산소 블로잉 랜스와 기본 산소로에서의 역할

산소 블로잉 랜스와 기본 산소로에서의 역할

기본 산소 용광로(BOF)에서 수냉식 랜스를 만드는 강철은 정제를 위해 액체 수조에 고속(초음속) 산소 흐름을 주입하는 데 사용됩니다. 산소 제트의 속도 또는 운동량은 액체 슬래그와 금속의 침투를 초래하여 비교적 작은 영역에서 산화 반응을 촉진합니다. 산소 제트의 속도와 침투 특성은 노즐(랜스 팁) 설계의 함수입니다.

BOF 변환기의 탑 블로잉 랜스 산소 제트는 수조에서 액체 금속을 교반하기 위해 산소와 에너지를 공급하는 소스로 작동합니다. 탑블로잉 랜스 산소제트를 포함하는 BOF 전로의 주요 노내 현상은 산소제트와 액체금속의 물리적인 상호작용에 따른 공동의 형성, 액체금속의 교반, 침과 먼지의 발생, 탈탄 및 산소와의 반응에 의해 생성된 CO 가스의 연소. BOF 변환기 작동을 최적화하고 위의 현상을 제어하기 위해 다양한 장치와 개선이 이루어지고 탑 블로잉 랜스의 설계 및 작동에 적용되었습니다. 그 예로는 액체 금속의 교반을 촉진하기 위해 압력 에너지를 고효율로 제트 운동 에너지로 변환할 수 있는 Laval 노즐의 사용과 산소 발생을 억제하면서 고속 산소 공급이 가능한 다공 랜스의 사용이 있습니다. 산소 제트의 분산에 의한 침과 먼지.

BOF 변환기에 결합 블로잉이 도입되면서 액체 금속 철을 교반하기 위한 에너지원으로서 탑 블로잉 랜스 제트의 역할이 감소하고 설계 및 작동의 유연성이 크게 향상되었습니다.

액체 수조에 산소를 불어넣는 주된 이유는 수조의 탄소를 끝점 사양으로 제거하기 위한 것입니다. 산소 분사로 인해 발생하는 주요 반응은 수조에서 CO로 탄소를 제거하는 것입니다. 이것은 시스템에 열을 추가하는 발열 반응입니다. 소량의 CO2(보통 10% 미만)도 BOF 변환기 내부에서 산소와 반응하여 CO가 연소되기 때문에 생성됩니다(후연소라고 함). 산소 분사로 인해 발생하는 다른 반응은 규소(Si), 망간(Mn) 및 인(P) 등과 같은 다른 원소의 산화입니다. 이러한 원소는 산화되어 슬래그 층에 흡수됩니다. 이러한 반응은 또한 발열 반응으로 액체 수조에 필요한 열에 추가로 기여하고 액체 수조의 온도를 필요한 수준으로 올립니다. Si의 산화는 산소 취입 초기에 발생하고 생성된 실리카가 첨가된 석회와 결합하여 액체 슬래그를 형성하기 때문에 특히 중요합니다. 산소의 취입으로 인해 일어나는 산화 반응은 다음과 같습니다. 자유 에너지의 반응 변화(괄호 안에 표시)는 1600℃에서 kcal/mole 단위입니다.

C + 0.5 O2 =CO (- 66)

2CO + O2 =2CO2 (-57.4)

Si + O2 =SiO2(-137.5)

Mn + 0.5 O2 =MnO(-58.5)

2P + 2.5 O2 =P2O5(-148.5)

산화 반응은 산소 제트의 충돌 영역에서 발생합니다. 이 충돌 영역을 공동이라고 하며 산소 충돌에 의해 생성됩니다. 액체 수조의 함몰은 운동량 또는 산소 제트 추력의 함수이며 다음 방정식으로 계산됩니다.

F =W(Ve/g)

여기서 F는 힘, W는 질량 유량, Ve는 출구 속도, g는 중력 가속도입니다. 제트 추력과 충격 각도는 산소 랜스의 노즐 설계를 통해 원하는 화학 반응 및 수조 교반을 달성하도록 최적화되어 있습니다.

