача между электродом и жидким металлом. Также снижаются радиационные потери, так как шлак изолирует световые пучки. Это в свою очередь защищает огнеупоры от износа, сокращая простой на ремонт. Пенистый шлак также способствует стабилизации дуги, обеспечивая более высокую эффективность. Кроме того, пена помогает снизить шум ЭДП, улучшая рабочую среду. Еще одно преимущество — снижение пульсаций мощности и напряжения.

Последствия качественного пенирования шлака

Последствия хорошего пенирования шлака в ЭДП и его правильного контроля включают: (1) снижение гармоник за счет погружения электродов в шлак может увеличить мощность при тех же настройках трансформатора на 6–9 %, (2) увеличение мощности на 15 % когда концы электродов погружены в шлак на 300–600 мм из-за более горячей плазмы дуги вокруг кончика электрода, (3) хороший пенистый шлак позволяет кислородно-топливным горелкам (при их использовании) дуть в шлак, повышая энергоэффективность горелок с 40 % до 70 %. Однако для максимальной отдачи от пенистого шлака шлак должен формироваться рано в отливе, а химия шлака должна быть строго контролируемая ограничением смыва шлака и закладкой извести или мельничного шкала на дно первого загрузочного ковша. Тепловые выгоды хорошего пенистого шлака обусловлены смещением пути теплопередачи к ванне и от стенок. По исследованию, вариации качества пенистого шлака могут отвечать за ±0 кВт·ч/т в потребности в электрической энергии.

Физика пенирования шлака

Полезно знать, что понимается под пенированием шлака. Генерация газа необходима для успешной практики пенирования шлака. Газ генерируется преимущественно восстановлением оксида железа (FeO) углеродом с образованием CO-газа. Газ заставляет пузырьки пены формироваться поверх плотного слоя шлака. Пена может быть мелкопузырьковой, как пена на пиве, или крупнопузырьковой, как мыльная пена на воде. Мелкие пузырьки возникают от химических реакций, и полученная пена довольно стабильна. Инжекция газа дает более крупные пузырьки и менее стабильную пену. Настоящее пенирование не следует путать с простым удерживанием газа пузырьками в жидкости. При удерживании газа пузырьки распределены по всему объему жидкости, и расширение шлака обусловлено пузырьками в жидкости. При прекращении подачи газа расширение быстро затухает. Настоящая пена может быть довольно стабильной и сохраняться несколько минут после прекращения генерации газа.

Реакция генерации газовых пузырьков — восстановление FeO в шлаке добавленным углеродом и углеродом, растворенным в металле. В процессе пенирования шлака углерод инжектируют в шлак, он реагирует с оксидом железа в шлаке, образуя газ CO, который пенирует шлак. Реакция: C (инжектируемый) + FeO = Fe + CO. Газ CO для пенирования также образуется декарбуризацией металла: C (в металле) + ½ O₂ = CO. FeO генерируется in situ как основной продукт окисления кислородной дувки и поэтому является основным компонентом шлака (более 20 %). Если консистенция шлака подходит для удержания пены, простая инжекция угла в шлак вызывает пенирование. Относительно высокая скорость восстановления дает FeO потенциал генерации большого количества газа внутри пены. Скорость восстановления FeO углеродом довольно высока. Кроме того, реакция восстановления поглощает тепло, что приводит к локальному повышению вязкости шлака.

Процессные переменные, влияющие на пенирование

На пенирование влияют: состав шлака, поверхностная газовая скорость, температура ванны, размер пузырьков, основность шлака, плотность шлака, вязкость шлака и поверхностное натяжение шлака. Поверхностная газовая скорость обычно измеряется в м/с и равна истинной газовой скорости, умноженной на объемную долю газа.

Пенообразовательный индекс (Foaming Index, FI)

Пенообразовательный индекс (FI) — важный параметр пенирования шлака. Его можно рассматривать как время прохождения газа через шлак. Это указание на степень пенирования — отношение высоты пены к поверхностной газовой скорости. Единица FI — время, обычно секунды. Таким образом, FI можно интерпретировать как меру времени, за которое процессные газы вертикально проходят через пену. FI связан со свойствами шлака, такими как вязкость. Чем выше вязкость, тем выше FI. Очевидное следствие: повышение вязкости автоматически ведет к увеличению высоты пены.

