CC BY
35
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2000 р.
Вип.№10
УДК 669.184.244.66: 669.184.24
Сущенко A.B.
ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДУТЬЕВЫХ РЕЖИМОВ И УСТРОЙСТВ
КИСЛОРОДНЫХ КОНВЕРТЕРОВ
У*
Рассмотрены основные проблемы совершенствования дутьевых режимов и устройств кислородных конвертеров и показаны некоторые пути их решения.
Решение главной задачи современного кислородно-конвертерного процесса - получение расплавленного металла с заданными свойствами (строение, состав, температура) при минимальных затратах материальных и энергетических ресурсов и вредных выбросах в окружающую среду, неразрывно связано с оптимизацией параметров дутьевых режимов и устройств -одного из основных и наиболее универсальных управляющих воздействий на ход и техникой экономические показатели плавки. При этом дутьевой режим конвертерной плавки можно рассматривать в.двух ракурсах: 1) в широком смысле слова, как обобщающую характеристику конструктивных особенностей и режимных параметров работы продувочных устройств, определяющую динамику фаз и характерных зон в конвертерной ванне (при определенных параметрах агрегата и технологии плавки); 2) в узком смысле слова, как регламентированное изменение параметров энергоносителей (расход, состав) и положения верхней фурмы по ходу продувки плавки (при определённых параметрах дутьевых устройств). В первом случае можно говорить о предмете оптимизации, во втором - о её средстве.
1. Требования, предъявляемые к дутьевым режимам и устройствам кислородных конвертеров. В связи с тем, что дутьевой режим определяющим образом влияет (прямо или косвенно) на все основные процессы, протекающие в конвертерной ванне [1-3 и др.], требования к нему достаточно "жёстко" регламентируются практикой. Среда «их можно выделить основные (обязательные) - обеспечивающие необходимые условия для реализации технологического процесса в целом, и дополнительные - обеспечивающие улучшение тех или иных технико-экономических показателей выплавки стали в соответствии с особенностями используемой технологии; К основным относятся: быстрое и устойчивое "зажигание" операции; раннее наведение реакционно-способного шлака требуемой консистенции и поддержание его состояния до конечного периода продувки с исключением явлений "сворачивания" шлака и выбросов шлако-газо-металлической эмульсии из конвертера; достижение гомогенного состояния металлического расплава по всему объёму ванны до момента окончания продувки; обеспечение необходимой длительности операции и достаточной стойкости футеровки агрегата и продувочного устройства; возможность регулирования процесса при его отклонении от нормального хода под влиянием имеющихся возмущающих воздействий. Причём, если хотя бы одно из вышеуказанных основных требований не выполняется (за исключением особых технологий), то, как показывает опыт, даже при улучшении некоторых показателей плавки, соответствующие дутьевые устройства после их опытно-промышленных испытаний не эксплуатируются.
В настоящее время, в связи с разрушением единого металлургического комплекса б. СССР, в силу сложившейся кокьюктуры рынка и особенностей локального ценообразования, кисло-родно-конвертерные цеха Украины и стран СНГ работают в условиях нестабильного снабжения сырьём и энергоносителями. При этом, параллельно с традиционной задачей снижения удельного расхода чугуна на выплавку стали, конвертерщики вынуждены решать диаметрально противоположную - разрабатывать эффективные технологии конвертирования чугуна в условиях дефицита металлолома. Это вызывает дополнительные трудности в управлении процессом и предъявляет новые требования к конструкциям дутьевых устройств, связанные с расширени-
" ПГТУ, ст. научи, сопр.
ем диапазона их эффективного использования (необходимостью обеспечения оптимальных дутьевого и шлакового режимов плавки в условиях нестабильных параметров металлошихты и производства). В этих условиях задача оптимизации дутьевого режима плавок осложняется ещё и тем, что подавляющее большинство отечАгаенных конвертеров представляют собой агрегаты верхнего дутья, в которых отсутствует возможность коррекции динамических параметров процесса за счёт дополнительной перемешивающей продувки ванны.
