В процессе выплавки стали в электродуговых печах авария, связанная с бурным кипением, представляет собой ненормальное и опасное технологическое явление, вызванное внезапным и интенсивным ускорением реакции обезуглероживания. В этом случае расплавленная сталь, шлак и печные газы могут с силой выплескиваться из печи, что приводит к повреждению оборудования, серьезным рискам для безопасности операторов и незапланированным остановкам производства.
Поэтому понимание механизма, причин и способов предотвращения бурного кипения имеет решающее значение для безопасной и стабильной работы электродуговой печи.
Характеристики бурного кипения при обезуглероживании.
В нормальных условиях процесс обезуглероживания в электродуговой печи протекает контролируемым образом, при этом образующийся газ CO поглощается и нейтрализуется слоем шлака. Интенсивное кипение происходит, когда скорость обезуглероживания резко возрастает за очень короткий промежуток времени, обычно достигая примерно 0,10–0,15% углерода в единицу времени.
Когда скорость газообразования превышает буферную способность шлака, расплавленная ванна становится нестабильной. Эта нестабильность приводит к сильному перемешиванию расплава, нарушению пенообразования шлака и бурному выбросу расплавленных материалов и высокотемпературных газов из печи.
Распространенные причины бурного кипения при выплавке стали в электродуговых печах.
Интенсивное кипение, приводящее к авариям, тесно связано с нарушением технологического процесса на этапе обезуглероживания. Наиболее распространенные причины включают следующее:
Попадание воды в расплавленную ванну.
Утечки из водоохлаждаемых панелей, крыш печей или кислородных фурм могут привести к попаданию охлаждающей воды в расплавленную сталь. При температурах, характерных для сталеплавильного производства, вода быстро испаряется или разлагается, вызывая резкое увеличение объема, что может мгновенно спровоцировать сильное кипение. Это считается одним из самых опасных сценариев аварий при эксплуатации электродуговых печей.
Обрушение холодных зон в ванну.
Даже в современных электродуговых печах температура и состав расплава не являются полностью однородными. Когда твердый или полурасплавленный лом из более холодных зон попадает в высокотемпературную зону обезуглероживания, нарушается локальное равновесие реакций, что приводит к резкому увеличению интенсивности обезуглероживания.
Плохая координация между подачей кислорода и подводимой мощностью.
Если подача кислорода и электрический нагрев не согласованы должным образом, расплав может полностью расплавиться, а процесс обезуглероживания не начнется своевременно. В результате в шлаке накапливается оксид железа (FeO). Когда же обезуглероживание наконец начинается, реакция может протекать резко, приводя к бурному кипению.
Длительная продувка шлака для дефосфоризации.
На определенных этапах технологического процесса, особенно при содержании углерода в диапазоне 0,2%–0,8%, длительная продувка шлака с целью усиления дефосфоризации может привести к чрезмерному обогащению шлака оксидом железа (FeO). Это создает крайне нестабильные условия после начала процесса обезуглероживания.
Механизмы интенсивного кипения в современных электродуговых печах.
В современных электродуговых печах аварии, связанные с бурным кипением, часто происходят из-за неоднородности условий в расплаве и внезапного смещения зоны реакции.
Кислород в основном расходуется в локализованных высокотемпературных зонах, в то время как в холодных зонах могут оставаться нерасплавленные куски лома или частично расплавленные материалы. Когда высокоуглеродистый материал из этих зон внезапно попадает в низкоуглеродистую зону обезуглероживания, скорость реакции резко возрастает, что приводит к бурному кипению расплава.
Кроме того, в определённом диапазоне подачи кислорода скорость обезуглероживания контролируется диффузией углерода к границе раздела фаз. Соответствующий диапазон концентрации углерода, обычно называемый критическим диапазоном, составляет примерно 0,2–0,8%. В этом диапазоне технологические возмущения легче усиливаются, особенно при высокой концентрации FeO в шлаке.
Почему низкая основность шлака часто является причиной бурного кипения?
Основность шлака оказывает прямое влияние на его способность передавать кислород расплавленной стали. Шлак с низкой основностью обладает плохой способностью к массопереносу, что способствует накоплению FeO в шлаковой фазе.
Когда начинается обезуглероживание, избыток FeO быстро вступает в реакцию, выделяя большое количество газа CO за короткое время и дестабилизируя расплав. Производственный опыт неизменно показывает, что аварии, связанные с бурным кипением, происходят чаще при низкой основности шлака.
Выявление и предотвращение интенсивного кипения, вызванного утечкой воды.
Интенсивное кипение, вызванное утечкой воды, обычно сопровождается явными предупреждающими признаками:
- На этапе плавления внутри печи или в вытяжном канале могут появляться необычные желтые языки пламени.
- Из дверцы печи может с силой вырываться белый пар, смешанный с пламенем.
- На стадии окисления расплавленная сталь демонстрирует чрезвычайно бурное кипение, сопровождающееся резким увеличением объема отходящих газов.
При подозрении на утечку воды необходимо немедленно прекратить подачу кислорода и электроэнергии, а также активировать системы аварийного отключения электропитания и подачи охлаждающей воды. Печь должна оставаться неподвижной, и персонал должен незамедлительно покинуть опасную зону во избежание усугубления аварии.
Контроль интенсивного кипения при использовании различных технологий кислородных фурм.
Эксплуатация расходуемого кислородного копья
При использовании кислородных фурм предотвращение бурного кипения зависит от ограничения обогащения FeO и обеспечения плавного начала обезуглероживания. Ключевые меры включают в себя правильный угол наклона фурмы, контролируемое образование шлака, адекватное перемешивание расплава с помощью электропитания и скоординированное впрыскивание углерода для стабилизации химического состава шлака.
Сверхзвуковые когерентные кислородные фурмы.
Теоретически, технология сверхзвуковых когерентных струй способна снизить риск бурного кипения. Однако промышленная практика показывает, что бурное кипение всё же может происходить, и даже в более сильной форме, если рабочие условия не контролируются должным образом.
К основным факторам, способствующим возникновению этой проблемы, относятся недостаточная основность шлака, плохая координация между подачей кислорода и нагревом расплава, неисправность систем подачи углерода, а также высокие концентрации легирующих элементов, подавляющих реакции обезуглероживания.
Эффективная профилактика включает в себя поддержание соответствующей основности шлака (около 2,0), оптимизацию состава шихты и технологии загрузки, обеспечение стабильной подачи углерода, предотвращение интенсивной продувки кислородом при низких температурах расплава, а также усиление перемешивания расплава за счет подачи электроэнергии.
Почему производство стали не рекомендуется при низком давлении кислорода?
При слишком низком давлении кислорода кислородная струя не может эффективно проникать в зону контакта шлака и металла, что значительно снижает интенсивность перемешивания расплава. Это способствует накоплению FeO в шлаке и увеличивает риск бурного кипения.
Недостаточное поступление кислорода также нарушает переход от стадии плавления к стадии окисления, усложняет процессы дефосфоризации и обезуглероживания, а также затрудняет контроль температуры. В результате возрастают как риски для безопасности производства, так и производственные затраты, что делает использование подачи кислорода под низким давлением непригодным для электродуговой выплавки стали.