FI уменьшается с ростом размера пузырьков. Обычно малые пузырьки образуются по первой реакции и дают относительно стабильную пену. В сталеплавлении ЭДП выяснилось, что к концу процесса пена становится менее стабильной и высота пены снижается. Это происходит потому, что изначально, по мере роста содержания FeO, скорость первой реакции и генерации CO возрастает, и пенирование усиливается. Однако при дальнейшем росте FeO вязкость шлака снижается, а плотность растет, вызывая более быстрый отток пузырьков, их уменьшение и распад пены. Следовательно, существует критическое содержание FeO, ниже которого пенирование растет с ростом FeO, а выше которого пена менее стабильна. Это происходит при ~20–40 % FeO в зависимости от других условий.

Исторический взгляд и практика инжекции угля

Когда пенирование шлака было внедрено, его поддерживали инжекцией графитовых порошков из электродов (80 % –200 меш) в зону контакта металл-шлак подходящим инжекционным оборудованием с воздухом как переносным газом. Предварительными расчетами и методом проб и ошибок установлено, что массовый расход графита 25 кг/мин достаточно для стабильной пены. Более высокие значения в начале отлива способствовали сильному смыву шлака, нарушая работу на рабочей площадке и создавая нестабильные электрические дуги, мешающие работе с длинными дугами высокого напряжения и низкого тока.

Длиннодуговая работа и пенистый шлак

В процессе сталеплавления ЭДП длиннодуговая работа сочетается с практикой пенистого шлака. Пенируя шлак инжекцией угла, высоту шлакового слоя повышают до полного покрытия дуг, перехватывая дуговое излучение и вспышку, передавая тепло в ванну и снижая тепловую нагрузку на стенки. Если хороший пенистый шлак не может удерживаться, предпочтительно снижать вторичное напряжение и, следовательно, длину дуги, чтобы избежать риска повреждения конструкции печи.

Управление высотой пены

Явление пенирования шлака зависит от свойств шлака и скорости газообразования вследствие реакций в шлаке. Для получения пены в шлаке нужен газообразование. Газовый поток генерируется при добавлении углерода (C) и газообразного кислорода (O₂) в шлак и металлическую ванну соответственно. Контроль высоты пены необходим для поддержания стабильной работы.

В зависимости от физических свойств шлака (влияющих составом и температурой), пенирование происходит в разной степени. В процессе ЭДП довольно часто углерод (в виде кокса или угля) добавляют в шлаковый слой. Потребление углерода идет через реакцию Будуара, и скорость генерации CO пропорциональна скорости добавления углерода в шлак ЭДП после достижения стационарного состояния реакции.

Пенирование шлака существенно влияет газовый поток в печь, но также влияют свойства шлака, контролируемые вязкостью, плотностью и поверхностным натяжением. Эти физические свойства, в свою очередь, зависят от температуры системы и состава шлака.

Состав шлака и основность

Для процесса ЭДП состав шлака зависит от сорта стали и метода очистки. При выборе состава шлака нужно учитывать несколько факторов. Шлак состоит из различных оксидов, делящихся на три категории: (1) основные оксиды (CaO, MgO, FeO), (2) кислые оксиды (SiO₂), (3) амфотерные оксиды (Al₂O₃). Для основных шлаков содержание FeO обычно считают оптимальным в диапазоне 15–25 %. Для образования пены в шлаке вязкость должна быть достаточно высокой, чтобы препятствовать подъему пузырьков. Для получения подходящей вязкости важно иметь соответствующую основность шлака. Основность обычно понимают как отношение основных компонентов шлака к кислым. Основные компоненты дают ионы O²⁻ расплаву, кислые — связывают их. Вязкость можно изменить через изменение состава, вызывающее изменение отношения CaO/SiO₂, тем самым понижая или повышая основность шлака.

