20 лет
УДК 669.18417.14.24 £
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАССРЕДОТОЧЕНИЯ ДУТЬЯ |
ПРИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОЦЕССА
® Г.А.Лозин, Э.А.Шумахер, Э.Э.Шумахер, И.В.Деревянченко, А.В.Кузнецов
ООО "Энергосталь", "TECHCOM Import Export GmbH", СЗАО "ММЗ"
На современном этапе развития сталеплавильного производства проблема совершенствования условий интенсификации всех видов плавки окислителем сохраняет свою актуальность. Результаты промышленных испытаний достаточно убедительно указывают на достоинства приемов рассредоточения и заглубления подачи дутья в расплав [1].
Практические решения продувки сталеплавильной ванны окислителем в конечном итоге характеризуются достаточно развитой поверхностью реакционной зоны. Исследования влияния ее параметров на тепло- и массообменные процессы в расплаве позволяют обосновать перспективность различных приемов практического использования окислителя.
Реакционная зона имеет довольно сложную структуру. Рассматривать ее только как скопление горящих капель металла, по всей вероятности, неправомерно, так как установленная по экспериментальным данным температура в этой зоне находится в пределах 2200-2700 К, т.е. ниже тех значений, которые могут быть при сгорании капли в атмосфере 02 (до 4400 К).
Вычислить площадь поверхности взаимодействия фаз практически невозможно. В этой связи, в методике [2] расчета ее развития под воздействием управляемых параметров дутья используется оценка условий формирования внешних контуров условного тела внедрения, образованного организованно направленным в расплав и отраженным потоком неассимилируемого газа (рис. 1).
Условием поворота газового потока в расплаве является достижение равенства динамического напора в осевой его части и статического давления металла на конечной стадии проникновения газа в металл. Это равновесие выражается в виде зависимости со2р1/2=/р2 д, где со2 и рт - скорость (м/с) и плотность (кг/м3) на оси газового потока, в конце участка проникновения его в расплав; р2 - плотность металла, (кг/м3); д - ускорение силы тяжести, (м/с2); / - длина проникновения газового потока в расплав, (м) [2].
Расчетным путем установлено, что с помощью выбора оптимальных аэродинамических параметров дутья и места расположения фурмы в расплаве удельная поверхность взаимодействия фаз может быть увеличена в несколько раз. При этом расчетная длина проникновения газового потока в ванну / преимущественно определяется импульсом потока / = тщ (Н) и его давлением р и не зависит от направленности дутья. Наряду с увеличением р, уровень погружения фурмы в расплав Ь обеспечивает достаточно активное развитие контактной поверхности (рис. 2). Влияние /7 увеличивается с одновременным снижением угла наклона фурмы ¡5. Повышение интенсивности дутья V (м3/ч) развивает общую поверхность зоны Р (м2), однако при этом ее удельные значения ^ уменьшаются.
Оценка непосредственного воздействия рассредоточения дутья на показатели термонапряжения реакционной зоны выполнена для приближающихся к фактическим условиям переменного теплообмена между зоной и железоуглеродистым расплавом по разработанной под руководством Л.М.Ефимова методике термодинамического анализа [3]. Уравнение мгновенного баланса тепла (одного из десяти уравнений системы взаимодействия расплава с окислителем) выражено в виде:
L
=' кон+О
Рис. 1. Геометрия проникновения газовой струи в расплав при глубинной
продувке
'исх
где 1ИСХ и 1кон - сумма полных теплосодержаний исходных элементов и продуктов взаимодействия, Дж/моль; О = а (Т-Тм) f -количество тепла, которое поступает через реакционную поверхность в расплав, Дж/моль; а - коэффициент теплоотдачи от реакционной поверхности, Вт/(м2К); Г -температура реакционной поверхности; 7~м - температура металла, К; ^ - поверхность, приходящаяся на 1 моль кислорода, вводи мого в расплав в единицу времени, м2-с/моль.
Анализ проведен для достаточно широкого диапазона заданных параметров а, Тм, f и содержания углерода в расплаве. Пред-
веч'
h, м
Рис. 2. Влияние уровня заглубления фурмы в ванну жидкого металла и угла наклона струи газа к горизонту на величину контактной поверхности при v = 250 м3/ч и р = 0,784 МПа
ставляющие практический интерес закономерности изменения характеристик окисления железоуглеродистого расплава дутьем различающегося состава по мере изменения / показаны на частном примере (рис. 3). Рассредоточение дутья активизирует интенсивность теплообмена между реакционной зоной и ванной. По мере увеличения f от 0,4Ю_3 до 2,8-Ю"3 м2 с/моль02 теплопотери (расчетные) очага продувки в расплав в рассматриваемом случае увеличиваются от 9-103-10-103 до 52-103-60-103 Дж/моль02. Развитие этого процесса влечет за собой снижение температуры реакционной зоны с достаточно активным снижением интенсивности пылеобразования, определяемого содержанием металлических возгонов Fer и FeOr в общем объеме газообразных продуктов реакции (I), их парциальным давлением. Результаты выполненного анализа показывают, что при достижении О около 80-103 Дж/моль02 испарение металла теоретически не происходит. Следует отметить, что обеспечение столь интенсивного развития межфазной поверхности связано с резким снижением скорости выгорания углерода. По мере увеличения f влияние добавок СН4, используемых для сдерживания интенсивности пылеобразования при продувке, затормаживается, и при достаточно развитой интенсивности теплообмена между реакционной зоной и ванной влияние добавок сводится к минимуму. В рассматриваемом диапазоне изменения f снижение парциального давления возгонов при газокислородной продувке происходит более активно (от 0,036 до 0,012 МПа), чем при кислородной продувке (от 0,067 до 0,037 МПа).
