Образование и подавление бурого дыма при переливах чугуна Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВЕСТНИК

ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

1999г. Вып. №8

УДК 669 162.252.468

Кравец В.А,1

ОБРАЗОВАНИЕ И ПОДАВЛЕНИЕ БУРОГО ДЫМА ПРИ ПЕРЕЛИВАХ ЧУГУНА

Исследован механизм образования бурого дыма при переливах жидкого чугуна из одной ёмкости в другую и на основе полученных результатов разработана технология подавления выбросов путём подачи в зону пылеобразования газообразного азота.

Каждая порция чугуна на пути от домны до сталеплавильного агрегата переливается 4 раза: при выпуске чугуна из доменной печи и разливке по ковшам, при заливке в миксер, при сливе из миксера и при заливке в конвертер или мартен. При использовании миксерных чугуновозов число переливов сокращается до 3, но на Украине такая технология пока не применяется. При каждом переливе в атмосферу выделяется в виде пыли 0,02-0,07 % от массы переливаемого металла. Выделяющаяся пыль состоит из двух основных компонентов: на 10-20 % из крупнодисперсной графитной пыли, которую легко уловить обычными циклонами, и на. 75-85 % из мелкодисперсного бурого дыма, аналогичного по свойствам бурому дыму сталеплавильных процессов и требующего для улавливания применения дорогостоящих, громоздких и сложных в эксплуатации аппаратов - электрофильтров или тканевых фильтров Так, капитальные затраты на сооружение электрофильтра производительностью 260 тыс.м7ч составят примерно 2 млн долларов США, а для рукавного фильтра - около 1 млн. долларов США. Эксплуатационные расходы в обоих случаях превысят 100 тыс долларов США в год Применение столь дорогостоящих методов очистки при нынешней экономической ситуации является нецелесообразным.

Более предпочтительными являются технологические методы снижения выбросов бурого дыма, основанные на изучении механизма дымообразования.

Наблюдения за процессом выделения бурого дыма при переливах чугуна показывают, что пылеобразование наиболее интенсивно в начальный период наполнения ёмкости, когда струя металла ударяется о футеровку, и количество образующихся брызг максимально. В дальнейшем на дне ёмкости образуется слой жидкого металла, смягчающий удар, количество брызг уменьшается и одновременно, в 1,3-2,5 раз уменьшаются выбросы бурого дыма. При осторожных переливах с небольшой высоты чугун вообще не дымит Очевидно, процесс пылеобразования тесно связан с процессом диспергирования металла, а наличие брызг является необходимым звеном процесса образования бурого дыма. Другим необходимым условием является наличие окислительной атмосферы.

Это позволяет предположить, что причиной образования бу poro дыма является взаимодействие брызг металла с кислородом газовой фазы

Теоретический анализ такого взаимодействия показал, что механизм образования бурого дыма при переливах чугуна является сложным, многостадкшшм процессом, включающим следующие стадии:

1. Диспергирование струи чугуна в результате удара о футерованное дно ёмкости или зеркало

металла с образованием большого количества крупных брызг.

2. Взаимодействие этих брызг с кислородом газовой фазы и образование на поверхности ка-

пель слоя закиси железа.

3. Образование в каплях пузырька монооксида углерода в результате взаимодействия углерода с закисью железа, и взрыв капель с образованием мелких брызг. Интенсивность взрывов в

'Украинский научный центр технической экологии УкрНТЭК, канд. техн. наук.

условиях перелива чугуна практически не зависит от концентрации кислорода в газовой фазе. Лимитирующим звеном является процесс зарождения пузырька в объёме капли на поверхности частичек графита. 4. Взаимодействие мелких брызг, образующихся в результате взрыва крупных капель, с кислородом газовой (разы. Разогрев капель до высоких температур, что вызывает интенсивное испарение железа и его оксидов с поверхности капли и образование бурого дыма. Процесс окисления капли идёт в режиме тотального горения, лимитирующим звеном является подвод кислорода из газовой фазы к поверхности капли.

Факт взрыва капель чугуна во время перелива был установлен исследованием брызг, образующихся при сливе металла из миксера в ковш. Для улавливания брызг металла из общего потока выбросов в миксерном отделении конвертерного цеха меткомбината «Азовсталь» был сооружён встроенный в газоход аспирационной системы инерционный брызгоуловитель типа ВМ, представляющий собой бункер, установленный под отверстием в газоходе, прорезанном в месте поворота газохода на 90° в вертикальной плоскости (рис. 1) Брызгоуловитель улавливал

Запыленный газ

практически все металлические частицы, а также наиболее крупные и загрязнённые металлом частицы графита и шлака.

