УДК 669.333.43+669.243.32
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОДАЧИ ДУТЬЯ ПРИ КОНВЕРТИРОВАНИИ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ ШТЕЙНОВ
© Коновалов Георгий Владимирович, канд. техн. наук; Бажин Владимир Юрьевич, д-р техн. наук; Николаев Александр Константинович, д-р техн. наук
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» (Горный университет). Россия, Санкт-Петербург. E-mail: bazhin-alfoil@mail.ru Статья поступила 01.03.2012 г.
Рассмотрена проблема эффективности дутья кислородно-воздушной смесью в горизонтальных конвертерах. Работа выполнена в продолжение разработок, связанных с изменением конструкции фурмы и схемы подачи дутья при конвертировании медно-никеле-вых штейнов, начатых в Горном университете.
Ключевые слова: конвертер; фурма; дутьевая нагрузка; штейн.
Рост масштабов медного и никелевого производств, а также освоение выпуска новых типов огнеупоров на основе магнезита явились предпосылками появления в начале XIX в. горизонтального конвертера новой конструкции (с основной футеровкой) при расположении фурм в одном ряду, снабженных шаровыми клапанами для прочистки фурм [1].
Конвертерный передел стал одним из ведущих технологических процессов на всех медеплавильных и никелевых предприятиях. Несмотря на то что решающими факторами работы конвертера обоснованно признаются расход воздуха, аэродинамические аспекты, а также ряд иных факторов, единственной качественной характеристикой воздухоснабжения горизонтальных конвертеров оказалась предложенная С.Н. Бара-бошкиным величина «удельной дутьевой нагрузки» на 1 см2 площади сечения фурм, которую на основании практических данных он оценил средним значением 0,8-1,0 м3/мин [2]. Однако такая величина удельной нагрузки не соответствует оптимальному значению давления при дутье, которое в практике 1930-х-1950-х годов составляло на коллекторе 60-80 кПа. При заглублении фурм под слой штейна в среднем на 0,5 м и плотности штейнового расплава около 5000 кг/м3 гидростатическое противодавление равно 25 кПа. Перепад давления на границах системы для минимального давления 60 кПа составит 35 кПа. При полной реализации этот перепад должен соответствовать величине динамического напора йдин.
Примем в качестве рабочих следующие условия для фурмы: давление р = (60 + 25)/2 = = 42 кПа, температура Ь = 60 °С (Т = 333 К). При
таких условиях плотность воздуха составит уЬр = = 1,29x1425x273/333 = 1,5 кг/м3.
Скорость газового потока в фурме в рабочих условиях
Wtp =
^Sb^/ltp = /9,6-3500/1,5 = 213 м/с.
Приведенная скорость w0 при р = 42,5 + + 100 = 142,5 кПа и Т = 333 К составит = 213x1,425x273/333 = 249 м/с. Удельная нагрузка на 1 см2 (Р = 10-4 м2) должна составить и0 = 249х10-4х60 = 1,49 нм3/(см2-мин).
Эти значения в 1,5-2 раза выше практических значений, что объясняется, очевидно, потерей напора на сопротивлениях фурменной системы. Неизбежны потери, связанные с сопротивлением фурменной трубки, закладываемой в толще
кладки: кпот = • h , где X = 0,05 - коэффициент а
трения, принятый для гладкого канала; Ь = 0,6 м - длина трубки; ^ = 0,04 м - диаметр трубки. Для и0 = 0,1 нм3/(см2-мин) (практический расход) скорость воздуха в трубке в рабочих условиях
Wp =
0,8-333
10-60-1,45-273
= 112 м/с; тогда к
дин
= wгYtp/2g = 1122х1,5/19,6 = 96 кПа; потеря напора йпот = 960x0,05x0,6/0,04 = 72 кПа.
Из первоначального запаса давления на сопротивление распределительной системы приходится (по закону Бернулли): 600 - 250 - 96 -- 72 = 182 кПа. Видно, что потеря напора на проводящей системе весьма значительна - 30% первоначального давления. При такой потере напора возникает несоответствие законам аэродинамики конструкции воздухопроводящей систе-
мы конвертеров с высокоскоростными газовыми потоками, проходящими через обтекаемые формы разделительной системы.
Конструкцию фурменной системы конвертеров на основе метода физического моделирования газовых потоков разрабатывали в лабораториях Горного университета [3]. Модели исследованных конфигураций изготовляли в масштабе от 1:5 до 1:10 натуральной величины с соблюдением условий подобия. Результаты моделирования представляли в виде критериальных уравнений Ей = ДИе), где Ей - критерий Эйлера; Ие - число Рейнольдса. Построением графической зависимости функции определялось числовое значение критерия Эйлера в зоне автомодель-ности. Тогда критериальное уравнение для зоны автомодельности принимает вид Ей = сош! или Aр/wtp2ptp = С, где рр - плотность в рабочих условиях; С - эмпирический коэффициент. Тогда достигаемая в фурме рабочая скорость определяет-
ся как = ^АpJЩp, м/с
Таким образом, скорость воздуха в фурменной трубке (а следовательно, и расход воздуха) при перепаде давления является функцией С-0,5. Испытания конфигурации фурменных устройств показали значение характеристической константы С от 6,0 для существующей конструкции до 2,0 для варианта, отличающегося аэродинамическим совершенством геометрии и тщательностью обработки поверхностей. Учитывая возможности фурменных устройств и условия их эксплуатации, сочли целесообразным остановиться на несколько упрощенном варианте, не требующем столь тщательной обработки расплава, для которого получили С = 3,0.
