Спосіб розігріву розплаву в кисневому конвертері

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в кислородных конвертерах для плавления металлошихты с содержанием лома более 25%. Известны способы разогрева расплава в конвертере посредством дожигания СО с подачей одной или группы струй кислорода на расплав, позволяющие увеличить долю лома в металлошихте [1]. Недостаток ввода кислорода на дожигание СО сплошной и прерывистой струями, охватывающими рафинирующие струи - перемешивание кислорода с газом СО2, выходя щим из реакционной зоны, отклонение концентрации в смеси СО и О2 над расплавом от стехиометрической, как следствие, снижение температуры пламени и коэффициента использования тепла на разогрев ванны. Вместе с тем растет термическая нагрузка газового пространства, что вызывает уменьшение стойкости футеровки и фурмы. Если воспользоваться экспериментальными данными. Известный способ разогрева расплава посредством дожигания СО в конвертере с подачей на расплав закрученных струй кислорода. Такой способ впервые осуществлен в фурме ЦНИИЧМ с винтовой вставкой [2]. Недостатки способа: низкий коэффициент использования тепла на разогрев и недостаточная стойкость фурмы, что обусловлено повышением термической нагрузки пространства конвертера. Задачей данного изобретения является усовершенствование способа разогрева расплава в кислородном конвертере путем подачи направленной струи кислорода определенной интенсивности внутрь кольцевой сверхзвуковой струи, что позволит увеличить потребную для стехиометрического сгорания СО скорость кислорода над расплавом, благодаря чему повысится коэффициент использования тепла на разогрев расплава и в результате - стойкость фурмы. Задача решается тем, что в способе разогрева расплава в кислородном конвертере, включающем подачу на расплав рафинирующи х и закрученных стр уй кислорода, дожигание окиси углерода в полости конвертера, согласно изобретению, закрученную струю кислорода подают внутри кольцевой сверхзвуковой струи с интенсивностью W/V = 0,3-0,6 (W, V - окружная и осевая ее скорости, соответственно, при этом закрученную струю вводят в зону расплава (1-3,3)R от центра поверхности, покрываемой рафинирующей струёй, где R расстояние от центра до границы поверхности, покрываемой рафинирующей струёй. На фиг. 1 представлена концентрация СО и СО2 в горловине конвертера; на фиг. 2 - осевые скорости расплава; на фиг. 3, 4 - поверхность поступления СО из расплава вокруг рафинирующих стр уй; на фиг. 5, 6 схемы подачи окислителя на дожигание СО; фиг. 7 - устройство для создания двухскоростной струи; на фиг. 8 вид А-А фиг. 7. В заявляемом способе кислород на дожигание СО подается в зону (1-3,3)R закрученной струёй с интенсивностью W/V = 0,3-0,6 вн утри кольцевой сверхзвуковой стр уи. Поскольку поток массы СО в зоне преимущественного выделения максимальный, то при подаче кислорода в эту зону уменьшается его расход на дожигание и увеличивается потребная для стехиометрического сгорания СО скорость кислорода над расплавом. Уменьшение площади поверхности расплава, покрываемой струёй кислорода, позволяет выбрать интенсивность закрутки менее 0,6. При большей интенсивности высокотемпературные продукты сгорания будут поступать к фурме, что приведет к снижению срока ее службы. Кольцевая сверхзвуковая струя применяется для: - повышения статического давления на периферии закрученной струи до 0,15-0,2 МПа, чем достигается защита фурмы от заметалливания и проникновения закрученной струи через слой шлака на расплав; - уменьшения перемешивания закрученной струи с отходящими из расплава газами вблизи фурмы, что позволяет приблизить фронт горения к расплаву. Из-за движения внутри кольцевой сверхзвуковой струи с повышенным давлением затягивается раскрытие закрученной струи, чем устраняется слипание ее с рафинирующими струями вблизи фурмы и не нарушается базовая технология рафинирования. Для обоснования этих положений