CC BY
29
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
(О
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
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.
