CC BY
36
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1999г.
Вып. №8
УДК 669.184.244.66
Сущенко А В.1, Безчерев A.C.2
СОСТОЯНИЕ И ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ДОЖИГАНИЯ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ
На основе комплексного подхода проанализирована проблема организации эффективного дожигания отходящих газов в полости кислородного конвертера. Рассмотрены вопросы механизма дожигания, его интенсификации, критериальной оценки эффективности и предложены возможные пути решения проблемы.
В результате поиска резервов и опробования различных способов улучшения теплового баланса конвертерных плавок большинством исследователей [1 и др.] дожигание отходящих газов в полости агрегата было признано одним из наиболее эффективных. В то же время, в нашей стране до настоящего времени эта технология не нашла широкого промышленного применения. Попытка проанализировать проблему на основе комплексного подхода, а также определить возможные пути её решения, и является целью настоящей работы.
1.Механизм процесса дожигания отходящих газов в кислородном конвертере. Окисление СО до С02 при обычной (без принятия специальных мер но организации дожигания отходящих газов) конвертерной плавке происходит в основном при прохождении газов через шлак [1,2]. Количество образовавшегося при этом С02 зависит от окислен пости шлака и температуры ванны. Так, содержания FeO в шлаке и С02 (% об.) в газовой фазе на срезе горловины конвертера при верхней, комбинированной и донной продувках составляют соответственно (в среднем за плавку): Юэ-15 и 10, бэ-7 и 6, 3-4 и 3 [1] Для обеспечения высокой степени дожигания СО в газах, проходящих через шлак, последний должен быть существенно переокислен. С другой стороны, окисленность шлака не может считаться произвольно варьируемым параметром, т.к. её значение диктуется технологическими требованиями и особенностями процесса.
Результаты ряда исследований показывают, что просос;; истечения дутьевых потоков, предназначенных как для продувки ванны (при высоко поднятой верхней фурме), так и для дожигания отходящих газов в конвертере, характеризуется эжекцией СО струями окислителя с организацией турбулентных факелов. Установлено, что сверхзвуковые потоки являются малоэффективными для дожигания газов, т.к. последнее интенсивно развивается лишь на тех участках струи, где её скорость соизмерима со скоростью распространения фронта пламени в смеси СО-СОг (5-ь 12 м/с). Поэтому предложено для дожигания формировать дозвуковые кислородные струи.
Согласно распространённому мнению [I и др.], даже незначительно вспенившийся шлак в конвертере сильно затрудняет процесс дожигания над ванной и передачу теплоты расплаву. Так, по данным [4], при дожигании СО в газовой фазе всего 10 % выделяющейся при этом теплоты передаётся ванне, около 8 % - футеровке и более 80 % - отходящим газам, что повышает их температуру до — 1800 °С. Поэтому, предлагается уменьшать толщину и вспененность шлака, проводить продувку со шлаком, близким к свёртыванию, а также интенсивно перемешивать его с металлом. Интенсификация перемешивания ванны считается одним из главных факторов, влияющих на эффективность процесса дожигания. Во многом, именно этим объясняется тот факт, что достигнуть значительных результатов в решении рассматриваемой проблемы удалось за рубежом, где в основном применяется комбинированная продувка ванны, в то время как в отечественной практике используются преимущественно агрегаты верхнего дутья.
Для повышения коэффициента усвоения теплоты, выделяемой при дожигании СО, метал-
Мм? г. - п
лическим расплавом предлагается [4.5 и др.] осуществлять процесс в шлако-газо-
1 ПГТУ, ст. научный сотрудник.
2ПГТУ, аспирант.
металлической эмульсии (ШГМЭ). При этом дожигание газов происходит по законам погружного горения [4]. Результаты работы [5] свидетельствуют об уменьшении степени дожигания отходящих газовав этих условиях при увеличении интенсивности перемешивания ванны . что связывают с интенсификацией восстановления (Ре20п). Очевидно, существует оптимальнее значение^ , отвечающее максимуму01 и г'м (для конкретных условий конвертирования чугуна и
варианта технологии дожигания газов).