используем экспериментальные данные и результаты расчетов, представленные на фиг. 1-4. Концентрация СО и СО2 в газе, отобранном на выходе из конвертера посредине радиуса горловины на 0,3 м ниже ее среза (фиг. 1), позволяет определить размеры зоны преимущественного выхода СО из расплава. Поскольку на поверхности, покрываемой рафинирующей стр уёй кислорода, СО дожигается до СО2, по средним концентрациям в горловине QСО2 и QСО VCO pR 2 2 æ R ö ÷ = =ç çR ÷ 2 Q CO VCO pR г è гø определим радиус Rг поверхности выхода СО из расплава. Q CO2 На третьей минуте плавки при QСО2/QСО = 0,28 получим Rг = R / 0,28 » 19R , среднее значение, начиная с 7, ой минуты QСО2/QСО = 0,09 и Rг » 3,3R . Гидродинамическая обстановка в расплаве (фиг. 2) [3] такова, что вынос пузырьков СО восходящим потоком обеспечивается на радиусе 0) или » 3,3 R . Совпадение с радиусом Rr, определенным по средним концентрациям, показывает, что СО выделяется преимущественно на поверхности до 3,3 R. В заявляемом способе дожигания СО кислород подается на поверхность расплава в зоне (1-3,3)R. Часть кислорода, поступающая на поверхность, покрываемую рафинирующей стр уёй, непосредственно на дожигание СО не используется. Поэтому зона подачи кислорода ограничена поверхностью с r 3,3 R не обеспечивается стехиометрическое соотношение СО и О2 над расплавом и уменьшается коэффициент использования тепла на разогрев расплава. По базовой технологии переработки металлошихты в конвертере расстояние от отверстия выхода рафинирующей струи до расплава h » 26 d c . На начальном участке сверхзвуковая струя кислорода во встречном потоке высокотемпературного газа СО и СО2 практически не раскрывается. Длина начального участка струи с характерными конвертеру скоростями, соответствующими числам Маха М = Uo/a = 1,46-2,1 (Uo = 400-525 м/с - скорость кислорода на выходе из сопла) равна хн = 8 dc. После начального участка струя раскрывается с углом a = 7-8°. При угле наклона оси струи к вертикали b = 5-6° исключается слияние струй вблизи фурмы, максимальный угол b = 15-20° в фурмах большегрузных конвертеров. Продольный разрез рафинирующей струи 1, истекающей из фуры под углом к вертикали b = 5° и 15°, показан на фиг. 5, 6 соответственно. На поверхности расплава поперечное сечение рафинирующей струи имеет форму эллипса. На фиг. 3, 4 показаны границы поверхностей, покрываемых рафинирующей струёй 1 и преимущественного выделения СО2 при углах наклона оси рафинирующей стр уи к вертикали b = 5° (фиг. 5) и b = 15° (фиг. 6). Из фиг. 3, 4 следует, что кислород на дожигание СО целесообразно подавать во внешней зоне рафинирующих струй при b = 5° и во внутренней при b = 15°. При увеличении угла наклона до b = 20° поверхность между струями растет. Подача кислорода по оси фурмы предпочтительнее из-за повышенной плотности потока СО, отходя щего из расплава. На фиг. 5, 6 показаны отверстия 2 в торце фурмы для подачи кислорода на дожигание во внешней зоне (фиг. 5) и по оси фурмы (фиг. 6), а на продольном разрезе - границы струи 3 при интенсивности закрутки 0,3 и 0,6 струи 4. Применительно к конкретным параметрам рафинирующи х стр уй и расположению их на фурме интенсивность закрутки струи в пределах 0,3-0,6 позволяет достигнуть наилучшего использования кислорода на дожигание СО над расплавом. Концентрационные пределы воспламенения СО в кислороде 12,5-74,2% (объемные), температура воспламенения 750°С, скорость распространения пламени при стехиометрическом соотношении (50% СО) 0,9 м/с. Концентрация СО и температура в струе, необходимые для воспламенения, обеспечиваются при смешении кислорода с газами в полости конвертера. При дожигании над расплавом по периметру струи движется встречный поток СО2, который подмешивается в струю. Это способствует ее нагреву, но приводит к уменьшению скорости распространения пламени. Применение кольцевой сверхзвуковой струи позволяет увеличить (фиг. 6) длину хн начального участка, на