Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние теории и направления развития способов продувки конвертерной ванны 10
1.1 Общая характеристика и технологические особенности верхней и комбинированной продувки расплава в конвертере 10
1.2 Особенности конструкций верхних дутьевых устройств для продувки ванны и дожигания отходящих конвертерных газов в полости агрегата 21
1.3 Анализ аэрогидродинамических и теплообменных явлений в конвертерной ванне 30
1.4 Задачи исследований 39
2 Исследование аэрогидродинамических закономерностей продувки конвертерной ванныгазовыми струями с разным динамическим напором 41
2.1 Анализ условий высокотемпературного моделирования, экспериментальные установки и методика проведения исследований 41
2.2 Численно-аналитическое исследование движения расплава в зоне продувки струями с разным динамическим напором 68
2.3 Исследование гидрогазодинамики конвертерной ванны при продувке расплава струями с разным динамическим напором 79
2.3.1 Особенности верхней продувки струями с разным динамическим напором 79
2.3.2 Организация реакционных зон при верхней и комбинированной продувке с дожиганием отходящих газов 95
2.4 Выводы по главе 2 109
3 Математическое моделирование процессов гидродинамики и теплообмена при продувке конвертерной ванны с дожиганием отходящих газов 111
3.1 Численное моделирование перемешивания и теплообмена в расплаве при различных вариантах продувки 112
3.2 Моделирование газодинамики и теплообмена при дожигании отходящих газов в рабочем пространстве конвертера и обсуждение полученных результатов '. 131
3.3 Выводы по главе 3 157
4 Разработка, промышленное исследование и совершенствование дутьевых устройств и способов верхней и комбинированной продувки кислородом и нейтральным газом в 160-тонных конвертерах ОАО «ЗСМК» 159
4.1 Исходные условия и методика проведения исследований 159
4.2 Результаты отработки и исследования технологии комбинированной продувки конвертерной ванны с послепродувочным перемешиванием нейтральным газом 164
4.3 Разработка многоцелевых конструкций дутьевых устройств, обеспечивающих продувку расплава струями с различным динамическим напором 182
4.4 Результаты разработки и изучения технологии конвертерной плавки с применением фурмы с соплами нетрадиционной формы 191
4.5 Выводы по главе 4 205
Заключение 207
Список использованных источников 210
Приложение 233
- Особенности конструкций верхних дутьевых устройств для продувки ванны и дожигания отходящих конвертерных газов в полости агрегата
- Численно-аналитическое исследование движения расплава в зоне продувки струями с разным динамическим напором
- Моделирование газодинамики и теплообмена при дожигании отходящих газов в рабочем пространстве конвертера и обсуждение полученных результатов
- Разработка многоцелевых конструкций дутьевых устройств, обеспечивающих продувку расплава струями с различным динамическим напором
Введение к работе
Освоенный в начале 60-х годов прошедшего столетия и получивший наибольшее распространение в настоящее время кислородно-конвертерный процесс наиболее полно отвечает задачам повышения экономической эффективности и улучшения качества металлопродукции.
Состояние конвертерного производства России практически полностью отражает основные проблемы мировой практики как по определению оптимального состава перерабатываемой шихты, так и направлениям снижения потерь и расходных показателей процесса [1-3]. При этом современные экономические условия, колебание рыночных цен на основные шихтовые материалы предопределяют необходимость создания новых технологий, источников сырья и выбора варианта работы конвертеров.
Разработка и успешное освоение новых вариантов конвертерных процессов предполагает, с одной стороны, проведение теоретических и экспериментальных исследований механизма явлений при различных способах продувки конвертерной ванны, а с другой, практическое использование полученных результатов для создания ресурсо- и энергосберегающих технологий конвертирования.
Благодаря разработке и использованию в последнее время оригинальных методов высокотемпературного моделирования кислородно-конвертерного процесса и применению математического моделирования удалось получить новые экспериментальные данные, касающиеся вопросов взаимодействия кислородных струй с расплавом [4-8], механизма рафинирования конвертерной ванны [9-11] и гидродинамики последней [12-14]. Все это позволило разработать основные положения физико-химической модели кислородно-конвертерного процесса [15] и на ее основе подойти вплотную к технически грамотному решению таких практических задач, как разработка оптимальных конструкций кислородных фурм и дутьевого режима плавки.
В то же время применительно к новым комбинированным конвертерным процессам, время промышленной эксплуатации которых исчисляется всего 15-20 годами, имеется широкое поле деятельности, поскольку большинство вопросов теории и практики остаются малоизученными [16]. Подчеркивается [17], что практически все варианты новых конвертерных процессов, базирующихся на использовании внешней энергии и имеющие тепловые резервы, пока нельзя считать отработанными.
