Этот вопрос необходимо рассматривать в трех аспектах: способы подачи углерода в ДСП и возможные пути или механизм взаимодействия углерода; дожигание газа СО до СО2; влияние выделяющихся газов на вспенивание шлака и повышение коэффициента использования энергии электрической дуги. Последний аспект мы обсудили в предыдущем параграфе.

Введение углерода в сталеплавильную ванну может осуществляться несколькими способами: сверху завалки шихты через пятое отверстие в своде; вместе с металлошихтой в бадье (возможно в виде чугуна); вдувание порошкообразных углеродсодержащих материалов фурмой через рабочее окно печи или через стеновые инжекторы. Способ ввода углерода в печь определяет его коэффициент использования.

Углерод, подаваемый через пятое отверстие в своде, горит за счет вдуваемого кислорода и кислорода воздуха, в основном, в верхней части печи. Большая часть выделяемой при этом тепловой энергии уходит с отходящими газами и эффект науглероживания практически нулевой.

Углерод, подаваемый вместе с металлошихтой или вдуваемый в печь инжекторами, горит, в основном, за счет кислорода вдуваемого в печь внутрь слоя шихты или в металл. Количество выделяющихся газов, оцененное по анализу СО, при этом соответствуют количеству вдуваемого кислорода и коррелирует с расходом углерода по реакции: С + ½ О2 → СО.

Углерод, подаваемый вместе с металлоломом, расходуется на горение, переходит в металл до содержания его на уровне 0,15-0,20% в конце плавления и очень незначительная его часть находится в шлаке. Однако, при рассмотрении баланса следует учитывать углерод электродов, шихты и подины. Кислород, вводимый в печь то ли фурмами, то ли воздухом, расходуется на окисление углерода (реакционный кислород). Вторая часть (не участвующая в реакции – нереакционный) только нагревается. Баланс углерода и кислорода выплавки углеродистой стали приведен в табл.

 

Таблица Баланс углерода и кислорода в конце периода плавления электроплавки стали в печи вместимостью 6 т

Приход Расход
Углерод, кг/т:

Кокс

Лом

Графитированный электрод

Подина печи

 

8,1

2,3

 

2,2

0,1

 

Отходящий газ

Металл (0,45% С)

Шлак

 

Невязка

 

8,5

4,5

0,5

 

-0,8

Итого углерод:                           12,7                                                    12,7
Кислород, нм3/т:

Подаваемый воздухом

Вдуваемый кислородными фурмами

 

11,9

 

6,5

 

Реакционный кислород

Нереакционный кислород

Невязка

 

13,5

4,4

 

+0,5

Итого кислород                         18,4                                                      18,4

 

Невязка в балансе кислорода определяет состояние окисления или восстановления шихты. Если разница положительная – шихта окисляется в период плавления, если разница отрицательная – шихта восстанавливается. Окислительному процессу отвечает более высокая степень вторичного горения (hв.г.) по реакции: СО + 1/2О2 → СО2,

Для окисления углерода предложен следующий механизм:

  • первичное горение углерода осуществляется за счет кислорода, вдуваемого фурмами в шихту, по реакции:   С + 1/2О2(ф) → СО, ΔН = -2,25 кВт×ч/кг С;
  • вторичное горение осуществляется за счет кислорода воздуха, находящегося в верхней части печи, по реакции:   СО + 1/2О2(в) → СО2,   ΔН = -6,55 кВт×ч/кг С.

 Передача тепла к металлу и шлаку при этом очень низкая. Однако, свод печи и газоотводящая система подвергаются продолжительным высоким тепловым нагрузкам.

Окисление порошкообразного углерода, углерода жидкого металла с образованием газов СО и СО2 идет с выделением тепла и компенсируют часть энергетических затрат, что иллюстрируется следующими реакциями:

тв + {О2} → {СО},                         -2,7 кВт×ч/нм3О2

2{СО} + {О2} → 2{СО2},                 -1,8 кВт×ч/нм3О2

[С] + {О2} → {СО2},                         -4,9 кВт×ч/нм3О2

[Fe] + {CО2} → (FeO) + {СО},         -6,5 кВт×ч/нм3О2.

Окисление углерода газом СО2 идет с поглощением тепла и требует дополнительных затрат энергоресурсов:    {CО2} + [С] → 2{СО},        + 1,5 кВт×ч/нм3О2

Однако, эти затраты незначительны в общем балансе. В современных ДСП приход энергии за счет тепла химических реакций составляет 150-200 кВт×ч/т. Поэтому его использование должно быть учтено при разработке рациональных технологий производства стали и конструкции печи.

Тепло реакции окисления углерода, содержащегося в ванне (~0,2%), до СО составляет 5,6 кВт×ч/т, а до СО2 дополнительно еще 10 кВт×ч/т. Окисление углерода, вдуваемого в ДСП, дает 50-100 кВт×ч/т дополнительной энергии. Кроме того, дополнительная энергия в количестве ~30 кВт×ч/т поступает в результате окисления кремния, марганца, железа по реакциям при температуре 16300С:

[Si] + {O2} → (SiO2),                -9,44 кВт×ч/нм3О2

2[Mn] + {O2} → 2(MnO),        -14,5  кВт×ч/нм3О2

2[Fe] + {O2} → 2(FeO),             -2,7  кВт×ч/нм3О2.

Для проведения этих экзотермических реакций в печь подается кислород с помощью фурм или подовых пористых пробок. Теоретическая потребность кислорода в этом случае составляет 4-7 м3/т и зависит от содержания углерода в ванне и скорости процесса окисления элементов. Практическое потребление кислорода достигает 20-40 нм3/т, что способствует уменьшению потребления электроэнергии на 5-10 кВт×ч/нм3 кислорода и увеличению производительности печи.

В качестве науглероживателя в ДСП используется кокс, электродный бой, молотый антрацит, карбид железа и чугун. На соотношение СО/СО2 в выделяемом газе влияет расход кислорода для продувки, способ его подачи (в жидкую ванну или над ее поверхностью), способ защиты электродов, дожигание СО с помощью горелок. Эффективность передачи тепла металлической ванне во время дожигания СО составляет 30-40%; холодной шихте 50-60%; максимальная эффективность (80-90%) может быть достигнута в шахтной печи.

В современных ДСП в качестве углеродсодержащего топлива применяется угольная пыль, мазут или природный газ. Эти виды топлива подаются непосредственно в расплав через фурмы, расположенные в боковой стенке печи на уровне загрузочного окна. Окисление происходит в области жидкой ванны или шлака, что обеспечивает высокую эффективность сгорания. При использовании в ДСП дополнительного топливного нагрева коэффициент полезного использования энергии ниже в два раза по сравнению с использованием только электроэнергии, что обусловлено низким КПД (20-60%) газовых горелок.

Применение топлива для предварительного подогрева лома имеет ограниченную эффективность, так как с ростом температуры лома (выше 3500С) КПД нагрева уменьшается. Кроме того, происходит окисление значительного количества металла.