Теоретические основы продувки конвертерной ванны

Решающим фактором, оказывающим влияние на технико-экономические показатели работы кислородных конвертеров, является дутьевой режим периода продувки, который должен обеспечивать высокие скорости окисления примесей и шлакообразования, интенсивное перемешивание ванны с целью улучшения условий массо- и теплообмена, высокую степень усвоения кислорода ванной и высокую стойкость футеровки конвертера.

Рисунок 1.1. – Схема взаимодействия газообразной струи с жидкостью

Основными технологическими параметрами, определяющими дутьевой режим, являются: расход и давление кислорода, конструкция наконечников фурм и сопел, положение фурмы над уровнем металла и характер струй, истекающих из сопел. Эти параметры влияют на глубину внедрения в металл кислородной струи и объем реакционной зоны, от величины которых зависит гидродинамика воздействия кислородной струи на ванну (рис. 1.1).

Вопросу определения глубины внедрения кислородной струи в конвертерную ванну посвящено много работ, но, как отмечает В.И. Явойский, расчеты глубины внедрения кислородной струи в металлическую ванну и энергии, затрачиваемой на перемешивание ванны, весьма сложны, т.к. одновременно с ударным воздействием струи на металл имеют место другие явления, такие как расширение газа, ассимиляция газа жидкостью, изменение плотности жидкости и т.д.

Кроме того, в процессе продувки вследствие вспучивания ванны во время интенсивного окисления углерода уровень ее колеблется в очень широких пределах, что приводит к изменению характера истечения газовой струи – переходу от режима вдувания кислородной струи в среду с малой плотностью ("незатопленная" струя) к режиму вдувания струи кислорода в среду с большой плотностью ("затопленная" струя).

За время продувки заметно изменяется также плотность газошлако металлической эмульсии, образующейся в результате дробления металла и шлака на отдельные капли при ударе струи о поверхность ванны, а также в результате выделения пузырей СО из металла.

Все это в значительной мере усложняет теоретические расчеты, делает их далекими от реальных условий, а оптимальные параметры продувки, такие как давление дутья, конструкция фурм и сопел, положение фурмы над уровнем металла и др. установлены на основании практических данных промышленных конвертеров.

В связи со сложностью постановки эксперимента в реальных условиях работы конвертеров, гидродинамику кислородно-конвертерной ванны изучают "холодным" моделированием процесса продувки с соблюдением основных положений теории подобия, используя прозрачные жидкости.

Согласно современным представлениям при продувке ванны в кислородных конвертерах скорость истечения кислородной струи превышает скорость звука, т.е. истечение струи из сопла происходит со сверхкритическими скоростями, характеризующимися числом Маха, что приводит к резкому изменению качественных и количественных характеристик струи.

Поэтому существующие представления о параболическом изменении скоростного напора и энергии вдоль и поперек струи, характерном для дозвуковых скоростей истечения, неприемлемы для сверхзвуковых.

Рисунок 1.2. – Спектр струи при сверхзвуковой скорости истечения газа из сопла

При сверхзвуковой скорости истечения газа из сопла в струе возникают скачки уплотнения и волны разряжения (рис. 1.2), причина и механизм образования которых достаточно изучен и представлен в специальной литературе, посвященной вопросам технической газодинамики.

В скачкахуплотнения и следующих за ними волнах разряжения происходитизменение термодинамических параметров струи, что приводит к значительнымпотерям энергии и переходу со сверхзвукового на дозвуковой режим истечения.

При сверхзвуковой скорости истечения основным параметром, определяющим строение струи, является импульс, который в значительной степени зависит от градиента давления газа при выходе из сопла исреды, в которую истекает газ.

Струя при сверхзвуковом режиме истечения газа характеризуется тремя участками:

а) начальным, в котором скорость струи превышает скорость звука;

б) переходным, в котором за счет инжекции газа из окружающей среды и потери энергии на начальном участке происходит переход скорости истечения со сверхзвукового на дозвуковой режим;

Рисунок 1.3. – Схема струи при сверхзвуковой скорости истечения газа из сопла

в) основным (конечным), в котором за счет разбавления струи большим количеством газа, скорость и энергия струи резко уменьшаются (рис. 1.3.).

С характером воздействия кислородной струи на ванну связанпроцесс брызгообразования, выносов и выбросов металла из конвертера. Механизм брызгообразования в каждом конкретном случае имеет свои особенности, зависящие от многих факторов, вследствие чего по этому вопросу имеются различные мнения.

Одни считают, что брызгообразование является процессом исключительно физическим, зависящим от режима продувки.

Другие относят это явление к процессам химическим, считая, что процесс брызгообразования является следствием взрывного характера реакции окисления углерода в микрообъемах ванны и выделения СО в газовую фазу.

Третьи рассматривают процесс брызгообразования в комплексе первых двух, т.е. считают, что брызгообразование является следствием сложного физико-химического процесса.

Вне зависимости от того, какой процесс играет первостепенную роль в брызгообразовании – физический или химический – оба они зависят от дутьевого режима и в наибольшей степени проявляются в начале и конце продувки, т.е. при продувке металла по режиму " незатопленной" струн.

Образование брызг при встрече кислородной струи с ванной исключается при неупругом (мягком) ударе струи о металл.

С брызгообразованием связан вынос металла, под которым подразумевают те небольшие капли металла, которые отрываются от поверхности ванны и выносятся из конвертера газовым потоком.

