Файл: Квитко, М. П. Кислородно-конвертерный процесс.pdf

в сравнительно малой степени и температура реакционной зоны стабилизируется в результате испарения закиси железа, переокисление которой до высших окислов происходит в атмосфере агрегата. После роста температуры и начала интенсивного обез­ углероживания массообмен резко возрастает, возрастают скорости восстановления окисной пленки в реакционной зоне углеродом и испаряется преимущественно чистое железо. В конце плавки при малых скоростях обезуглероживания тип процесса становится аналогичным типу первого периода.

Таких же взглядов на процесс испарения, особенно в конце плавки, придерживается В. И. Явойский [21]. Интенсивность испарения железа (или закиси железа) из реакционной зоны зави­ сит от множества, технологических факторов, к которым прежде всего относятся содержание кремния в чугуне и температура стали 1.

Исследования, проведенные ЦНИИчерметом и НИИОгазом на конвертерах различной емкости, достаточно отчетливо пока­ зали, что с ростом содержания кремния в чугуне интенсивность пылевыделения увеличивается независимо от конструкции при­ меняемых фурм и интенсивности продувки. Данные, характери­ зующие увеличение выноса пыли при росте концентрации крем­ ния, приведены в табл. 20.

Увеличение выноса пыли с ростом концентрации кремния по­ нятно, поскольку тепловой эффект окисления кремния почти в 4,5 раза выше теплового эффекта окисления углерода ив 1,5 раза выше теплового эффекта окисления железа. Поэтому перегрев окисной пленки при увеличении концентрации кремния растет; следовательно, возрастает и вынос пыли за плавку. Такие данные еще раз подчеркивают недопустимость увеличения концентрации кремния в чугуне выше определенных пределов, т. е. еще раз подтверждают соображения, приведенные в гл. 1.

1 Пылевыделение зависит также от интенсивности подачи кислорода и кон­ струкции фурм. Для удобства изложения эти вопросы разбираются в разделе об интенсификации процесса.

62

Кроме увеличения перегрева окисной пленки, увеличение кон­ центрации кремния (вернее, нестандартность его содержания) может привести к перегреву металла выше необходимых норм. Следствием же увеличения температуры ванны является повыше­ ние температуры реакционной зоны. Это может быть показано расчетами. Подобные расчеты выполнены Л. М. Ефимовым.

Однако авторы считают целесообразным привести еще один метод расчета, позволяющий оценить изменение пылевыделения при росте температур. Расчет основан на окислении железа. Он интересен тем, что показывает аналогию результатов при расче­ тах по различным методикам.

Известно, что скорость процесса испарения пропорциональна упругости паров железа:

частиц от общего их количества; т — масса молекулы испаряющегося вещества, г;

Коэффициент а для условий испарения в реакционной зоне неизвестен. Однако для наших целей знать этот коэффициент не обязательно. Заменяя в уравнении зависимости упругости пара от температуры

величину упругости пара значениями уравнения (32), получаем

Определим значение первой производной скорости испарения по температуре

63

Исследование уравнения (35) показывает, что

ИкД | Q

ект ;> о при всех значениях Т ;

- 1 > 0 при Т < 84 600%

Отсюда можно сделать вывод, что dw/d,T > 0 и что с ростом температуры скорость испарения растет.

Если принять, что две плавки проводятся в совершенно ана­ логичных условиях и различаются в определенный момент вре­

a отношение скоростей испарения

При равенстве коэффициентов испарения из уравнения, харак­ теризующего отношение скоростей испарения, можно сделать вы­ вод, что увеличение температуры реакционной зоны на 50° С при­ водит к увеличению скорости испарения в 1,26 раза. Данные расчета практически полностью совпадают с данными, получен­ ными Л. М. Ефимовым при расчете испарения на основе предполо­ жения о выделении тепла при обезуглероживании.

Отсюда следует весьма важный вывод, заключающийся в том, что любые технологические отклонения, вызывающие повышение температуры ванны и реакционной зоны, приводят к увеличению потерь металла с отходящими газами в виде пыли, с чем следует считаться. Известные методы уменьшения пылевыделения из кон­ вертеров основаны на введении в реакционную зону охлаждающих добавок или топлива.

