หากคุณเคยเข้าไปในโรงหลอมโลหะในช่วงทศวรรษ 1960 ออกซิเจนหมายถึงชายคนหนึ่งในชุดหนังหนาๆ กำลังใช้ท่อเหล็กแทงเข้าไปในประตูเตาหลอม แต่ในปัจจุบัน ออกซิเจนหมายถึงหัวฉีดเจ็ทที่มีประสิทธิภาพสูง หัวเผาหลังการเผาไหม้ และการควบคุมตะกรันด้วยโฟม และนี่คือหนึ่งในเหตุผลสำคัญที่ทำให้เตาหลอมไฟฟ้าสมัยใหม่สามารถทำเวลาหลอมแต่ละครั้งได้ภายใน 40 นาที บทความนี้จะกล่าวถึงสิ่งที่ออกซิเจนทำในเตาหลอม วิวัฒนาการของเทคโนโลยี และสิ่งสำคัญที่จะช่วยให้ใช้งานออกซิเจนได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ
1. บทบาทของออกซิเจนในเตาหลอมไฟฟ้า
1.1 หน้าที่ทั้งห้าของออกซิเจน
ออกซิเจนไม่ได้มีบทบาทแค่ในการลดปริมาณคาร์บอนเท่านั้น แม้ว่านั่นจะเป็นประเด็นหลักก็ตาม ในเตาหลอมสมัยใหม่ ออกซิเจนทำหน้าที่สำคัญถึงห้าอย่าง:
การลดคาร์บอน
นี่คือปฏิกิริยาหลัก: C + O → CO ฟอง CO จะทำให้ของเหลวในเตาหลอมปั่นป่วน ซึ่งช่วยขับไล่ก๊าซที่ละลายอยู่และสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ การลดคาร์บอนยังเป็นกระบวนการหลักในการกำจัดคาร์บอนในการผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้า — คุณไม่สามารถผลิตเหล็กคาร์บอนต่ำได้อย่างมีประสิทธิภาพหากปราศจากการควบคุมการฉีดออกซิเจน
การกำจัดฟอสเฟต
ออกซิเจนจะออกซิไดซ์ฟอสฟอรัสในอ่างให้กลายเป็น P₂O₅ ซึ่งจะรวมกับ CaO เพื่อสร้างแคลเซียมฟอสเฟตที่ตกลงสู่ตะกรัน หากไม่มีออกซิเจนเพียงพอและตะกรันที่ไม่ได้รับการปรับสภาพอย่างเหมาะสม ฟอสฟอรัสก็จะไม่ตกลงมา
ระบบทำความร้อนเสริม
การเป่าออกซิเจนลงในอ่างหลอมเหล็กไม่ได้เป็นเพียงเรื่องของเคมีเท่านั้น ปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบคายความร้อนของเหล็ก คาร์บอน ซิลิคอน และธาตุอื่นๆ จะปล่อยความร้อนออกมา ออกซิเจนทุกๆ ลูกบาศก์เมตรที่ใช้ในการออกซิเดชันในอ่างหลอมเหล็กจะช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ประมาณ 3-5 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อเหล็กหนึ่งตัน มันไม่ใช่ของฟรี เพราะคุณกำลังออกซิไดซ์เหล็กซึ่งสุดท้ายจะกลายเป็นกาก แต่โดยทั่วไปแล้วการประหยัดพลังงานนั้นคุ้มค่า
หลังการเผาไหม้
ก๊าซ CO ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการลดคาร์บอนสามารถเผาไหม้ให้กลายเป็น CO₂ ภายในเตาเผาได้ โดยใช้สมการ: CO + ½O₂ → CO₂ ปฏิกิริยานี้ปล่อยพลังงานประมาณ 238 กิโลจูลต่อโมลของ CO หรือประมาณ 10.6 เมกะจูลต่อลูกบาศก์เมตรของ CO ที่ถูกเผาไหม้ การดักจับพลังงานเคมีนี้คือหัวใจสำคัญของกระบวนการหลังการเผาไหม้ ซึ่งสามารถกู้คืนพลังงานเคมีได้ 30%–50% จากพลังงานเคมีที่อาจจะปล่อยทิ้งขึ้นสู่ปล่องควันหากไม่นำมาใช้ประโยชน์