2.Взтшосвязъ параметров дутшймакрокинетики конвертерной плавки, сущность управления плавкой и дутьевым /»еэигалиш. Кислородно-конвертерная плавка как объект динамического управления представляет собой открытую систему, характеризующуюся сложным комплексом одновременно протекающих взаимосвязанных гидро-газодинамических, тепло-массообменных и физико-химических процессов, параметры которых непрерывно изменяются как во времени, так и в пространстве (по месту протекания в агрегате). Основные особенности макрокинетики конвертерной плавки в различные периоды последней рассмотрены в работах [1-3 и др.]. Структурная схема управления процессом, с выделением характерных зон и объектов в ванне, а также взаимосвязей между ними по ходу продувки плавки (при обычной технологии), представлена на рис. 1. При этом можно выделить две главные зоны протекания метал-____лургических реакции - РЗ и
ШГМЭ
Режим присадок сыпучих материалов
реакции включая границу раздела Ш/ВЧВ. После достижения критической концентрации углерода в расплаве ВЧВ для условий его окисления в РЗ -
по мере прогрева и роста окисленносги металла, реакция обезуглероживания расплава распространяется на весь объем ВЧВ (явление "самораскисЛения" ванны) и можно говорить об активизация третьей основной зоны реагирования.
Управление плавкой предполагает управление, в той или иной степени, всеми металлургическими процессами, протекающими в агрегате, основными из которых являются: окисление информация о состоянии железа и примесей расплава, прежде всего С, Б), Мп, в
Рис.1 - Схема управления процессом и взаимодеиствия между основ- рз /условно на^ём реак.
кыми характерными зонами и объектами в конвертерной „ „
циями прямого окисле-ванне по ходу продувки плавки м '
ния); шлакообразование;
окисление примесей расплава, прежде всего Р, 8, Мп, С, в ШГМЭ (условно назовём реакциями "косвенного" окислений); плавление металлолома; прогрев НЧВ и расширение объёма ВЧВ; прогрев и перемешивание расплава и др.
Величина и соотношение скоростей окисления Ре и примесей металла в РЗ (УРв, Ус и др.) зависят от соотношения массопотокор последних и кислорода дутья в РЗ, а также температурных условий во вторичной реакционной зоне (ВРЗ), которые, в свою очередь, определяются составом и температурой металла в ВЧВ, интенсивностью поступления кислорода дутья в РЗ (с учётом частичного его реагирования в ШГМЭ) - т^ (кг/с) и расходом циркулирующего через
Футеровка конвертера
к Нижняя часть ванны (с застойными зонами и "замёрзшим" расплавом) - НЧВ
основное воздействие; —
РЗ расплава - mp (кг/с), характеризующего эжекцйонные свойства дутья при определённых
параметрах дутьевого режима плавки.
Скорости протекания реакций "косвенного" окисления взаимозависят от свойств и состояния шлака (прежде всего от его окисленности, основности и температуры), температуры и состава металла в ВЧВ, а также перемешивания на границе раздела Ш / ВЧВ, ЩГМЭ.
Параметры шлака определяются в основном интенсивностью поступления "горячих" оксидов Fe, Si, Мпв шлак из РЗ и режимом присадок шлакообразующих материалов. Процесс шлакообразования лимитируется растворением (ассимиляцией) извести и является наиболее "узким местом" конвертерной плавки в условиях интенсивной продувки ванны. Скорость растворения извести в шлаке определяется окисленностью, температурой й перемешиванием последнего.
Динамика плавления лома и изменение объёма НЧВ в агрегате определяются в основном температурой и составом (прежде всего содержанием углерода) расплава ВЧВ, а также условиями перемешивания последней. При этом изменение температуры (Vt) и состава ВЧВ определяется её объёмом (величиной заглубления струй в ванну) и взаимозависит от всех указанных выше процессов. Равномерность распределения параметров расплава по объёму ВЧВ определяется характеристиками её перемешивания.
Перемешивание ванны определяется дутьевым режимом плавки, интенсивностью протекания "прямых" и "косвенных" реакций окисления углерода расплава, а также геометрией и структурой (наличием НЧВ, конфигурацией кусков лома и т.п.) ванны и характеризуется удельной мощностью перемешивания расплава ер (Вт/м3) и структурой циркуляционных течений в нём.
