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

Дутья, связи дутьевого режима с интенсивностью, в том числе и вопросы влияния конструкции фурм и др.

Изменения показателей процесса в широком интервале интен­ сивностей изучали на Ново-Тульском заводе. Эксперименты при различной интенсивности подачи дутья проводили на обычном мартеновском чугуне, содержащем 0,7—1,0% Si, 0,2— 1,0% Мп, до 0,06% S и до 0,3% Р. Садка чугуна составляла 8,5—9,0 т. Для охлаждения использовали только присадки скрапа, руду практически не присаживали. Скрап заваливали в количестве 0,7— 1,2 т перед заливкой чугуна. Удельный объем конвертера составлял 0,8 м3/т, что довольно близко к соответствующим пока­ зателям для промышленных конвертеров.

Для продувки использовали фурмы нескольких типов: одно-, трех-, восьми-, трннадцатисопловую и две трехсопловые фурмы. Односопловая фурма служила практически эталоном. Диаметр односопловой фурмы 40 мм, сечение 12,4 см2. Сечение всех осталь­ ных фурм (трех-, восьми- и тринадцатисопловых) соответствовало сечению односопловой фурмы.

Сечения фурм выбирали с таким расчетом, чтобы можно было продувать требуемое количество кислорода. Собственно возмож­ ности интенсификации процесса исследовали при применении одно-, трех- и тринадцатисопловой фурм; восьмисопловую фурму и две трехсопловые фурмы использовали для выяснения условий шлакообразования при высокой интенсивности продувки. Ин­ тенсивность подачи кислорода составляла 7, 9, 11 и 13 м3/(т мин); для односопловой фурмы эксперименты были закончены при 11 м3/(т мин). Избыточное давление кислорода в зависимости от интенсивности продувки колебалось в пределах 10—15 ат.

Подача кислорода в количестве 13 м3/(т мин) являлась пре­ дельной для опытного конвертера, поскольку кислородная стан­ ция при существующих трубопроводах и ресиверах (три ресивера по 50 м3) не могла обеспечить более высокий расход кислорода. В исследованиях применяли обычную обожженную известь Обидимского завода, по качеству уступающую извести некоторых про­ мышленных конвертерных цехов. Для улучшения шлакообразо­ вания применяли плавиковый шпат (0,3—0,7% от массы чугуна). Для максимальной стандартизации процесса завалку всех шла­ кообразующих осуществляли одной порцией после заливки чу­ гуна, так как иначе при различной интенсивности продувки трудно было бы судить о ходе шлакообразования.

Для контроля хода процесса пробы отбирали без повалки кон­ вертера,-используя для этого специальное устройство, представ­ ляющее собой стальную сменную штангу на тросе, опускаемую в конвертер при помощи электродвигателя. К штанге крепили стальной стаканчик с деревянной крышкой для пробы металла. Шлак отбирали со стаканчика и штанги. Вначале пробы отбирали,

лировали также все весовые параметры процесса; все плавки проводили как балансовые. В опытных плавках определяли также состав отходящих газов и количество пыли по методике, разра­ ботанной институтом НИИОгаз.

Эксперименты на таком конвертере потребовали определения возможности количественного переноса опытных результатов на промышленные конвертеры. Этот вопрос приобретает особое зна­ чение при исследовании интенсификации.

Термодинамически возможность переноса данных не вызывает сомнений, поскольку состав шлаков в конвертерах различной емкости определяется составом чугуна. Как показали исследова­ ния, при одном и том же составе чугуна конечные шлаки кон­ вертеров различной емкости аналогичны. Практически аналогичны и температурные режимы процесса, если в конвертере малой емкости запас тепла достаточен для присадки значительных коли­ честв охладителей (для 10-т опытного конвертера присадки скрапа составляют до 10% от массы чугуна). Аналогия в составах шлака и температурном режиме должна приводить к получению одина­ ковых коэффициентов распределения примесей.

