Научная статья на тему 'Моделирование процесса дожигания монооксида углерода в кислородном конвертере при различных вариантах подвода дутья'

Моделирование процесса дожигания монооксида углерода в кислородном конвертере при различных вариантах подвода дутья Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
166
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Сущенко Андрей Викторович, Безчерев Александр Сергеевич

Для аналитического исследования процесса дожигания монооксида углерода в полости кислородного конвертера разработана статическая математическая модель, базирующаяся на уравнениях материального и теплового балансов конвертерной плавки с вторичным дожиганием отходящих газов. Модель учитывает особенности процессов выплавки конвертерной стали при различных вариантах подвода дутья, шихтовки плавок и способа организации вторичного дожигания.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Моделирование процесса дожигания монооксида углерода в кислородном конвертере при различных вариантах подвода дутья»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. №14

УДК 669.184.244.66

Сущенко A.B.1, Безчерев A.C.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДОЖИГАНИЯ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТАХ ПОДВОДА ДУТЬЯ

Для аналитического исследования процесса дожигания монооксида углерода в полости кислородного конвертера разработана статическая математическая модель, базирующаяся на уравнениях материального и теплового балансов конвертерной плавки с вторичным дожиганием отходящих газов. Модель учитывает особенности процессов выплавки конвертерной стали при различных вариантах подвода дутья, шихтовки плавок и способа организации вторичного дожигания.

Одним из ключевых аспектов проблемы повышения эффективности вторичного дожигания отходящих газов в агрегатах конвертерного типа является оптимизация управляющих параметров процесса дожигания при различных условиях конвертирования чугуна [1,2].

Особый интерес к данному вопросу возникает в современных условиях функционирования конвертерных цехов СНГ, характеризующихся периодическим дефицитом металлолома, нестабильными параметрами шихты и производства, а также дополнительным ухудшением теплового баланса плавок в связи с неритмичной работой конвертеров. Учитывая дефицит кокса, необходимость снижения удельного расхода чугуна на выплавку стали, а также отсутствие положительных тенденций в стабилизации работы металлургических предприятий в ближайшее время, вопросы интенсификации и оптимизации дожигания монооксида углерода в условиях нестабильных параметров производства (в т.ч. при замене лома другими охладителями) можно отнести в разряд наиболее актуальных.

Наиболее эффективным методом решения рассматриваемой задачи с последующей разработкой высокоэффективных способов и устройств дожигания СО до С02 в конвертере является математическое моделирование процесса с использованием современных численных методов и "мощных" ЭВМ [2].

Целью настоящей работы является разработка статической математической модели процесса дожигания монооксида углерода в кислородном конвертере, позволяющей выполнить аналитические исследования и установить диапазоны оптимальных значений параметров процесса дожигания в зависимости от вариантов подвода дутья и шихтовки плавок, а также зоны организации процесса в агрегате.

Разработанная математическая модель базируется на уравнениях материального и теплового балансов конвертерной плавки [3] с вторичным дожиганием отходящих газов. При заданных составе шихтовых материалов, температуре чугуна и требуемом содержании углерода в металле после продувки предусмотрены следующие варианты расчёта параметров плавки: 1) определение температуры металла после продувки при заданных массах шихтовых материалов; 2) определение требуемого количества охладителя (-ей) при известных температуре металла после продувки плавки и массе чугуна; 3) определение требуемого количества шихтовых материалов при известных температуре металла после продувки плавки и массе металлошихты. При этом задаётся основность конечного шлака либо масса извести на плавку. В качестве охладителей плавки рассматриваются: металлический лом; горячебрикетированное железо, окатыши, известняк, руда и др. В долях от массы чугуна задается остаточное количество миксерного шлака. Масса плавикового шпата определяется в зависимости от массы извести. Замусорен-ность лома характеризуется коэффициентом замусоренности (% от массы чугуна).