Таким образом, управление макрокинетикой плавки посредством дутьевого режима последней осуществляется за счёт изменения параметров взаимодействия дутья с ванной, основными из которых являются: тГ ; размеры РЗ: заглубление струй в ванну - Нрз и диаметр - Dp3;
ni^V ¿р и др. (см. рис.2). Эти параметры определяются состоянием ванны и параметрами
дутьевого режима плавки (характеристиками струй в месте встречи с ванной: скоростью wx, плотностью рх, содержанием кислорода {Oj}*, диаметром d„ H др.), отражающими в себе влияние процессов истечения (из сопел) и взаимодействия струй с газовой фазой до уровня ванны (при незаглубленной продувке). Дутьевой режим, в свою очередь, определяется конструктивными параметрами дутьевого устройства - фурмы' (количеством - Пс, углом наклона - а, минимальным диаметром - d^, и числом Маха - Мс сопел, и др.) и режимными параметрами его работы (расходом кислорода - V0j и высотой фурмы - Нф). При этом реальная величина параметра Нф (в отличие от определяемой по сельсину) стохастично изменяется по ходу продувки в соответствии с динамикой фаз в агрегате.
3. Основные принципы и особенности оптимизаций параметров дутьевых режимов и устройств кислородных конвертеров. В связи с тем, что дутьевой режим является одной из подсистем более сложной системы "конвертерная плавка", задача его оптимизации неразрывно связана с более общей задачей оптимизации конвертерной плавки в целом. Последняя, в свою очередь, является частнойАзадачей оптимизации конвертерного передела и т.д. Это требует чёткого определения целей, объекта, условий, критериев и средств оптимизации. Последовательность решения (подчинённость) задач оптимизации основных параметров кислородно-конвертерной плавки (для заданной марки стали) можно представить следующим образом: 1) оптимизация на уровне передела (с учётом возможностей оборудования цеха, имеющихся количества и видов шихтовых материалов и т.п.): определяются вид шихтовых материалов, параметры, металла на выпуске из конвертера и др.; 2) Оптимизация параметров шихтовки плавки (с учётом возможностей используемой технологии); 3) оптимизация дутьевого режима и режима присадок сыпучих материалов (по ходу продувки). При заданных параметрах шихтовки (ме-
1 Рассматривается случай верхней продувки кислородом через обычную рафинирующую фурму.
Конструктивные параметры дутьевого устройства (конструкция фурмы) Пс, a, d^, Мс и др.
Режимные параметры работы дутьевого устройства (режим продувки)
Параметры дутьевого режима плавки (параметры струй в месте встречи с ванной)
^х; рх; {ОзЬ; <Ь и др.
I
)
Параметры взаимодействия дутья с ванной
таллошихта, масса сыпучих материалов) и параметрах металла на выпуске из конвертера дутьевой режим и режим присадок являются единственными управляющими воздействиями по ходу плавки, причём возможности второго весьма ограничены (регламентированы технологией).
Оптимизация дутьевого режима конвертерной плавки осуществляется в соответствии со схемой рис.2, снизу вверх. При этом необходимо: 1) чётко определить (постановка задачи) какие параметры (показатели) плавки требуют улучшения, а какие необходимо сохранить на достигнутом уровне; выбрать критерии оптимизации; 2) ус-тановить основные функциональные связи между изменяемыми параметрами дутьевого режима и критериями оптимизации и 3) решить собственно задачу оптимизации.
В связи с многофакторностью рассматриваемого процесса решение поставленной задачи имеет ряд особенностей. 1. Изменение какого-либо из параметров дутьевого режима плавки оказывает одновременное влияние практически на все её технико-экономические показатели, причём не только в лучшую сторону. В связи с этим необходим комплексный подход к рассматриваемой проблеме с использованием общих 1фитериев оптимизации, таких как, например, себестоимость выплавляемой стали.
2. Достижение заданных значений параметров дутьевого режима плавки может быть получено, как правило, несколькими вариантами комбинаций изменений конструктивных параметров дутьевых устройств и режимных параметров их работы. При этом в качестве дополнительных критериев оптимизации должны использоваться: простота исполнения, надёжность, малозатратное^ и т.п.
