Глибина реакційної зони при інтенсивному зневуглецьовані

(2)

в завершальний період продування

(3)

де і – імпульс струменя;

_м – густина металу.

тож середня глибина реакційної зони

(4)

При робочий висоті фурми діаметр реакційної зони

Численні дослідження та гаряче модулювання а тиглях з прозорою стінкою дозволяють спостерігати будову реакційної зони .

У первинній реакційній зоні, що має яскраве забарвлення, спалюються підсмоктуванні у струмінь об’єми металу. У вторинній, забарвлений яскравіше ніж решта ванни (але менше ніж первинна), виділяються продукти реакції у вигляді бульбашок, що спливають зі швидкістю  10 м/с, обтікають первинну зону з різних боків і створюють на виході сплески рідини. За межами реакційних зон спостерігається відносно слабке газовиділення.

При продуванні низьковуглецевого металу кількість оксиду вуглецю невелика і вторинна реакційна зона звершується.

Реакції в реакційній зоні та шлакоутворення.

Схема розподілу кисню, що вдувається, наведена на рис.6 стр119

Продукт взаємодії кисню з рідким металом у первинній зоні – оксиди заліза. Потрапляючи до вторинної зони, вони зумовлюють окислення [C], [Si], [Mn], які окислюються також на поверхні шлак-метал (корольки металу в шлаці та краплі шлаку в металі). В первинних продуктах окислення 85-90 % (FeO) i 10-15 % (Fe₂O₃), можуть міститись окисли [C], [Si], [Mn] та ін. Їх вміст більший на початку продування, а потім зменшується, бо пропорційний до концентрації елементів в металі.

За межами первинної реакційної зони оксиди заліза вступають у контакт із домішками металу, виключаючи вторинні реакції. Під реакційною зоною часточки оксидів заліза втрачають швидкість відносно металу і починають спливати. З підвищенням жорсткості струменя глибина, з якої спливають оксиди заліза, збільшується. Залежно від співвідношення кількості сформованого шлаку та інтенсивності надходження в нього оксидів заліза створюється певна їх концентрація в шлаці.

Відмінність термодинамічних і кінетичних умов взаємодії кисню з домішками та залізом металу зумовлює окислення заліза в струменевих ділянках первинної реакційної зони, [Si], [Mn] i [C] – переважно у вторинній, [P] i [S] – переважно в зоні шлакометалевої емульсії.

Характер зміни окисленості шлаку у вигляді (Fe) показано на рис.7 стр120. Окисленість шлаку на початку плавки становить 15-30 % (Fe). У період інтенсивного зневуглецюванні (в середині продування) падає до мінімуму і досягає 7-15 %. Наприкінці плавки воно тим вище, чим менший вміст вуглецю і при [C] = 0,03 % досягає 30-40 %.

Вміст оксидів заліза в шлаці визначає його консистенцію і хід шлакоутворення. (Fe) регулюється насамперед шляхом зміни глибини проникання кисневого струмені в метал, тобто глибини реакційної зони (рис.7), якої можна досягти зниженням інтенсивності продування або збільшуючи відстань кисневої фурми від рівня спокійної ванни. На практиці використовують останній спосіб.

Рух фаз у межах реакційної зони спричинює пересування решти ванни (рис.8 стр 122), а максимальна швидкість потоків на ділянках, що безпосередньо прилягають до реакційної зони. Якщо розміри периферії не дуже великі, то в вертикальному перерізі через вісь кисневої фурми створюються один замкнутий цикл потоків. Якщо ж розміри периферії великі, то утворюються 2 цикли потоків, один ближче до реакційної зони, другий – до стінки конвертера. Швидкість руху у периферійних ділянках  1 м/с. Газові об’єми рухаються на поверхні металевої ванни, де створюються сплески. Спінений шлак зменшує висоту сплесків, і вони не виходять за межі шлакового шару. Руйнуючись у шлаковій фазі, сплески подрібнюються на краплі розміром 10^-4 – 10^-2 м і більше. Каплі під впливом власної маси осідають у шлаці, коагулюючи одна з другою або зливаються з новими сплесками. Їх зміст у шлаці підвищується зі зростанням швидкості вигорання вуглецю, він максимальний при основності шлаку 1,5-1,7, через появу угруповань 2СаОSiO₂. У різні періоди продування краплі металу (корольки) становлять 15-100 % маси шлаку. Після припинення продування велика частка корольків осідає у ванну, але частина зависає в шлаці. Зсідання тим повніше, чим менша в’язкість шлаку. Корольки в шлаці становлять 1-10 % маси шлаку. Втрати металу у вигляді корольків при проміжному скочуванні шлаку досягають 1 %, а з кінцевим шлаком – 0,5 % металевої садки.

