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

Появление резких пиков на кривой скоростей окисления угле­ рода имеет очень большое значение, поскольку определяет коли­ чество отходящих конвертерных газов (показатель работы газо­ очистных устройств). С точки зрения технологии и оптимальных условий выбора и работы газоочистных устройств наиболее це­ лесообразным является такой ход процесса, при котором скорость

Д иаграмма положения фурмы

окисления углерода соответствует подаче кислорода. Это возможно при охлаждении плавок ломом, небольшой окисленности первичных шлаков или (если необходимо присаживать руду) при распреде­ лении руды мелкими порциями с небольшим снижением расхода кислорода после подачи каждой такой порции.

Максимальное «спрямление» пиков на кривых обезуглерожи­ вания может быть в том случае, если в первом периоде (во время окисления кремния и марганца) расход кислорода был резко повышенным (например, 450—500 м3/мин при среднем темпе подачи 300 м3/мин для 100-т конвертера), затем на небольшое время сни­ зился до величин, примерно на 20% ниже среднего уровня подачи,

80

а затем повысился до средней величины. В этом случае можно добиться практически равномерного окисления углерода по ходу плавки.

Некоторое влияние на скорость окисления углерода оказывает порядок присадки извести (или известняка, если последний ис­ пользуется вместо извести). Тепловой эффект нагрева извести приблизительно равен тепловому эффекту плавления лома. По­ этому, если известь присаживают в начале процесса крупными порциями, то это приводит к дополнительному снижению темпе­ ратуры начала процесса, замедлению развития обезуглерожива­ ния в первом периоде и, при прочих равных условиях, к появле­ нию более резких пиков на кривых обезуглероживания. Если известь присаживают мелкими порциями по ходу продувки, то неравномерность окисления углерода может быть несколько сгла­ жена, что обусловлено охлаждающим действием извести в раз­ личные периоды плавки.

Уместно отметить, что в практических условиях максимальные скорости окисления углерода целесообразны как можно позже по ходу продувки. При раннем появлении высоких скоростей обезуг­ лероживания, когда шлак еще не сформировался, возможны вы­ носы металла, уменьшение выхода жидкого металла и заметалливание фурм. Интенсивное обезуглероживание при уже сформи­ ровавшемся шлаке менее опасно, так как и при восстановлении окислов железа из шлака он может обладать достаточной жидкотекучестыо, для того чтобы удержать вылетающие капли металла.

Для переноса максимума обезуглероживания на конец про­ дувки целесообразно известь присаживать отдельными, не слишком мелкими порциями, по ходу продувки (например, при общем рас­ ходе извести 8% от массы садки — по 1 % через 1—2,0 мин, за исключением первой порции, которая может быть несколько крупнее, — 2,0—2,5%). Тогда к моменту появления максимума на кривой скорости окисления углерода в конвертере будет нахо­ диться уже сформированный шлак, и вынос капель металла будет исключен или уменьшен.

С окислением углерода в конвертерах тесно связано повыше­ ние интенсивности подачи кислорода, поскольку именно окисле­ ние углерода является естественным ограничением повышения интенсивности подачи дутья.

4. Возможности интенсификации кислородно-конвертерной плавки

Повышение интенсивности продувки (расхода дутья в единицу времени) для увеличения производительности представляет собой одно из основных направлений развития конвертерного процесса.

Первые исследования по интенсификации конвертерного произ­ водства с применением чистого кислорода' были проведены с ис­ пользованием бессемеровского чугуна с продувкой снизу [40].

При донном дутье и резком сокращении длительности продувки не удалось избавиться от выбросов и выносов, снижающих выход годного металла. Кроме того, донная продувка не может служить аналогом кислородно-конвертерного процесса.

В 1959 г. на НТМЗ исследована возможность одновременной продувки снизу и сверху [41]. Общая интенсивность продувки изменялась от 3,5 до 7 м3/(тмин). При проведении исследований отмечено, что при таких условиях продувки практически не удается поддерживать достаточно высокую окисленность шлака по ходу плавки, в связи с чем ухудшаются условия дефосфорации и десульфурации. Обработка данных исследований с привлечением материалов по продувке снизу обогащенным воздухом позволила установить, что при высоком темпе подачи кислорода наблюдается уменьшение усвоения кислорода в целом за плавку.

В этот же период немецкими металлургами [42] исследована возможность передела высокофосфористого чугуна с очень высокой интенсивностью подачи кислорода, до 13 м3/(т мин). Исследова­ ния проводили на 2-т агрегате, продувку вели через фурму с соп­ лом Лаваля при избыточном давлении кислорода перед соплом 3 ат. Установлена принципиальная возможность повышения-интен­ сивности продувки до 10—13 м3/(т-мин). Однако отмечено ухуд­ шение шлакообразования и дефосфорации в конце плавки. Уста­ новлено также, что приемлемые результаты продувки могут быть получены при дополнительном перемешивании аргоном или азо­ том. Это свидетельствовало о недостаточной интенсивности массопереноса при принятых режимах дутья. Дополнительное пере­ мешивание привело к увеличению степени усвоения кислорода. При исследовании не были установлены ни параметры продувки, ни степень усвоения кислорода. Управление шлаковым режимом процесса не осуществлялось, если не принимать во внимание скачивание шлака при содержании фосфора около 0,1% (перед передувкой, как это делается при томасовском процессе).

В Советском Союзе в последние годы также проведены иссле­ дования, касающиеся повышения интенсивности подачи кислорода. В 1968—1969 гг. на Криворожском металлургическом заводе предпринята попытка продувки металла через фурму с двумя концентрическими рядами' сопел [43]. Интенсивность подачи кислорода колебалась в пределах 4,5—6,0 м3/(т мин). В ходе опытных плавок исследованы дутьевой режим, выход металла, динамика пыле- и газовыделения. Установлено, что выбранная конструкция фурмы обеспечивает при указанных интенсивностях продувки нормальные технологические показатели процесса. Однако вопрос о том, применима ли опробованная интенсивность продувки для конвертера данной емкости и других конвертеров, в исследовании не разбирался.

Проведенные исследования показали принципиальную возмож­ ность увеличения интенсивности продувки конвертеров. Однако остались неясными вопросы о предельной интенсивности подачи

82

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

сопла до металла — для удобства в калибрах), тогда уравнение (10) примет вид

(55)

где dx — диаметр реакционной зоны; d0— диаметр сопла;

k — положение фурмы над поверхностью металла, калибры.

Увеличение площади сечения сопел фурм, пропорциональное интенсивности, приводит к роступоверхности газовыделения, определяемой величиной dx. При этом высота вспенивания не изменяется. При постоянной интенсивности и применении много­ сопловых фурм поверхность газовыделения изменяется пропор-. ционально д'/>, где п — число сопел. Учитывая возможность уве­ личения угла наклона сопел к вертикали при увеличении их числа, уравнение (54) можно записать в виде

где b — находится в пределах 1/4—1/2.

Необходимо учитывать, что площадь газовыделения ограни­ чена диаметром конвертера. Поэтому число реакционных зон можно увеличить до вполне определенной величины ппред

Тогда выражение (56) можно записать в виде

при|приближении’д к ппред, т. е. при увеличении числа сопел коэф­ фициент в уравнении (58) приближается к 1.

Поскольку величина АН для каждого конвертера постоянная, получаем

(59)

откуда следует, что при увеличении числа сопел предельная величина интенсивности растет.

На основании приведенных выше выражений можно опреде­ лить предельное число сопел для конвертеров любой емкости, исходя из их проектных характеристик. Записывая выражение (57) в виде

89