В модели учитывали, что на плавках без организации вторичного дожигания доля углерода, окисляющегося до С02 , составляет: при верхней и комбинированной с подачей ней-

1 ПГТУ, канд. техн. наук., доц., зав. отделом ПНИЛ.

2 ПГТУ, соискатель.

трального газа (через днище агрегата) продувках - 10 %; при донной - 4 % [4]. Для комбинированной кислородной продувки эта величина пропорциональна доле донного дутья от суммарного расхода кислорода [4]. Средняя запыленность отходящих конвертерных газов при верхней и донной продувках ванны кислородом по данным [5] была принята 120 г/м3 и 40 г/м3 соответственно; для комбинированной продувки с подачей нейтрального снизу - ~ 80 г/м3 [6]. Содержание Fe в пыли a fe и долю серы, удаляемой с отходящими газами г],_,, для верхней продувки задавали 40 % [4] и 6 % [5], для донной - 30 %[4] и 20 % [5] соответственно; для комбинированной кислородной продувки - пропорционально доле донного дутья от суммарного расхода кислорода, а при подаче нейтрального газа через днище - такими же, как и при верхней продувке. Для комбинированной продувки с подачей через днище нейтрального газа (кислорода) долю последнего по данным [4] задавали 3 % об. (10 % об.) от количества кислорода дутья. При этом долю защитного газа (природного газа) задавали 12 % об. от расхода кислорода донного дутья [4]. Было принято, что природный газ, подаваемый в ванну, разлагается при температуре 1000 °С [7] с образованием углерода, который растворяется в расплаве, и водорода, удаляемого с отходящими газами.

Для расчета окисленности конечного шлака при различных вариантах подвода дутья использовали эмпирические зависимости, полученные на основе обработки данных [4,6], в следующем виде:

(Fe)z = а3 ■ [с]3м + а2 ■ [с]2м + a¡ ■ [с]м + а0 , (1)

где (Fe)z - содержание общего железа в конечном шлаке, % масс.; [с]м - содержание углерода в металле после продувки плавки, % масс.; а0... а 3 - регрессионные коэффициенты. На основе обработки промышленных данных по условиям работы 160 т LD-конвертеров ОАО «ММК им. Ильича» (Украина, г. Мариуполь) соотношение (Feo) / (Fe203) в конечном шлаке для всех видов продувки принимали равным 2,5:1.

Распределение серы и фосфора между металлом и шлаком в конце продувки плавки при различных вариантах подвода дутья описывали эмпирическими зависимостями, полученными путем обработки данных [8,9]:

Ls = (S)/[SJ = as + ks- { (Ca0)/(Si02) - bs}, (2)

Lp = (P)/[P] = ap + kp- { (Fe)s bp}, (3)

где (CaO) и (Si02) - содержание CaO и Si02 в конечном шлаке, % масс.; as, ар, h,. bp к, kp - регрессионные коэффициенты.

Распределение марганца между шлаком и металлом рассчитывали с использованием выражений [10].

Зависимость ключевых параметров - степени вторичного дожигания а от доли вторичного (подаваемого на дожигание) расхода кислорода (от его общего количества) V п , а также

степени усвоения теплоты дожигания металлическим расплавом r¡M от а, для различных вариантов организации процесса, получена на основе обработки известных экспериментальных данных - см. рис. 1-3. При этом регрессионную зависимость r¡M~/(«) находили базируясь на результатах работы [28], согласно которых в общем виде:

r}M~f(a)~{ 1,0-а-(а)ь}, (4)

где а иЬ - эмпирические коэффициенты.

Модель включает в себя также блок расчета технико-экономических показателей, позволяющий определить финансовые затраты на выплавку стали при различных технологиях конвертирования чугуна.

Разработанная модель была реализована в виде прикладной программы в среде ТР 7.0 и адаптирована к условиям и особенностям работы 160 т LD-конвертеров ОАО «ММК им. Ильича».