Сообщается [16-17] о трудностях в рафинировании металла по ходу плавки, снижении стойкости футеровки и дутьевых устройств, необходимости предотвращения выбросов и выносов при продувке.
В силу конъюнктурных соображений имеющаяся зарубежная техническая информация [18] по промышленной эксплуатации новых вариантов комбинированного дутья носит общий и зачастую рекламный характер. Попытки использовать опубликованные в печати [16] рекомендации иностранных фирм не дают стабильных и удовлетворительных результатов и требуют проверки в конкретных условиях.
Актуальность темы: В современных условиях повышение эффективности кислородно-конвертерного процесса связано с использованием новых технических решений на базе прогрессивных ресурсосберегающих технологий. В этой связи актуальным является разработка теоретических и практических вопросов реализации энергосберегающих методов продувки конвертерной ванны. К числу важнейших проблем можно отнести вопросы повышения эффективности продувки конвертерной ванны с дожиганием отходящих газов в рабочем пространстве агрегата, освоение технологии продувки конвертерной ванны струями с разным динамическим напором при верхней и комбинированной подаче кислорода и нейтрального газа.
В повседневной практике работы конвертерных цехов России в настоящее время зачастую используются устаревшие, не отвечающие современному уровню ресурсо- и энергосбережения технологии, дутьевые
устройства и агрегаты. Поэтому развитие теоретических основ и практических аспектов ресурсо- и энергосберегающей технологии продувки конвертерной ванны струями с разным динамическим напором является актуальной задачей сегодняшнего дня.
Связь работы с научными программами и планами: Основной объем проведенных научно-исследовательских работ выполнен по грантам и программам Министерства образования и науки Российской Федерации.
Цель и задачи исследования: Для условий сырьевой базы России на
основе экспериментальных и теоретических исследований
гидрогазодинамических и тепломассообменных закономерностей новых вариантов продувки конвертерной ванны при интенсификации дожигания отходящих газов в рабочем пространстве агрегата найти эффективные пути совершенствования технологии конвертирования металла, обеспечивающие повышение выхода жидкой стали, снижение расхода сырья и материалов при надлежащей стойкости дутьевых устройств и футеровки агрегата.
Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:
разработка и оптимизация установок и методик для высокотемпературного исследования физико-химических процессов в реакционных зонах взаимодействия дутья с ванной и гидрогазодинамических закономерностей поведения последней при различных вариантах продувки;
проверка работоспособности и отработка оптимальных лабораторных конструкций верхних и донных дутьевых устройств, выполняющих функции продувки ванны и дожигания отходящих газов в полости конвертера;
с использованием высокотемпературного моделирования определение особенностей поведения конвертерной ванны, оптимальных вариантов организации реакционных зон в расплаве при продувке струями с разным динамическим напором через одно- и двухпоточные кислородные фурмы;
- получение уточненных выражений для определения параметров
реакционных зон, скорости движения и интенсивности циркуляции жидкого
металла при различных режимах разноимпульсной продувки;
разработка методики проектирования и, на ее основе, конструкции верхних дутьевых устройств для продувки струями с разным динамическим напором;
исследование на основании высокотемпературных экспериментов и математического моделирования процессов тепломассообмена в конвертерной ванне при продувке струями с разным динамическим напором;
- разработка промышленных конструкций дутьевых устройств,
совершенствование технологических вариантов продувки конвертерной
ванны струями с разным динамическим напором.
Научная новизна полученных результатов: Разработаны и предложены практические варианты использования многоцелевых конвертерных установок для высокотемпературного изучения особенностей гидрогазодинамики и тепломассообмена при различных вариантах продувки конвертерной ванны струями с разным динамическим напором.
С использованием высокотемпературного моделирования получена новая информация о структуре и размерах реакционных зон, образующихся при воздействии струй разного импульса на конвертерную ванну с обеспечением дожигания отходящих газов. Впервые получена достоверная информация об особенностях поведения ванны, вспенивания металла и шлака, механизма образования выбросов и основных управляющих воздействиях на ванну при различных режимах верхней и комбинированной продувки струями с разным динамическим напором.
На основе высокотемпературных экспериментов и математического моделирования процессов тепломассообмена теоретически и экспериментально обоснованы новые и усовершенствованные методы верхней и комбинированной продувки конвертерной ванны струями с разным динамическим напором с использованием предложенных
8 конструкций дутьевых устройств.