산소 랜스의 노즐은 일반적으로 N cum/min으로 측정되는 특정 산소 유량을 위해 설계되어 액체 슬래그 층을 관통하고 캐비티 영역의 액체 금속 욕조.

높은 운동량의 산소 제트는 음속의 약 두 배 속도로 라발 노즐 출구를 떠납니다. 특성 매개변수는 로컬 가스 속도와 음속 간의 비율을 나타내는 마하 수입니다. 노즐 내 팽창의 결과로 산소는 노즐 출구로 가는 도중 약 -100℃까지 냉각되어 물과 산소 쪽 모두에서 노즐을 집중적으로 냉각시킵니다.

라발 노즐은 수렴형 입구와 발산형 출구 덕트로 구성됩니다. 흔히 수렴-발산(CD) 노즐이라는 용어가 사용됩니다. 초음속 제트는 수렴/발산(Laval) 노즐로 생성됩니다. 정체 산소 저장소는 압력 Po로 유지됩니다. 산소는 원통형 목 영역에서 음속(마하 =1)까지 수렴 섹션에서 가속됩니다. 그런 다음 산소는 분기 섹션에서 확장됩니다. 팽창은 산소의 온도, 밀도 및 압력을 감소시키고 속도는 초음속 수준(마하 1 이상)으로 증가합니다.

산소 제트가 노즐을 빠져나와 BOF 변환기로 들어갈 때 퍼지고 쇠퇴합니다. 노즐에서 일정 거리 동안 초음속 코어가 남아 있습니다. 초음속 제트는 일반적으로 10도에서 16도 범위에 있지만 일부 랜스 노즐 설계에서는 23도까지 올라가는 Laval 노즐 각도로 퍼집니다.

원하는 제강 반응을 효율적으로 생성하고 랜스 수명을 최대화하려면 적절한 노즐 설계와 적절한 작동이 모두 필요합니다. 노즐이 지나치게 불어서 산소 제트가 노즐을 떠날 때 완전히 팽창하지 않은 경우 제트가 노즐 외부로 팽창할 때 충격파가 발생합니다. 이러한 충격파에서 유용한 에너지가 손실되고, 지나치게 불어온 제트는 이상적으로 팽창된 제트보다 적은 힘으로 액체 금속 수조에 충돌합니다.

노즐은 산소 제트가 주변 압력과 동일한 압력으로 팽창한 다음 노즐을 떠나기 전에 팽창을 멈춥니다. 이 경우 산소 흐름은 노즐의 내부 표면에서 분리됩니다. BOF 변환기에서 나오는 뜨거운 가스는 다시 연소되거나 노즐 출구 영역을 침식합니다. 이러한 침식은 랜스 노즐의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 제트력의 손실을 초래하여 부드러운 블로잉 상태로 이어집니다. 초음속 제트 형성의 역학과 오버블로잉 및 언더블로잉 조건은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 초음속 제트 형성 역학, 과풍 및 과소 블로잉 조건

BOF의 산소 랜스의 주요 구성 요소에는 산소 유입구 피팅, 산소 유출구(랜스 팁)가 포함되며, 이는 원하는 유량 및 매개변수를 달성하기 위해 정밀하게 가공된 노즐이 있는 높은 열전도율의 주조/단조 구리 디자인으로 만들어집니다. 산소 제트. 랜스 배럴은 외부 파이프, 중간 파이프 및 산소용 중앙 파이프로 구성된 일련의 동심 파이프입니다. 산소 랜스는 열팽창 및 수축을 보상하도록 설계되어야 합니다. 랜스의 외부 파이프는 BOF 변환기의 고온에 노출됩니다. 온도가 상승함에 따라 팽창하고 전체 랜스 구조는 내부적으로 O-링 씰과 다양한 조인트로 구성되지만 사용 중에 열 팽창 및 수축을 수용할 수 있습니다. 랜스는 스트레스 없는 디자인이어야 하며 철강 용해 공장에 존재하는 정상적인 작동 조건을 견딜 수 있는 철강 공장 건설 품질로 제작되어야 합니다.

