Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Анализ данных научно-технической литературы по применению двухъярусных фурм с отдувом для дожигания СО в объеме вспененного шлака в конверторе свидетельствует о недостаточной эффективности использования тепла от факелов дожигания СО, т.к. существующие дутьевые и технологические режимы не позволяют полностью решить как энергетическую задачу (достижение максимального η_кпт от дожигания СО в объеме агрегата), так и теплотехническую (обеспечение максимальной теплоотдачи от факелов дожигания к шлаку и металлу в ванне).

Исследования аэродинамических свойств газовой струи проводили на лабораторной установке (рис. 2), позволяющая, с одной стороны, изучать закономерности взаимодействия наклонной струи (рис. 1) со встречным газовым потоком, а с другой стороны, исследовать особенности натекания турбулентного струйного газового потока на поверхность торможения.

Рис. 1. Двухъярусная фурма для продувки конвертерной ванны с дожиганием СО в объеме ГШМЭ (1 - шлак, 2 - струя дожигания СО, 3 - верхний корпус фурмы, 4 - сопла Лаваля, 5 - нижний корпус фурмы, 6 - штанга водоохлаждаемая, 7 - струя кислородного дутья, 8 - металл, 9 - датчик э.д.с и температуры

Экспериментальным путем установлено, что на основные характеристики газоструйной системы (рис. 3) оказывают влияние угол наклона (α) сопла к оси фурмы и конструктивное число фурмы (D/d₀), т.е. отношение диаметров корпуса (D) фурмы и сопла (d₀).

По мере удаления от сечения сопла относительная скорость потоков ( ) в газоструйной системе заметно снижается, что требует для обеспечения эффективной сплошности газоструйной системы уменьшение угла наклона (α) каждой из ее струй.

Рис.2. Экспериментальная установка для исследования аэродинамических свойств встречных газовых потоков: 1 - камера давления (ресивер); 2 - цилиндр (сопло); 3 - держатели; 4 - экран; 5 - дренажные отверстия; 6, 13, 14 - микроманометры; 7 - сопло; 8 и 12 - дутье (воздух); 9 и 10 - винт; 11 - мерная диафрагма; (d₀ и D - диаметры сопла и цилиндра; ρ₀ и ρ_г - плотности струи и потока; U₀ и U_∞ -скорости струи и потока; Т₀ и Т_∞ - температуры струи и потока; L_с - встречная струя; α - угол атаки; (Р₀ и Р_а) - избыточное давление по микроманометру; d₀=0,005м).

Глубина проникновения наклонной струи (h_x) во встречный поток при любом наклоне (α) сопел фурмы определяется выражением:

(1)

где u_m - максимальная скорость на оси струи, u_∞ и ρ_∞ - скорость и плотность потока отходящих газов; ρ_г - плотность струи, кг/м³; К_S - коэффициент зависящий от шага струй в газоструйной системе.

С уменьшением относительного расстояния между струями глубина проникновения (h_x/d₀) сначала снижается по сравнению с одиночной струей. Дальнейшее уменьшение (h_x/d₀) ведет к взаимному слиянию струй (рис. 3), переходу струйного сечения в плоское, что характеризуется увеличением глубины проникновения струй во встречный поток газов.

На рис. 4 приведены экспериментальные данные, характеризующие особенности взаимодействия струй между собой. Установлено, что по мере уменьшения расстояния от точки объединения струй до сопел дожигания скорость на оси струйной системы ( ) возрастает с соответствии с уравнением

= 2,345(D/d₀)^-2,9(a/2)^1,32(L_x/d₀)^0,299,          (2)

где L_x - длина одиночной газовой струи в системе встречных газовых потоков, м.

При дожигании СО в струе О₂ уравнение переноса энергии с учетом химических реакций имеет следующий вид:

,        (3)

где С_р - теплоемкость газа, Дж/(кг К); Т - температура, К; τ - время, с; q_n=B∙I_c - тепло, выделяемое при протекании химической реакции а единице объема за единицу времени; В = =Σμ_к∙ν_к - химическое сродство; μ_к - химический потенциал; ν_к - стехиометрический коэффициент реакции, умноженный на молекулярный вес компонента; I_c - скорость химической реакции, выраженная в единице массы в на единицу объема в единицу времени, кг/(м³·с); I_g - общий тепловой поток, Дж/кг; - ρ_г∙С_р∙ω∙ ∙Т - конвективный перенос тепла; - div I_g - перенос тепла теплопроводностью.