Качественный и количественный перенос результатов исследо­ ваний возможен при соблюдении условий подобия гидродинамики ванны, теплового и диффузионного переноса и в соответствии с этим реакционно-кинетических особенностей течения процессов. Гидродинамическое состояние ванны характеризуется в любой выбранный момент времени величиной критерия Рейнольдса

Поскольку моделируемая среда'в обоих случаях одна и та же, одинаковы и ее физические характеристики в любой произвольно выбранный момент времени. При равенстве исходных и конечных параметров процесса (химического состава чугуна, температуры процесса, интенсивности подачи окислителя) различия резуль­ татов процесса могут определяться лишь различиями геометри­ ческих размеров агрегата. Это следует из сопоставления значе­ ний Re для ванн неодинаковых размеров. Поскольку условием подобия гидродинамического состояния ванны служит равенство критериев Re, т. е.

84

Те же закономерности соблюдаются и при оценке тепло- н массопередачи. Для тепло- и массопередачи критерием подобия, включающим геометрические размеры агрегатов, является:

критерий Пекле (для теплопередачи), выражаемый обычно в форме

где D — коэффициент диффузии, м2/ч.

Следовательно, согласно модельным представлениям, коли­ чественный перенос данных исследования на малых агрегатах на промышленные конвертеры возможен при условии равенства глу­ бин ванн. Это условие практически не может быть выполнено по конструктивным соображениям. Поскольку полное подобие явле­ ний при переходе от одной емкости к другой не соблюдается, воз­ никает необходимость хотя бы в ориентировочной оценке влияния различия глубин ванн на количественные показатели процесса. Для этого оценим различия, определяемые массопереносом, по­ скольку различия распределения температур (теплопереноса) фор­ мально аналогичны различиям при массопереносе и выражаются теми же закономерностями. Воспользуемся управляемыми пара­ метрами плавки, прежде всего интенсивностью подачи кислорода.

В первом приближении аналогом массопереноса в ванне яв­ ляется ее перемешивание (интенсивность перемешивания, или работа перемешивания ванны пузырьками отходящего газа). Удельную работу перемешивания ванны пузырьками углекислого газа, отнесенную к единице садки конвертера, можно выразить через интенсивность продувки и глубину ванны:

для максимальной скорости обезуглероживания); Я — глубина ванны, м.

85

По данным В. С. Кочо [441, работа перемешивания является функцией глубины ванны

A — f [lg(l + Н)].

Однако количественный анализ этой зависимости с учетом данных [46, с.. 245 ] позволяет считать, что при не слишком малых скоростях обезуглероживания (выше 0,1%/мин) работа перемеши­ вания может быть принята прямо пропорциональной глубине ванны. Тогда для конвертеров различной садки (и соответственно ванн различной глубины)

Следовательно, для обеспечения равенства удельных работ перемешивания интенсивность продувки в малом конвертере долж­ на быть

(49)

. Расчеты по этому равенству показывают, что интенсивности подачи кислорода в 100-т конвертеры (с точки зрения перемеши­ вания ванны), например 2 м3 /(т-мнн), соответствует интенсив­ ность подачи кислорода в 10-т конвертер, равная примерно 5 м3/(тмин). Однако, поскольку основные характеристики про­ цесса (длительность продувки, максимальная и средняя скорость окисления углерода, соотношение скоростей окисления кремния, марганца и углерода) — одни и те же для конвертеров различной емкости при одной и той же интенсивности подачи кислорода, из приведенных выше соображений можно сделать лишь один важ­ нейший вывод: степень кинетической завершенности всех про­ цессов распределения примесей между металлом и шлаком, ме­ таллом и газовой фазой должна возрастать с увеличением емкости конвертера при условии, что отношение интенсивностей подачи кислорода больше единицы:

(50)

Другими словами, в большегрузных конвертерах создаются более благоприятные условия для протекания всех обменных процессов. Поэтому при переходе от опытного конвертера к про­ мышленному следует ожидать улучшения показателей процесса с кинетической точки зрения. Отсюда же следует и другой не менее важный вывод: для конвертеров большой емкости те же резуль­ таты по дефосфорации, десульфурации и распределению марганца могут быть получены при более низкой окисленности шлака, что обусловлено большим приближением к состоянию равновесия всех частных процессов.