BOF 변환기에서 산소 랜스가 연소되는 것을 방지하기 위해 랜스에 냉각수가 필요합니다. 구리 랜스 노즐과 강철 랜스는 모두 약 6kg/sq cm의 압력으로 물을 재순환시켜 냉각됩니다. 랜스의 중요한 구성 요소는 냉각수가 노즐 중앙을 통해 흐르고 랜스의 외부 파이프를 통해 나가는 수냉식 채널입니다. 가장 높은 온도에 노출되는 노즐 부분에서 냉각수의 최대 속도를 얻을 수 있도록 설계되었습니다.

분사 공정 중 공정 변수가 설계 매개변수와 일치하도록 산소 랜스의 라발 노즐을 설계하는 것이 중요합니다. 노즐이 설계 압력보다 높은 입구 압력에서 작동될 때 분사 제트는 단지 비효율적입니다. 노즐이 더 낮은 입구 압력으로 작동되면 빠르게 마모되고 초음속 제트는 비효율적입니다. 

BOF 랜스 성능에 영향을 미치는 요소

산소 랜스의 성능과 효율성에 영향을 미치는 여러 요인이 있습니다. 랜스의 성능은 퍼니스 내부의 조건에 따라 달라집니다. 뜨거운 금속에서 Si의 함량은 매우 중요한 매개변수입니다. 이것은 형성되는 슬래그의 양, 산소 제트에 의해 침투되어야 하는 슬래그의 양에 영향을 미치며 또한 노에서 슬로핑의 양을 제어합니다. 랜스 작동 높이도 매우 중요하며 노즐의 설계 계산에 포함되어야 합니다. 랜스의 높이가 퍼니스에서 너무 낮으면 극도로 높은 온도에 노출됩니다. 이 경우 냉각수로부터의 열 전달은 랜스의 표면이 녹거나 조기에 타버리는 것을 방지하기에 충분하지 않습니다. 랜스의 높이가 너무 높으면 산소 제트의 추력이 덜 효율적이 되고 액욕의 정제 시간이 길어지며 필요한 탈탄 및 욕 온도를 달성하기 위해 더 많은 양의 산소가 필요합니다. 산소 유량은 때때로 산소 공급 시스템 및/또는 배출 문제에 의해 제한되는 설계 매개변수입니다. 마하수(Mach number)의 출구 속도도 랜스를 설계할 때 사용되는 요소입니다. 산소 제트는 일반적으로 마하 값이 높을수록 더 강력합니다.

노즐의 수와 노즐 구멍의 각도도 산소 랜스의 중요한 고려 사항입니다. 제강의 BOF 공정 개발 초기 단계에서는 단일 노즐이 있는 랜스를 사용하여 액체 수조에 직접 분사했습니다. 이로 인해 많은 슬로핑이 발생했고 액체 물질이 BOF 변환기의 입구 위로 똑바로 분출되었습니다. 슬로핑을 최소화하기 위해 약간 기울어진 3개의 구멍 노즐이 개발되어 높은 공정 수율을 제공합니다. 현재 많은 BOF 변환기가 4, 5 또는 6 노즐 구성을 갖는 랜스로 작동하고 있습니다.

충격 영역은 노즐 구멍 수와 노즐 각도의 함수입니다. 3-홀 노즐, 4-홀 노즐 및 5-홀 노즐 랜스가 있는 산소 랜스에 대한 액체 배스의 충돌 영역에 대한 노즐 수 및 노즐 출구 각도 증가 효과를 아래에서 비교합니다. 이 비교를 위해 산소의 유량은 565 cum/min으로 간주됩니다. 산소제트의 마하수는 2로 하고 랜스의 높이는 1.8m로 한다. 12도 각도의 3구멍 노즐이 있는 랜스의 충돌 면적은 1.41제곱미터이고 12도 각도의 4구멍 노즐은 1.52제곱미터, 12도 각도의 5구멍 노즐은 1.61제곱미터입니다. , 14도 각도에서 5구 노즐의 경우 1.67제곱미터입니다.