Практическое значение полученных результатов; Полученные в работе научные результаты использованы для разработки технологических рекомендаций и промышленных конструкций новых многоцелевых дутьевых устройств, обеспечивающих повышение энергосберегающей эффективности продувки конвертерной ванны струями с разным динамическим напором.
Рабочие чертежи разработанных и оптимизированных конструкций верхних многоцелевых фурм для продувки конвертерной ванны струями с разным динамическим напором, технологические рекомендации по дутьевому и шлаковому режиму ведения операции переданы к внедрению в конвертерных цехах ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» (г. Новокузнецк).
Личный вклад соискателя: Экспериментальные и теоретические исследования, вошедшие в диссертационную работу, выполнены при непосредственном участии автора совместно с сотрудниками Сибирского государственного индустриального университета, Днепродзержинского технологического университета и ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат». Результаты опубликованы в соавторстве с ними. Обработка данных исследований и обобщение результатов работ проведены автором самостоятельно.
Апробация результатов диссертации: Результаты приведенных в диссертации исследований были доложены на VIII, IX, X, Международной научно-технической конференции «Теория и практика кислородно-конвертерных процессов» (г. Днепропетровск, Украина, 1994, 1998, 2002 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» (г. Новокузнецк, І 997 г.), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (г. Новокузнецк, 1997 г.), XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, 2002 г.), II Международной научно-практической конференции
9 «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (г. Москва, 2002 г.), Научно-методической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения ученого-металлурга Меджибожского М.Я. «Современные проблемы производства стали и управления качеством подготовки специалистов» (г. Мариуполь, 2002 г.).
Публикации; По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, из них 14 статей - в специализированных научных журналах, 14 - в материалах и трудах Международных научно-технических конференций, 2 -патента.
Структура и объем работы: Работа состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованных источников из 228 наименований, приложения и содержит 148 страниц машинописного текста, 72 рисунка, 11 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю работы, профессору кафедры металлургии стали СибГИУ, доктору технических наук Е.В. Протопопову, а также сотрудникам кафедры металлургии стали и работникам конвертерных цехов ОАО «ЗСМК», оказавшим содействие на различных стадиях выполнения диссертационной работы.
Особенности конструкций верхних дутьевых устройств для продувки ванны и дожигания отходящих конвертерных газов в полости агрегата
В большинстве известных вариантов кислородно-конвертерных процессов с комбинированным подводом дутья к ванне в качестве верхних дутьевых устройств для кислородной продувки используются практически те же фурмы, которые применяются в классических конвертерах верхнего дутья. Их конструктивные особенности и характеристики, дутьевые режимы, вопросы совершенствования конструкций и повышения стойкости подробно рассмотрены в обзорах [22,24,25,26,35].
Применительно к конструкциям верхних кислородных фурм сказано [26], что последние должны обеспечивать не только повышение эффективности продувки, но и соответствующие условия дожигания монооксида углерода в рабочем пространстве конвертера с целью улучшения
теплового баланса плавки. Как показывает опыт [37], выделяющаяся при этом теплота, не только перекрывает потери на нагрев нейтрального газа, подаваемого через днище, но и позволяет увеличить долю лома в шихте без повышения окисленности металла и шлака в конце плавки [24].
В значительной степени такой подход обусловлен внедрением различных способов внедоменной обработки чугуна с последующей разливкой металла на МНЛЗ, что предопределяет необходимость совершенствования теплового баланса плавки и требует создания дополнительного резерва тепла.
Использование в данном случае для дожигания оксида углерода кислородной фурмы обычной конструкции имеет ограниченные возможности. Если для условий обычного кислородно-конвертерного процесса имеются определённые рекомендации [22] по рациональной высоте расположения фурмы над уровнем ванны в ходе операции, то таковые практически отсутствуют применительно к комбинированной продувке расплава.
Одним из основных условий повышения степени дожигания оксида углерода в полости конвертера является организация продувки ванны при так называемом «свёрнутом» («сухом») шлаке. В этом случае обеспечивается при пониженном уровне шлакометаллической эмульсии увеличение свободного от эмульсии объёма газовой фазы, где и происходит дожигание последнего. Возможность реализации такого режима продувки и поведения ванны связана, прежде всего, с организацией перемешивания ванны донным дутьём, и зависит от количества и расположения донных фурм [58-60], их конструкции [62], а также режима подачи технологических газов на перемешивание [66].