Возможности дожигания СО до С02 в объёме металла весьма ограничены, что обусловлено рекомбинацией С02 при его взаимодействии с Бе-С расплавом
2.Критериальная оценка эффективности процесса дожигания отходящих газов в кислородном конвертере. В качестве критериев, характеризующих интенсивность и эффективность процесса дожигания отходящих газов, обычно рассматривают величины а и ^"соответственно. Результаты различных исследований свидетельствуют о том, что с ростома, величинат1м(при прочих равных условиях) уменьшается. Данный факт объясняют в основном повышением температуры конвертерных газов и тепловых потерь при увеличенииоднако, на наш взгляд, вопрос требует дальнейшего исследования. Практически важным и актуальным остаётся: вопрос о
(X Т|
взаимосвязи и порске оптимума между " |м' и расходом подаваемого на дожигание вторично-
го кислорода в зависимости от способа интенсификации дожигания и варианта конвертерного процесса (в первую очередь, для доминирующей в нашей стране ЬБ-схемы).
В качестве обобщающего критерия, в большинстве работ рассматривают повышение доли лома в исходной металлошихте^®г'или соответствующее снижение расхода чугуна на выплавку стали. Данный подход не позволяет проводить достоверный сравнительный анализ результатов, полученных в различных условиях, что связано как с различием в составе исходного сырья и технологии конвертирования чугуна, так и с отсутствием необходимой информации в публикациях. Кроме того, максимально возможное значение* определяемое как желаемый результат по данному критерию, имеет жёсткое ограничение, связанное с замуеоренностью скрапа.
Особый интерес к рассматриваемому вопросу возникает в современных условиях функционирования конвертерных цехов СНГ, характеризующихся дефицитом металлолома, нестабильными параметрами шихты и производства, а также дополнительным ухудшением теплового баланса плавок в связи с неритмичной работой конвертеров. Отсутствие положительных тенденций в стабилизации работы металлургических предприятий выдвигает вопросы интенсификации и оптимизации дожигания СО в условиях нестабильных параметров производства (в т.ч. при замене лома другими охладителями - окатышами и др.) в разряд наиболее актуальных.
2.Способы интенсификации процесса дожигания отходящих газов в кислородном конвертере и устройства для их осуществления. Интенсификация процесса дожигания отходящих газов в полости конвертера осуществляется в основном в двух направлениях: 1) разработка различных способов и приемов, обеспечивающих периодическое или постоянное "умягчение" продувки ванны при использовании традиционных (однопоточных) фурм; 2) разработка способов и приёмов для одновременной продувки расплава двумя типами струй, предназначенных соответственно для рафинирования расплава и дожигания конвертерных;: газов - см. рис.
3.1.Использование традиционных (однопоточных) фурм. Некоторого повышения содержания С02 в отходящих газах можно достичь увеличением высоты продувочной фурмы вследствие интенсификации процесса окисления СО за счёт отражённого кислорода дутья и увеличения окисленности шлака. При этом для ЬЭ-конвсртсров ухудшаются ряд важных показателей плавки, что объясняется рассогласованием необходимых условий (по параметрам дутьевых струй в месте встречи с ванной) для повышения содержания С02 в отходящих газах и для обеспечения требуемой интенсивности перемешивания расплава. Поэтому данный способ нашёл применение для агрегатов с дополнительным перемешивающим дутьём.
С целью расширения возможностей управления ходом ЬЭ-плавки за счёт достижения компромисса между требованиями необходимых степени "жёсткости" рафинирующего дутья и параметров струй для эффективного дожигания конвертерных газов предложен ряд технических решений. В [6] используют подачу потока основного кислорода пед двойным углом наклона к вертикальной оси фурмы, что позволяет интенсифицировать тепло-массообменные процессы в
(реакционной зоне и на пути движения продувочных
струй к расплаву. Однако, возможности данного способа, основанного на применении для дожигания сверхзвуковых потоков кислорода, весьма ограничены Имеются предложения, основанные на "умягчении" основных дутьевых струй за счёт закрутки кислородного потока, практическая реализация которых сопряжена с высокой вероятностью переокисления и повышенным износом футеровки.