Для исследования брызг использовался растровый электронный микроскоп Л8М-Т300. Объекты исследовались в отражённом свете. Было установлено,,.что большая часть исследованных брызг носила явные следы взрыва пузырька таза: в брызгах имелись полости, рваные отверстия, многие частицы представляли собой осколки более крупных полых сфер. Доля взорвавшихся брызг возрастала с ростом размера капли. На рис 2 представлена фотография брызг металла. В правом нижнем углу линией показан масштаб снимка. Цифрами указаны слева направо: длина характерного размера (в мкм), увеличение объектива микроскопа, дата и номер кадра.

На фотографии видны крупные частицы с явными следами постигших их катастроф, в то же время среди более мелких частиц попадаются брызги не испытавшие взрыва. В табл. 1 представлены результаты изучения по большому числу фотографий частиц различных фракций. Из табл. 1 видно, что брызги размером более 250 мкм. взрываются со 100 % вероятностью. Чем меньше размер капель, тем меньше вероятность взрыва. Изучение брызг размером менее 30 мкм показало, что большинство частиц этой фракции не имеют следов взрыва, а небольшая часть взорвавшихся капель явно представляют собой осколки: более крупных брызг. Таким образом , можно считать размер 30 мкм нижней границей процесса взрыва.

Таким образом, изучение брызг металла, образующихся при переливах чугуна, показало, что в результате взаимодействия их с кислородом воздуха часы, капель взрывается. Существуют критические размеры капель, определяющих вероятность взрыва. Так, капли размером менее 30 мкм не взрываются. Капли размером более 250 мкм взрываются со 100 % вероятностью. Капли промежуточных размеров от 30 до 250 мкм взры ваются с тем большей вероятно-

Выгруэка крупнодисперсной пыли

Рис.1 - Встроенный в газоход брызгоуловитель

1-поворот газохода на 90°,

2-бункер для брызг

стью, чем больше размер капли

Таблица I - Доля взорвавшихся частиц при переливах чугуна

Средний размер час- Общее число частиц в Число взорвавшихся Вероятность

Фракция, мкм тиц в фракции, мкм данной фракции частиц взрыва, %

1-2 1,5 16 0 0

2-4 3 216 0 0

4-8 6 620 0 0

8-16 12 725 7 0,97

16-32 24 683 32 4,7

32-63 48 366 61 16.7

63-125 94 116 44 37,9

125-250 188 7 4 57.1

250-500 375 6 6 100

500-1000 750 6 6 100

1000-2000 1500 2 2 100

Мелкзе капли металла, образовавшиеся в результате взрыва более крупных, при окислении должны нагреваться до высоких температур. Первым этапом окисления здесь также является образование оксидной плёнки, толщина которой по экспериментальным данным составляет в среднем 2 мкм. Оценка температуры разогрева по тепло во усу балансу в предположении, что процесс образования оксидной плёнки практически мгновенен и выделяющееся тепло полностью расходуется на нагрев капли показал, что, в зависимости от диаметра капли, температуры таковы:

Рис. 2 - Фотография брызг чугуна под микроскопом

<3. мкм 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1°С 6580 3940 3060 2620 2360 2180 2055 1960 1890 1830

Начальная температура капли принята 1350° С Как видно из таблицы, капли диаметром 40 мкм и менее нагреваются до температуры превышающей температуру разрушения оксидной плёнки - 2500° С. Поэтому процесс интенсивного окисления капли будет продолжаться. Учитывая, что температура кипения железа составляет' 2750-2770с С, можно сделать вывод, что капли нагревшиеся до температуры разрушения защитой .плёнки затем вскипают. Интенсивное испарение железа и его оксидов приводит к образованию бурого дыма.

Лимитирующим звеном процесса взаимодействия мелких брызг с кислородом является подвод кислорода из газовой фазы к поверхности капли. Следовательно, снижая концентрацию кислорода в зоне образования брызг, например вдувая туда нейтральный газ, можно воздействовать на процесс окисления мелких капель и уменьшить количество бурого дыма.