Достигаемая в результате донной продувки большая однородность конвертерной ванны обеспечивает возможность увеличения расстояния между кислородной фурмой и зеркалом металла без возникновения выбросов и переливов эмульсии через горловину конвертера. При этом дожигание отходящих газов протекает более интенсивно в основном в начале и в конечном периоде продувки [59].
С учётом этого при использовании обычных конструкций кислородных фурм по мнению [58-60] целесообразно применять специальные технологические приёмы, например поэтапный подъём фурмы выше рабочего положения и увеличение расхода нейтрального газа во второй половине плавки. Эти мероприятия позволяют поддерживать шлакометаллическую эмульсию на более низком уровне и увеличить степень дожигания отходящих газов (среднемассовое содержание диоксида углерода в отходящих газах увеличивается в среднем с 12 до 17% [59].
Исходя из этого, обычно устанавливается ступенчатый режим ведения донной продувки по ходу операции с удельной интенсивностью в пределах 0,05...0,15 м3/(т-мин) [24]. По мнению большинства исследователей [22] именно этот диапазон расходов перемешивающего газа является оптимальным, а дальнейшее увеличение интенсивности подачи нейтрального газа приводит к значительному износу донных фурм, опережающему износу огнеупоров днища и практически не влияет на увеличение степени дожигания оксида углерода [37].
Возможность организации дожигания монооксида углерода как в объёме шлакометаллической эмульсии, так и в свободном газовом объёме конвертера, а также результаты изучения процесса дожигания [113,114] послужили поводом для создания целого ряда конструкций верхних дутьевых устройств, их наконечников, рекомендаций по ведению конвертерной плавки и комбинированной продувки расплава [115-116]. Данная работа активно продолжается и по сегодняшний день [3].
Основные параметры известных конструкций специальных фурм для дожигания СО в рабочем пространстве конвертера приведены в табл.1.1. В случае использования двухъярусных фурм дополнительные сопла для дожигания оксида углерода располагают на определённой высоте над срезом головки фурмы. При этом создание оптимальной конструкции такой фурмы в конкретных условиях обычно достигается варьированием расстояния между ярусами сопел, формой и профилем последних и углом наклона к вертикальной оси фурмы [24,39,59,60]. Расстояние между ярусами кислородных сопел обычно составляет 1000...2500 мм, число кислородных сопел Лаваля на рафинирование ванны колеблется от 3 до 5 с углом наклона к вертикальной оси фурмы 10... 12, что обеспечивает более жёсткую продувку ванны, чем наконечники обычных кислородных фурм и стабилизирует в пространстве поток отходящих газов [54]. По данным [75-77] в верхнем ярусе для подачи кислорода на дожигание оксида углерода обычно располагают б... 12 щелевых или цилиндрических сопел, угол их наклона к оси фурмы находится в пределах 30...35 [26]. Более точная информация по конструктивному оформлению последних в технической литературе отсутствует.
В соответствии с [75] использование двухъярусной фурмы обеспечивает увеличение СОг в отходящих газах с 12 до 15... 17 %, по другим данным [77] - с 10 до 27 %, но выделяющееся при этом тепло лишь частично усваивается ванной и способствует сокращению расхода чугуна [79]. Вместе с тем наблюдается значительный повышенный локальный износ футеровки конвертера, особенно верхней конической части [75]. Следует учитывать и тот факт, что применение двухъярусных фурм сопряжено с модернизацией фурменных стендов и значительным увеличением мощности привода перемещения фурмы.
Перспективным направлением при разработке дутьевых устройств в этом случае является расположение сопел для подачи кислорода на дожигание либо непосредственно на срезе головки фурмы, либо вблизи нее [117]. Такие варианты конструкции кислородных фурм обычно называют
Численно-аналитическое исследование движения расплава в зоне продувки струями с разным динамическим напором
Размеры и форма реакционной зоны, характер протекающих в ней физических явлений при продувке расплава во многом определяют рациональный подход к выбору конструкции кислородной фурмы и основных размеров конвертеров.
Анализ различных работ [5,8,9,11,20-21,28-31,123,140,176,194] показывает наличие весьма многочисленных и разнообразных характеристик, применяемых для описания воздействия газовых струй на геометрию реакционной зоны. В то же время нетрудно показать, что большинство характеристик может быть сведено к одной — критерию Архимеда. Полученное в последнее время с использованием высокотемпературного моделирования значительное количество информации для реальных условий взаимодействия одиночной [6,22,26,27,32-39,97,103,187,191-192,195-196,] и многоструйной [23,34,41-45,188,196-200] продувки позволило создать основные положения теории внедрения газовых струй в жидкую ванну [5,9,12,21,31,40,123,179].
