利用丙烷燃烧火焰喷吹铬矿粉实验研究

董大西，韩宝臣，赵 亮，姜 楠，胡云生，朱 荣

(1.河钢集团石家庄钢铁有限责任公司，河北 石家庄 050031；2.北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083；3.高端金属材料特种熔炼与制备北京市重点实验室，北京 100083)

不锈钢的理论研究和生产水平已经成为衡量一个国家特殊钢发展水平高低的重要标志之一，也是衡量一个国家综合经济实力和人民生活水平的重要标志[1-2]。转炉铬矿熔融还原法不锈钢合金化是近年受人们关注的不锈钢生产新工艺[3]，铬矿熔融还原工艺是不锈钢精炼之前把铬矿装入转炉中，利用焦炭和氧气的反应热以及碳的还原能力将铬还原进钢液来生产不锈钢初炼金属液的工艺[4]。JFE钢铁公司是第一家利用转炉铬矿熔融还原工艺生产不锈钢的钢厂[5-6]。由于廉价铬矿的使用，该工艺具有更好的经济效益[7]。

从长远看，因为炼焦煤资源必然出现世界性的匮乏，同时因为炼焦业对环境污染过于严重，在全球范围减少焦炭生产也已成定局，所以发展使用煤炭或不以焦炭为主要燃料的广义的熔融还原法势必有强大的生命力，这也说明了转炉铬矿熔融还原法冶炼不锈钢的前景一片光明。

笔者先前已对丙烷燃烧喷吹铬矿粉进行相关数值模拟研究[8]，本文主要以数模研究结果为依据，搭建丙烷燃烧火焰喷吹铬矿粉实验平台，通过实验探索该工艺的实际参数，为丙烷燃烧喷吹铬矿粉的工业化应用提供支撑。

1 实验准备

1.1 实验材料

实验中的喷粉载气为氮气，纯度99.5%；粉剂为烘干和筛过后的铬矿粉；氮气与铬矿粉的物性参数如表1所示，铬矿粉实物如图1所示。

表1 氮气、铬矿粉和碳粉的物性参数

图1 铬矿粉

1.2 实验设备

1)喷粉罐

喷粉罐包括减速电机、变频器和喷粉罐主体，是喷粉实验的关键设备。喷粉罐的结构图与实物图如图2所示。

图2 喷粉罐

2)环缝喷枪

环缝喷枪是喷吹实验的主要装置，环缝喷枪的结构图与实物图如图3所示。

3)其他装置

该实验另需部分辅助装置包括高压氧气瓶、高压丙烷气瓶、高压胶管、气体流量计及标尺等。

通过将上述设备组装搭建如图4所示的喷吹丙烷燃烧实验平台，用以该实验的进行。

1.3 实验方案

根据相关数值模拟结果，该实验设定丙烷喷吹流量为1.34 m3/h(标准)，并根据不充分、充分及过氧燃烧调节氧气流量为丙烷流量的3倍、5倍和7倍，一组喷吹粉剂另一组不喷粉剂，通过摄像机拍摄火焰的长度。具体方案如表2所示。

图3 环缝喷枪枪头的结构图与实物图

图4 喷吹丙烷燃烧实验工艺示意图

表2 喷吹丙烷燃烧实验方案

实验进行过程中全程录像，在后期处理时每隔10 s截取图片测量火焰长度。

2 实验结果及分析

表2及图5为本次实验测量火焰长度结果，从图5中可以看出当粉剂流量为0(未喷吹粉剂)时，测量得到的火焰长度均比相同氧气流量下喷吹粉剂的火焰长度更小；另外，每个方案条件下火焰长度均产生一定波动，这主要是由于实验过程气体流量控制稳定性较差造成，且喷粉时燃烧火焰波动更为明显，主要是因铬矿粉下落过程带动的火焰不稳。

图5 喷吹丙烷燃烧火焰长度

将图5中所示数据进一步处理，可得到各方案条件下的平均火焰长度，如表3所示。

表3 喷吹丙烷燃烧平均火焰长度

通过对实验过程喷吹及未喷吹铬矿粉进行区分，则在固定丙烷流量和不同氧流量的火焰长度如图6所示。

图6 喷吹与未喷铬矿粉时在不同氧流量下的火焰长度

从图6可以直观的看出，火焰长度与氧流量成反比，在相同的丙烷流量下，氧流量越大，火焰长度越短。造成这种现象的原因是，氧气流量越大，丙烷燃烧的越充分，在出口处就充分燃烧放出大量的热量，而氧气流量小，火焰则会出现飘忽的状态，因此观测条件下火焰长度更长，无粉喷吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(标准))燃烧实验效果图如图7所示，有粉喷吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(标准))燃烧实验效果图如图8所示。

从图7和图8可以直观的看出，在相同的氧流量和丙烷流量下，加粉比不加粉时火焰长度要长，因为喷吹粉剂之后，火焰会随着粉剂的下落而被拉长，因此喷粉时燃烧丙烷更有利于加热熔池表面。

图7 无粉喷吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(标准))燃烧实验效果图

图8 有粉喷吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(标准))燃烧实验效果图

3 结 论

通过搭建实验平台，利用丙烷火焰燃烧喷吹铬矿粉进行实验，该喷吹实验为铬矿熔融还原热态实验前的必需阶段，基于以上研究可得到如下结论：

(1)在相同丙烷流量下，火焰长度与氧流量成反比，氧流量越大，火焰长度越短；

(2)在相同的氧流量和丙烷流量下，加粉比不加粉时火焰长度要长，喷粉时燃烧丙烷更有利于加热熔池表面。