о и о

а £ «

а «

л 8

с

О)

н О

8 8

да оз и

8 *

о

ВС

30

20

15

С ✓ /

У <

тЗ I • • ■ а

> А ? |

\ А

щ \ У = -0 ,01 Л2 ■1, 503 6х -1; !,94

0,6 6

Рис. 1 - Зависимость степени вторичного дожигания а от доли вторичного кислорода УоЦ при

организации процесса дожигания над ванной:

• - [4]; о - [11]; А - [12]; Д - [13]; ■ ■ [14]; 0 - [15]; * - [16].

Доля вторичного кислорода Уа

о/ /о

о

1-,

0 \0

а о4,

1 * а «

8 8

да 03 8 п

л Ж (о с 0) н О

о

л н о я в

о н

70

50

30

20

я

1 1 А

я 1 4 »

4 •

? № > Ь

# У* \ 1 9

/ \

к г" V | | \

1 N

1 ■; / У = ■ и, )3 )/ л2 + V' :Ь !4: ; л 9 Г.

Р = о, 53

Доля вторичного кислорода Ус

40

О-,, II '

о/ /о

8

о Ч о <о (Г

8 Ч «

1,00 0,90 0,80 0,70 0,60

«

8 8

о i

СО ^

л 8

8 Й

8 Я —

й Й & 0,30

г - °

и 4

0,20

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

о

а 0,50 га

Ч

С 0,40

3 '

У = 1, 3- X Ч ,0

/ ■ -

- -

• и к

Р 1 г / 'У - и- X "1 4

№ 1 к ** — 4 »1

У 1 г

/ - „ \

/ - ■ ч 1 п л ) 7

/ / 4 /

У 1, )- х- 4} ь А >

Г ■

/

У - I, )- X' "У 3! 1

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

Степень вторичного дожигания а , д. ед.

Рис. 2 - Зависимость степени вторичного дожигания а от доли вторичного кислорода ,, при

организации процесса дожигания в шлаке (шлако-газо-металлической эмульсии-

ШГМЭ):

• - [6]; ▲ - [17]; ■ - [18]; ♦ - [15]; 0- [19]; * - [16].

Рис. 3 - Зависимость степени усвоения теплоты дожигания металлическим расплавом //,, от степени вторичного дожигания а: -

вторичное дожигание над ванной при комбинированной продувке с подачей нейтрального газа через днище агрегата [11,14,20-25]; □,---то же, при комбинированной кислородной продувке

[15.26]; Д,-----то же, при верхней

продувке [15]; 0,-------вторичное

дожигание в шлаке при комбинированной продувке [15]; ■,--------

то же, при верхней продувке

[19.27].

Рис. 4 - Зависимость изменения показателей конвертерной плавки с вторичным дожиганием отходящих газов в зависимости от доли вторичного кислорода:

-,---вторичное дожигание в шлаке (ШГМЭ) и над ванной соответственно.

МДж/т; во

70

0 5 10 15 20 25 30

Доля вторичного кислорода п , %

На рис. 4, в качестве примера, приведены результаты расчета изменения показателей конвертерной плавки (уменьшения удельного расхода жидкого чугуна на выплавку стали АМ„, кг/т, и затрат на основные материальные и энергетические ресурсы на выплавку стали A3, грн./т) в 160-т LD-агрегате при организации процесса вторичного дожигания над ванной и в шлаке (ШГМЭ) в зависимости от доли вторичного кислорода V0 ц . При этом, в качестве обобщающего критерия, характеризующего эффективность процесса дожигания отходящих газов, использовали величину qdox (МДж/т), представляющую собой отношение теплоты дожигания, усвоенной металлическим расплавом, к массе металла в конце продувки плавки.

Как видно из рис.4, вторичное дожигание конвертерных газов в шлаке (ШГМЭ) для данных условий является более эффективным по сравнению с организацией процесса над ванной. Увеличение параметра V п при организации процесса над ванной (в шлаке) до значений, больших ~10%(~15%) с технико-экономической точки зрения является нецелесообразным.