Предварительно, для условий продувки конвертерной ванны струями с разным динамическим напором, с целью определения оптимальных вариантов конструкции сопел и головки фурмы, анализа и количественной обработки данных, определения параметров дутьевого режима плавки для верхней и комбинированной продувки металла выполнили численно-аналитические исследования изучаемого процесса [46,47,201-202].
Полученные и обобщенные различными авторами экспериментальные данные [5,9,12,21,31,40,123,179] о механизме взаимодействия кислородных струй с расплавом позволяют для условий продувки струями с различным динамическим напором составить следующую модель движения жидкости в конвертерной ванне. В соответствии с рис.2.8 кислородные струи 2, внедряясь в расплав 5, образуют локальные реакционные зоны 3 с характерным распределением температур, скоростей и концентраций, а в объёме ванны достаточно чётко можно выделить обобщённую зону продувки 4 с прилегающими непосредственно к реакционным зонам участками металла и периферийную «непромешиваемую» зону расплава 6.
Распространяясь по поверхности реакционных зон, кислородные струи взаимодействуют с расплавом, создавая направленное его движение в ванне. В обобщённой зоне продувки жидкость движется вверх, увлекаясь всплывающими пузырями монооксида углерода и в дальнейшем распространяясь в ванне с образованием нисходящих вдоль стен конвертера направленных вниз периферийных потоков [21,31].
В данном случае дополнительно в зоне продувки за счёт разной величины динамических напоров отдельных кислородных струй, истекающих из сопел различного диаметра, происходит вытеснение различных объёмов металла из каждой реакционной зоны с развитием центробежных сил и вращательного движения расплава в направлении уменьшающегося динамического напора. Таким образом, на вертикальную макроциркуляцию как бы накладывается горизонтальная циркуляция расплава в обобщенной зоне продувки.
В соответствии с поставленными задачами в дальнейшем исследовали особенности циркуляции расплава в зоне продувки (рис 2.8, позиция 4) в зависимости от площади сечения сопел кислородной фурмы.
Известно [9,21,31,123], что газодинамический напор струи, определяющий макроциркуляцию в реакционной зоне, зависит от скорости истечения и массового расхода газа и, соответственно, площади сечения сопла, при этом предполагается, что для различных сопел динамический напор каждой одиночной струи прямо пропорционален площади сечения соответствующего сопла. В данных условиях движение перемешивающегося расплава в поверхностном слое зоны продувки будем рассматривать в классе плоских установившихся потенциальных течений несжимаемой жидкости, что с определёнными допущениями соответствует модели приближённого описания реального процесса, в соответствии с которой для случая продувки незаглубленной фурмой поверхность реакционной зоны, имеющей форму параболоида вращения, как бы сжимается в плоскость и, таким образом, осуществляется переход в класс плоских установившихся течений жидкости. Тогда плоские (двумерные) установившиеся течения несжимаемой жидкости описываются системой дифференциальных уравений движения без учёта объёмных сил [180] и давление в ней; u,v - проекции скорости на декартовы координаты х и у. Для случая потенциальных движений существует такой потенциал скорости (ф), что dcp/9x = u,ckp/dy = v, а ф удовлетворяет уравнению Лапласа д2ср/Эх2 +Э2ф/5у2 =0, к решению которого и сводится задача о построении плоскопараллельного потока несжимаемой жидкости. При этом используется граничное условие непроницаемости для жидкости твёрдой границы обтекаемого тела, т.е. равенство нулю около стенки нормальной к ней составляющей вектора скорости.
Дифференциальное уравнение линии тока, вдоль которой происходит движение частиц жидкости, имеет вид udy-vdx = 0 или \j/(x,є) = const, где ці - функция тока, значение которой вдоль линии тока сохраняется постоянным. Тогда составляющие скорости можно выразить как частные производные от функции тока и = дціIду и v = 5v/5x,aуравнение ср = const будет определять линии равного значения потенциала. При этом семейство линий тока \/ = const и линий равного значения потенциала ср = const будут образовывать на плоскости необходимую нам ортогональную сетку кривых.
Таким образом, если известно несколько плоскопараллельных установившихся течений несжимаемой жидкости, т.е. для каждого из этих течений известны величина и направление скорости в каждой точке плоскости, то можно построить новое — результирующее, для чего в каждой точке плоскости необходимо построить векторы скорости каждого из известных течений.