การสร้างตะกรันโฟม
การฉีดออกซิเจนอย่างควบคุม (ควบคู่กับการเติมคาร์บอนอย่างมีกลยุทธ์) จะสร้างฟองก๊าซ CO อย่างต่อเนื่องผ่านตะกรัน หากควบคุมองค์ประกอบทางเคมีของตะกรันได้อย่างเหมาะสม ฟองก๊าซเหล่านั้นจะสร้างโฟมที่เสถียรและปกคลุมส่วนโค้งของประกายไฟ นั่นคือที่มาของประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่แท้จริง
1.2 วิวัฒนาการของเทคโนโลยีออกซิเจน
ยุคสมัย เกิดอะไรขึ้น เทคโนโลยีสำคัญ
ทศวรรษ 1950-1960 การเจาะประตูด้วยมือ กระบอกออกซิเจนเหล็กแบบมือถือ
เตาเผาออกซิเจน-เชื้อเพลิงสำหรับช่วยหลอมละลายในช่วงทศวรรษ 1970-1980 โดยใช้เตาเผาออกซิเจน-ก๊าซธรรมชาติ
ทศวรรษ 1980-1990 หัวฉีดติดผนัง หัวฉีดระบายความร้อนด้วยน้ำ หัวฉีดติดผนังแบบตายตัว
ทศวรรษ 1990 – ปัจจุบัน ออกซิเจนแทรกซึมลึก การควบคุมตะกรันโฟมหลังการเผาไหม้ หัวฉีดเจ็ทแบบต่อเนื่อง ระบบแบบบูรณาการ
II. การเจาะช่องออกซิเจนที่ประตูเตาเผา
2.1 วิธีการทำงาน (และเหตุผลที่ยังคงมีอยู่)
การเจาะประตูเตาหลอมเป็นไปตามชื่อเรียก คือผู้ปฏิบัติงานจะสอดท่อเหล็ก (โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก ½" ถึง 1") ผ่านประตูเตาหลอมในมุม 15–30° วางปลายท่อให้สูงจากอ่างหลอม 50–200 มม. แล้วเปิดวาล์วออกซิเจน ความดันโดยทั่วไปอยู่ที่ 0.3–0.8 MPa
มันอาจดูหยาบๆ แต่ก็ใช้งานได้ ผู้ใช้งานสามารถมองเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นและปรับเปลี่ยนได้แบบเรียลไทม์ สำหรับเตาหลอมขนาดเล็กและสถานการณ์พิเศษ มันยังคงเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์อยู่
2.2 ความเป็นจริง: มันมีข้อจำกัด
การเจาะประตูมีข้อเสียที่แท้จริง:
- สภาพการทำงานที่เลวร้าย — ผู้ปฏิบัติงานต้องยืนอยู่หน้าความร้อนสูงถึง 1,600 องศาเซลเซียส พร้อมกับควันและความร้อนแผ่รังสี
- ประสิทธิภาพการใช้ออกซิเจนต่ำ — ออกซิเจนส่วนใหญ่จะถูกเผาไหม้ในพื้นที่ว่างเหนืออ่างแทนที่จะทำปฏิกิริยากับโลหะ
- ความเสี่ยงด้านความปลอดภัย — การระเบิดย้อนกลับและการกระเด็นของโลหะเป็นอันตรายอย่างแท้จริง
- ขาดความแม่นยำ — คุณไม่สามารถควบคุมอัตราการไหลของออกซิเจนหรือความลึกของการแทรกซึมได้อย่างสม่ำเสมอ
นั่นเป็นเหตุผลที่เตาหลอมสมัยใหม่เปลี่ยนมาใช้หัวฉีดแบบติดผนัง ระบายความร้อนด้วยน้ำ และควบคุมตำแหน่งด้วยกลไก แต่ถ้าคุณดำเนินกิจการโรงงานขนาดเล็ก การฉีดน้ำล้างประตูยังคงเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องมือที่จำเป็น
