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

ностеи перемешивания струей и пузырьками окиси углерода. С точки зрения массопереноса наиболее рациональным является такой метод, при котором отношение dCTp/DKOllB будет максималь­ ным. При одной фурме такое требование выполнить очень Трудно, поскольку требуется резкое увеличение диаметров фурм (а сле­ довательно, угла раскрытия сопел относительно вертикали, так как в противном случае вряд ли удастся создать конструкцию с до­ статочно надежным охлаждением). Подъем фурмы на большую высоту также не может привести к желаемым результатам вслед­ ствие уменьшения скорости струи. Более правильной является организация процесса с несколькими локальными несоприкасающимися зонами. В этом случае (при большой энергии струи) отношение диаметров зон к диаметру ванны должно быть макси­

мальным. Такой процесс можно организовать, применяя две и более фурм.

^Исследование кислородно-конвертерного процесса с повышеннон интенсивностью продувки показало прежде всего что про­ дувка ванны в конвертерах возможна без значительных выносов и выоросов во всем интервале расходов кислорода и с применением трехсопловои и тринадцатисопловой фурм. При использовании фурм обеих конструкций удавалось изменением высоты среза фурмы над ванной отрегулировать процесс таким образом, что заметных выбросов и выносов не наблюдалось. При этом изменять положение фурмы над уровнем металла в течение продувки не тре­ бовалось. Процесс проходил совершенно спокойно.

Скорость окисления углерода при высоких темпах подачи кис­ лорода достигала очень высоких значений (1,1%) при подаче кислорода 13 м3/(т. мин). Следует отметить, что такой резкой разницы в усвоении кислорода, какая наблюдалась при сопостав­ лении работы одно- и трехсопловой фурм, при сопоставлении трех- и тринадцатисопловой фурм не обнаруживается. Заметное неусвоение кислорода при использовании трехсопловой фурмы наблюдалось лишь при подаче кислорода 13 м3/(т-мин). Так, при подаче 11 м3/(т-мин) длительность продувки при применении трехсопловой фурмы составляла 4,6 мин, а при подаче 13 м3/(т-мин) составляла 4,25 мин, т. е. практически ту же величину при одном и том же составе конечного металла и одной и той же окисленности

конечного шлака. Эти величины соответствуют 10%-ному умень­ шению степени усвоения кислорода.

Для тринадцатисопловои фурмы соответствующие длитель­ ности продувки при тех же интенсивностях подачи дутья состав­ ляют 4,75 и 3,75 мин. Это говорит о том, что при продувке через трехсопловую фурму с максимальной интенсивностью начинает проявляться та же закономерность, что и при продувке через од­ носопловую фурму с более низкой интенсивностью.

Данные, представленные на рис. 28, показывают, что скорость окисления углерода при высокой интенсивности продувки изме­ няется более плавно по сравнению с изменением при обычном темпе

100

подачи кислорода: отношения максимальных скоростей окислений углерода ir средних невелики, о чем свидетельствуют данные табл. 24.

Соотношения максимальных и средних скоростей окисления углерода практически при всех интенсивностях более благоприят­ ны, чем при продувке с обычной интенсивностью, для которой отношение максимальной скорости к средней обычно не менее 1,4.

Рис. 31. Результаты плавки при про­ дувке с интенсивно­ стью подачи кисло­ рода 13 м3/(т-мин) и использованием тринадцатисопло­

вой фурмы

Продолжительность плавки,мин

101

Высокие значения отношения ишах /уср ставят в невыгодные усло­ вия проектировщиков газоотводящих систем конвертерных це­ хов, так как проходные сечения и производительность дымососов и теплосъемных поверхностей котлов-утилизаторов приходится рассчитывать именно на максимальные скорости обезуглерожи­ вания. Следовательно, с точки зрения относительных размеров

газоотводящих систем повышение интенсивности продувки целе­ сообразно.