Как отмечалось выше, для улучшения технологических показателей при интенсификации сталеплавильного процесса следует выделить приемы рассредоточения дутьевого потока и его заглубление.
В последние годы в мировой практике подового сталеплавильного производства расширяется область применения различных решений донной продувки ванны окислительным и нейтральным газом с нехарактерной для отрасли ограниченной интенсивностью дутья. Освоение системы энергообеспечения "Данарк" в условиях электросталеплавильного производства Молдавского металлургического завода обеспечивалось при суммарной подаче кислорода до 360 м3/ч через четыре газокислородные фурмы, установленные в подине ДСП. Оснащение печи канальными пробками системы DPP фирмы "Veitsch-Radex" (Австрия) с подачей азотного дутья до 10,0-15,0 м3/ч позволило обеспечить снижение расхода электроэнергии на 5-7 кВт ч/т. В дуговых печах РУП "БМЗ" при этом достигнуто снижение длительности плавки на 3 мин. [4].
Сложно решаемые проблемы с обеспечением достаточной для текущего производства стойкости продувочных устройств при донной продувке ДСП кислородом предопределили целесообразность освоения в СЗАО "ММЗ" боковой глубинной продувки с расположением газокислородных дутьевых устройств в кожухе печи ниже зеркала ванны на 300-500 мм [1]. Работа в этом направлении продолжается более двух лет. В рассматриваемый период прием интенсификации плавки с заглублением в ванну до 15% из 20-25 м3/т общего количества используемого кислорода является штатным решением энергообеспечения электросталеплавильного процесса. В адекватных с базовыми условиях организации плавки глубинная подача 2,2-2,3 м3/т кислорода (до 220 м3/ч через каждую фурму) позволяет сократить токовый период работы печи на 2,7-3,3% (при базовой его длительности 44,5 мин.), при этом сократить расход электроэнергии на 3,1-3,6% (до 20 кВт ч/т) и увеличить производительность ДСП на 1,0-1,2% (1,3-1,6 т/ч). В рассматриваемых условиях отмечено ускорение процесса усреднения химического состава и температуры расплава. Появилась возможность снижения температуры выпуска металла из ДСП на 13-15 °С. При использовании для продувки азота с аналогичной интенсивностью снижение температуры металла на выпуске поддерживается на уровне 5%. Расположение металлокерамических дутьевых устройств в кожухе ДСП в достаточной степени удовлетворяет эксплуатационным требованиям производства, упрощаются условия их обслуживания, появляется возможность ремонта и замены фурм в рабочем режиме. Эксплуатационная стойкость фурм в кислородном режиме составляет 500 плавок (до 680 плавок). При замене кислородного дутья нейтральным газом скорость износа огнеупорной прифурменной зоны снижается вдвое (от 0,9-1,0 мм за плавку до 0,5-0,6 мм). Находящаяся в стадии отработки технология замены фурм в период проведения на печи профилактических работ позволила увеличить эксплуатационный ресурс дутьевых устройств практически до окончания кампании (830-850 плавок).
Разработанные СЗАО "ММЗ" совместно с фирмой
. лмаи
"ТЕСНСОМ Import Export GmbH" (Германия) решения этого вида интенсификации плавки в настоящее время используются в условиях дуговых печей ЗАО"ММЗ ИСТИЛ".
По результатам проводимых работ разработан алгоритм оптимальной взаимосвязи глубины погружения источника дутья в расплав от его направления по отношению к поверхности подины.
Подтверждаемая практически высокая эффективность применения кислорода в рассматриваемых условиях определяется одновременной интенсификацией реакций обезуглероживания и процессов массооб-мена в расплаве потоком внедряемого окислителя и продуктами его взаимодействия. Известные проблемы с обеспечением необходимой стойкости огнеупорной кладки прифурменного массива являются серьезным препятствием для масштабного распространения глубинной продувки ванны кислородом с высокой интенсивностью (при полной замене известных решений организации продувки над поверхностью ванны на глубинные) как в мартеновском, так и электросталеплавильном производствах.
При глубинной продувке ванны практически неас-симилируемым, слабоокисленным или инертным газом в расплаве развиваются преимущественно массо-обменные процессы, достаточно энергичное воздействие которых на технологические показатели плавки установлено в производственных условиях и требует дальнейшего изучения.
В этой связи полезно использовать данные исследования эффективности использования сжат
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.