котором смешение кислорода и СО2 незначительное, тем самым приблизить фронт горения к расплаву. Начиная с расстояния хн, стр уя распространения как слабозакрученная с характерными ей процессами смешения. Выбором расхода и скорости кольцевой струи достигается управление углом раскрытия закрученной струи, осевой скоростью и распределением массы кислорода над расплавом. Наиболее благоприятные условия разогрева металлошихты создаются при расположении фронта горения у поверхности расплава. Масса кислорода, поступающего к элементарной площадке dS - M = rU dSC , где r , U плотность и скорость в струе, С - концентрация кислорода; масса CO - m = PCO UCO dS , РСО, Uco - плотность и скорость CO над расплавом. При стехиометрическом горении L= M/m, а потребная скорость в струе r L U = UCO CO o (1) r C Средняя скорость потока СО из расплава G UCO = a СО g , (2) tpR2 r СО г где G - масса металлошихты, g - доля чугуна в металлошихте, a СО = 67,4 кг/т - выход СО на тонну чугуна, t - время плавки. Например, для конвертера с G = 130 т, g = 0,85, R = 0,2 м, t = 30 мин, r СО = 0,19 кг/м - при температуре 1500°С, Rг » 3,3R получим U CO = 130 × 67,4 × 0,85 2 = 16,1 м . с 30 × 60 × 3,14 × 0,66 × 0,19 Стехиометрический коэффициент реакции СО + 0,5О2 = СО2 или 28 кг СО + 16 кг О2 = 44 кг СО 2, и, соответственно, Lo = 16/28 = 0,57. Плотность струи. P r = ¥ , (3) RT æ1- C C ö где P¥ = 1× 105 Па - давление в конвертере, Т- температура в струе , R = 8314ç + ÷ - газовая 32 ø è 44 постоянная, Дж / кг × К . DTm T - Tm Безразмерная избыточная температура в струе = ¥ , где T ¥ , Т1, T m - температура в конвертере, DTo T¥ - T1 устье струи, на оси стр уи, совпадает с распределением концентрации. Концентрацию кислорода Cm по оси двухкомпонентной струи определим по формуле Cm b 9,5 = × , (4) C1 1 - b 2 m × n c × (x / R 1 ) где b = d1/d2, R1 = do/2, m = U2/U1, nc = n × n ¥ , n = r 2 / r 1 , n¥ = r ¥ / r ; d1, d2 - внутренний и наружный диаметры кольцевой струи, do - наружный диаметр закрученной струи в устье; индексы: "1" - закрученная струя; "2" - кольцевая струя: ¥ - конвертер. Оценим потребную для сте хиометрического горения скорость струи над расплавом. Например, при d1 = 21 мм; d2 = 30 мм, do = 15 мм, U1 = 298 м/с, U2 = 490 м/с, r ¥ = 10,19 кг/м 3, T ¥ = 1773 К; R = 260 Дж/кг х К, a* = 298 м/с, То = 293 К, Po = 1,2 Мпа, r o = 15,7 кг/м 3 - параметры кислорода. Тогда коэффициенты скорости l 1 = 1, l 2 = 1,64 м, воспользовавшись таблицами газодинамических функций при показателе адиабаты k = 1,4, получили r 1 = 9,94 кг/м 3, r 2 = 3,55 кг/м 3, Т1 = 244 К, соответственно n = 0,358, n ¥ = 0,019, n с = 0,083, m = 1,65, b = 0,7, R 1 = 0,0075 м и согласно формулы (4). C 0,7 9,5 69 = = C1 1 65 × 0,083 (X / 0,0075) X / 0,0075 , 1 - 0,7 2 Расстояние от фурмы до расплава h = 26dc и при dc = 0,04 м, получим h = х = 1,04 м, Cm / C1 = D T / D To 0,5 . æ 0,5 0,5 ö Дж Поскольку С 1 = 1 - С m = 0,5 и, соответственно. Tm = 1008 К. Тогда R = 8314ç + согласно (3) ÷ = 224 44 32 ø кгК è 1× 10 5 кг = 0, 443 224 × 1008 м3 и по формуле (1) скорость на оси струи, необходимая для стехиометрического горения 0,19 0,57 м U = 16,1 » 7,85 . 0,443 0,5 с Расход кислорода в двухкомпонентной струе æ p d2 pd 2 ö pd 2 G O 2 = r 1U1 o + r 2 U2 ç 2 - 1 ÷ = ç 4 4 4 ÷ è ø r= 3,14 × 0,0152 + 3,55 × 490 ´ . 4 æ 3,14 × 0,032 3,14 × 0,0212 ö ÷ = 1,15 кг ´ç ç ÷ 4 4 с è ø Этого кислорода достаточно для дожигания массы СО GСО = CО2/Lo = 1,15/0,57 = 2,02 кг/с. Теоретическая мощность источника тепла N = GCO × q , где q = 10102 кДж/кг - тепловой эффект реакции = 9,94 × 298 N = 2,02 × 10102 = 20,4 MB. Затраты тепла на переработку лома оцениваются как суммарные на разогрев твердого лома с теплоемкостью 0,7, плавление с теплотой 237 и нагрев от температуры плавления 1500°С до 1600°С с теплоемкостью расплава 0,837 (в кДж/кг) MДД Q = 0,7 × 1500 + 237 + 0,837 (1600 - 1500 ) = 1 4 , . кг При минимальном, практически