При интенсивном окислении углерода, т.е. при переходе продувки на режим "затопленной" струи вынос брызг практически невозможен, т.к. они поглощаются шлакометаллической смесью. Дутьевой режим оказывает большое влияние на выбросы металла и шлака из конвертера, которые являются в большинстве случаев лимитирующим фактором дальнейшей интенсификации процесса продувки.

Для предотвращения выбросов необходимо обеспечить равномерную, без бурных вспышек скорость окисления углерода, что достигается рассредоточенной подачей кислорода на металлическую ванну через многосопловые фурмы.

Снижение потерь металла с выбросами достигается путем изменения параметров дутья и положения фурмы над уровнем металла, использования многосопловых фурм, изменения геометрии сопла и угла наклона сопел к вертикали, упорядочения режима присадки руды и флюсующих добавок и т.д.

Важным параметром, характеризующим процесс взаимодействия кислородной струи с жидким металлом, является интенсивность перемешивания ванны в процессе продувки, т.к. от интенсивности перемешивания во многом зависит скорость массо- и теплообменных процессов, протекающих на границе раздела фаз газ - шлак - металл.

Силы вязкости и поверхностного натяжения не играют существенной роли и ими обычно пренебрегают. Условием правильности переноса полученных на моделях результатов на реальные процессы и объекты является идентичность (равенство) безразмерных величин, называемых критериями подобия.

В случае моделирования процессов, в которых определяющими являются инерционные и гидростатические силы, применяется критерий Архимеда:

, (1.1)

где g_г и g_ж – удельный вес газа и жидкости соответственно, н/м³, кг/м³;

g –ускорение силы тяжести, м/с²;

W _г – скорость газа на выходе из сопла, м/с;

l – характерный линейный размер, м.

Критерий Архимеда в данном виде не удобен для работы, т.к. в него входит величина скорости газа. Она зависит не только от параметров фурмы и давления газа перед соплом, но и от высоты расположения сопла над жидкостью.

Преобразуем критерий Архимеда к виду:

. (1.2)

Необходимо решить, какие параметры следует принять в качестве характерных линейных размеров для инерционных и гидростатических сил. На рис 1.4 показана схема взаимодействия газовой струи с жидкостью и основные параметры продувочной зоны. Из представленной схемы следует, что диаметр сопла (d _с) может быть принят в качестве характерного линейного размера инерционных сил газовой струи. За характерный линейный размер для гидростатических сил следует принять глубину образующейся лунки (продувочной зоны), h _л.

Рисунок 1.4. – Схема взаимодействия газовой струи с жидкостью: d с – диаметр сопла, м; h c – высота сопла над уровнем спокойной жидкости, м; h л – глубина образовавшейся лунки, м; Р и – инерционные силы газовой струи, м; Р гс – гидростатические силы, м.

 

Глубина лунки зависит, в первую очередь, от высоты расположения сопла над уровнем спокойной ванны – h _с, то есть параметра, который может легко задаваться и контролироваться в ходе эксперимента. Его и следует принять в качестве характерного линейного размера.

Тогда уравнение (1.2) приобретает вид:

, (1.3)

где f _c – сечение струи, м²;

h _c – высота фурмы над уровнем спокойной жидкости, м;

r _г, r _ж – плотность газа и жидкости, кг/м³.

Числитель критерия Ar * представляет собой импульс газовой струи i _r:

. (1.4)

Если принять, что диссипации (рассеяние) энергии струи не происходит по мере удаления газов от среза сопла, то импульс струи и ее энергия остаются постоянными на всем продолжении струи (в пределах реальных условий работы кислородных фурм). Скорость струи падает, таким образом, исключительно за счет разбавления струи газами, в которые втекает струя, и придания им соответствующих скоростей.

Все это позволяет рассчитать импульс струи один раз и при этом в стандартных условиях, а именно, на выходе из сопла фурмы, по следующему соотношению:

, (1.5)

где сечение сопла, м²;

V _г – объемный расход газа, м³/с;

W _го – скорость истечения газа на срезе сопла, м/с.

Величина V _г непосредственно измеряется с помощью расходомеров. Скорость истечения газа на срезе сопла Лаваля определяется из уравнения, описывающего истечение идеального газа при адиабатических процессах расширения:

, (1.6)

где W _го – скорость истечения газа из сопла, м/с;

R – газовая постоянная, R=R ₀/ М;

R ₀ – универсальная газовая постоянная (R ₀=8,3143Дж/моль);

М – молярная масса газа, кг/моль;

Р ₂, Т ₂ – давление и температура в пространстве, из которого истекает газ, кгс/см² и К, соответственно;

Р ₁ – давление в пространстве, в которое втекает газ, кгс/см²;

К – показатель адиабатического расширения для двухатомных газов К=1,4.

Таким образом, получен критерий Ar *, равенство значения которого на модели и в образце определяет подобие процессов взаимодействия газовых струй с жидкостью.

С учетом изложенного, критерий Архимеда преобразуется в выражение:

. (1.7)

Моделирование процессов взаимодействия газовой струи с жидкостью может использоваться для получения качественных и количественных расчетов глубины проникновения газовой струи в металл на реальном конвертере.

Для цилиндрических или конических сопел скорость истечения газа определяется из выражения:

, (1.8)

где R – газовая постоянная для воздуха R =287,33 Дж/кг °К.