книги из ГПНТБ / Квитко, М. П. Кислородно-конвертерный процесс

Рассмотрение выражений (59) и (60) дает возможность заклю­ чить, что с точки зрения повышения уровня ванны интенсивность продувки при предельном числе сопел фурм можно повысить для 100—250-т конвертеров, по крайней мере, до 15—20 м3/(т мин). Таким образом, повышение уровня ванны не ограничивает интен­ сивность подачи дутья. Это увеличение можно существенно умень­ шить, рассредоточивая дутье. Из уравнения (59) видно, что число

сопел практически должно соответствовать увеличению интенсив­ ности.

заключение подтверждается данными о продолжительности про­ дувки и общем расходе кислорода (табл. 22).

90

Из приведенных данных следует, что с увеличением интен­ сивности продувки через односопловую фурму резко растет рас­ ход кислорода на плавку, а длительность продувки возрастает

•значительно медленнее, чем это можно предположить теоретически.

Рис. 27. Зависимость ско­ рости окисления углерода от интенсивности подачи кислорода и конструкции фурм (обозначения те же,

что и на рис. 26)

Для оценки возможности изменения степени использования кислорода авторами выполнен анализ этого явления с примене­ нием методики, предложенной несколько ранее при исследовании

91

кинетики окисления углерода углекислым газом [39]. Эта мето­ дика пригодна и для окисления ванны кислородом, если не при­ нимать во внимание дожигание СО до С 02Для наших расчетов это вполне приемлемое допущение.

При расчетах по этой методике принято, что перенос кисло­ рода от струи в ванне контролируется, с одной стороны, диф­ фузией в газовой фазе, а с другой — реакцией взаимодействия кислорода с углеродом в металле. Скорость взаимодействия кис­

Ро2— парциальное давление кислорода у поверхности раз­ дела фаз, %.

Подвод кислорода от оси струи к поверхности контакта выра­ жается уравнением (62)

Рсь — парциальное давление кислорода в объеме струи на уровне металла, %.

Парциальное давление кислорода в объеме струи можно выра­ зить через начальное парциальное давление на срезе сопла и ин­ тенсивность подачи кислорода:

где /о, — интенсивность подачи кислорода, кг/с.

Определяя значение р£® из (63) и приравнивая выражения (61) и (62), получаем выражение, связывающее парциальные давления кислорода на срезе сопла и у поверхности контакта металл—газ:

/

П овы ш ение интенсивности продувки сопровож дается увеличением

ления углерода, а следовательно, и для отвода кислорода от по­ верхности металла это не отвечает действительности. П ри оценке взаим одействия углерода с кислородом следует учитывать время сущ ествования поверхности или эфф ективную поверхность, вы­ раж аем ую соотнош ением

нято равным 1/2. В этом случ ае поверхность контакта газовой фазы с углеродом металла растет прямо пропорционально интен­

сивности продувки.

В озвращ аясь теперь к ан ализу уравнения (67), м ож но сказать , что степень использования кислорода зависит фактически только от соотнош ения м еж ду величинами химической и диф ф узионной проводимости. О днако с увеличением интенсивности произведение

интенсивность увеличивается , поэтом у степень усвоения кислорода

дувки ванны , когда на ее поверхности создается одна реакционная зон а, в которую и подается дуть е с различной интенсивностью .

93

Дробление кислорода в-многосопловых фурмах (с числом сопел три и более) принципиально не изменяет картины взаимодействия, так как реакционная зона и в этом случае будет одна, но количе­ ственные соотношения будут другими. Это объясняется тем, что, как было показано при анализе пылевыделения из реакционной зоны, степень развитости поверхности при многосопловых фурмах выше и, следовательно, несколько больше величина S/I. Степень неусвоения кислорода при использовании трехсопловой фурмы соответствует полностью результатам теоретического анализа лишь при интенсивности около 13 м8/(т-мин) и по абсолютной

3, 2. Ь

^ а

Рис. 28. Окисленность шлаков для

плавок с различной интенсивностыо продувки и при применении раз­ личных фурм:

°. б, в — одно-, трех- и трннадцатн-

13 m V ( t - m h h )

Содержаниеуглерода °/о

величине более чем в четыре раза меньше, чем для односопловой фурмы. Для тринадцатисопловой фурмы степень усвоения кис­ лорода оказалась близкой к 100% при всех интенсивностях про­ дувки. Из изложенного следует сделать вывод, что при увеличен­ ной интенсивности подачи кислорода химизм процесса обезугле­ роживания приобретает такое большое значение, что кинетиче­ ской стороной процесса уже нельзя пренебрегать.