достигнутом, коэффициенте использования тепла на разогрев расплава 0,3, получим для времени плавления 30 мин массу перерабатываемого лома 20,4 Мл = 30 × 60 × 0,3 = 7,86 т, 1,4 что соответствует увеличению доли лома на » 5% от массы металлошихты 130-тонного конвертера. Поверхность, на которой необходимо распределить кислород. G CO 2,02 2 S= = = 0,66 м , Rф = 0,46 м и требуемая интенсивность закрутки » 0,46 . r CO × U CO 0,19 × 16,1 Оценим затухание осевой скорости в двухкомпонентной струе. Для кольцевой струи закон затухания будет близким к плоской струе ~хо-0,5, а для закрученной струи - х0-1 . При расстоянии от фурмы до расплава 1,04 м 4x 4 × 1 04 , получим для кольцевой струи x o = = = 460 , закрученной - xo = x/R1 = 1,04/0,0075 = 139. Тогда, d 2 - d1 0,009 соответственно, Um = 23 м/с, U » 2,1 м/с. Смешением достигается выравнивание скоростей по сечению струи до средней скорости, необходимой для стехиометрического горения СО над расплавом » 7,85 м/с. Закруткой обеспечивается необходимая площадь сечения струи. Максимальную интенсивность закрутки 0,6 выбираем из условия отсутствия обратного тока в закрученной струе. По экспериментальным данным обратный ток возникает при Ф = Wm/Um = 0,6. Минимальную интенсивность 0,3 принимаем по условиям обеспечения скорости в струе над расплавом, необходимой для стехиометрического горения и массы дожигаемого СО. Угол раскрытия струи и при такой интенсивности закрутки 17°, то есть превышает угол раскрытия незакрученной струи в » 2 раза. Избыточное статическое давление в кольцевой струе ³ 0,04 МПа достаточно для "отталкивания", шлакометаллической эмульсии от сопла при максимальном вспучивании ванны. Выбором размеров щели для формования кольцевой струи обеспечивается необходимое избыточное давление, при этом струя остается сверхзвуковой для давлений кислорода по базовой технологии 0,9-1,2 МПа. В качестве примера на фиг. 7, 8 показано устройство для создания закрученной с интенсивностью 0,3-0,6 струи, охватываемой сверхзвуковой кольцевой струёй. Устройство крепится сваркой к наружной 1 и внутренней 2 стенкам фурмы, состоит из гильзы 3, завихрителя 4 и втулки 5, завальцованной по торце в гильзе. Принцип действия устройства. Кислород из кольцевой щели А через тангенциальные прямоугольные щели Г поступает в вихревую камеру, а затем в виде закрученной струи вытекает через отверстие В. Часть кислорода истекает через щель Б в виде сверхзвуковой кольцевой струи. Размеры вихревой камеры выбираем в соответствии с ГОСТ 21980-76 "Форсунки центробежные газовые с тангенциальным входом" в зависимости от интенсивности закрутки, определяющей наружный угол факела. Например, для рассмотренного случая, для осуществления способа при W / U1 = tg a н = 0,46 , получим 2a н = 49°20 . Для С = Rвх/rc = 6/7,5 = 0,8, получим требуемое А » 0,4 . Коэффициент расхода m1 = 0,74 (см. черт. 2 при p ф = 12 ), m = m1 + bm 2 (см. с. 6), где ( ) b = 0,0225 × А × (С - 0,3) Iкз - 0,3 = = 0,0224 ´ 0,4(0,8 - 0,3) × 9,7 = 0,045 m 2 = 0,5 и тогда m = 0,75 + 0,045 × 0,5 = 0,77 . По формуле вычислим расход газа m = 111 , 15 2 × 0,77 × 1 × 10 5 × 68,4 260 × 293 = 0,49 (Iкз = ) L кз / D кз = 150 / 15 = 10 ; кг с поскольку ö 1,4 æ 1 1 ç ÷ ç 122 / 14 - 122,4 / 14 ÷ = 8,4 . 1,4 - 1 è , , ø Это значение расхода совпадает с исходным для струи в пределах точности оценочных расчетов. Диаметр входного канала Ф = 12 dв х = dc = C 0,8 = 15 = 7,5 мм, A × nв х 0,4 × 8 где количество каналов nвх - 8. Использование прямоугольных щелей эквивалентной площадью 2 nв хpdв х / 4 = nв хв а при ширине a = 2 мм и длине в = 3,14 × 7,52 = 23 мм позволяет создать вихревую камеру с 4,2 наружным диаметром Dн = 21 мм, длиной входного канала Iв х > a , обеспечив проходное сечение кольцевой щели А (фиг. 7, 8), необходимое для пропуска кислорода из канала фурмы с приемлемой скоростью. Следовательно, способ осуществим посредством недорогой реконструкции фурмы.