В соответствии с принятыми допущениями модель циркуляции расплава в верхнем слое зоны продувки соответствует потоку, который получается при слиянии в одну точку источника и стока жидкости равного расхода, который можно определить как диполь [203]. В данном случае диполь является плоским установившимся потенциальным потоком несжимаемой жидкости, а движение жидкого металла в зоне продувки можно представить как микроциркуляцию расплава конвективными потоками, определяемую процессами в реакционной зоне [21] с наложением в верхних слоях зоны продувки нескольких плоских потоков типа диполь.
В то же время, как в дальнейшем показал численный эксперимент, учёт скорости от центрального истечения жидкого металла незначительно влияет на полученные результаты (порядка 2...3 %), поэтому для определения результирующего движения жидкости в зоне продувки струями с разным динамическим напором суммировали только векторы скорости отдельных течений без учёта скорости от этого источника.
Задачу определения поля скоростей для диполя решали аналитически. Проекции скоростей на оси координат находили как частные производные потенциала скорости, при этом потенциал скорости (ф) и функцию линий тока (v/), согласно работе [49,204], рассчитывали по выражениям:в которых г,0 - полярные координаты; М - момент диполя, прямо пропорциональный газодинамическому напору струи и с коэффициентом пропорциональности у и площади сечения сопла. Проекции скоростей на оси координат находили как частные производные от потенциала скорости и компоненты вектора скорости диполя. Центр которого расположен в начале координат, а ориентация соответствует осям декартовых координат с помощью соотношений:
Моделирование газодинамики и теплообмена при дожигании отходящих газов в рабочем пространстве конвертера и обсуждение полученных результатов
В соответствии с современными представлениями [5,21,109], в струях, истекающих из сопел фурмы, можно выделить следующие зоны: сверзвуковую, переходную и свободной струи (рис.3.11). В зоне свободной струи протекает реакция дожигания монооксида углерода до диоксида, при этом на поверхности струи образуется определенное количество углекислого газа. В поверхностном слое струи, где скорость газа ниже критической, СОг и свободный кислород взаимодействуют с встречным потоком СО, исходящим из объема реакционной зоны, увлекаются этим потоком и уносятся из струи. При этом считается, что количество углекислого газа, унесенного из струи пропорционально расходу газа со скоростью ниже критической в зоне свободной струи.
В дальнейшем струи кислорода смешиваются с высокотемпературной газовой фазой (1350-1650 С), состоящей, в основном, из монооксида углерода. Вовлеченный в струи СО сгорает до С02 с изменением энтальпии системы: АН298 = -565,64 кДж/моль кислорода и образованием высокотемпературного газового факела. В то же время известно, что конвертер мало пригоден для нагрева металла сверху, поскольку конвективный теплообмен от факела к металлу затруднен, а горячие газы поднимаются вверх, покидая рабочее пространство агрегата [132]. Для максимального усвоения тепла в данном случае необходимо обеспечить заглубление факела дожигания в газо-шлако-металлическую эмульсию. Определяющими факторами в организации дожигания по такой схеме взаимодействия [26], являются конструкция верхней продувочной фурмы, режим изменения ее высоты по ходу операции, характеристики газовых струй, размеры и форма образующихся реакционных зон.
Поскольку выделяющееся тепло передается металлу через шлак, необходимо обеспечить, чтобы зоны формирования факела дожигания и циркуляции шлака совпадали. Процесс горения СО в струе предположительно относится к типу диффузионного горения [5], так как смешение СО и О2 происходит по цепному механизму с участием активных центров, факел несконцентрирован, поэтому скорость кислородных струй в зоне дожигания должна быть соизмерима и (или) не превышать скорость распространения фронта пламени. В данной постановке при изучении процесса дожигания проведение прямых натурных экспериментов чрезвычайно затруднено, поэтому необходимую для практических целей информацию можно получить при проведении численного моделирования [167,171]. .
Поток газов в рабочем пространстве конвертера образует сложную пространственную структуру турбулентных вихревых течений, крайне сложную для теоретического анализа. В связи с этим проведение прикладного расчета течения газов сопряжено с выбором гипотез и допущений, упрощающих расчет за счет использования априорной информации о характере распределения скоростей, давлений и других газодинамических параметров по объему конвертера.
При выполнении численного моделирования и расчета течения газов использовали следующие предположения и допущения. С целью идеализации геометрии принимаем, что конвертер имеет цилиндрическую форму, кислородная фурма находится по оси симметрии агрегата, причем диаметр фурмы мал по сравнению с диаметром конвертера. Контакт газа с металлической ванной происходит по горизонтальной поверхности, а выход газов из агрегата осуществляется из горловины имеющей форму окружности (рис.3.12).