Изменение вязкости также достижимо через изменение содержания FeO. При увеличении FeO вязкость снижается. Другой способ модифицировать вязкость шлака — увеличить количество твердых частиц в шлаке, например, добавлением извести. Наблюдалось, что вязкость шлака снижается с ростом основности, но после прохождения критического значения и выпадения твердой фазы снова растет. Таким образом, наличие твердых частиц способствует увеличению видимой вязкости. Твердые частицы также действуют как центры нуклеации для пузырьков. Однако избыток твердых частиц препятствует подъему пузырьков через шлак.

Эффект Марангони и поверхностное натяжение

В системе жидкостей градиент поверхностного или межфазного натяжения может индуцировать движение. Это называют эффектом Марангони. На границе шлаков и жидких металлов обычно существует большой градиент межфазного натяжения. Концентрация FeO считается ниже, чем в остальном шлаке, на границе шлак-металл, где происходят реакции образования CO. Это способствует образованию пузырьков, так как меньшее содержание FeO дает более низкое поверхностное натяжение, порождающее эффект Марангони. Таким образом, способность создавать новые поверхности, возникающая при образовании пузырьков в шлаке, облегчается при низком поверхностном натяжении.

Поверхностное натяжение также влияет на деградацию пены, то есть на стабильность пузырьков. Различные исследования показали, что стабильность можно улучшить добавлением поверхностно-активного компонента. Также наблюдалось в сталеплавлении, что наличие поверхностно-активных компонентов способствует пенированию. Однако поток Марангони, помогающий удалению CO-пузырьков с границы, может генерироваться без поверхностно-активных элементов. Плотность шлака влияет на высоту пены. Низкая плотность означает меньший вес для удержания, позволяя большую высоту пены по сравнению со шлаком высокой плотности. Чтобы выдерживать нагрузку, поверхность должна иметь эластические свойства. Это достижимо добавлением поверхностно-активных элементов, дающих переменное поверхностное натяжение.

Реакции, генерирующие CO для пенирования

Пенистый шлак в сталеплавлении возникает от генерации CO-пузырьков через реакции восстановления: (1) CO₂ + C(тверд.) = 2CO (реакция Будуара), (2) CO + Fe₂O₃ = CO₂ + 2FeO, (3) CO + FeO = CO₂ + Fe, (4) C(тверд.) + FeO = CO + Fe. Реакция Будуара и восстановление FeO твердым углеродом — сильно эндотермические реакции, восстановление Fe₂O₃ CO — энергонеутральное, восстановление FeO CO — слабо экзотермическое. Важно отметить: оксид железа — источник кислородного компонента для горения углерода, а не газообразный кислород, поэтому для пенирования шлака необходимо некоторое окисление стальной ванны.

Движущая сила пенирования

Движущей силой пенирования шлака является пневматическая энергия, обеспечиваемая генерацией CO в процессе плавки-очистки в ЭДП. В процессе пенирования углерод инжектируют в шлак, он реагирует с оксидом железа (FeO) в шлаке, образуя угарный газ (CO), который пенирует шлак. Реакция: C (инжектируемый) + FeO = Fe + CO. CO для пенирования также образуется декарбуризацией металла: C (в металле) + ½ O₂ = CO. Эти реакции отвечают за образование CO. Вторая реакция — прямое взаимодействие газообразного кислорода с углеродом в ванне, первая — прямое восстановление оксида железа углеродом в шлаке. Все эти реакции формируют CO, давая энергию перемешивания для массопереноса между металлом, шлаком, углеродом и газовыми фазами, и могут считаться необходимым условием для пенирования шлака. Некоторые реакции потребляют CO: (1) CO + Fe₂O₃ = CO₂ + 2FeO, (2) CO + FeO = CO₂ + Fe, их можно контролировать реакцией Будуара CO₂ + C(тверд.) = 2CO.

Места этих реакций можно локализовать: (1) на границе шлак-металл, (2) на границе газ-металл, (3) на границе углерод-шлак, (4) на границах шлак-газ и углерод-газ. Рис. 1 показывает схему химических реакций пенирования шлака в ЭДП. Видно, что образование CO — очень сложная функция нескольких процессных переменных: размер, тип и массовый расход углеродистого материала, расход переносного газа, углерод в ванне, химия шлака, площадь границы шлак-металл и др.