В [7,8 и др.] предлагается осуществлять продувку ванны с гармоническим изменением параметров истекающего дутья. Данное направление, на наш взгляд, является перспективным, и в первую очередь, для агрегатов верхнего дутья При этом появ ля-ется дополнительное управляющее воздействие как на процес с дожигания, так и на ход плавки в целом; интенсифицируется перемешивание ванны и передача выделяющейся при дожигании теплоты к металлу. По результатам исследований [8] при низкочастотной пульсирующей продувке ванны кислородом достигнуто (по сравнению с обычной продувкой) увеличение степени дожигания на 35 % и значительное (~ в 4 раза) повышение интенсивности теплопередачи к металлу. В нашей стране это направление заметного развития не полупило.
Периодическое "умягчение" продувки осуществляют также за счёт изменения положения фурмы над ванной по ходу плавки: её возвратно-поступательного перемещения по вертикали, вращения всей фурмы или её наконечника (рис..а), кругового перемещения наклонной фурмы (рис.,е,п), и др. Практическая реализация таких прецизионных способов в условиях низкой культуры отечественного производства представляется весьма проблематичной.
Опытно-промышленные испытания показали высокую эффективность способа дожигания СО, основанного на инжекции конвертерных газов высокоскоростным потоком кислорода дутья через отверстия в фурменном стволе (рис.,б), однако, ог дальнейшего использования данного способа отказались в связи с повышенной взрывоопасност ью фурм этого типа.
3.2.Использование кислородных фурм двухцелевого назначения. Рядом исследователей предлагается дополнительно к верхней продувочной фурме устанавливать одну или несколько фурм для подачи окислителя на дожигание СО в газовой фазе конвертера или шлаке (рис.,м,н,о). Это направление развивается преимущественно для специализированных агрегатов конвертерного типа. Несмотря на хорошие результаты (по достигнутым значениям а. и г|м), для обычных конвертеров оно выглядит малоперспективным, т.к. установка и обслуживание дополнительных фурм сопряжены со значительными технически VI трудностями.
Наибольшее распространение получили способы одновременной продувки расплава струями двух типов [1 и др.] с подачей вторичного кислорода через верхнюю фурму в газовую фазу (рис.,и) или шлак (ШГМЭ) (рис.,в). При организации дожигания в газовой фазе, доля вторичного кислорода (от общего количества), по данным различных работ, составляет от 10 до 40
е) ж) 5) и) к)
Рис. - Возможные варианты интенсификации дожигания отходящих газов в конвертере при верхней (а,б,в,г,д,е) и комбинированной (ж,з,и,к,л,м,н,о,п) продувках: 1 - конвертер; 2 -верхняя фурма; 3 - боковые (дополнительные) фурмы; 4 - донные фурмы; 5 - металл; 6 - шлак (ШГМЭ); 7 - донные струи; 8-струи первичного кислорода; 9 - струи вторичного кислорода.
%. Величинаа изменяется в пределах от 15 до 40 % (чаще 20-30 %), а находится в диапазоне от 10 до 70 % (большие значения параметров относятся к агрегатам с дополнительным перемешиванием ванны). При этом для ЬЭ-конвсртсров выявлено переокисление шлака и ухудшение стойкости футеровки.
С целью повышения эффективности дожигания конвертерных газов над ванной предлагается осуществлять периодическую подачу инертного газа взамен вторичного кислорода для осаждения и перемешивания шлака, а также снижения парциального давления СО.