Изменение интенсивностей продувки до предельных значений не оказало принципиального влияния на характер окисления углерода, шлакообразования и окисления примесей, а также на изменение температуры ванны. Это иллюстрируется рис. 31, на котором приведены результаты характерной плавки при интен­

сивности 13 м3/(т.мин) и использовании тринадцатисопловой фурмы.

5. Особенности шлакообразования и расплавления лома

при повышенной интенсивности

Повышение интенсивности продувки затрудняет шлакообра­ зование и требует определенных мер, направленных на улучше­ ние шлакообразования. Теоретически скорость растворения из­ вести можно описать выражением

D, АС и 5 остаются постоянными, так как не меняются ни раз­ меры и пористость извести, ни окисленность промежуточных и ко­ нечных шлаков по сравнению с этими показателями при нормаль­ ной интенсивности продувки. Это может быть подтверждено дан­ ными рис. 28, на котором показана окисленность шлаков при продувке кислорода через трех- и тринадцатисопловую фурмы. Величину б можно представить как

102

Тогда величина б выразится как б = k'I~0-5.

Отсюда следует, что при увеличении интенсивности продувки необходимо или увеличивать эффективную поверхность контакта металла со шлаком (повысить качество извести), или уменьшать размер куска извести.

Если по типовым технологическим инструкциям максимальный размер куска извести составляет 60 мм, то легко можно опреде­ лить необходимое уменьшение размера куска для любой интенсив­ ности продувки. Так, при повышении интенсивности подачи кис­ лорода до 5 и 10 м3/(т. мин) соответственно максимальные размеры кусков извести составят 40 и 20 мм.

Повышение интенсивности одновременно должно сопрово­ ждаться увеличением минимального размера куска извести. Это объясняется ростом линейных скоростей выхода конвертерных газов из полости конвертера, пропорциональным росту интен­ сивности. Предельный нижний размер выносимых частиц можно оценить по выражению [48]

| = 24/Re.

Для существующих сечений горловин промышленных конвер­ теров, как показывают результаты расчетов, при интенсивности до 3 м3/(т-мин) выносятся частицы размером до 5 мм, при 10 м3/(т.мин) выносятся частицы размером до 10 мм. Следова­ тельно, для нормального шлакообразования прежде всего необ­ ходимо выбрать размер кусков извести. Однако следует учиты­ вать, что интервал размеров может оказаться столь малым, что производство такой извести будет неэкономичным. Поэтому це­ лесообразно одновременно улучшать качество извести, прежде всего применяя известь мягкого обжига.

С точки зрения дутьевого режима для лучшего усвоения из­ вести шлаком целесообразно применять рассредоточенное дутье. Это связано с тем, что при подаче кислорода через одну фурму с малым рассредоточением дутья (малым числом сопел) куски извести отгоняются к стенкам конвертера, что снижает эффектив­ ную поверхность взаимодействия извести со шлаком. Это явление отмечалось в опытах на холодных моделях. Однако не всякое

103

рассредоточение дутья одинаково полезно в отношении шлакооб­ разования.

тлхмо опытах по повышению интенсивности подачи кислорода на iiiM d при рассредоточенном дутье основность промежуточных

и конечных шлаков увеличивалась. При использовании трехсопловои фурмы практически не удавалось получить достаточно вы­ сокую основность, соответствующую расходу извести по ходу продувки и в конце операции. Основность конечных шлаков не превышала 2,0 2,2 при сравнительно низкой основности по ходу продувки (рис. 32). Это бесспорно говорит о плохом усвоении из­ вести при повышенном темпе подачи кислорода. При использо­

вании же тринадцатисопловой фурмы основность промежуточных и конечных шлаков была значительно выше. По­ скольку окисленность промежуточных п конечных шлаков была практически одинаковой для фурм обеих конструк­ ций (см. рис. 28), лучшее усвоение из­ вести при большем числе сопел нельзя объяснить различными концентрациями железа в шлаковой фазе.