В модели используется осевая симметрия потока, поэтому, как средние, так и пульсационные составляющие скорости, давления и температуры не зависят от окружной координаты. Течение стационарно в макроскопическом масштабе времени, а пульсационные скорости подчиняются гипотезе Прандтля. Предполагаем, что в любой точке рабочего объема конвертера присутствуют только кислород, СО и СОг в концентрациях, определяемых динамикой течения.
Основной поток кислорода, вдуваемого в конвертер для окисления примесей и рафинирования, на поверхности «газ-расплав» полностью поглощается ванной, из которой выделяется газовая смесь СО и СОг в известном соотношении объемных долей.
Указанные упрощения приводят к некоторому искажению реальной пространственной картины течения газов в конвертере, что, вероятно, может повлечь погрешность в определении поля температур и концентрации газов и потребует введения на последующих этапах расчета поправочных коэффициентов, определяемых из эксперимента. При этом расчет течения газов в конвертере позволяет получить пульсационные составляющие скоростей, необходимые для определения полей температур и химически равновесных концентраций газов.
С учетом сделанных предположений, задача расчета течения газов в конвертере ставится следующим образом. В заполненную газовой смесью цилиндрическую область - рабочее пространство,- ограниченную с одной 135 стороны расплавом, а с другой - частично перекрытую горловиной агрегата, через соосную с цилиндром фурму на заданном расстоянии от расплава вдувается первичный поток кислорода (рис.3.12). Выше него под заданным к вертикальной оси фурмы углом подается вторичный поток кислорода для дожигания СО. Давление, скорости и расходы вдуваемых потоков известны. На цилиндрической границе, границе с расплавом и кольцевой перегородкой, имитирующей сужение горловины конвертера, действует условие непротекания (нормальная компонента скорости равна нулю). На поверхности раздела сред и атмосферы действуют граничные условия свободного потока (непрерывность скоростей и давлений). Для определения поля средних и пульсационных скоростей в объеме конвертера в качестве исходных использовали дифференциальные уравнения Эйлера в дивергентном виде [215]: где г и z - цилиндрические координаты, р - плотность, р - давление, u, v составляющие вектора скорости w вдоль осей гиг. Для замыкания системы (3.32) использовали уравнение состояния в виде: где J = E-w/2- удельная внутренняя энергия. При замене размерных величин нормированными (w нормируется на скорость звука в невозмущенном потоке а», плотность р - на рда плотность невозмущенного потока, давление р - на величину рда a2», J - на а2 „ координаты z и г - на радиус R цилиндра, время t - на R/ ада) получим:
Разработка многоцелевых конструкций дутьевых устройств, обеспечивающих продувку расплава струями с различным динамическим напором
Разработка и широкое внедрение за рубежом различных вариантов комбинированной продувки конвертерной ванны [3,10,16] позволяет существенно расширить функциональные возможности процесса. Как отмечалось ранее (глава 2, 3) для реализации новых конвертерных процессов, предусматривающих оптимизированную по расходам энергии и материалов переработку увеличенной дрли лома, перспективно применение дутьевых устройств с дополнительными соплами для дожигания, обеспечивающих формирование так называемых составных струй, всевозможных конструкций двухъярусных или двухконтурных фурм с независимо регулируемыми потоками кислорода для продувки конвертерной ванны и дожигания СО и СОг [36,37,72,79]. При этом создание оптимальной конструкции двухпоточной фурмы .в конкретных условиях обычно достигается варьированием конфигурации сопел и угла наклона их к вертикали, что позволяет в широких пределах регулировать скорость кислородных потоков и площадь контакта последних с отходящими газами.
С учетом накопленного опыта эксплуатации двухконтурных фурм, полученных экспериментальных данных численного и высокотемпературного моделирования, обеспечивающих продувку струями с различным динамическим напором, разработали несколько вариантов двухпоточных кислородных фурм.
При проектировании кислородных фурм с целью обеспечения простоты изготовления, высокой стойкости и надёжности за основу была взята, используемая в цехе пятиканальная кислородная фурма, использованы те же типоразмеры труб. При этом головки фурм имеют двухрядное расположение сопел по двум концентрическим окружностям.
Расчет сопла Лаваля производили по известной методике, предусматривающей истечение кислородных струй в режиме недорасширения [21].
В первом варианте фурмы внутренний контур выполнен в составе четырёх сопел Лаваля с критическими диаметрами, последовательно уменьшающимися от сопла к соплу с определённым коэффициентом переменности.