2.3 ถ้าคุณจะทำ ก็จงทำมันให้ถูกต้อง
- อย่าถือหัวฉีดใกล้กับอ่างมากเกินไป มิเช่นนั้นจะเกิดการกระเด็นอย่างรุนแรง หากอยู่ห่างเกินไป ออกซิเจนส่วนใหญ่ในช่องว่างก๊าซจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจน
- คอยขยับหัวฉีดอยู่เสมอ เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ คุณต้องการให้ทั้งอ่างเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ไม่ใช่แค่เพียงมุมใดมุมหนึ่ง
- สวมอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล (PPE) ที่เหมาะสม นี่ไม่ใช่สถานที่ที่จะละเลยเรื่องความปลอดภัย
III. การช่วยหลอมละลายด้วยออกซิเจนและเชื้อเพลิง
3.1 แนวคิดพื้นฐาน
หัวเผาเชื้อเพลิงออกซิเจนที่ติดตั้งอยู่บนผนังเตาหลอมใช้เปลวไฟอุณหภูมิสูงเพื่อให้ความร้อนแก่เศษโลหะที่ประกายไฟเข้าไม่ถึงโดยตรง ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นจุดที่เย็นจัดใกล้ผนังเตาหลอม เชื้อเพลิง (ก๊าซธรรมชาติ ผงถ่านหิน หรือน้ำมันเบา) จะเผาไหม้ในออกซิเจนบริสุทธิ์ ทำให้ได้อุณหภูมิเปลวไฟ 2,500–3,000 องศาเซลเซียส
เรื่องนี้สำคัญเพราะประกายไฟฟ้าระหว่างการเชื่อมเป็นแหล่งความร้อนแบบจุด หากใช้เพียงประกายไฟฟ้าระหว่างการเชื่อมอย่างเดียว ตรงกลางเตาจะละลายเร็ว ส่วนขอบจะละลายช้ากว่า หัวเผาจะช่วยกระจายอุณหภูมิให้สม่ำเสมอและลดเวลาในการหลอมละลาย
3.2 ตัวเลือกเชื้อเพลิง
ออกซิเจน-ก๊าซธรรมชาติ
เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม อัตราส่วน O₂ ต่อก๊าซธรรมชาติโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 2:1 โดยปริมาตร อุณหภูมิเปลวไฟประมาณ 2,800°C การเผาไหม้สะอาด ควบคุมได้ดี และมีก๊าซธรรมชาติให้ใช้ได้อย่างน่าเชื่อถือในพื้นที่อุตสาหกรรมส่วนใหญ่
ผงถ่านหินออกซิเจน
เป็นเชื้อเพลิงที่ถูกกว่าหากมีถ่านหินสำรองอยู่ในพื้นที่ แต่จำเป็นต้องมีระบบเตรียมและฉีดถ่านหินบดละเอียด เถ้าจะเข้าไปผสมกับตะกรัน ทำให้ปริมาณตะกรันเพิ่มขึ้น และอาจส่งผลต่อองค์ประกอบทางเคมีของตะกรันได้ วิธีนี้พบได้บ่อยในภูมิภาคที่ก๊าซธรรมชาติมีราคาแพงหรือหาได้ยาก
น้ำมันออกซิเจนเบา
ดีเซลหรือน้ำมันหนัก จุดระเบิดได้น่าเชื่อถือและการเผาไหม้มีเสถียรภาพ แต่ต้นทุนเชื้อเพลิงสูง และกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมเกี่ยวกับ NOx และอนุภาคกำลังเข้มงวดขึ้น จึงไม่ใช่ตัวเลือกที่นิยมสำหรับการติดตั้งใหม่
3.3 สิ่งที่หัวเตาแต่ละแบบมอบให้ได้จริง
- ระยะเวลาการหลอมละลาย: สั้นลง 10-20 นาที เมื่อใช้เตาอย่างมีประสิทธิภาพ