Между тем, улучшение шлакообра­ зования нельзя обусловливать только увеличением эффективной поверхности контакта шлака с металлом. При уве­ личении числа сопел может уменьшиться отгон извести к стенкам конвертера вследствие увеличения поверхности контакта струи с металлом (создается

большая поверхность горячего «пятна», на которую попадает и известь), однако это приводит к увели­

чению скорости окисления углерода и некоторому замедлению шлакообразования.

Основной причиной более высокой основности шлака при большем числе сопел является зависимость степени окисления кремния от конструкции фурм. Окисление кремния при повы­ шенной интенсивности продувки по характеру совершенно ана­ логично окислению в обычных условиях. Изменение его концен­

трации во времени можно описать, как и при обычной продувке уравнением типа

где [SiT] — текущее содержание кремния;

[Si]0 — исходное содержание кремния в чугуне;

}04

скорости окисления кремния от интенсивности представлена на рис. 34. Интересно отметить, что скорость окисления кремния оказалась зависимой от конструкции фурм. При одной и той же

нию скорости, окисления кремния. Это и подтверждается данными рис. 34. Относительное изменение скорости окисления кремния можно оценить количественно. Для этого воспользуемся методом,

уже использованным ранее. Поверхность контакта газ—металл

растет при'переходе от одной много­

больше пг). Для условий продувки в опытном конвертере изменение по­ верхности контакта газ—металл при переходе от трех- к тринадцатисопло­ вой фурме выражается отношением

1А13/3 = 1,4. Эта величина практи­ чески не должна зависеть от интен­ сивности. Отношения скоростей окис­ ления кремния для одних и тех же

интенсивностей должны быть близки к этой величине и оста­ ваться постоянными при всех интенсивностях. Это хорошо подтверждается практическими результатами:

105

Таким образом, скорость окисления кремния, а следовательно, скорость поступления кремнекислоты в шлак несколько умень­ шается при увеличении степени рассредоточения дутья. Меньшая скорость поступления кремнекислоты в шлак должна приводить к увеличению основности шлаков, поскольку их окисленность не уменьшается при рассредоточении дутья и скорость растворения извести может быть достаточно высокой. Быстрое образование первичных шлаков создает предпосылки для лучшего усвоения извести в конце операции. Этим объясняется, по-видимому, боль­ шая основность шлаков при использовании тринадцатисопловой фурмы.

Более быстрый рост основности шлака и более высокие зна­ чения ее в конце операции являются преимуществом рассредото­ ченного дутья, поскольку более высокая основность в течение всей плавки обусловливает успешное удаление фосфора. Если при использовании трехсопловой фурмы и интенсивности подачи кис­ лорода 9— 13 м3/(т• мин) в ряде случаев конечная концентрация фосфора перед раскислением была недопустимо высокой (0,035— 0,040%), то при использовании тринадцатисопловой фурмы со­ держание фосфора в металле составляло 0,025—0,030% даже при самых высоких минутных расходах кислорода.

Наряду с замедлением скорости окисления кремния при рас­ средоточенном дутье отмечалось и замедление скорости окисления марганца, но в меньшем масштабе. Замедление окисления крем­ ния и марганца в первом периоде процесса означает уменьшение количества жидкой фазы шлака. Это может оказать на процесс дефосфорации и стойкость футеровки только положительное влияние. Однако уменьшение объема жидкого шлака в первой фазе продувки нежелательно, так как уменьшение слоя шлака сопро­ вождается уменьшением фильтрующего влияния шлака, что в свою очередь может привести к росту потерь металла с выбросами и пылевыделением. Поэтому представляется целесообразным рассре­ доточивать дутье таким образом, чтобы поверхность контакта газ—металл была минимальной, а отношение dCTP/DK0HB было ма­ ксимальным.

Это можно осуществить, используя две фурмы и более, что подтверждается экспериментальными данными. При продувке через две фурмы (с тремя соплами в каждой) скорость окисления кремния и марганца мало изменяется и в то же время обеспечи­ вается хорошее усвоение извести (табл. 25).

