董大西,韓寶臣,趙 亮,姜 楠,胡云生,朱 榮
(1.河鋼集團(tuán)石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司,河北 石家莊 050031;2.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京 100083;3.高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)
不銹鋼的理論研究和生產(chǎn)水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家特殊鋼發(fā)展水平高低的重要標(biāo)志之一,也是衡量一個(gè)國(guó)家綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力和人民生活水平的重要標(biāo)志[1-2]。轉(zhuǎn)爐鉻礦熔融還原法不銹鋼合金化是近年受人們關(guān)注的不銹鋼生產(chǎn)新工藝[3],鉻礦熔融還原工藝是不銹鋼精煉之前把鉻礦裝入轉(zhuǎn)爐中,利用焦炭和氧氣的反應(yīng)熱以及碳的還原能力將鉻還原進(jìn)鋼液來(lái)生產(chǎn)不銹鋼初煉金屬液的工藝[4]。JFE鋼鐵公司是第一家利用轉(zhuǎn)爐鉻礦熔融還原工藝生產(chǎn)不銹鋼的鋼廠[5-6]。由于廉價(jià)鉻礦的使用,該工藝具有更好的經(jīng)濟(jì)效益[7]。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,因?yàn)闊捊姑嘿Y源必然出現(xiàn)世界性的匱乏,同時(shí)因?yàn)闊捊箻I(yè)對(duì)環(huán)境污染過(guò)于嚴(yán)重,在全球范圍減少焦炭生產(chǎn)也已成定局,所以發(fā)展使用煤炭或不以焦炭為主要燃料的廣義的熔融還原法勢(shì)必有強(qiáng)大的生命力,這也說(shuō)明了轉(zhuǎn)爐鉻礦熔融還原法冶煉不銹鋼的前景一片光明。
筆者先前已對(duì)丙烷燃燒噴吹鉻礦粉進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬研究[8],本文主要以數(shù)模研究結(jié)果為依據(jù),搭建丙烷燃燒火焰噴吹鉻礦粉實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索該工藝的實(shí)際參數(shù),為丙烷燃燒噴吹鉻礦粉的工業(yè)化應(yīng)用提供支撐。
實(shí)驗(yàn)中的噴粉載氣為氮?dú)猓兌?9.5%;粉劑為烘干和篩過(guò)后的鉻礦粉;氮?dú)馀c鉻礦粉的物性參數(shù)如表1所示,鉻礦粉實(shí)物如圖1所示。
表1 氮?dú)?、鉻礦粉和碳粉的物性參數(shù)
圖1 鉻礦粉
1)噴粉罐
噴粉罐包括減速電機(jī)、變頻器和噴粉罐主體,是噴粉實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備。噴粉罐的結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖如圖2所示。
圖2 噴粉罐
2)環(huán)縫噴槍
環(huán)縫噴槍是噴吹實(shí)驗(yàn)的主要裝置,環(huán)縫噴槍的結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖如圖3所示。
3)其他裝置
該實(shí)驗(yàn)另需部分輔助裝置包括高壓氧氣瓶、高壓丙烷氣瓶、高壓膠管、氣體流量計(jì)及標(biāo)尺等。
通過(guò)將上述設(shè)備組裝搭建如圖4所示的噴吹丙烷燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái),用以該實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。
根據(jù)相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果,該實(shí)驗(yàn)設(shè)定丙烷噴吹流量為1.34 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)),并根據(jù)不充分、充分及過(guò)氧燃燒調(diào)節(jié)氧氣流量為丙烷流量的3倍、5倍和7倍,一組噴吹粉劑另一組不噴粉劑,通過(guò)攝像機(jī)拍攝火焰的長(zhǎng)度。具體方案如表2所示。
圖3 環(huán)縫噴槍槍頭的結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖
圖4 噴吹丙烷燃燒實(shí)驗(yàn)工藝示意圖
表2 噴吹丙烷燃燒實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中全程錄像,在后期處理時(shí)每隔10 s截取圖片測(cè)量火焰長(zhǎng)度。
表2及圖5為本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量火焰長(zhǎng)度結(jié)果,從圖5中可以看出當(dāng)粉劑流量為0(未噴吹粉劑)時(shí),測(cè)量得到的火焰長(zhǎng)度均比相同氧氣流量下噴吹粉劑的火焰長(zhǎng)度更??;另外,每個(gè)方案條件下火焰長(zhǎng)度均產(chǎn)生一定波動(dòng),這主要是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程氣體流量控制穩(wěn)定性較差造成,且噴粉時(shí)燃燒火焰波動(dòng)更為明顯,主要是因鉻礦粉下落過(guò)程帶動(dòng)的火焰不穩(wěn)。
圖5 噴吹丙烷燃燒火焰長(zhǎng)度
將圖5中所示數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理,可得到各方案條件下的平均火焰長(zhǎng)度,如表3所示。
表3 噴吹丙烷燃燒平均火焰長(zhǎng)度
通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程噴吹及未噴吹鉻礦粉進(jìn)行區(qū)分,則在固定丙烷流量和不同氧流量的火焰長(zhǎng)度如圖6所示。
圖6 噴吹與未噴鉻礦粉時(shí)在不同氧流量下的火焰長(zhǎng)度
從圖6可以直觀的看出,火焰長(zhǎng)度與氧流量成反比,在相同的丙烷流量下,氧流量越大,火焰長(zhǎng)度越短。造成這種現(xiàn)象的原因是,氧氣流量越大,丙烷燃燒的越充分,在出口處就充分燃燒放出大量的熱量,而氧氣流量小,火焰則會(huì)出現(xiàn)飄忽的狀態(tài),因此觀測(cè)條件下火焰長(zhǎng)度更長(zhǎng),無(wú)粉噴吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)))燃燒實(shí)驗(yàn)效果圖如圖7所示,有粉噴吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)))燃燒實(shí)驗(yàn)效果圖如圖8所示。
從圖7和圖8可以直觀的看出,在相同的氧流量和丙烷流量下,加粉比不加粉時(shí)火焰長(zhǎng)度要長(zhǎng),因?yàn)閲姶捣蹌┲螅鹧鏁?huì)隨著粉劑的下落而被拉長(zhǎng),因此噴粉時(shí)燃燒丙烷更有利于加熱熔池表面。
圖7 無(wú)粉噴吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)))燃燒實(shí)驗(yàn)效果圖
圖8 有粉噴吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)))燃燒實(shí)驗(yàn)效果圖
通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用丙烷火焰燃燒噴吹鉻礦粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn),該噴吹實(shí)驗(yàn)為鉻礦熔融還原熱態(tài)實(shí)驗(yàn)前的必需階段,基于以上研究可得到如下結(jié)論:
(1)在相同丙烷流量下,火焰長(zhǎng)度與氧流量成反比,氧流量越大,火焰長(zhǎng)度越短;
(2)在相同的氧流量和丙烷流量下,加粉比不加粉時(shí)火焰長(zhǎng)度要長(zhǎng),噴粉時(shí)燃燒丙烷更有利于加熱熔池表面。