Измерения температур в струях дожигания СО показали, что температурная область в газоструйной системы не превышает предел 2200-2300 ⁰С. следовательно, при осуществлении дожигания СО в объеме вспененного шлака в условиях интенсивного его перемешивания струями дожигания уровень теплообмена в ванне является существенным.

Изменение концентрации СО в объеме конвертора вне действия газоструйной системы определяем в соответствии с выражением:

,       (4)

где {CO}₀, {CO}_S и {CO}_∞ - содержание СО в отходящем потоке, на поверхности струй дожигания и на выходе из конвертора, %; β_СО - эффективный коэффициент массообмена в газоструйной системе, м/с; S_Σ/V_K - отношение поверхности контакта струй к объему конвертора.

Конструктивное число, D/d₀

Рис. 3. Характер изменения скорости (а) в точке объединения (струй), изменение расстояния (б) до точки объединения струй от сопел и изменение (в) радиуса действия струй в точке (объединение струй) при переменных значениях конструктивного числа (D/do) корпуса двухъярусной фурмы (D - диаметр корпуса фурмы, d₀ - диаметр сопла, α - угол наклона струи).

Рис.4. Характер распределения скорости в струях воздуха для трехсопловой головки при a = 30° и значениях D/d₀ = 1,5 (а) и D/d₀ = 2,5 (б). (1 - скорость потока на расстоянии r_x/2 от оси струи, 2 - скорость потока на оси струи по ходу движения, 3 - скорость потока на оси конусообразной газоструйной системы, м/с).

Оценку эффективности процессов дожигания СО и теплообмена в конверторной ванне осуществляем по значениям коэффициентов дожигания СО и использования тепла от дожигания, скоростям нагрева и обезуглероживания металла, а также по данным хода шлакообразования и процессов плавки стали [1,2].

На рис. 5 приведены сравнительные данные по эффективности дожигания СО над зоной продувки 250 т конвертера. С увеличением расстояния сопел дожигания СО от поверхности металла в высокотемпературной реакционной зоне степень дожигания (h_со) оксида углерода (СО₂ ® max) возрастает, а следовательно, приход тепла от дожигания увеличивается и повышается доля лома (рис. 5 б) на плавку.

Экспериментально установлено (рис. 6), что термический кпд дожигания СО (η_т) имеет экстремальные значения в зависимости [3,4] от cоотношения расходов кислорода на дожигание и продувку металла ( / ), расстояния сопел дожигания от металла (Н/Н_ф) и степени расширения струй (r/r₀) по ходу их движения в ванне.

При этом значение η_т находили по формуле:

            (5)

где Q , Q  - потери тепла с уходящими газами и на протекание эндотермических реакций, Н = Н_с + Н_ф, где Н_с - расстояние от сопел дожигания до головки и высота фурмы над металлом; r₀ и r - начальный и текущий радиус струи дожигания, м, ß_о = (1-{O₂}_S)×100, где {O₂}_S - остаточное содержание О₂ в конце струи дожигания, %.

Рис.5. Характер изменения содержания СО₂ в отходящих газах 250 т конвертерах ДнепМК (а) при дожигании СО 12-струями О₂ при использовании двухконтурной фурмы (а), (кр. 1) и при использовании двухконтурной 4х сопловой фурмы на ДнепМК (кр. 2) и с расположением в днище конвертера шести фурм типа «труба в труба»; изменение СО₂ в отходящем газе (а) при использовании типовой 4-х сопловой фурмы (без дожигания СО) на 250 т конвертере (кр. 3); влияние (а) высоты фурмы над металлом (Н_ф) на коэффициент дожигания СО (h_со) при использовании двухъярусной фурмы (кр. 5) и двухконтурной (кр. 4). Зависимость расхода лома (б) в шихте от углерода конце продувки (С_к.п., %) при различных режимах дожигания СО в конвертере (1 - комбинированная продувка с дожиганием СО; 2 - донное перемешивание с дожиганием СО; 3 - верхняя продувка; 4 - комбинированная без дожигания СО; 5 - донная продувка без дожигания СО).

Рис.6. Зависимости η_т от  / , Н/Н_ф и r/r₀ при дожигании СО над зоной продувки в конвертере

При каждом / , имеется η_т = mах. Увеличение  для обеспечения  η_т →  mах требует увеличения Н/Н_ф или r/r₀.