- การใช้พลังงาน: ประหยัดได้ 30–80 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อตันความร้อน
- อายุการใช้งานของวัสดุบุผนังเตา: ประโยชน์ทางอ้อม — หัวเผาให้ความร้อนกับผนังโดยตรง ซึ่งช่วยลดภาระการแผ่รังสีของประกายไฟต่อวัสดุทนไฟที่ผนังด้านข้าง
- การกระจายอุณหภูมิ: สม่ำเสมอมากขึ้น ซึ่งช่วยในการก่อตัวของตะกรันและการละลายของโลหะผสม
3.4 การนำไปใช้งาน
การจัดวางหัวเผาเป็นสิ่งสำคัญ โดยทั่วไปแล้ว คุณจะเห็นหัวเผา 4-8 หัวบนเตาหลอมขนาดกลางถึงขนาดใหญ่ ติดตั้งอยู่บริเวณผนังส่วนกลางถึงส่วนบน หัวเผาต้องเรียงลำดับตามการควบคุมของอิเล็กโทรด — คุณไม่ต้องการให้หัวเผาตัวใดตัวหนึ่งให้ความร้อนกับเศษโลหะที่หลอมเหลวอยู่แล้ว และคุณไม่ต้องการให้ประกายไฟลุกไหม้ด้วยกำลังสูงสุดกับผนังที่เย็น
รักษาหัวเผาให้สะอาด คราบตะกรันที่สะสมอยู่บนหัวฉีดจะทำให้รูปแบบเปลวไฟเสียและสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง
IV. หัวฉีดออกซิเจนแบบเจ็ทที่สม่ำเสมอ
4.1 เหตุใดกระแสเจ็ทที่สอดคล้องกันจึงมีความสำคัญ
หัวฉีดออกซิเจนความเร็วเหนือเสียงแบบดั้งเดิมจะสร้างเจ็ทที่กระจายตัวอย่างรวดเร็ว – ความลึกในการทะลุทะลวงที่มีประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 10–15 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางหัวฉีดเท่านั้น หัวฉีดเจ็ทแบบต่อเนื่องแก้ปัญหานี้ได้โดยการห่อหุ้มเจ็ทออกซิเจนความเร็วสูงตรงกลางด้วยปลอกหุ้มวงแหวนของก๊าซป้องกัน (โดยทั่วไปคือก๊าซธรรมชาติหรืออากาศ) ปลอกหุ้มนี้จะยับยั้งการดึงก๊าซโดยรอบเข้ามา และเจ็ทตรงกลางจะคงความต่อเนื่องได้ในระยะทางที่ไกลกว่ามาก
ความลึกในการแทรกซึมด้วยเจ็ทที่สม่ำเสมอ: 30–50 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางหัวฉีด นั่นหมายถึงการแทรกซึมเข้าสู่ตัวอ่างที่ลึกขึ้น การกวนที่รุนแรงขึ้น และการใช้ประโยชน์จากออกซิเจนที่ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด
4.2 มีอะไรอยู่ข้างในหอกบ้าง
หัวฉีดเจ็ทแบบต่อเนื่องเป็นชิ้นส่วนประกอบหลายชิ้น:
- หัวฉีดออกซิเจนส่วนกลาง — สร้างเจ็ทออกซิเจนความเร็วสูง
- ช่องจ่ายก๊าซแบบวงแหวน — ทำหน้าที่จ่ายก๊าซปกคลุมชิ้นงาน
- เสื้อระบายความร้อนด้วยน้ำ — หัวฉีดทำงานในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวย การระบายความร้อนจึงเป็นสิ่งจำเป็น
- ตัวกระบอกฉีด — ติดตั้งอยู่บนผนังเตาหลอม โดยปกติสามารถหดเก็บได้เพื่อไม่ให้สัมผัสกับโลหะหลอมเหลวในระหว่างที่เกิดฟองตะกรัน
4.3 สิ่งที่คุณจะได้รับ
การแทรกซึมที่ลึกกว่า การกำจัดคาร์บอนที่ดีกว่า