3. На параметры макрокинетики плавки, помимо указанных управляющих воздействий, оказывают существенное
(иногда более сильное) влияние и другие факторы, такие как параметры шихтовки плавок, интенсивность работы агрегатов и т.п. Поэтому установление оптимальных параметров дутьевого режима плавки неразрывным образом связано с конкретными областями изменений указанных факторов. Выход за пределы этих областей приводит к ухудшению дутьевого режима плавки и требует дополнительной корректировки его параметров. Если при этом за счёт изменения режимных параметров работы дутьевого устройства невозможно обеспечить требуемый дутьевой режим плавки, возникает необходимость изменения конструкции фурмы.
4.Способы решения задачи оптимизации параметров дутьевых режимов и устройств. Решение рассматриваемой задачи может осуществляться различными способами: на основе решения обратной или прямой задач анализа с использованием математических моделей (ММ) процесса продувки плавки (во втором случае требуется проведение многовариантных расчётов); на основе полуэмпирических зависимостей с использованием критериев подобия; на основе анализа физической картины процесса с использованием метода последовательных приближений и др. Не вдаваясь в подробности указанных методов, отметим следующее. С точки зрения современных представлений о конвертерной плавке, наибольший интерес представляют её динамические детерминированные ММ с распределёнными параметрами, отражающие степень изученности процесса и содержащие наиболее исследованные и формализованные взаимосвязи меж^у его характеристиками. При этом анализ известных ММ показывает, что в настоящее время наиболее изучена и формализована термодинамика процесса, менее изучена макрокине-
Параметры макрокинетики плавки »С, Vt; (FeO) ш И Др.
Рис. 2 - Схема взаимовлияния параметров дутьевого режима и макрокинетики плавки
тика, причём наиболее "узким местом" являются взаимосвязи гидро-газодинамики плавки с основными металлургическими процессами, которые, в конечном счёте, определяют зависимость последних от управляющих воздействий. Аналитическое решение задачи о взаимодействии даже изотермических нереагирующих сверхзвуковых струй с жидкостью на настоящий день не может быть получено в связи невозможностью корректного задания граничных условий в системе, неполной ясности природы турбулентности [4]. Поэтому, очевидно, к расчёту таких сложных систем, как "реакционная зона окислительного дутья" и др., ещё долгое время единственно возможным будет полуэмпирический подход, основанный на упрощающих допущениях и выделении из большого числа явлений, сопровождающих продувку, главных и определяющих.
В работе [3] предложена упрощённая динамическая функцирнально-детермннированная модель кислородно-конвертерной плавки, взаимосвязи параметров дутья и макрокинетики процесса в которой определялись с использованием полуэмпирических критериальных зависимостей (для нахождения величины Шр3,) для верхней [5] и донной [6] продувки ванны. При этом, несмотря на значительное упрощение задачи, было получено хорошее качественное и количественное соответствие модели реальному процессу. Развитие указанного подхода (добавление к модели подсистем "шлак - металл" и "струя - ванна") позволяло моделировать влияние основных управляющих воздействий (У0 ; Нф; конструкция фурмы) на ход плавки (УР4, Ус,
(РеО)ш и др.) СС [%С] 1600
ноо
1400 1300 1200
1100
0
рис.3. При этом дополнительно к критериямт, = т5 / хпр и т6 = х6 / тпр [3], ха-г Мтв
Н„ М„
0,6
0,4
0,2
0
300
200
100
0»-
(РеО)ш, % ■ 20
15
10
5 "
0
13 14 15 т, мин.
Ряс. 3 - Результаты моделирования макрокинетики конвертерной плавки (350-т конвертер МК "Азов-сталь", плавка № 4714,1996г.): 4ь М) - температура и масса жидкого ВЧВ; г / Нв - относительная координата границы раздела ВЧВ иНЧВ; М^/М^ - относительная (к начальной массе лома) масса твердого в ванне; [%С]] - концентрация углерода в расплаве ВЧВ; {%С]и , [%С]£ - суммарная концентрация примесей в расплаве ВЧВ н ванны целом (в пересчёте на эквивалентные количества углерода); г - время продувки плавки; номера характерных (релерных) точек 1- начало заливки чугуна; 2 • начало продувки; 3 - окончание плавления лома в ВЧВ; 4 - начало движения термоконвектнвного фронта [3]; 5 • окончание периода преимущественного окисления углерода во ВРЗ (достижение РЧ
[% С]кр ; 6 - окончание периода движения термоконвективного фронта и плавления лома в агрегате; 7 - конец продувки.