Кислородно-конверторный процесс с применением газоструйных систем из О₂ для дожигания СО над зоной продувки обладает большими резервами повышения технико-экономи-ческих показателей. Высокие результаты достигаются в конверторах, как с продувкой ванны кислородом сверху, так и с комбинированным дутьем, где в условиях продувки ванны кислородом через двухъярусные фурмы осуществляется дополнительное донное перемешивание металла аргоном (азотом) или кислородом в защитной атмосфере природного газа [5].

Применение двухъярусной фурмы с отдувом для дожигания СО в струях О₂ (рис. 1) над ванной для конверторов различной емкости и различных вариантов технологических процессов позволяет улучшать такие показатели, как снижение выбросов металла (шлака) и плавильной пыли, интенсифицировать шлакообразование, процессы нагрева и обезуглероживания металла, а также улучшает такие технологические показатели, как остаточное содержание фосфора, серы, марганца и кислорода, повышает расход лома на процесс и выход годной стали на тонну чугуна [4,5].

При дожигании СО в полости конвертора с использованием двухъярусных фурм доля лома увеличивается на 5%, т.е. при дожигании около 40%, выделяемого СО из зоны продувки, дополнительный расход лома возрастает на 50 кг/т стали.

В конверторах с донным дутьем дожигание отходящих газов, содержащих не только СО, но и Н₂, является еще более эффективным. Это способствует увеличению доли лома в шихте еще на 10 кг/т без заметного разгара футеровки и снижения выхода годного.

Анализ результатов исследования показывает, что параметры эффективности дожигания СО в существенной мере зависит от конструкции двухъярусной фурмы, уровня расположения сопел дожигания над ванной, интенсивности продувки металла кислородом и других факторов (Рис. 6).

С увеличением интенсивности продувки ( ) и расхода О₂ на дожигание СО (  ) над ванной, теплоотвод из зоны продувки в остальные объемы возрастает:

,   (6)

где Т_р.з. и Т_м - температуры в зоне продувки и металла, К; α_Σ - усредненный коэффициент теплоотдачи путем конвекции и излучения, Вт/(м₂∙ч); d_x, L_c, n - диаметр и длина струи, число струй.

Из анализа уравнения (6) следует, что применение газоструйной системы из О₂ позволяет при увеличении и  S_р.з. повышать выход СО из ванны, что способствует при увеличении  повысить α_Σ и Q_от.

В этих условиях увеличивается содержание СО₂ в отходящих конверторных газах, причем при увеличении содержания СО₂ в газах на 1% возрастает приход тепла в ванну на 8,4 МДж/т стали.

Суммарный приход тепла от действия факелов дожигания газоструйной системы над зоной продувки равен:

При ударе факела дожигания СО о поверхность металла происходит теплопередача в соответствии с уравнением:

,                    (7)

где S_c и Т_с - площадь контакта струи с металлом и ее температура.

Количество тепла, полученное ванной за счет возвращения брызг металла, определяли по выражению:

Q_бр.= М_бр.· ·∆Т,                               (8)

где М_бр и  - масса и теплоемкость брызг; ∆Т - изменение температуры брызг, К.

Таким образом, применение газоструйной системы из О₂ для дожигания СО над зоной продувки в конверторе позволяет в существенной мере улучшить энергетические, экологические и технологические показатели плавки стали.               

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. Эффективность кислородно - конверторных процессов производства стали с дожиганием СО в отходящих газах. // Изв. ВУЗов "Черная металлургия", №4, 2000 г., с. 12 - 14.
2. Кожухов А.А., Меркер Э.Э. и др. Исследование вспенивания конверторной ванны. // Изв. ВУЗов "Черная металлургия", №9, 2000 г., с. 16 - 19.
3. Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. Организация газодинамической защиты над зоной продувки в конверторе с учетом влияния шлака. // Изв. ВУЗов "Черная металлургия", №3, 2001 г., с. 18 - 22.
4. Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. Дожигание монооксида углерода в конверторе с учетом влияния шлака. // Изв. ВУЗов "Черная металлургия", №5, 2001 г., с. 12 - 16.
5. Карпенко Г.А., Кожухов А.А., Меркер Э.Э. Повышение эффективности процесса дожигания СО в конвертере // Изв. ВУЗов "Черная металлургия", №5, 2005 г., с. 18 - 20.

Работа представлена на II научную международную конференцию «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники», 20-27 ноября 2006 г., Шарм-эль-шейх (Египет). Поступила в редакцию 12.01.2007 г.