И сследования процесса конвертирования с высоким расходом кислорода позволили несколько уточнить представления о массо- п ерен осе в ванне конвертера.

На рис. 28 приведены данные по окисленности шлаков при плавках с различной интенсивностью продувки и применением различных^ фурм. Как следует из-рис. 28, при использовании од­ носопловой фурмы с увеличением интенсивности наблюдается рост окисленности шлака во всем интервале исследованных интенсив­ ностей и по ходу всей плавки, а не только в первый период. Не­ которое увеличение окисленности шлака по сравнению с окисленностью при обычной интенсивности наблюдается и при применении трехсопловой фурмы. При большом рассредоточении дутья не

94

наблюдается увеличения окисленности шлака по ходу продувки. В то же время окисленность конечных шлаков при одном и том же содержании углерода практически одинакова независимо от кон­ струкции фурмы.

^ Увеличение окисленности шлаков при повышении интенсив­ ности подачи кислорода можно объяснить только недостаточным массопереносом по ванне в сочетании с одновременным увеличе­

нительно к конвертерному процессу определены в некоторых исследованиях [21, 46]. В работе М. П. Собакина и Я. Д. Вер­ бицкого [46] эти значения составляют 5000—27 000 см2/с. Эти авторы считают, что коэффициент турбулентной диффузии является прямой функцией скорости обезуглероживания, т. е. определяется количеством и скоростью всплывания газовых пузырей. Анало­ гичной точки зрения придерживается и В. И. Явойский [21 ]. Секундный объем газа, определяемый им по нижеприведенному равенству, приводит к очень высоким значениям скоростей выхода газов и к таким же величинам коэффициентов массопереноса

УсО ==: Упузт Псо,

где Упуз — усредненный объем пузырька газа СО, см3; т — время пребывания газа в металле, с;

псо — количество пузырей.

Несколько меньшие, хотя принципиально аналогичные ре­ зультаты, получены и в работе [47]. Однако необходимо отметить, что скорости всплывания и величины коэффициентов турбулентной диффузии во всех этих работах получены расчетным путем исходя из предпосылки, что величина коэффициента турбулентной диф­ фузии прямо пропорциональна скорости окисления углерода. Это справедливо, по-видимому, до определенных величин интен­ сивностей подачи кислорода. Прежде всего экспериментальные данные многих исследователей, обобщенные в монографии В. Г. Ле­ вина [24], показывают, что скорость газовых пузырей в жидкой среде не может превышать 35—40 см/с (при вязкости среды, не слишком отличающейся от вязкости жидкого металла, и размере пузырей газа от 0,2 до 4—5 мм).. Указывается также, что крупные пузыри размером более 4—5 см неустойчивы и распадаются на более мелкие, скорость всплывания которых не превышает ско­ рости всплывания пузырей среднего размера.

Далее следует ответить, что при прямой пропорциональности скорости обезуглероживания не должна повышаться окисленность

шлаков с ростом 'интенсивности, как это получено в нашем ис­ следовании (см. рис. 28).

Из сказанного следует, что принятая модель выхода газов из конвертера при повышенной интенсивности [более 7—8 м3/(т. мин) ] должна быть, по-видимому, уточнена, так как она предполагает

95

или слишком, высокие скорости всплывания газовых пузырей, пли большие величины времени пребывания их в ванне. В то же время величина т в период обезуглероживания не -может превышать 0,5 с, поскольку в этот период количество отходящих газов прак­ тически равно удвоенному расходу кислорода или несколько пре­ вышает его.

Согласовать теоретические соображения с результатами иссле­ дованиями можно, по-видимому, в том случае, если исходить из предположения, что при определенной скорости обезуглерожива­ ния отдельные пузыри в объеме ванны сливаются, обусловливая образование каналов по всему объему ванны. При образовании каналов в объеме ванны предельную скорость окисления углерода, при которой прекращается рост ванны, можно в определенном смысле назвать «критической». После достижения этой скорости рост ванны должен практически прекратиться, или во всяком слу­ чае резко замедлиться. Увеличение интенсивности продувки при увеличении скорости окисления углерода и образовании каналов уже не будет сопровождаться ростом уровня ванны. Это положе­ ние подтверждается опытами на 10-т конвертере: увеличение ин­ тенсивности подачи кислорода в 2—2,5 раза практически не сопро­ вождалось увеличением уровня ванны выше наблюдаемого при обычной интенсивности продувки, что легко контролировалось по ошлакованию кислородной фурмы и устройства по отбору проб из конвертера в вертикальном его положении.