Газові об’єми, проходячи з реакційної зони, збільшують висоту шару спіненого шлаку. За несприятливих обставин шар спиненого шлаку в 30-50 разів перевищує товщину неспиненого шлаку, а його рівень досягає 3-5 м. При цьому шлакометалева емульсія підходить до горловини конвертера. У результаті руйнування газових об’ємів на спиненому шлаці утворюються сплески шлакометалевої емульсії. Окремі сплески через горловину викидаються за межі агрегату. Іноді емульсія просто переливається через горловину. Викиди шлаку супроводжуються втратами металу у вигляді корольків і призводять до заростання броні конвертера. Вони є небезпечними і для персоналу.

В конвертерному процесі дуже важливо забезпечити необхідне перемішування металевої ванни. Перемішування усуває нерівномірність її хімічного складу і температури, що виникає внаслідок переважного окислення домішок у реакційній зоні.

Перемішування металу зі шлаком шляхом емульгування корольків у шлаку або шлаку в металі створює велику поверхню розподілу метал-шлак, через яку виводять сірку та фосфор. Площа поверхні розподілу метал-шлак у шлакометалевій емульсії в 100-1000 разів перевищує площу поверхні спокійної ванни. Перемішування є результатом дії окислювального газу (дуття) Е_дут, продукту окислення вуглецю Е_пуз(СО) і природної конвекції, що виникає за наявності градієнта густини. Але остання складова неістотна.

Сумарна енергія, що витрачається на перемішування ванни Е = Е_дут+ Е_пуз(СО).при продуванні зверху вектор руху ванни від дії струменя направлений униз, а від дії СО – угору, тобто протилежні, що зменшує вплив струменя енергія перемішування спливаючими бульбашками 15-25 кВт/т, а від дії струменя – 2-3 кВт/т. Отже, перемішування ванни визначається в основному впливом спливаючих бульбашок СО.

Інтенсивність газовиділення Q_т у різні періоди конвертерної плавки залежить від швидкості окислення вуглецю і змінюється в ході продування так, як показано на рис. 9 (12-17 стр 126). Спочатку (І) переважно окислюються [Si] і [Mn]. Оскільки температура ванни в цій фазі невелика, швидкість окислення вуглецю та інтенсивність газовиділення невеликі. Розігрівання ванни та зниження [Si] і [Mn] ведуть до зростання швидкості окислення вуглецю (ІІ) і досягнення максимуму (ІІІ). В кінцевій фазі продування (ІV) при зменшенні вмісту вуглецю вона знижується. Аналогічно змінюється потужність перемішування конвертерної ванни Е.

Як характеристику інтенсивності перемішування ванни беруть коефіцієнт турбулентної дифузії D_і, який розглядають як умовне поняття. питома інтенсивність переносу і-того компоненту І_і між крапками 1 і 2 на відстань l при даному значенні D_і визначає різницю концентрації і-того компоненту між крапками згідно з рівнянням

( )

В початковий період м²/с, у період інтенсивного вигорання вуглецю м²/с. В межах реакційної зони м²/с.

Коефіцієнт масопереносу в конвертерній ванні _і (і-того елементу) залежить від потужності перемішування Е і швидкості гідродинамічних потоків U, що визначаються інтенсивністю продування і швидкістю вигорання вуглецю. Тобто _і  U^m  Eⁿ, де m  1; n  1.