Выводы

1. Разработана статическая математическая модель конвертерной плавки с вторичным дожиганием отходящих газов, базирующаяся на полученных эмпирических зависимостях ключевых параметров процесса вторичного дожигания ( a ~f] ¡Vn^,, j ; rjM ~f2 {a} ) и уравнениях

материального и теплового балансов, позволяющая установить диапазоны оптимальных значений параметров процесса дожигания в зависимости от варианта подвода дутья, шихтовки плавок и зоны организации процесса в агрегате.

2. Показано, что в LD-конвертере вторичное дожигание конвертерных газов в шлаке (ШГМЭ) является более эффективным по сравнению с организацией процесса над ванной. При этом увеличение параметра V п при организации процесса над ванной (в шлаке) до значений,

больших ~10%(~15%) с технико-экономической точки зрения является нецелесообразным.

3. Целью дальнейших исследований является разработка, с использованием полученных результатов, динамической математической модели конвертерной плавки с вторичным дожиганием отходящих газов для комплексного решения проблемы дожигания газов в агрегатах конвертерного типа.

Перечень ссылок

1. Сущенко A.B. Состояние и пути решения проблемы дожигания отходящих газов в полости кислородного конвертера ! А. В. Сущенко, A.C. Безчерев // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999. - Вып.№8. - С.50-54.

2. Сущенко A.B. О математическом моделировании процесса дожигания отходящих газов в кислородном конвертере / A.B. Сущенко, A.C. Безчерев // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мар1уполь, 2000. - Вип. № 9. - С.23-26.

3. Бигеев A.M. Основы математического описания и расчеты кислородно-конвертерных процессов I A.M. Бигеев, Ю.А. Колесников. - М.: Металлургия, 1970. - 232с.

4. Смоктий В. В. Комбинированные процессы выплавки стали в конвертерах / В. В. Смоктий, В.В. Лапицкий, Э.С. Белокуров. - К.: Техшка, 1992. - 163с.

5. Арсентьев П.П. Конвертерный процесс с донным дутьем / П.П. Арсентьев, М.П. Квитко. -М.: Металлургия, 1983. - 128с.

6. Арсентьев П.П. Конвертерный процесс с комбинированным дутьем / П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, C.B. Комаров -М.: Металлургия, 1991. - 176с.

7. Капустин Е.А. О материальном и тепловом балансах первичной реакционной зоны кислородного конвертера / Е.А. Капустин, В.Н. Евченко, A.B. Сущенко II Изв. вузов. Черная металлургия. - 1988. - № 7. - С. 116-120.

8. Grobmann J. Modern Oxygen Converter Processes with Bath Motion Induced by Bottom Gas Injection / J. Grobmann, A. Hauch, G. Strohmeier II Fachberichte buer Hüettenpraxis und Metall -

Weiterverarbeitung. - 1987. - Vol. 25, № 4. - P.257-262.

9. Metallurgical control in top- and bottom-blown oxygen steelmaking processes / M. Saigusa, J. Nagai, F. Sudo F. etc. II Ironmaking and Steelmaking. - 1980. - Vol.7, №5. - P.242-248.

10. Гулыга Д.В. Модель расчета параметров кислородно-конвертерной плавки / Д.В. Гулыга, A.B. Сущенко II Сталь. - 2003. - № 12. - С.19-24.

11. Комбинированная продувка металла с подачей нейтрального газа через днище конвертера / Я.А. Шнеерое, С.З. Афонин, В.В. Смоктий и dp. II Сталь. - 1985. - №11. - С. 16-21.

12. Taoka Keizo. Практика вторичного дожигания в конвертере с комбинированной продувкой / Keizo Taoka II Тэцу то хаганэ. - 1984. - Т.70, №12. - С. 1027.

13. Применение двухъярусных кислородных фурм на 130-т конвертерах / В.В. Бондаренко, В.Г. Мелихов, Ф.Т. Белин и др. II Бюл. НТИ. Черная металлургия. - 1974. - Вып. 15 (731). - С.48-50.