Таким образом, с точки зрения шлакообразования целесооб­ разно применять мягкообожженную известь и две-три фурмы.

Весьма серьезным вопросом является расплавление лома в конвертерах при повышенной интенсивности продувки. Процесс расплавления лома в кислородных конвертерах изучен недоста­ точно даже при обычной интенсивности продувки; данные, отно­ сящиеся к плавлению лома при высоком темпе подачи кислорода, отсутствуют.

106

Проплавлением лома в кислородном конвертере занимались Э. И. Гольдфарб, В. И. Баптизманский, В. В. Смоктий и Б. И. Шеретов [49 ]. Исследования проводили сначала в лабораторных усло­ виях, а затем в 55-т промышленных конвертерах. Кинетику плав­ ления лома в конвертере оценивали по изменению содержания никеля в жидком металле

„о,(юо-[С]0) - о шл(£;м)

В результате исследования сделан вывод, что плавление лома можно разделить на два периода — диффузионный (40—50% дли­ тельности плавки) и интенсивного плавления, когда лом достаточно прогрет и градиент температуры между ломом и жидкой ванной практически равен нулю. Это заключение основано на том, что в первом периоде плавки расплавляется 40—45% загружаемого лома и скорость плавления лома в первом периоде составляет 2—3 мм/мин; во втором периоде скорость плавления составляет

107

1315 мм/мин. Уже на 3-й минуте процесса содержание никеля

вготовом металле составляет 25% максимального.

Работа, проведенная на опытном конвертере НТМЗ, позволила несколько уточнить представления о расплавлении лома. Иссле­ довано проплавление лома при обычной и высокой интенсивности подачи дутья. Для оценки кинетики проплавления лома исполь-

Рис. 35. Кинетика плавления лома при различной интен­ сивности подачи кислорода:

зовали специально изготавливаемые мерные куски лома, содер­ жащие 2—4% Ni. Характеристика лома приведена в табл. 26.

Интенсивность продувки плавок составила 4 и 8—9 м3/(т-мин). Опытные плавки проводили без повалок. Пробы металла и шлака отбирали при помощи установки по непрерывному отбору проб.

108

Кинетика плавления лома представлена на рис. 35. Кривые на рис. 35 относятся к проплавлению лома при нормальных темпе­ ратурных режимах (температура выпуска 1620—1650° С). Интен­ сивности 8—9 м3/(т.мин) соответствовал максимальный по типовой инструкции для промышленных конвертеров размер скрапа 300 X X 300x600 мм.

Кинетику плавления оценивали по содержанию никеля. Прове­ рочные расчеты для каждой плавки с учетом угара и массы шлака показали практически полное соответствие массы расплавленного лома содержанию никеля в металле. Как показали результаты ис­ следования, скорость плавления лома, во-первых, практически не зависит от размера скрапа, а во-вторых, была почти постоян­ ной в течение всей продувки. В начале продувки скорость расплав­ ления лома была такой же высокой, как и в конце ее. Высокая скорость плавления лома в начале плавки говорит о том, что в этом случае действует не только диффузионный механизм.

Оценить скорость плавления лома в результате действия диф­ фузии углерода в твердый металл и смывания науглероженного слоя можно теоретически. Величину коэффициента диффузии для

Примем, что содержание углерода лома, подвергаемого плавле­ нию при температуре начала плавки 1300° С,может составлять~2,0 % (исходное содержание углерода в чугуне 4%). Тогда решение диф­ фузионной задачи будет выглядеть следующим образом [51]:

X

времени t\

С0 — начальная концентрация у границы; D — коэффициент диффузий;

,2 _ {х — х')2

4Dt

Выражение (77а) — интеграл ошибок (гауссовский интеграл), значения которого можно определить по соответствующим таб­ лицам при известном соотношении С/С0. Подставляя значения erf z в (77), получаем

С =? -у- (1 — erf z).

109