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Power increase of plasma heating systems by CO_2 addition into the furnace atmosphere: Investigations in view of the plasma ladle furnace

机译：通过向炉内气氛中添加CO_2来增加等离子加热系统的功率：基于等离子钢包炉的研究

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Für einige Stahlsorten besteht bei Verwendung von konventionellen Pfannenöfen mit Graphitelektroden das Risiko einer unzulässigen Kohlenstoffaufnahme. In solchen Fällen wäre der Einsatz metallischer Plasmabrenner vorzuziehen. Bei reinem Argonbetrieb erreichen solche Heizsysteme mit 3 Wechselstrombrennern allerdings nur Wirkleistungen bis ca. 4 MW. In einem mit 2 Wechelstromplasmabrennern ausgerüsteten Versuchsofen für 200-kg-Chargen wurde die Erhöhung der Bogenspannung durch CO_2-Zufuhr in den Ofenraum gemessen. Bei 20% CO_2 stieg die Spannung des 30 cm langen Bogens von 100 auf 173 V. Der Stoffübergang von Sauerstoff aus dem CO_2 der Ofenatmosphäre über den Plasmabogen in die Schmelze wurde mittels Stahl- und Abgasanalysen bestimmt. Nach Ausbildung einer Schlackendecke gelangten etwa 10% des angebotenen Sauerstoffs in die Schmelze. Aus diesen Meßwerten wurden die erreichbare Leistungssteigerung durch CO_2-Zugabe und die damit verbundene Sauerstoffaufnahme für 50- bis 150-t-Pfannenöfen auf der Basis eines Plasmaheizsystems m.it drei 12 kA-Wechselstrombrennern hochgerechnet. Bei 60% CO_2-Zufuhr lassen sich 10 MW Wirkleistung erreichen. Die Abbrandraten sind relativ klein, weil die Plasmagasströme und die Sauerstoffaufnahmerate niedrig sind. Bei 40% CO_2-Zugabe würde eine Leistung erreicht, mit der 110-t-Chargen mit 3 K/min aufgeheizt werden könnten, und bei 30 min Heizdauer würde die Sauerstoffaufnahme des Stahls unter 10 ppm liegen. Der spezifische CO_2-Verbrauch läge bei 0.12 m~3(STP)t.%For certain steel grades the treatment in conventional ladle furnaces equipped with graphite electrodes may not be advisable because of the risk of carbon pick-up. In these cases metallic plasma torch systems operated with argon as plasma gas may be preferable. However, the maximum active power available from a 3 torch AC argon plasma system is at present limited to about 4 MW. Tests were carried out with 200 kg heats in a pilot furnace equipped with 2 AC argon plasma torches to investigate the arc voltage increase by adding CO_2 to the furnace atmosphere. With 20% CO_2, the voltage of a 30 cm arc was raised from 100 to 173 V. The transfer rate of oxygen from the CO_2 in the atmosphere via the plasma arc to the steel melt was measured by means of steel and off-gas analyses. After formation of a slag layer, about 10% of the oxygen supply injected into the furnace as CO_2 was transferred to the melt. The measured values concerning power increase and oxygen transfer were extrapolated to ladle capacities of 50 to 150 t and 3-torch 12 kA AC plasma heating systems. In a furnace atmosphere containing 60% CO_2, the active power available from a plasma system would be 10 MW as compared to 3.5 MW in pure argon. The oxygen transfer rates proved to be relatively small due to the low gas flow rates of such systems and to the low mass transfer efficiency. The addition of 40% CO_2 would raise the power to heat 110 t of steel at a heating rate of 3 K/min, while the oxygen level would increase within 30 min by less than 10 ppm. The specific CO_2 demand would in that case be 0.12m~3(STP)/t.
机译：对于某些类型的钢，当使用带有石墨电极的传统钢包炉时，存在不可接受的碳吸收的风险。在这种情况下，最好使用金属等离子炬。但是，在纯氩气运行中，这种带有3个AC燃烧器的供暖系统只能达到约4 MW的有功功率。在装有2个200千克批次的2个AC等离子炬的测试炉中，通过向炉腔中供应CO_2来测量电弧张力的增加。在20％CO_2的情况下，长30 cm的薄板的电压从100 V升高到173V。通过钢和废气分析确定了氧气从炉内CO_2通过等离子薄板到熔体的质量转移。形成炉渣层后，提供的氧气约有10％进入熔体。根据这些测量值，基于带有三个12 kA AC燃烧器的等离子加热系统，推断出通过添加CO_2可实现的性能提高以及50至150 t钢包炉的相关氧气吸收量。通过提供60％的CO_2，可以实现10兆瓦的有功功率。由于等离子气流和氧气吸收率较低，因此燃烧率相对较小。通过添加40％的CO_2，可以实现以110批次的批料以3 K / min的速度加热的性能，并且在加热30分钟的过程中，钢的氧气吸收率将低于10 ppm。特定的CO_2消耗量为0.12 m〜3（STP）t。％。对于某些钢种，由于带有碳吸附的风险，建议不要在配备石墨电极的传统钢包炉中进行处理。在这些情况下，以氩气作为等离子气体运行的金属等离子炬系统可能是优选的。但是，目前可从3炬AC氩等离子体系统获得的最大有功功率限制为约4 MW。在配有2个AC氩气等离子炬的中试炉中，以200 kg的热量进行了测试，以研究通过向炉内气氛中添加CO_2来提高电弧电压。在20％CO_2的情况下，30 cm电弧的电压从100 V升高到173V。通过钢和废气分析测量了氧气在大气中通过等离子弧从CO_2到钢水的转移速率。在形成炉渣层后，随着CO_2注入炉中的氧气供应的大约10％被转移到熔体中。将有关功率增加和氧气转移的测量值外推至钢包容量为50至150 t和3炬12 kA AC等离子加热系统。在含有60％CO_2的炉气氛中，等离子体系统可提供的有功功率为10 MW，而纯氩气为3.5 MW。由于这种系统的气体流速低和传质效率低，氧的传递速率相对较小。添加40％CO_2将提高以3 K / min的加热速率加热110吨钢的功率，而氧气含量在30分钟内将增加不到10 ppm。在这种情况下，特定的CO_2需求量为0.12m〜3（STP）/ t。

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