При организации дожигания в ШГМЭ доля вторичного кислорода, по данным различных работ, составляет от 5 до 30 %. В условиях верхней продувки величина ^"составляет ЗО-гбО %. При подаче дозвукового потока вторичного кислорода, в ШГМЭ в условиях^ ^ом^дц^рованной продувки величина1^" находится в пределах 70-ь 100 %. При достижении величины °2
а и Лм достигают максимума, уменьшаясь по мере дальнейшего увеличения расхода вторичного кислорода. Этот факт объясняют взаимодействием С02 с углеродом капель металла, образующихся при продувке, в связи с чем выдвигают требования к конструкции фурмы и дутьевому режиму по обеспечению минимального брызгообразования.
В работе [3] отмечается, что, несмотря на увеличение при заглублении факела дожигания в ШГМЭ, вследствие тесного контакта С02 с металлом и шлаком снижается эффективность дожигания газов(а) Исходя из этого, предлагается организовывать дожигание СО в пределах специально создаваемых открытых реакционных зон при канальном ("свищевом") выходе отходящих газов через вспененный слой шлака (рис.,г,д,ж,з,к,л). В то же время, достигнуть значительных успехов в интенсификации дожигания по данному способу не удалось. Это, очевидно, связано с трудностью практической реализации схемы продувки в режиме открытой реакционной зоны вследствие пульсационной природы последней
3.3.Дутьевые устройства для интенсификации дожигания конвертерных газов. Для реализации вышеуказанных способов "умягчения" продувки ванны используют кислородные фурмы специальных конструкций. По данным [6] оптимальное значение углов наклона сопел, расположенных под двойным углом к вертикальной оси фурмы, составляет 15°. Закрутку газовых потоков чаще всего осуществляют при помощи завихрителей различных типов и модификаций: шнековых, тангенциальных, зубчатых и др. Основным недостатком таких фурм является сложность изготовления, сопряжённая с проблемой снижения их стойкости. Пульсирующую продувку организовывают при помощи газодинамических модулей различных модификаций [7] Однако, до настоящего времени не разработаны достаточно простые и надёжные устройства, обеспечивающие получение низкочастотных колебаний газового потока, которые, как показано выше, в наибольшей степени удовлетворяют задаче повышения эффективности дожигания СО. Механические прерыватели потока кислорода не нашли промышленного применения в связи с высокой стоимостью и низкой стойкостью пульсаторов данного типа и фурм в целом.
Кислородные фурмы для одновременной продувки расплава струями двух типов (двухпо-точные) можно классифицировать по двум основным признакам: 1) по уровню расположения сопел вторичного кислорода (по месту организации зоны дожигания) - двухъярусные и двухрядные; 2) по наличию дополнительного регулируемого тракта подачи кислорода в фурме (с ним или без). Параметры двухъярусных фурм находятся в следующих диапазонах: число вторичных сопел 1 (кольцевое) - 2.0; расстояние между ярусами сопел - 0,5-3,0 м; угол наклона вторичных сопел к оси фурмы 20-60°. Использование дополнительного регулируемого тракта в фурме позволяет не только поддерживать оптимальные значения расхода вторичного кислорода по ходу продувки, но и рационально разбавлять его инертными газами в определённые моменты плавки. Конструкции двухконтурных фурм можно классифицировать следующим образом: 1) по месту расположения вторичных сопел - во внутреннем (одно или несколько центральных сопел) или во внешнем (обычно 4-20 периферийных сопел) контурах; 2) по способу снижения давления вторичного кислорода (снижения дальнобойности и "умягчения" дожигающих струй) - с использованием регулируемого кислородного тракта., сопел малого диаметра, цилиндрических, диффузорных, щелевых и др. нетрадиционной формы сопел, дросселей, завихрителей газового потока различных типов, организации соударяющихся дожигающих струй и др.
В [10] указывается на перспективность использования комбинированных сопел, обеспечи-
вающих истечение из одного соплового аппарата сверхзвуковой струи, окружённой периферийным дозвуковым потоком кислорода. Применение комбинированных сопел для конвертеров верхнего дутья оказалось достаточно эффективным [11] - повышениеана 2,5 % и снижение расхода чугуна на 6,3 кг/т стали при доле вторичного кислорода от общего количества не более 4 %. При этом была выявлена проблема "зашлаковывания" каналов вторичного кислорода в конце продувки ванны.