เจ็ทที่สม่ำเสมอจะสร้างโพรงแทรกซึมที่ลึกกว่าในอ่าง ส่งผลให้พื้นที่สัมผัสระหว่างออกซิเจนกับโลหะและเวลาในการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างมาก ประสิทธิภาพในการลดคาร์บอนสูงขึ้น และสามารถทำงานได้มากขึ้นโดยใช้ออกซิเจนน้อยลง — ลดการใช้ออกซิเจนลง 10%–20% สำหรับเป้าหมายการลดคาร์บอนแบบเดียวกัน
คนให้เข้ากันได้ดีขึ้น
ฟองก๊าซ CO ที่เกิดจากการฉีดออกซิเจนเข้าไปในปริมาณมากจะมีระยะทางในการไหลผ่านอ่างที่ยาวกว่า นั่นหมายถึงการผสมที่ทั่วถึงมากขึ้น ซึ่งช่วยให้เกิดความสม่ำเสมอของอุณหภูมิและองค์ประกอบทางเคมีก่อนที่จะนำไปใช้งาน
ตะกรันโฟมที่ง่ายกว่า
การฉีดลึกทำให้ปฏิกิริยาคาร์บอน-ออกซิเจนเกิดขึ้นในส่วนล่างของอ่างหลอม ฟอง CO ต้องลอยขึ้นผ่านชั้นตะกรันทั้งหมดและขยายตัวไปเรื่อยๆ ซึ่งนี่คือกลไกที่ทำให้เกิดตะกรันโฟมที่เสถียร
4.4 การติดตั้งและการใช้งาน
- ตำแหน่ง: ผนังด้านล่างของเตาหลอม เอียงลง 15–30° เพื่อให้น้ำพุ่งลงไปในอ่างหลอมเหลวได้ลึก
- จังหวะเวลา: เริ่มฉีดสารตั้งแต่ช่วงกลางถึงปลายของการหลอมละลายไปจนถึงสิ้นสุดช่วงการเกิดออกซิเดชัน
- แรงดัน: โดยทั่วไปอยู่ที่ 0.8–1.5 MPa ที่ปลายหัวฉีด
- การควบคุมตำแหน่งหัวฉีด: หัวฉีดควรหดกลับเมื่อระดับน้ำในอ่างลดลง เพื่อรักษาระดับความลึกในการเจาะให้คงที่
ว. หลังการเผาไหม้
5.1 การดักจับพลังงาน CO2
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO) ทุกลูกบาศก์เมตรที่ออกจากเตาหลอมโดยไม่ถูกเผาไหม้ คือพลังงานเคมีที่คุณจ่ายไป (ในรูปของออกซิเจนและพลังงานไฟฟ้า) แต่ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ กระบวนการหลังการเผาไหม้จะเผา CO นั้นให้กลายเป็น CO₂ ภายในเตาหลอม ซึ่งความร้อนสามารถถ่ายเทไปยังโลหะหลอมเหลวและเศษโลหะได้
ตัวเลขการกู้คืนพลังงานนั้นน่าสนใจและควรค่าแก่การทำความเข้าใจ:
- CO → CO₂ ปล่อยพลังงานประมาณ 238 กิโลจูลต่อโมลของ CO
- นั่นหมายถึงพลังงานประมาณ 10.6 เมกะจูลต่อลูกบาศก์เมตรของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกเผาไหม้
- ที่ประสิทธิภาพหลังการเผาไหม้ 50%–70% การประหยัดพลังงานไฟฟ้าจะมีนัยสำคัญ
5.2 วิธีการทำ
หัวฉีดหลังการเผาไหม้โดยเฉพาะ
ท่อฉีดออกซิเจนที่ติดตั้งบนผนังจะฉีดออกซิเจนเข้าไปในช่องว่างระหว่างพื้นผิวตะกรันกับหลังคา ออกซิเจนจะผสมกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ลอยขึ้นและเผาไหม้มัน
ดีไซน์แลนซ์แบบบูรณาการ
