Особенности окисления углерода в кислородном конвертере при разных способах подачи дутья Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ

УДК 669.18.001

Филатова Т.А., Иванин А.В., Брусникова А.В., Колесников Ю.А.

ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ ПОДАЧИ ДУТЬЯ

Аннотация. Представлены результаты расчётов некоторых параметров конвертерной плавки в зависимости от содержания СО2 в газе из реакционной зоны, степени дожигания СО в газовой фазе и доли поступления тепла на нагрев металла от этого дожигания.

Ключевые слова: окисление углерода, кислородный конвертер, реакции окисления, расчёт параметров плавки, ККЦ ОАО «ММК».

Реакцию окисления углерода часто называют основной реакцией сталеплавильных процессов. При окислении (выгорании) углерода происходит так называемое кипение металла в результате выделения пузырей СО. В процессе кипения происходят перемешивание металла, выравнивание его химического состава и температуры, увеличивается площадь соприкосновения металла со шлаком, что, в свою очередь, ускоряет протекание всех процессов на границе шлак-металл, из металла удаляются газы и неметаллические включения [1].

Окисление углерода происходит в течение всего периода продувки. При взаимодействии струи кислорода с углеродом происходят реакции: [С] + 1{о2} = {СО}, [С] + {О2} = {СО2}.

80-95% углерода окисляется до СО преимущественно по первой реакции, а оставшиеся 5-20 % углерода - до СО2.

Кроме указанных выше основных реакций, в конвертере с верхней продувкой получает развитие реакция частичного дожигания СО до СО2 над ванной:

{СО} + 1{О2} = {СО2}.

Скорость окисления углерода определяется интенсивностью подачи кислорода. Для образования пузырей СО и соответственно протекания реакции обезуглероживания нужен определенный уровень перегрева металла над линией ликвидуса. В особенности заметно воздействие температуры при перегреве более 100 °С. Так как реакция идет преимущественно в зоне воздействия струй кислорода, то условия ее протекания значительно зависят и от конструкции фурмы.

Таким образом, по мере увеличения температуры металла и понижения концентрации примесей, имеющих высокое сродство к кислороду, как кремний и марганец, скорость окисления углерода растет и через 5-7 мин после начала продувки достигает наибольшего значения. Степень полезного использования кислорода в этот момент приближается к 100%. Для

того чтобы в этот период плавки создать условия выделения СО и обеспечить наибольшее внедрение подаваемого кислорода для окисления углерода (а не железа), фурму несколько опускают, струи кислорода более активно внедряются в металл, площадь поверхности раздела окислительный газ - металл резко растет. Условия протекания реакции окисления углерода оказываются благоприятными: на окисление углерода в эти моменты расходуется больше кислорода, чем подается через фурму (отчасти расходуются оксиды железа шлака). Так длится 5-10 мин (в зависимости от интенсивности подачи кислорода) до момента, когда концентрация углерода снизится до ~0,10%, и скорость окисления углерода при всем этом резко понижается [2].

В настоящее время отсутствуют способы прямого измерения состава конвертерного газа, образующегося в реакционной зоне, степени дожигания СО до СО2 в газовой фазе, доли тепла от дожигания СО в тепловом балансе плавки. Эти параметры можно определить расчётом по математической модели периода продувки конвертерной плавки при различных режимах подачи дутья. С этой целью разработана математическая модель периода продувки, составленная на основе уравнений материального и теплового балансов плавки, включающих массу, состав и температуру металла, шлака и газа [3, 4].

В качестве базового варианта были использованы усреднённые параметры производственных данных выплавки стали марки 08Ю в условиях кислородно-конвертерного цеха ОАО «ММК» для регламентированной технологической инструкции параметров дутьевого режима.

Расчёты производились в электронных таблицах Microsoft Excel путём совместного решения балансовых уравнений методом итераций [5].

Результаты расчётов некоторых параметров конвертерной плавки в зависимости от содержания СО2 в газе из реакционной зоны, степени дожигания СО в реакционной зоне и доли поступления тепла на нагрев металла от этого дожигания представлены на рис. 1-4.

№1 (13). 2013

27

Раздел 3

—Доля leiiJid ui дижиганин

СО - Or 1

-СИЗ

—Даля тепла от дожигания

30% СО-ОД -03

75 SO 85 90 95 100

Окисляется углерода до СО в реакционной зоне, %

Рис. 1. Изменение расхода жидкого чугуна от развития реакции окисления углерода

23000

??500

22000

21500

ч

21000

CL

<5 20500

1 20000

it

о

■t 19500

¡C

CL

19000

-ж-ж—

- Долч тепла от до^иганм 5% СО-ОД

-0,3

-0,5 -0,7

- Доля тепло от

дожт ан ин 30% СО - 0,1

0,3

-0,5 0,7

Окисляется углерода до СО в реакционной зоне, %

Рис. 2. Изменение расхода дутья от развития реакции окисления углерода

326

324

н

я X 322

z

>■ т 320

о

о 318

-* 316

Í эй 314

я

о. 312

T7u

170 270 370 470 570

Расход дутья снизу, м3

Рис. 3. Влияние расхода инертного газа, подаваемого в конвертерную ванну снизу, на расход жидкого чугуна

170 2 70 370 470 570

Расход дутья снизу, м3

Рис. 4. Изменение содержания оксидов железа в шлаке при различных расходах дутья снизу

Литература

1. Бигеев А.М., Бигеев В.А. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2000. 544 с.

2. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: учебник для вузов. М.: Мир; ООО «Издательство АСТ», 2003. 528 с., ил.

3. Филатова Т.А., Колесникоа Ю.А. Влияние условий окисления углерода на показатели выплавки стали в конвертере // Литейные процессы: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. Вып. 11. С. 63-71.

4. Колесников Ю.А., Буданов Б.А., Сергеев Д.С. Структура и размеры реакционной зоны при подаче кислородного дутья в металлический расплав сверху // Литейные процессы: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. Вып. 10. С. 68-73.

5. Колесников Ю.А. Расчет расхода лома на плавку стали в конвертере с использованием электронных таблиц // Теория и технология металлургического производства. межрегиональный сб. науч. трудов / под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2006. Вып. 6. С. 34 - 39.

Сведения об авторах

Филатова Татьяна Александровна — магистрант института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: [email protected]

Иванин Антон Дмитриевич — аспирант института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Брусникова Алена Викторовна — аспирант института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Колесников Юрий Алексеевич - канд. техн. наук, доц. института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

♦ ♦ ♦

28

Теория и технология металлургического производства