рактеризующих ход плавки, были выделены следующие:
Нрз
НРЗ/НВ;
Ррз = ррз /Рв~(0рз /О,)2; шррз =Шр3 /(Мр 1хщ\
РЗ
тР.о2 =тр
/ т.
где НВ) Эв - глубина и диаметр ванны (в спокойном состоянии); Мр - масса расплава в ВЧВ (или во всей ванне); тпр -текущее (или полное соответственно) время продувки плавки, ш02 - массовый расход кислорода на продувку. Эти критерии в комплексе характеризуют все основные особенности дутьевого режима плавки для конкретного» агрегата. Такой подход дозволяет упростить систему расчёта в соответствии со схемой рис.2, обобщая блоки 3 и 4; расчёт выходных параметров обоих указанных блоков затруднён ярко выраженной стохастичностью, связанной с неопределённостью реального значения Нф, свойств взаимодействующих фаз, расположением лома в агрегате и т.п.
Предложенный подход использовался при оптимизации параметров соплового блока кислородной фурмы в конвертерном цехе МК "Азовсталь" [7]. Проведение работы было вызвано объективной необходимостью повышения доли чугуна в металлошихте плавок (на 30-г50 кг/т), смещением дутьевого режима в сторону "жёсткой продувки" и резким ухудшением, в связи с этим, технико-экономических показателей выплавки стали (1993 / 94 г.г.). На основе математического моделирования были определены оптимальные параметры нескольких (наиболее простых в исполнении) вариантов конструкций фурменных наконечников, после опытно-промышленного опробования которых и сравнительного анализа результатов испытаний, были окончательно определены оптимальная конструкция соплового блока и соответствующий режим плавки. Внедрение их в производство в 1995 г. позволило улучшить ряд технико-экономических показателей выплавки стали, в частности уменьшить удельный расход метал-лошихты на 7,5 кг/т стали, и получить годовой экономический эффект 327 млрд. крб. в ценах 1995 г. 1,8 млн, дол. США). Особенности разработанной конструкции фурмы (применение сопел новой конструкции - с двухучастковым диффузором, а также искусственно созданный "запас" рабочего давления кислорода на сопловом блоке; выбор оптимальных характеристик сопел для условий работы конвертеров в более широком диапазоне изменения параметров шихтовки) позволили улучшить управляемость процессом плавок, в результате чего она используется на предприятии до настоящего времени в качестве базовой.
5. Расширение возможностей управления плавкой посредством совершенствования дутьевых режимов и устройств. Как уже отмечалось, в связи с отсутствием дополнительной перемешивающей продувки ванны, возможности управления макрокинетикой плавки (посредством дутьевого режима) в отечественных конвертерных цехах ограничены. Вместе с тем, усилившиеся в последнее время тенденции в нестабильности снабжения предприятий сырьём и энергоносителями, а также, необходимость развития новых технологий (с использованием первородного сырья, дожигания газов в агрегате, и др.) требуют расширения указанных возможностей. В этих условиях пути решения проблемы могут быть следующие. В направлении изменения конструктивных параметров дутьевых устройств (при соответствующих режимах продувки): 1) разработка конструкции универсальной фурмы, обеспечивающей оптимальные параметры дутьевого режима плавки в существенно изменяющихся условиях производства (например, фурмы с изменяемой геометрией сопел); на настоящий день, в приемлемом для нужд практики виде, эта задача является неразрешённой; 2) использование фурм универсальных конструкций, позволяющих на этапе сборки (например, при установке наконечника на ствол фурмы) достаточно быстро и просто изменять конструктивные параметры (тип) фурмы [8]; 3) использование парка фурм (двух-трёх унифицированных конструкций), предназначенных для работы в определённых диапазонах изменения параметров шихты и производства, и др. В направлении изменения режимных параметров работы продувочных устройств (при соответствующем конструктивном исполнении последних): 1) расширение возможностей управления плавкой посредством изменения У«^ и Нф по ходу продувки при использовании сопловых блоков, обеспечивающих одновременное истечение струй двух типов (например, с-использованием дополнительных "умягчённых" струй, газодинамических завес, и т.п.); 2) управление соотношением расходов кислорода, подаваемого по независимым (автономно регулируемым) трактам; 3) изменение окислительного потенциала дутья при дополнительном использовании инертных газов; 4) регулирование амплитудно-частотных характеристик дутья по ходу продувки, и др.