Как известно, образующиеся при взаимодействии окислительного дутья с расплавом отходящие газы удаляются из реакционной зоны через постоянно и беспорядочно перемещающиеся «свищи». При этом перекрытие сечения «свища» вспенившимся слоем шлакометаллической эмульсии сопровождается накоплением газов в объёме реакционной зоны с последующим взрывным выходом .газов на поверхность ванны и образованием всплесков и выбросов. В то же время увеличение «жесткости» окислительного дутья обеспечивает удаление отходящих газов по пути наименьшего сопротивления, т.е. в области ствола кислородной фурмы.
В данном случае при подаче кислорода через сопла различного сечения внутреннего контура газовые струи различного импульса образуют разное для каждой реакционной зоны количество газообразных продуктов.
Причём выход газов осуществляется при направленном перемещении «свища» со стороны сопла минимального сечения.
В соответствии с выполненными расчётами критический диаметр сопел составляет 35, 32, 19, 26 мм, соответственно, при угле наклона сопел к вертикальной оси - 15 (рис.4.14). Внешний контур сопел выполнен в составе 32 цилиндрических сопел диаметром 8 мм, расположенных под углом 30 к вертикальной оси фурмы, что позволяет при параметрах дутья, соответствующих производственным условиям, снизить скорость истечения кислородных струй на выходе из сопел внешнего контура до 80... 120 м/с.
Во всех вариантах предложенных конструкций кислородных фурм цилиндрические сопла внешнего контура и проточки для охлаждающей воды выполняются сверлением в цельноточенных медных корпусах, что позволяет резко уменьшить количество сварных швов и, соответственно, улучшить охлаждение и стойкость головки в целом.
Во втором варианте для организации более эффективного дожигания отходящих газов кислородная фурма выполнена с соплами внешнего контура попарно равного сечения, уменьшающимися с заданным коэффициентом переменности, причём сопла максимального сечения внешнего контура расположены со стороны сопла минимального критического диаметра внутреннего контура (рис.4.15).
Такое перераспределение низкоскоростных кислородных струй для дожигания относительно поверхности жидкой ванны и выделяющегося оксида углерода позволит повысить степень использования кислорода на дожигание, снизить окисленность шлака и металла, уменьшить потери металла и вероятность выбросов шлака из конвертера.
В данном варианте внутренний контур фурмы выполнен в составе пяти сопел диаметром 35, 32, 29, 26, 23 мм, расположенных под углом 15 к вертикальной оси фурмы, и предназначен для организации «жёсткой» продувки и интенсивного окисления углерода ванны при расходе кислорода до 300...350 м3/мин.
Внешний контур фурмы выполнен в составе 10 сопел, попарно равных сечений, диаметром 17, 15, 14, 12, 11 мм, соответственно. При этом сопла располагаются равномерно по окружности под углом 30 к вертикальной оси фурмы и предназначены для организации «мягкого» дутья с расходом 60...80 м3/мин для дожигания выделяющегося из ванны оксида углерода.
В третьем варианте конструкции кислородной фурмы сопла внутреннего контура выполнены разного критического диаметра с дополнительным расположением на внутренней поверхности сопел шлицев (рис.4.16). В этом случае реализуется вариант продувки так называемыми составными струями с различным динамическим напором. Выполнение шлицов в диффузоре сопла Лаваля (рис.4.16) позволяет получить составные струи: состоящие из сверхзвуковой осевой струи, окружённой дозвуковой кольцевой струёй. Поскольку центральная осевая зона струи (ядро) должна быть сверхзвуковой и дальнобойной, то для его создания использовали традиционное сопло Лаваля. Для создания внешнего низкоскоростного потока для дожигания выполнили ряд продольных радиальных проточек (шлицев) в диффузоре сопла Лаваля. Наличие таких проточек обеспечивает формирование газового потока, структура которого, быстро вырождается, а высокая эжекционная способность основной струи в этом случае обеспечивает формирование внешнего дозвукового потока [208].
Внутренний контур фурмы в данном случае выполнен в составе четырёх сопел диаметром 35, 32, 29, 26 мм, расположенных под углом 15 к вертикальной оси фурмы с дополнительным расположением на внутренней поверхности в диффузоре сопла Лаваля 3 радиальных проточек.
Внешний контур фурмы выполнен в составе 32 цилиндрических сопел диаметром 8 мм, расположенных под углом 30 к вертикальной оси фурмы
Похожие диссертации на Разработка и совершенствование энергосберегающих методов продувки конвертерной ванны на основе моделирования процессов тепломассообмена