Индекс пенирования и стабильность пены

Другое условие для пенирования шлака — выполнение требований к транспортным свойствам (влияющим на стабильность пены) сталеплавных шлаков при температурах очистки. FI шлака определяет эти свойства. FI измеряется в единицах времени (секунды) и является функцией химии шлака. Кривые стабильности FI шлаков показаны на рис. 2. Выводы из кривых:

• Кислые шлаки имеют наивысшие способности к образованию пенообразовательного индекса — однородное пенирование.
• Шлаки с низким содержанием оксида железа (менее 10 %) образуют более стабильную пену, чем сильно окисленные шлаки (более 40 % FeO при любой основности), которые поэтому называют непенируемыми шлаками.
• При низком содержании оксида железа основность шлака сильно влияет на стабильность пенирования. При более высоких основностях при заданном содержании FeO FI снижается. При высоком содержании FeO основность не играет роли.
• Шлаки с промежуточным содержанием FeO и высокими основностями у зоны насыщения известию имеют также промежуточные FI, и наличие твердых частиц растворенной извести может помочь стабилизировать пенообразование. Эта зона называется гетерогенным пенированием.

Рис. 2 также показывает состав шлака и пенирование. Твердые частицы, взвешенные в жидком шлаке, влияют на его вязкость. Обычно при объемной доле твердых частиц всего 20 % в жидком шлаке наблюдается двукратное увеличение вязкости шлака, и зона гетерогенного пенирования может значительно расшириться, частично охватывая зону непенирования, как показано пунктирной линией на рис. 2.

Активность оксида железа в сложных шлаках

Для более полного представления о пенировании шлака при инжекции углерода активность оксида железа в сложных шлаках была предметом ряда исследований. Они показали:

• Зона однородного пенирования с низкими активностями FeO (менее 10 %) демонстрирует сильное сопротивление восстановлению железа углеродом не только из-за низких активностей FeO, но в основном из-за поверхностно-активной природы силицида в шлаках. Восстановление железа в этой зоне смешанно контролируется механизмами массопереноса и химической реакции.
• Сильно окисленные шлаки легко восстанавливаются углеродом, так как активности FeO достаточно высоки, но они не образуют стабильных пен.
• Нормальные составы сталеплавных шлаков наблюдают промежуточное поведение. Хотя конечные шлаки имеют тенденцию быть сильно окисленными.

Мониторинг состояния пенистого шлака

Критически важно для поддержания пенистого шлака — мониторинг его состояния. Когда пенирование вводили, его контролировали вручную: операторы печей использовали глаза и уши, совмещенные с опытом, чтобы судить, нормален ли шлак, и какие корректировки нужны. Начиная с середины 1980-х, внедрили электронный мониторинг и компьютерный контроль пенирования шлака, изучая несколько возможных сигналов: искажение дуги, шум дуги, световое излучение. В настоящее время искажение дуги, по-видимому, является наиболее широко используемым сигналом в ЭДП переменного тока для мониторинга состояния пены, так как датчики и программы часто интегрированы с изощренным регулятором электродов. Многие ЭДП используют гармоники, генерируемые в электроснабжении дугами, как монитор пенистого шлака, так как лучшая пена дает более стабильную дугу и меньше гармоник. Мониторинг через звук и световое излучение ЭДП также пробовался как метод контроля пены.

Роль пенистого шлака в процессе

Пенирование в ЭДП стало неотъемлемым частью сталеплавного процесса, особенно на стадии очистки отлива. Текущий длиннодуговый процесс максимизирует перенос энергии к шпату, окружающему электроды и дуги. Таким образом, шпот перехватывает большую часть дугового излучения, и малое проходит к стенкам. Однако после плавки шпата все дуговое излучение может падать на стенки. Покрывая как можно больше открытой дуги, пенистый шлак перехватывает эту энергию, предотвращая её попадание на стенки и передавая в стальную ванну. Пенистый шлак можно наращивать постепенно по мере плавки шпата и прогрессивного воздействия излучения дуг на стенки и крышу, достигая максимальной высоты на стадии очистки отлива. Инжектируемые углерод и CO также помогают восстанавливать любой оксид железа в шлаке обратно в металлическое железо.