Рассмотрим влияние концентрации кислорода в газовой: фазе на степень пылеподавле-

ния

20~г I

8 = ---= (1)

20 У0

где б - степень пылеподавления; Ъ - концентрация пыли при переливах чугуна без пылеподавления и с пылеподавлением, соответственно, г/нм^; 10, I - интенсивность испарения железа при применении пылеподавления и без пылеподавления, соответственно, кг/с.

Неравновесный процесс испарения железа описывается формулой Герца-Ленгмюра

[м

1 = 4,26 р Б

\ Т

где Р - парциальное давление паров железа, кПа; 8 - поверхность испарения, м"; М == 56 - молекулярная масса железа; Т - температура металла, К. Подставляя (2) в (1), получаем

(3)

где - поверхность капель и температура при переливах без пылеподавления.

Для капли жидкого чугуна, подвешенной в магнитном поле, В.И. Явойским была получена зависимость

19360 Т

Выражая отсюда Р и переходя для удобства к натуральном\ логарифму, после подстановки в (3) получим

1бР = 9,13

(4)

• ехр

4,5-10 4,5-10

V.

го

т

Температуру нагрева капли можно найти из теплового ¡Заланса [1]

Т'Т. + Г^^О.ОЬО -АгЬ,

где 0 = 1п

ЯШ

Г . „ ^

(5)

(6)

1 + -

V

6 • Ыил х с!2рс

Экспериментально было установлено, что величина $=0,18. Подставляя (6) в (5)

получим

Гм+0Д8 ^Оо6- АТ

(

ехр

4>10 7(Ч

4,5-10

/м + 0,18| К О_ - Л У

о о

(7)

где К

£>Л/Л%

Ши

Как видно из (7), снижение концентрации кислорода в тазовой фазе приводит к повышению степени пылеподавления. Оценим теперь влияние подачи нейтрального газа на поверхность испарения . В работе [2] показано, Что в результате аэродинамического воздействия струи газа на капельный полидисперсный аэрозоль происходит изменение поверхности испарения в результате процессов коагуляции и диспергирования брызг. При образовании аэрозоля в результате удара струи чугуна о дно наполняемой ёмкости брызги приобретают примерно одинаковую скорость, но в дальнейшем, в результате сопротивления окружающей среды, возникает дифференциация брызг по скоростям. Мелкие капли быстро теряют скорость, в то время как массивные брызги на небольших расстояниях от зоны бры згообразования практически не теряют скорости. Такая дифференциация капель по скоростям приводит к их столкновениям между собой и коагуляции мелких капель на поверхности крупных, которые как бы «выметают» пространство за собой от аэрозоля. Подача нейтрального газа навстречу брызгам приводит к усилению процесса диффе-

ренциации скоростей капель и ускорению процесса коагуляции.

С другой стороны, увеличение скорости газа более критической величины приводит 1< дроблению наиболее крупных капель. Таким образом, подача нейтрального газа со скоростью менее критической приводит к уменьшению поверхности испарения, а превышение этой скорости приводит к увеличению этой поверхности.

Как показано в [2] изменение поверхности испарения в зависимости от скорости встречного потока газа описывается зависимостью

= 1 - 1,33--—ь 0,67-^--, (8)

№к р

где - скорость газа в месте встречи с аэрозолем, м/с; у^хр - критическая скорость начала диспергирования капель, м/с.

Подставив (8) в (7) и выразив скорость истечения:

а) через расход нейтрального газа;

б) число сопел для подачи нейтрального газа;

в) площадь сопла, а также выразив концентрацию кислорода в зоне дымообразования через соотношение объёма поступающего воздуха к объёму нейтрального газа и используя численные

£■= 1

0,250'

0,810

м>1 рп2 |0,0855сй?с + 0,145*21 ^ ^о,0855сг/с - 0,145я?£ |

+ 1

ехр

21,65

1 ! 0,0462- 0,015— ,

(9)

1 - 0,34

0 V

где (3 - расход нейтрального газа, м3/с; V - расход воздуха, соступающего в зону дымообразования в результате процессов конвекции и эжектдии м!/с: - расстояние от среза сопла 1 значения констант, характеризующих процесс, после прсоора зо в;ш и и тю л у ч и \ г г

до зоны взаимодействия струи с брызгами металла, м; ас - диаметр сопла, м. Полученная формула вьфажает связь между степенью пылеподавления и управляемыми технологическими и конструктивными параметрами: расходом нейтрального газа, числом сопел, их диаметром и расстоянием от среза сопла до поверхности металла. В соответствии с формулой (9) увеличение расхода нейтрального газа, подаваемого через заданное количество

сопел определённого диаметра, приводит вначале к повышению степени пылеподавления, затем к снижению этой величины и в дальнейшем вновь к её повышению.