หัวฉีดเจ็ทแบบต่อเนื่องขั้นสูงบางรุ่นมีช่องสำหรับออกซิเจนหลังการเผาไหม้อยู่บนตัวหัวฉีดเดียวกัน ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของโครงสร้างผนังเตาเผาและช่วยให้คุณควบคุมออกซิเจนหลักและออกซิเจนหลังการเผาไหม้ได้จากระบบควบคุมตำแหน่งเดียว
การฉีดเข้าประตูหรือหลังคา
วิธีนี้พบได้ไม่บ่อยนัก แต่ก็เป็นไปได้ คือการฉีดออกซิเจนเข้าไปทางประตูหรือช่องบนหลังคา เพื่อช่วยเร่งการเผาไหม้ของก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ในช่องว่างเหนือท้องเรือ
5.3 การนำกระบวนการหลังการเผาไหม้ไปใช้ให้เกิดประโยชน์
ออกซิเจนต้องผสมกับ CO ซึ่งหมายความว่าจุดฉีดต้องอยู่ในบริเวณเหนือพื้นผิวที่มีความเข้มข้นของ CO สูง นอกจากนี้ คุณต้องปรับอัตราการไหลของออกซิเจนหลังการเผาไหม้ให้ตรงกับอัตราการฉีดออกซิเจนหลักด้วย หากมีออกซิเจนหลังการเผาไหม้มากเกินไป จะทำให้ตะกรันเกิดการออกซิเดชันมากเกินไป ซึ่งจะเพิ่มภาระในการกำจัดออกซิเจนในช่วงลดออกซิเจน
การวิเคราะห์ก๊าซในเตาเผาแบบเรียลไทม์ (ปริมาณ CO และ CO₂) ช่วยให้คุณปรับการไหลของออกซิเจนหลังการเผาไหม้ได้ หากคุณไม่ได้วัดก๊าซที่ปล่อยออกมา คุณก็แค่คาดเดา
5.4 ผลลัพธ์ที่คุณคาดหวังได้
- การนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่: 30%–50% ของพลังงานเคมี CO ที่มีอยู่
- ประหยัดพลังงาน: 15–40 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ตัน
- ระยะเวลาในการให้ความร้อนสั้นลง: 3–8 นาที
- ข้อควรระวัง: หากทำมากเกินไปจะทำให้ตะกรันเกิดการออกซิเดชันมากเกินไป ซึ่งหมายความว่าจะต้องใช้สารลดออกซิเดชันมากขึ้น และอาจทำให้เกิดสิ่งเจือปนในเหล็กขั้นสุดท้ายมากขึ้น
VI. การฝึกปฏิบัติเกี่ยวกับตะกรันโฟม
6.1 การเกิดตะกรันโฟม
ตะกรันโฟมเป็นมาตรการเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้า เมื่ออัตราการเกิดฟองก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในตะกรันสูงกว่าอัตราการระบายก๊าซ ฟองอากาศจะสะสม ตะกรันจะขยายตัว และเกิดเป็นโฟมขึ้น
ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขสี่ประการดังนี้:
การสร้าง CO อย่างต่อเนื่อง — จากกระบวนการกำจัดคาร์บอนมอนอกไซด์ด้วยออกซิเจน
2. คุณสมบัติของตะกรันที่เหมาะสม — ความหนืดต้องไม่ต่ำเกินไป (ฟองอากาศจะหลุดออกไปก่อนที่จะสะสมตัว) หรือสูงเกินไป (ตะกรันจะไม่ขยายตัว)
3. ปริมาณตะกรันที่เพียงพอ — หากมีตะกรันไม่เพียงพอ คุณจะไม่สามารถสร้างชั้นโฟมที่มั่นคงได้
4. ฟองอากาศผุดขึ้นจากอ่าง - ปฏิกิริยาคาร์บอน-ออกซิเจนจำเป็นต้องเกิดขึ้นในโลหะ ดังนั้นฟองอากาศจึงเข้ามาจากด้านล่าง
6.2 การควบคุมฟอง
เคมีของตะกรัน