Решение задачи оптимизации применительно к использованию, так называемых, многоцелевых (многофункциональных) дутьевых устройств, имеющих сопла двух типов, дополнительный регулируемый тракт подачи кислорода, повод инертного газа и т.п., осложняется. Это связано с тем, что, с одной стороны - увеличивается количество изменяемых конструктивных и режимных параметров фурмы (число вариантов решения задачи), ас другой - возникает необходимость рассмотрения дополнительных процессов в агрегате (например, дожигания газов в специально создаваемых зонах и т.п.), связанных с появлением новых управляющих воздействий. В последнее время активизировалась работа по созданию дутьевых устройств такого типа с целью интенсификации дожигания отходящих газов в конвертерах. Основные аспекты этого, болеечастного вопроса, рассмотрены в [9, 10].
Не претендуя на полноту изложения всех проблем по рассматриваемому вопросу, автор надеется, что настоящая статья будет полезна специалистам с позиций общего подхода к решению задач оптимизации дутьевых режимов и устройств кислородных конвертеров, а также разработки новых технических решений в этом направлении.
Выводы
1. Показана взаимосвязь параметров дутья и макрокинетики конвертерной плавки, сформулированы требования к дутьевым режимам и устройствам в современных условиях отечественного конвертерного производства.
2. Сформулированы основные принципы и рассмотрены особенности решения задачи оптимизации параметров дутьевых режимов и устройств кислородных конвертеров; проанализированы существующие проблемы и предложены некоторые пути их решения.
Перечень ссылок
1. Баптизманский В.И., Охотский В.Б. Физико-химические основы кислородно-конвертерного процесса. - Киев - Донецк: Вища школа, 1981. - 182с.
2. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / Колпаков СВ., Ста-роеР.В., Смоктий В.В. и др. -М.: Машиностроение, 1987. - 184с.
3. Капустин Е.А., Сущенко A.B. Развитие теории и математической модели кислородно-конвертерной плавки // Вопросы теории и практики сталеплавильного производства. - М.: Металлургия, - 1991. - С.57-73.
4. Струминский В.В. Введение II Проблемы турбулентных течений. -М.: Наука, 1987. -С.3-8.
5. Капустин К А., Сущенко А.В-, Поживанов М.А, К математическому моделированию кисло-родно-конвертерной плавки // Теория и практика металлургических процессов. - К.: Тех-шка,-. 1990. -С.24-33.
6. Капустин Е.А., Сущенко A.B. Расчёт критической концентрации углерода в кислородном конвертере с донной продувкой//Изв. вузов. Чёрная металлургия. - 1986. - № 5. - С. 145.
7. Оптимизация параметров соплового блока кислородной фурмы ККЦ АП "МК "Азовсталь" / Сущенко A.B., Курдюков A.A., Буга И.Д. и др. // Труды IV-oro конгресса сталеплавильщиков. -М.: "ОАО "Черметинформация", 1997. - С. 113-114.
8. Сущенко A.B. Разработка и внедрение универсальной кислородной фурмы для продувки конвертерных плавок в условиях нестабильных параметров шихты и производства //Вестник Приазовского государственного технического университета. -1999. - № 8. - С.45-49.
9. Сущенко A.B., Безчерев A.C. Состояние и пути решения проблемы дожигания отходящих газов в полости кислородного конвертера //, Вестник Приазовского государственного технического университета. -1999.-№ 8. - С.50-54.
10. Сущенко A.B., Безчерев А-С. О математическом моделировании процесса дожигания отходящих газов в кислородном конвертере // Вестник Приазовского государственного технического университета. - 2000. - № 9. -С.23-26.
Сущенко Андрей Викторович. Заведующий отделом математического моделирования и оптимизации теплотехнологических процессов и агрегатов ПНИЛ, окончил Мариупольский металлургический институт в 1984 г. Основные направления научных исследований - математическое моделирование и энергооптимизация теплотехнологических процессов и систем; разработка и-внедрение энергоресурсосберегающих технологий металлургического производства.