Для оценки степени перемешивания представляет интерес оценка величин критических скоростей обезуглероживания. Рас­ чет критических скоростей по имеющимся в литературе даннымневозможен, так как все расчеты основаны на допущении о равно­ мерном распределении пузырьков газа в объеме ванны или в любом горизонтальном сечении. Поэтому критические скорости опреде­ ляли приближенно по данным экспериментальных плавок. Ос­ новой для такого определения служила величина усвоения кис­ лорода.

Пропорциональная зависимость между обезуглероживанием и развитием поверхности контакта газовой и металлической фаз обусловливает увеличение степени использования кислорода, рас­ ходуемого на окисление углерода. Отсутствие такой пропорцио­ нальности позволяет предполагать, что темп подачи кислорода в ванну превышает скорость его расхода на окисление углерода, и

величина отношения QoJQo,, выражающая долю кислорода, по­

шедшего на окисление углерода, должна уменьшаться. Изменение степени использования кислорода, определенное как отношение кислорода, пошедшего на окисление углерода, к общему его рас­ ходу, для разных фурм и при различной интенсивности продувки показано на рис. 29.

Уменьшение степени использования кислорода для окисления углерода при определенных конструкциях сопел является след-

96

ствием незавершенного переноса реагентов к реакционной по­

верхности. Следовательно снижение величины QoJQo- при уве­ личении интенсивности подачи кислорода может служить для приближенной оценки интенсивности продувки и скорости окис­ ления углерода, при которых наступает гидродинамический ре­ жим с образованием газовых каналов.

Определенные на этом основании для Ю-т конвертера скорости окисления углерода, при которых отмечается образование ка­ налов, приведены ниже:

Односопловая фурма дает наихудшее перемешивание ванны. Уже при скорости окисления углерода 0,4—0,5% С/мин обнару­ живается недостаточность перемешивания стальной ванны и, по всей вероятности, образуются каналы. Для трехсопловой и тринадцатисопловой фурм критические скорости сдвинуты в об­ ласть более высоких значений.

Нужно отметить, что изменение окисленности шлака при пе­ реходе от одной интенсивности к другой менее значительно по сравнению с ожидаемым: окисленность шлака должна изменяться пропорционально изменению интенсивности подачи дутья. От­ сутствие пропорциональности объясняется перемешиванием струей дутья, что подтверждается расчетами мощности перемешивания металла струей дутья и пузырьками окиси углерода.

Мощность перемешивания ванны струей можно представлять в виде [47]

Расчеты мощности перемешивания струей, выполненные по такой методике для цилиндрической и трехсопловой фурм опыт­ ного конвертера, иллюстрируются рис. 30. Из рис. 30 становится понятным, почему при использовании трехсопловых фурм крити­ ческие скорости окисления углерода выше, чем при использовании

98

односопловой, так как мощность перемешивания струей выше при трехсопловой фурме (в данном случае это обусловлено несколько меньшим сечением).

Мощность перемешивания ванны пузырьками СО можно опре­ делить по методике, аналогичной применяемой для мартеновских

всплывания пузырька СО; Нв — глубина ванны, м.

Рассчитанные по такой методике мощности перемешивания струей и пузырьками СО и их соотношение для двух опытных пла­ вок приведены в табл. 23, Расчет выполнен исходя из предположе­ ния, что отходящие газы удаляются из ванны в виде отдельных пузырьков, а средняя величина пути всплывания пузырей близка к полной глубине ванны.

Из табл. 23 следует, что в начале и конце продувки мощность перемешивания ванны струей составляет весьма значительную величину; даже к середине плавки соотношение мощностей пере­ мешивания не ниже 12,0—14%. При увеличении интенсивности продувки роль перемешивания струей сильно возрастает (тем

более, что мощность перемешивания ванны пузырьками СО сильно завышена).

Таким образом и перемешивание, и турбулентная диффузия в значительной мере определяются воздействием кислородной струи. Поэтому на первый план выдвигаются требования, предъ­ являемые к конструкции фурм и организации кислородно-кон­ вертерного процесса с точки зрения оптимальных сочетаний мощ-