ค่าความเป็นด่าง (CaO/SiO₂) ในช่วง 2.5–3.5 ถือเป็นค่าเป้าหมายโดยทั่วไป หากต่ำเกินไป สแลกจะไม่ไหลตัวได้ดี หากสูงเกินไป สแลกจะมีความหนืดสูง ฟลูออร์สปาร์ในปริมาณเล็กน้อยจะช่วยให้การไหลตัวดีขึ้น ปริมาณ FeO ก็มีความสำคัญเช่นกัน หากมี FeO มากเกินไป สแลกจะเหลว และฟองจะยุบตัวลง
การประสานงานของออกซิเจนและคาร์บอน
การฉีดออกซิเจนจะกระตุ้นกระบวนการลดคาร์บอนซึ่งก่อให้เกิด CO หากอัตราการลดคาร์บอนตามธรรมชาติไม่เพียงพอ คุณสามารถเติมโค้กหรือถ่านหินลงในอ่างเพื่อเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาคาร์บอน-ออกซิเจน สิ่งสำคัญคือการปรับความเข้มข้นของปฏิกิริยาคาร์บอน-ออกซิเจนให้เหมาะสมกับกำลังของอาร์ค คุณต้องการฟองอากาศมากพอที่จะกลบอาร์ค แต่ไม่มากเกินไปจนตะกรันล้นออกมา
ความสูงของโฟม
ชั้นตะกรันโฟมควรมีความหนา 1.5–2 เท่าของความยาวอาร์ค เพื่อให้อาร์คถูกฝังอยู่ภายในอย่างสมบูรณ์ โดยทั่วไปแล้วหมายถึงชั้นตะกรันที่มีความหนา 300–500 มิลลิเมตร คุณจะรู้ว่ามันทำงานได้ดีเมื่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและอุณหภูมิของวัสดุทนไฟที่ผนังด้านข้างลดลง
6.3 เหตุผลที่คุณต้องการตะกรันโฟม
การป้องกันรังสีอาร์ค
ตะกรันโฟมจะห่อหุ้มส่วนโค้งของโลหะไว้โดยสมบูรณ์ รังสีจากส่วนโค้งจะถูกดูดซับโดยตะกรันและถ่ายเทไปยังโลหะหลอมเหลว ทำให้ประสิทธิภาพทางความร้อนดีขึ้น 10%–15% ในขณะเดียวกัน ผนังและหลังคาเตาหลอมก็ได้รับการปกป้องจากรังสีจากส่วนโค้งโดยตรง ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของวัสดุทนไฟ
การลดเสียงรบกวน
ตะกรันโฟมช่วยลดเสียงรบกวนจากประกายไฟ เตาหลอมที่เคลือบด้วยโฟมอย่างดีจะเงียบกว่าอย่างเห็นได้ชัด — เงียบกว่า 10-15 เดซิเบล ในห้องควบคุม เสียงที่เบากว่านั้นก็เหมือนกับการตะโกนแล้วพูดคุยกันปกติ
ความเสถียรของส่วนโค้ง
คุณสมบัติการต้านทานของตะกรันโฟมช่วยทำให้การอาร์คมีเสถียรภาพมากขึ้น ลดการกระพริบ และทำให้ตัวควบคุมอิเล็กโทรดทำงานได้ง่ายขึ้น
การป้องกันวัสดุบุผนังเตาเผา
ตะกรันโฟมปกคลุมบริเวณผนังด้านบน ช่วยลดการกัดเซาะและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันที่วัสดุทนไฟอาจได้รับหากไม่มีตะกรันนี้
6.4 ข้อควรระวังในการใช้งาน
- อย่าปล่อยให้ฟองสูงเกินไป มิเช่นนั้นโลหะจะกระเด็นออกจากเตาหลอม
- อย่าปล่อยให้ความเป็นด่างสูงเกินไป หรือปล่อยให้ตะกรันมีความหนืดมากเกินไปจนเกิดฟองได้ไม่ดี
- อย่าปล่อยให้ FeO มีปริมาณสูงเกินไป มิเช่นนั้นโฟมจะยุบตัว
- ก่อนเปิดก๊อกน้ำ ให้สลายฟองบางส่วนออกก่อน เพื่อให้มองเห็นอ่างอาบน้ำและยืนยันว่าพร้อมที่จะเทน้ำแล้ว