86

Определение предельных величин интенсификации подачи кислорода

Увеличение темпа подачи кислорода должно сопровождаться вспениванием ванны и повышением ее уровня, поскольку увели­ чивается количество газов, содержащихся в объеме ванны в еди­ ницу времени. Поэтому должны существовать предельные зна­ чения интенсивностей подачи дутья, выше которых количество газов в ванне так велико, что металл и шлак будут переливаться через горловину конвертера, а это приведет к нежелательным по­ терям металла. Поэтому целесообразно дать предварительную теоретическую оценку максимальным значениям интенсивности.

Степень использования газов в металле можно приближенно оценить через критерий Фурье для диффузионных процессов (по анало­ гии с теплопереносом)

где D — эффективный коэффициент диффузии ^кислорода (при 2500° К равный при­ мерно 1 см2/с);

т — время контакта металла с газом, с; г — средний радиус пузырька газа, см.

Из равенства (51) следует, что степень ис­ пользования газа возрастает с увеличением времени контакта газа с металлом и умень­

шением размера газовых пузырей. Поскольку общий объем газов зависит от расхода кислорода в единицу времени, т. е. от интенсивности продувки, с ростом интенсивности продувки ве­ личина т изменяется по закону

где Vl0 — объем газа во вспененной ванне, который, как уже указывалось, определяется интенсивностью продувки.

Сначала имеет смысл проанализировать наиболее простой слу­ чай продувки ванны кислородом — продувку сверху через одно­ сопловую фурму. Можно принять, что окисление углерода про­ исходит только в зоне внедрения струи в металл; поток отходя­ щих газов сосредоточен в месте внедрения струи и имеет форму конуса с основанием nR z, где R 2 представляет собой площадь газовыделения, величина R зависит от высоты подъема фурмы над зеркалом спокойной ванны, расхода кислорода и конструктивных особенностей фурмы, в частности числа сопел. Принятый характер газовыделений в конвертере при различной интенсивности подачи кислорода представлен на рис. 25,

87

Величина VlQa связана с ростом уровня ванны и может быть выражена равенством

нию ванны в третьем степени. Поскольку ViQ пропорциональна

значению, характеризующему интенсивность подачи кислорода, величина вспенивания ванны пропорциональна интенсивности в степени 1/3. Однако принятый характер газовыделения является приближенным, так как окисление происходит только в реакцион­ ной зоне. При равномерном газовыделенин величина вспенивания ванны должна быть пропорциональна • интенсивности. Следова­ тельно, в зависимости от характера газовыделения показатель степени а может изменяться в пределах от 0,3 до 1:

Если предположить, что развитие обезуглероживания проис­ ходит как в реакционной зоне, так и вне ее, то величину показателя степени можно принять средней между 0,3 и 1,0. Последние данные исследований на моделях [45] дают величину а, равную 0,7.

Согласно исследованиям на опытном конвертере НТМЗ, пре­ дельная интенсивность подачи кислорода для односопловой фурмы

Для условий 100-т конвертера величина предельной интенсив­ ности продувки при применении односопловой фурмы составит

и_ и0

и \0,7 __ " k o hd мет

VO,)npeA--------- ^------ .

При 1,5 и 6,0 м (соответственно # мрт И.НК0НВ) величина (/о2)пред = = 6,8 м3/(т мин).

Полученная величина предельной интенсивности на 100-т конвертере при использовании односопловой фурмы очень хорошо согласуется с результатами, полученными для 10-т конвертера.

Дальнейшее повышение интенсивности продувки возможно лишь при приближении величины а в уравнении (54) к 1, т. е. при рассредоточенном дутье. Для определения предельного рассре­ доточения дутья и, соответственно, пропорционального роста поверхности газовыделения, воспользуемся равенством (10), пе­ реписав его в несколько иной форме (выразим х — расстояние от

88