14. Развитие технологии дожигания в конвертере с комбинированной продувкой IN. Takashiba, N. Masanori, К. Shinji etc. II Тэцу то хаганэ. - 1989. - Т.75, №1. - С.89-96.

15. Корченко В. П. Исследование возможностей дожигания отходящих газов в кислородном конвертере при различных вариантах подвода дутья / В.П. Корченко, В.Ф. Поляков, А. Т. Белан II Труды 5-ого конгресса сталеплавильщиков. - М.: АО «Черметинформация», 1999.-С.139-144.

16. Усачева И.Д. Разработка, опробование и усовершенствование опытных конструкций кислородных фурм для комбинированной продувки с дожиганием отходящих конвертерных газов / ИД. Усачева, H.H. Хохлова, И.И. Кобеза II Технология выплавки конвертерной и мартеновской стали (темат. отрасл. сб.). - М.: Металлургия, 1985. - С.41-44.

17. Повышение полноты дожигания окиси углерода в 350-т конвертерах / A.M. Поживанов, С.И. Кушнарев, Р.В. Старое и др. II Металлургическая и горнорудная промышленность. -1990. -№ 4.-С. 18-20.

18. Величко В.Г. Современный опыт проектирования и применения кислородных фурм в сталеплавильном производстве КНР / В.Г. Величко II Бюл. НТИ. Черная металлургия. - 1992. -Вып. 10 (1122). -С.39-42.

19. Разработка и опытно-промышленное опробование кислородных фурм для одновременной продувки расплава струями двух типов / A.B. Сущенко, A.A. Курдюков, ИД. Буга и др. II Труды 3-его конгресса сталеплавильщиков. - М: АО «Черметинформация», 1997. - С. 110-112.

20. Nobuyuki G. Результаты исследования вторичного дожигания в 240-тонном конвертере с комбинированной продувкой.II / G. Nobuyuki //Тэцу то хаганэ.-1985.-Т.71,№12.-С.1042.

21. H arada To-Shiya. Разработка технологии вторичного дожигания отходящих газов в конвертере / To-Shiya Harada II Тэцу то хаганэ. - 1985. - Т.71, №4. - С. 187.

22. Rymarchyk N. Post Combustion Lances in Basic Oxygen Furnace (BOF) Operations / N. Rymarchyk II Steelmaking Conference Proceedings. - 1998. - P.444-449.

23. Снижение расхода чугуна при производстве стали в действующих конвертерных цехах / Я.А. Шнеерое, С.З. Афонин, C.B. Лепорский и др. II Бюл. НТИ. Черная металлургия. - 1987. - Вып.21. - С.2-19.

24. Освоение комбинированного процесса / В.В. Смоктий, P.C. Айзатулов, Э.С. Белокуров и др. II Бюл. НТИ. Черная металлургия. - 1987. - Вып.8. - С.52-53.

25. Masanori N. Разработка способа вторичного дожигания в конвертере с комбинированной продувкой. Разработка технологии вторичного дожигания в конвертере.II / N. Masanori II Тэцу то хаганэ. - 1986. - Т.72, №12. - С. 1006.

26. Improvement of the heat balance in the combined blowing process // Hidemasa Nakajima, Shop Anezaki, Yasuyuki Tozaki etc. II J. Iron and Steel Inst. - 1986. - Vol.26, №1. - P.40-47.

27. К вопросу о дожигании монооксида углерода в кислородном конвертере / В.Б. Охотский, A.M. Поживанов, Ю.П. Борисов и др. II Сталь. - 1992. - №5. - С.25-28.

28. Nishioka Shin-ichi. Изучение факторов, влияющих на эффективность теплопередачи от вторичного дожигания в конвертере IShin-ichi Nishiokal/Тэцу то хаганэ.-1987.-Т.73,№4.-С.215.

Статья поступила 14.01.2004.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.