Такой характер зависимости объясняется тем, что образование бурого дыма происходит в результате взаимодействия капель металла с кислородом газовой фазы и, следовательно, на интенсивность процесса дымообразования влияет как концентрация кислорода, так и: количество и размер брызг чугуна. При подаче нейтрального газа снижается концентрация кислорода, что приводит к повышению степени пылеподавления. Одновременно струя азота при малых скоростях способствует коагуляции брызг, что также приводит к росту степени пылеподавления, но при больших скоростях струя газа инициирует дополнительное диспергирование чугуна, что приводит к резкому снижению этой величины. Повышение степени пылеподавления вследствие снижения концентрации кислорода подчинено экспоненциальному закону, а сниже-

ние степени пылеподавления вследствие дополнительного диспергиров тичному (пропорционально кинетической энергии струи). При дальней:

подаваемого азота экспоненциальная зависимость побеждает, и это вновь приводит к росту' степени пылеподавления.

Полученная зависимость была проверена в промышленных условиях при сливе чугуна из 2500-тонного миксера в 350-тонный ковш в миксерном отделении конвертерного цеха мет-комбината «Азовсталь». В ковш, в период наполнения его металлом, подавался газообразный азот через сопла, расположенные над ковшом: и направленные под утлом 30° к зеркалу металла. Измерялась концентрация бурого дыма в выбросах в атмос феру через дымовую трубу аспира-ционной системы после очистки газа в циклонах ЦН-15. Сливы чугуна с подачей азота чередовались со сливами без пылеподавления. Степень пылеподавления определялась по снижению концентрации бурого дыма в выбросах.

На рис.3 и 4 показаны расчётные зависимости и экспериментальные значения степени пылеподавления. Как видно из рисунков расчётные зависимости хорошо описывают экспериментальные данные, что позволяет использовать расчёты при проектировании установок пылеподавления.

1.0-1--------1--т

Рис. 3 ■■ Зависимость степени пылеподавления от расхода азота при его подаче через 2 сопла диаметром 150 мм при слипе чугуна из миксера в ковш в миксерном отделении К ИД меткомби-ната <:< Азовсталь»

¡-расчётная кривая.

Точками обозначены средние экспе-

риментальные значения степени пылеподавления. Цифры у точек - число

опытов.

Т21 ТЗ Ч / о.о4-1-—Ал—>._. л---!——ч--1----

4 2 -'■- 4 6 8 10

Расход азота, м :,/с

1.0

Рис;. 4 - Зависимость степени пылеподавления от расхода азота при подаче его через 2 сопла диаметром 240 мм при сливе чугунй из миксера в ковш в миксерном отделении ККЦ меткомби-ната «Азовсталь»

] -расчетная кривая.

Точками обозначены средние экспериментальные значения степени пылеподавления. Цифры у точек - число опытов.

о

2 3 4 5

Расход азота, м3/с.

6

7

Выводы

В результате выполненных экспериментальных и теоретических исследований получены следующие результаты.

1. Установлено, что снижая концентрацию кислорода в зоне дымообразования можно существенно снизить выбросы бурого дыма в атмосферу без применения, фильтров;

2. Разработана относительно дешевая и простая в использовании технология подавления бурого дыма газообразным азотом при переливах чугуна;

3. Получена пригодная для практического использования зависимость степени пылеподавления от управляемых конструктивных и технологических параметров.

Перечень ссылок

1. Подавление бурого дыма азотом при сливе чугуна в ковш / Левитасов Я.М., Кравец В.А., Джепа Т.П., Рехтин НЕ, Стариченко А С. // Сталь,- 1990.-№9тС. 18-21.

2. Кравец В.А. Изменение поверхности испарения капельного аэрозоля в результате внешнего динамического воздействия. // Вестник Донбасской гос. академик строительства и архитек-туры-1998.-№2тС. 92-94.

Кравец Василий Анатольевич. Канд. техн. наук, зав. лабораторией технологических методов снижения выбросов УкрНТЭК, окончил в 1978 г. Донецкий политехнический институт. Основное направление исследований - разработка методов снижения выбросов металлургического бурого дыма в атмосферу.