Простейшим способом ввода добавок в реакционную зону яв­ ляется вдувание вместе с кислородом пылевидной извести или руды. Вдуваемые материалы понижают температуру реакционной зоны, способствуя тем самым уменьшению пылевыделения. Однако ни вдувание пылевидной извести, ни вдувание вместе с кислородом руды практически не может снизить потери железа с пылью более чем на 0,1—0,2%, так как охлаждающий эффект извести невелик,

64

а подача руды резко ограничена количеством избыточного тепла. Кроме того, до настоящего времени вопрос подачи в струе кисло­ рода руды не решен, так как при высоких скоростях наблюдается значительное истирание трубопроводов, приводящее к выходу их из строя уже через несколько плавок. Если же удается органи­ зовать подачу руды через трубопроводы со сравнительно невысо­ кими скоростями, то из строя выходят головки фурм, так как скорости потока на выходе из фурм строго регламентированы.

Несколько больший эффект дает подача вместе с кислородом воды или пара, так как последний при прохождении через фурмы длиной несколько метров и при расширении струн по выходе из сопла конденсируется, что равнозначно подаче воды. Тепловой эффект разложения воды при реакции ее с углеродом очень велик: порядка 51 000 ккал на 1 кмоль Н 20. При концентрированном подводе дутья в конвертеры полное устранение пылевыделения возможно, как показано расчетами [18], при расходе воды около 0,8 л на 1 м3 кислорода. Однако такой расход невозможен по усло­ виям теплового баланса конвертеров.

Длительные опыты на заводе им. Петровского показали, что при переделе обычного мартеновского чугуна расход воды не мо­ жет превышать 8—12 л на 1 т при расходе ее в соотношении с кис­ лородом не более 0,28—0,35 л на 1 м3 кислорода. В этом случае наблюдалось довольно существенное снижение пылевыделения (до 0,4—0,5%). В то же время применение воды сопровождалось резким уменьшением выхода годного металла (в результате выноса крупных капель) и ухудшением других показателей процесса, что обусловлено в основном замедлением шлакообразования. Основ­ ность конечных шлаков была несколько ниже, продолжитель­ ность продувки увеличивалась на 2 мин и, что самое главное, резко уменьшался выход жидкого металла с 87,5 до 85,5% (в сред­ нем). Поэтому работу с применением воды в качестве охладителя нельзя признать целесообразной.

Применение топлива в качестве добавки для уменьшения пылеобразования основано на том, что при вводе его в струю кисло­ рода продукты горения топлива, контактируя с металлом, разла­ гаются со значительным поглощением тепла, охлаждая реакцион­ ную зону. Нужно отметить, что это охлаждение является, во вся­ ком случае частично; локальным. Топливо, сгорая в кислородной струе, дает значительное количество тепла, которой частично передается ванне, что компенсирует затраты тепла в реакционной зоне.

Теоретически легко предположить, что при определенном соот­ ношении количеств кислорода и топлива в струе'(превышающих соотношения полного сгорания или равных им) пылевыделения не будет, так как с металлом будут контактировать только про­ дукты сгорания топлива. Поскольку при диссоциации продуктов сгорания (в основном С 02 и Н 20) выделяется достаточно большое количество кислорода, процесс рафинирования металла будет

происходить, но, естественно, со значительно меньшими скоро­ стями. Однако трудно ожидать, что весь кислород струи даже при значительном его избытке будет использован на горение топлива, так как имеется химическая неполнота горения. Степень химиче­ ской неполноты сгорания (недожигания) можно определить по ме­ тодике, предложенной М. Б. Равичем [31]. Расчет выполняют по следующей формуле:

Яотношение объема сухих продуктов сгорания, полу­ ченных при сжигании топлива с избытком (недостат­ ком) воздуха (кислорода), к объему сухих продук­ тов сгорания в теоретических условиях; низшая теплота сгорания рабочего топлива, отне­

сенная к 1 м3 сухих продуктов сгорания, образую­ щихся в теоретических условиях, ккал/м3;

Qnp.г = 30,2 СО' + 25,8 Но + 85,5 СН4;

СО', НгСН,, — содержание окиси углерода, водорода и метана в сухих продуктах сгорания, % (объемн.).

Величину Я подсчитывают по данным анализа продуктов сго­ рания:

СОо

уу _ _______ -щах_______ ;

С0'2+ СО' + СН4 ’

где С 02тах — содержание С 02 в сухих продуктах сгорания при полном сгорании топлива.

Расчеты химической неполноты сгорания топлива выполнены авторами при проведении ранее упоминавшейся работы по подо­ греву лома. В условиях экспериментов при расчетах были при­ няты следующие значения величин q и С 02П1ах: для природного

Степень химической неполноты сгорания колебалась в исследо­ вательских плавках в пределах 18,&—50,7% при нагреве лома природным газом и 3,54— 16,1% — при нагреве мазутом.

Установлено также, что степень химической неполноты сгора­ ния топлива возрастает с увеличением количества газа (мазута). Зависимость степени химической неполноты сгорания от соотно­

66