노즐의 각도가 증가함에 따라 수직력 성분보다는 횡력 성분이 더 많이 발생합니다. 이것은 BOF 변환기의 액체 수조에서 더 많은 교반 및 교반에 기여합니다. 그러나 산소 제트의 측면 구성 요소가 과도하게 되면 내화 마모가 더 많이 발생합니다.

랜스 수명에 영향을 미치는 요소

긴 랜스 노즐 수명은 BOF 변환기의 경제적인 작동에 유리합니다. 그러나 일반적인 BOF 작업 관행에서는 고온 금속 화학, 슬래깅 관행, 석회 품질, 랜스 패턴, 동적 또는 정적 랜스 제어, 산소 공급 압력의 제한, 모양 및 부피와 같은 많은 개별 매개변수가 공정에 영향을 미칩니다. 변환기의. 또한 공장마다 크게 다르기 때문에 BOF 공정 매개변수와 랜스 노즐 수명 간의 일반적인 관계를 설명하기 위해 다소 이상적인 작업 방식에 기초한 일반 규칙만 제시할 수 있습니다.

랜스 노즐의 가장 취약한 부분은 소위 랜스 헤드 크라운으로, 사용 시 2,000℃ 이상의 온도에 노출됩니다. 따라서 랜스 헤드 크라운은 약 100% 전도성에 가까운 전도성의 구리로 만들어집니다. 일반적으로 단조 구리만이 이러한 높은 전도성을 제공할 수 있습니다. 주조 제한으로 인해 주조 구리 랜스 노즐은 일반적으로 약 90%의 최소 전기 전도도를 갖습니다. 전기 전도도는 열 전도율에 정비례합니다.

랜스 수명은 다양한 운영 방식에 따라 매장마다 다릅니다. 랜스의 일반적인 수명은 200히트일 수 있지만 일부 상점에서는 최대 400히트의 랜스 수명을 달성할 수 있습니다. 100개 열도 못 내는 철강 용해 공장도 있습니다. 냉각수는 긴 랜스 수명을 유지하는 데 중요합니다. 유량은 설계 속도로 유지되어야 합니다. 냉각수 출구 온도는 60℃에서 65℃를 넘지 않아야 합니다. 수질도 중요한 매개변수입니다. 물이 산화물이나 먼지로 오염되면 일반적으로 랜스 파이프와 노즐 내부에 침전물이 형성되어 열 전달에 부정적인 영향을 미치고 랜스의 수명이 단축됩니다. 작동 높이는 액체 수조에서 산소 제트의 침투를 달성하는 데 중요합니다. 단, 랜스 높이가 너무 낮을 경우 랜스 노즐면의 침식 또는 용융의 가능성이 있습니다.

BOF 변환기의 언더블로잉은 노즐 출구의 침식 및 랜스 노즐의 고장을 초래합니다. 랜스 노즐에 과도한 두개골 축적은 기계적으로 제거하거나 태워야 합니다. 이 두 가지 방법 모두 랜스를 손상시킬 수 있습니다.

랜스의 수명은 다음 두 가지 요인에 의해 영향을 받습니다.