Обобщение результатов моделирования и многочисленных измеренных значений параметров дутья на заводских конвертерах привело к построению надежного, теоретически обоснованного математического выражения для расчета удельной дутьевой нагрузки на фурмы конвертера
иуд = 723тф(рк +1) х
Г л 1,429
' Н +1
.Л+1.
г \ 1,714'
< Н + 1Л
нм3/(м2-мин), (1)
где рк - давление на коллекторе, кПа; Н - противодавление слоя расплава над фурмами, кПа; ф - коэффициент аэродинамики фурменной системы (для новых вариантов конструкции фурм ф = 0,85-0,9); т - степень «чистоты» фурм, зависящая от условий их прочистки; Т - температура дутья, К.
Как следует из формулы (1), давление дутья прямо влияет на значение иуд. Однако непосредственным изучением влияния давления на работу конвертеров в заводских условиях были выявлены дополнительные факторы. При прочих равных условиях величина давления влияет на скорость зарастания фурм, т.е. в математической интерпретации определяет значение коэффициента т. Эта закономерность послужила основанием для исследования функции т = ЛРк + 1) в широком диапазоне давлений.
Исследования, проведенные по разработке оптимальных конструкций фурм горизонтальных конвертеров, получили продолжение в работах ученых Горного университета [4], в результате чего в мировой практике и в России появилось несколько конструкций воздухораспределительной системы конвертеров, каждая из которых в наибольшей степени отвечает конкретным условиям передела. Для расчета количества дутья, подаваемого на 1 см2 площади сечения фурменной трубки, предложена формула иуд = 6,36тфр1 х
1 / \ Г2 1,429 м 1,714"
ТРо [Рг) {ро
нм3/(см2-мин), (2)
где р0 - плотность газа, кг/м3; р1 - абсолютное давление перед насадкой, кПа; р2 - абсолютное давление в среде, куда происходит истечение, кПа; т - степень чистоты фурмы (для непогруженной фурмы подачи дутья т ~ 1); ф - коэффициент аэродинамики фурменной системы; Т - температура струи, К.
Фурменное устройство, предназначенное для подачи дутья через непогруженные фкрмы, работает на другом (по сравнению с погруженными фурмами) принципе. Дутьевой канал таких фурм выполняется вдоль центральной оси фурмы. Во избежание чрезмерных потерь на трение площадь сечения центрального канала рассчитывается на скорость потока не более 20-25 м/с (в рабочих условиях).
Вода для охлаждения кислородных фурм подается в промежуточную трубу, концентрически охватывающую дутьевой канал и доставляющую воду вниз к дутьевой головке. Из дутьевой головки вода возвращается по кольцевому каналу, образованному промежуточной трубой и наружным кожухом. В таблице приведены практические параметры режима охлаждения нескольких образцов кислородных фурм.
Как видно из приведенных данных, удельный расход воды на 1 м2 рабочей (т.е. находящейся в зоне высоких температур) поверхности может приниматься в пределах 17-20 м3/ч. Большая площадь рабочей поверхности единичной кислород-
х
х
Практические параметры режима охлаждения кислородных фурм
Объем Расход Размеры активного участка Удельный
конвер- Предприятие воды, длина, диаметр, площадь, расход,
тера, т м3/ч м м м2 м3/(Ч'м2)
30 Североникель 70 5 0,25 3,92 17,9
350 Северсталь 350 14 0,426 18,67 18,75
0,15 Североникель 0,22 0,1 0,038 0,012 18,3
ной фурмы, требующая огромного расхода воды, обусловлена самим принципом работы конвертера. Применительно к вертикальным фурмам предпринимались неоднократные попытки создать такую конструкцию дутьевой головки, которая может сформировать направленную струю, способную привести во вращение дутьевой кратер и придать определенную направленность процессу массообмена в объеме расплава.
Таким образом, при разработке новой конструкции фурмы, а на базе ее и новой конструкции пирометаллургического аппарата необходимо исходить из следующих положений:
- заменить направленную по центру ванны подачу дутья единичной фурмой дутьевыми струями, рассредоточенными по нескольким точкам, расположенным по периферии цилиндрического аппарата;
- придать периферийным струям такую пространственную ориентацию, чтобы в результате их суммарного динамического воздействия привести расплавленную массу во вращательное движение, способное создать управляемый регулярный массо- и теплоперенос, в наибольшей степени отвечающий требованиям кинетики соответствующих физико-химических превращений;
- многократно сократить размер огневой (рабочей) зоны фурмы и тем радикально уменьшить расход воды на ее охлаждение.
Указанным принципам отвечает разработанная радиально-осевая фурма (РОФ). Гидродинамические характеристики усложненных по сравнению с обычными фурмами конфигураций дутьевого и водяного каналов РОФ не поддаются расчету и были определены экспериментальным путем. Из полученных результатов для фурм серии РОФ в среднем ф = 0,83-0,84. При этом следует иметь в
виду, что эта величина не учитывает сопротивления подводящих шлангов. Водяную систему охлаждения фурмы РОФ моделировали методом
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.