利用丙烷燃燒火焰噴吹鉻礦粉實驗研究

董大西，韓寶臣，趙 亮，姜 楠，胡云生，朱 榮

(1.河鋼集團石家莊鋼鐵有限責任公司，河北 石家莊 050031；2.北京科技大學 冶金與生態工程學院，北京 100083；3.高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點實驗室，北京 100083)

不銹鋼的理論研究和生產水平已經成為衡量一個國家特殊鋼發展水平高低的重要標志之一，也是衡量一個國家綜合經濟實力和人民生活水平的重要標志[1-2]。轉爐鉻礦熔融還原法不銹鋼合金化是近年受人們關注的不銹鋼生產新工藝[3]，鉻礦熔融還原工藝是不銹鋼精煉之前把鉻礦裝入轉爐中，利用焦炭和氧氣的反應熱以及碳的還原能力將鉻還原進鋼液來生產不銹鋼初煉金屬液的工藝[4]。JFE鋼鐵公司是第一家利用轉爐鉻礦熔融還原工藝生產不銹鋼的鋼廠[5-6]。由于廉價鉻礦的使用，該工藝具有更好的經濟效益[7]。

從長遠看，因為煉焦煤資源必然出現世界性的匱乏，同時因為煉焦業對環境污染過于嚴重，在全球范圍減少焦炭生產也已成定局，所以發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必有強大的生命力，這也說明了轉爐鉻礦熔融還原法冶煉不銹鋼的前景一片光明。

筆者先前已對丙烷燃燒噴吹鉻礦粉進行相關數值模擬研究[8]，本文主要以數模研究結果為依據，搭建丙烷燃燒火焰噴吹鉻礦粉實驗平臺，通過實驗探索該工藝的實際參數，為丙烷燃燒噴吹鉻礦粉的工業化應用提供支撐。

1 實驗準備

1.1 實驗材料

實驗中的噴粉載氣為氮氣，純度99.5%；粉劑為烘干和篩過后的鉻礦粉；氮氣與鉻礦粉的物性參數如表1所示，鉻礦粉實物如圖1所示。

表1 氮氣、鉻礦粉和碳粉的物性參數

圖1 鉻礦粉

1.2 實驗設備

1)噴粉罐

噴粉罐包括減速電機、變頻器和噴粉罐主體，是噴粉實驗的關鍵設備。噴粉罐的結構圖與實物圖如圖2所示。

圖2 噴粉罐

2)環縫噴槍

環縫噴槍是噴吹實驗的主要裝置，環縫噴槍的結構圖與實物圖如圖3所示。

3)其他裝置

該實驗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、氣體流量計及標尺等。

通過將上述設備組裝搭建如圖4所示的噴吹丙烷燃燒實驗平臺，用以該實驗的進行。

1.3 實驗方案

根據相關數值模擬結果，該實驗設定丙烷噴吹流量為1.34 m3/h(標準)，并根據不充分、充分及過氧燃燒調節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，通過攝像機拍攝火焰的長度。具體方案如表2所示。

圖3 環縫噴槍槍頭的結構圖與實物圖

圖4 噴吹丙烷燃燒實驗工藝示意圖

表2 噴吹丙烷燃燒實驗方案

實驗進行過程中全程錄像，在后期處理時每隔10 s截取圖片測量火焰長度。

2 實驗結果及分析

表2及圖5為本次實驗測量火焰長度結果，從圖5中可以看出當粉劑流量為0(未噴吹粉劑)時，測量得到的火焰長度均比相同氧氣流量下噴吹粉劑的火焰長度更小；另外，每個方案條件下火焰長度均產生一定波動，這主要是由于實驗過程氣體流量控制穩定性較差造成，且噴粉時燃燒火焰波動更為明顯，主要是因鉻礦粉下落過程帶動的火焰不穩。

圖5 噴吹丙烷燃燒火焰長度

將圖5中所示數據進一步處理，可得到各方案條件下的平均火焰長度，如表3所示。

表3 噴吹丙烷燃燒平均火焰長度

通過對實驗過程噴吹及未噴吹鉻礦粉進行區分，則在固定丙烷流量和不同氧流量的火焰長度如圖6所示。

圖6 噴吹與未噴鉻礦粉時在不同氧流量下的火焰長度

從圖6可以直觀的看出，火焰長度與氧流量成反比，在相同的丙烷流量下，氧流量越大，火焰長度越短。造成這種現象的原因是，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，火焰則會出現飄忽的狀態，因此觀測條件下火焰長度更長，無粉噴吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(標準))燃燒實驗效果圖如圖7所示，有粉噴吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(標準))燃燒實驗效果圖如圖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，加粉比不加粉時火焰長度要長，因為噴吹粉劑之后，火焰會隨著粉劑的下落而被拉長，因此噴粉時燃燒丙烷更有利于加熱熔池表面。

圖7 無粉噴吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(標準))燃燒實驗效果圖

圖8 有粉噴吹丙烷(氧流量4.02 m3/h(標準))燃燒實驗效果圖

3 結 論

通過搭建實驗平臺，利用丙烷火焰燃燒噴吹鉻礦粉進行實驗，該噴吹實驗為鉻礦熔融還原熱態實驗前的必需階段，基于以上研究可得到如下結論：

(1)在相同丙烷流量下，火焰長度與氧流量成反比，氧流量越大，火焰長度越短；

(2)在相同的氧流量和丙烷流量下，加粉比不加粉時火焰長度要長，噴粉時燃燒丙烷更有利于加熱熔池表面。