VII. การพัฒนาอุปกรณ์ให้ออกซิเจนแบบเข็ม: การทดสอบและการจำลอง
7.1 เหตุผลที่คุณควรทดสอบเข็มเจาะเลือด
ประสิทธิภาพของหัวฉีดออกซิเจนเป็นตัวกำหนดว่าเตาหลอมใช้ออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด การกวนของเหลวในเตาหลอมมากน้อยเพียงใด และหัวฉีดจะใช้งานได้นานแค่ไหน การทดสอบในสภาวะร้อนช่วยให้คุณสามารถ:
- วัดความลึกของการทะลุทะลวงและการกระจายตัวของเจ็ทน้ำ
- ปรับรูปทรงหัวฉีดให้เหมาะสม (เส้นผ่านศูนย์กลาง มุม การจัดเรียง)
- ตรวจสอบความถูกต้องของการจำลอง CFD
- ตัดสินใจโดยอาศัยข้อมูลในการเลือกหัวฉีดพ่นและพารามิเตอร์การทำงาน
7.2 การจำลอง CFD ใน Lance Design
การจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamics) ได้กลายเป็นเครื่องมือมาตรฐานในการพัฒนาท่อออกซิเจน สิ่งที่คุณสามารถจำลองได้:
- การไหลและการลดทอนของไอออกซิเจนในสภาพแวดล้อมของเตาเผา
- ความลึกของการแทรกซึมของเจ็ทเข้าไปในอ่างหลอมเหลว
- สนามการไหลและสนามอุณหภูมิในอ่างน้ำ
- ปฏิกิริยาคาร์บอน-ออกซิเจนและพฤติกรรมของฟองก๊าซ CO
- พลวัตของฟองอากาศในตะกรันและการก่อตัวของตะกรันโฟม
แพลตฟอร์มซอฟต์แวร์ที่ใช้กันทั่วไป: ANSYS Fluent, CFX, OpenFOAM และแพ็กเกจซอฟต์แวร์เฉพาะทางสำหรับการจำลองกระบวนการทางโลหะวิทยา
ประโยชน์ของการจำลองนั้นมีอยู่จริง: ลดจำนวนการทดลองทางกายภาพ ออกแบบหัวฉีดให้เหมาะสมยิ่งขึ้น และสามารถคาดการณ์ประสิทธิภาพในสภาวะการทำงานต่างๆ ได้ก่อนที่จะตัดเหล็กสำหรับชิ้นส่วนหัวฉีด
สรุป
เทคโนโลยีออกซิเจนได้พัฒนาจากการทำงานด้วยมือที่ไม่แม่นยำไปสู่ระบบที่มีการออกแบบทางวิศวกรรมขั้นสูง ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของประสิทธิภาพการทำงานของเตาหลอมไฟฟ้า (EAF) หัวฉีดออกซิเจนที่ทำงานประสานกัน การเผาไหม้หลังการเผาไหม้ และการควบคุมตะกรันโฟมทำงานร่วมกัน — ออกซิเจนสร้างก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) หัวฉีดส่งก๊าซลงไปในอ่างหลอมเหลวอย่างลึก การเผาไหม้หลังการเผาไหม้จะดึงพลังงานจากก๊าซไอเสีย และตะกรันโฟมจะดักจับความร้อนจากประกายไฟ
การใช้ประโยชน์จากระบบเหล่านี้ให้ได้มากที่สุดต้องอาศัยการประสานงาน: การไหลของออกซิเจน การเติมคาร์บอน เคมีของตะกรัน และพลังงานที่ป้อนเข้าไป ล้วนมีปฏิสัมพันธ์กัน โรงงานที่เข้าใจปฏิสัมพันธ์เหล่านั้น และปรับแต่งระบบให้เหมาะสมในแต่ละรอบการผลิต จะสามารถลดเวลาการผลิตแต่ละรอบให้สั้นลงและใช้พลังงานต่ำ ซึ่งทำให้การผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้ามีความสามารถในการแข่งขัน