Выводы
1. Дожигание отходящих газов в конвертере не нашло широкого промышленного применения :в нашей стране, что связано как с особенностями отечественного конвертерного производства (отсутствием дополнительного перемешивающего дутья в агрегатах и др.), так и с рядом нерешённых вопросов по реализации технологии эффективного дожигания газов. При этом основная трудность заключается не столько в увеличении степени дожигания, сколько в обеспечении эффективной передачи выделяющейся теплоты расплаву.
2. Дальнейшее совершенствование технологии дожигания конвертерных газов заключается в оптимизации управляющих параметров процесса дожигания в зависимости от различных условий конвертирования чугуна, в т.ч. при нестабильных параметрах шихты и производства.
3. Наиболее перспективными способами интенсификации и повышения эффективности дожигания отходящих газов в конвертере являются: использование низкочастотного пульсирующего дутья, периодической (импульсной) подачи нейтральных газов и вторичного кислорода, применение вихревых струй вторичного кислорода и комбинированных сопел.
Перечень ссылок
1. Баптизманскнй В.И., БоИченко Б.М., Черевко В.П. Тепловая работа кислородных конвертеров. -M.: Металлургия, 1988. - 174с.
2. Бигеев A.M. Металлургия стали. - М.: Металлургия, 3 988. -480с
3. Чернятевич А.г. Разработка наконечников двухконтурных фурм для кислородных конвертеров // Известия вузов. Черная металлургия. - 1995. - № 12. - С. 13-17.
4. Дожигание монооксида углерода в конвертере. Теплоперенос / Охотский В.Б.. Борисов Ю.Н., Зражевский А.Д. и др. // Известия вузов. Черная металлургия. - 1992, - № 10. - С.8-10.
5. Huin D., Landry J.MReboul J.P. Study of 6-t pilot oxygen converter // 71st Steelmaker Congress. Proc. Vol. 71. Toronto Meeting, April П-20, 1988. - Warrendable, 1988. -P.311-315.
6. Эффективность использования конвертерных фурм с двойным углом наклона сопел / Казаков A.A., Перпудов A.C., Литвинов Л.Ф и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1986. -№ 1. - С. 17-18.
7. Явойский A.B., Явойский В.И.. Сизов A.M. Применение пульсирующего дутья при производстве стали. - М.: Металлургия, 1985. - 176с
8. Такахаши Ю. Разработка верхней фурмы для вторичного дожигания в экспериментальном конвертере // Тэцу то хаганэ. J. Iron and Steel Inst. Jap. - 1987 - T.73, № 4. - C.216.
9. Сизов A.M. Газодинамика сверхзвуковых струй в металлургии. -М.:Металлуршя,1987. -240с.
10.Разработка и промышленное опробование кислородных фурм для одновременной продувки расплава струями двух типов / Сущенко A.B., Курдюков A.A., Буга И.Д. и др. // Труды IV-oro конгресса сталеплавильщиков. -М.: ОАО "Черметинформация", 1997. - С. 110-112.
Сущенко Андрей Викторович. Заведующий Отделом математического моделирования и оптимизации теплотехнологических процессов и агрегатов ПЛИ Л, окончил Мариупольский металлургический институт в 1984г. Основные направления научных исследований - математическое моделирование и энергооптимизация теплотехнологических процессов и систем; разработка и внедрение энергоресурсосберегающих технологий металлургического производства.
Безчерев Александр Сергеевич. Аспирант кафедры ТТМГ1, окончил Приазовский государственный технический университет в 1996г. Основные направления научных исследований - математическое моделирование и энергооптимизация теплотехнслогических процессов и систем; разработка и внедрение энергоресурсосберегающих технологий.