산소 분사의 경우 랜스 노즐 설계에 중요한 정압은 노즐 입구가 아니라 밸브 스테이션에서 조정됩니다. 이러한 방식으로 야금 반응에 필요한 체적 산소 유량이 생성됩니다. 마찰 및 편향 손실의 결과로 발생하는 밸브 스테이션과 랜스 노즐 사이의 압력 손실은 알 수 없는 양입니다. 압력 손실은 일반적으로 산소 파이프의 형상에 따라 0.3kg/sq cm ~ 1.5kg/sq cm입니다. 노즐을 설계하기 위해 압력 손실을 추정하고 입구 압력을 결정합니다. 모든 가스 네트워크 구성 요소를 포함하는 압축성 압력 손실 계산이 필요하기 때문에 이론적으로 실제 압력 손실을 계산하는 것은 쉽지 않습니다. 설계에 필요한 입구 온도와 변환기의 정압도 알려져 있지 않습니다. 따라서 노즐 설계에 필요한 공정 변수는 대략적인 값으로 간주됩니다. 노즐이 원래 설계된 모드와 다른 모드에서 작동하는 경우 마모 징후가 빠르게 나타납니다. 게다가 불어오는 조건이 불안정해지고 비효율적이 됩니다.

BOF 전로 작동 동안 특정 공정 변수는 예기치 않은 사건(전로에서 액체 금속 및 슬래그의 슬로핑, 산소 네트워크의 압력 변동, 주요 취입 단계에서 냉각 광석 추가)에 반응하여 작업자에 의해 변경될 수 있습니다. 현재 공정 이벤트(블로잉 작업 중 서브 랜스를 통한 샘플링). 따라서 노즐 흐름은 다소 오랜 기간 동안 이상적인 설계 조건에서 달라집니다. 노즐 내부와 외부에는 다이아몬드 웨이브 패턴이라고 하는 복잡하고 원하지 않는 흐름 패턴이 압축 및/또는 팽창 파의 형태로 발생하여 노즐 가장자리가 마모됩니다.

BOF 랜스의 새로운 발전

첫 번째 최근 개발은 연소 후 랜스였습니다. 욕의 산화 반응에서 발생하는 가스의 90%가 일산화탄소이기 때문에 이 일산화탄소를 추가로 연소시켜 이산화탄소를 형성하는 것이 바람직합니다. 이 반응은 발열성이 높기 때문에 제강 공정에 추가 열이 발생합니다. 이것은 스크랩 대 열간 금속 비율이 높은 여러 BOF 작업장에서 따르고 있는 관행입니다. 이 실습에는 두 개의 산소 배출구가 있는 이중 흐름 산소 랜스가 필요합니다. 이러한 랜스에서는 기존의 랜스와 유사하게 랜스 팁을 통해 주요 산소 공급이 분배되는 반면, 보조 산소는 별도로 제어되어 BOF 변환기에서 더 높은 높이로 송풍됩니다. 보조 산소의 기능은 액체 금속 수조에서 나오는 일산화탄소와 반응하여 추가 스크랩을 녹이는 데 사용할 수 있는 추가 열 에너지를 생성하고 BOF 변환기 입구에 스컬 축적을 제어하는 ​​데 도움이 되는 것입니다.

산소 랜스에 대한 두 번째 최근 개발은 높은 수준의 MgO를 함유한 슬래그의 보호 코팅을 BOF 변환기의 벽에 튀기는 데 사용하는 것입니다. 이 프로세스는 일반적으로 슬래그 스플래싱으로 알려져 있습니다. 이것은 BOF 전로에 잔류 슬래그가 남아 있는 상태에서 액강이 BOF 전로에서 추출된 후에 수행됩니다. 그런 다음 잔류 슬래그는 구성 및 온도에 대해 조절됩니다. 슬래그 조성과 슬래그 온도 매개변수는 모두 슬래그 비산의 성공에 중요한 매개변수입니다. 산소 공급 장치가 꺼지고 질소 공급 장치가 켜집니다. 랜스는 BOF 변환기 바닥에서 약 1m 위로 낮아집니다. 그런 다음 질소가 켜지고 액체 슬래그가 BOF 변환기의 벽에 튀고 내화물 위에 보호 슬래그 코팅이 생성됩니다. 이 슬래그 코팅은 일반적인 내화 라이닝 ​​수명을 캠페인당 20,000개 이상의 열로 성공적으로 증가시켰습니다. 또한 총포 요구 사항도 생산된 액강 톤당 0.5kg 미만으로 감소했습니다.