Спосіб продування рідкого металу з допалюванням відхідних газів

1. Спосіб продування рідкого металу з допалюванням відхідних газів, який включає подання зверху принаймні одного потоку первинного кисню для рафінування метану і відповідного потокові первинного кисню принаймні одного потоку вторинного кисню для допалювання відхідних газів у шлаку або газовій фазі над ванною, який відрізняється тим, що подання потоків первинного і вторинного кисню здійснюють імпульсами, причому імпульси подання потоків первинного і вторинного кисню послідовно слідують один за одним, а тривалість імпульсів подання потоку первинного кисню дорівнює тривалості імпульсів подання потоку/ів вторинного кисню. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при допалюванні відхідних газів у шлаку тривалість проміжку часу між моментом початку імпульсу подання потоку первинного кисню та моментом початку імпульсу подання відповідного/их потоку/ів вторинного кисню визначають із співвідношення: 37998 де Vi-I - витрата первинного кисню в період імпульсу подання його потоку; Vi-II - витрата вторинного кисню в період імпульсу подання його потоку/ів. 7. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що потік/оки вторинного кисню формують у вигляді до звукового/их струменя/ів, що витікає/ють у порожнині сталеплавильного агрегату. 8. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що потік/оки вторинного кисню формують у вигляді вихрового/их струменя/ів, що витікає/ють у порожнині сталеплавильного агрегату. Винахід відноситься до металургії, переважно киснево-конверторного виробництва сталі. Відомий спосіб продування рідкого металу [1], який включає подання потоку кисню дуття під подвійним кутом нахилу до вертикальної осі продувальної верхньої фурми, що дозволяє інтенсифікувати тепло-масообмінні процеси в реакційній зоні окисного дуття та на шляху прямування продувальних струменів до розплаву. При цьому інтенсифікується процес допалювання СО-вмісних газів, які виділяються в процесі продування. Проте можливості цього способу, з погляду максимального використання хімічного потенціалу відхідних газів, внаслідок застосування малоефективних для допалювання CO надзвукових потоків кисню дуття дуже обмежені. Збільшення ступеня допалювання відхідних газів a1, яке досягається на практиці, не перевищує декількох відсотків (об.). Відомий спосіб продування рідкого металу з допалюванням відхідних газів [2, с. 86-93] - прототип, який включає подання зверху принаймні одного потоку первинного кисню для рафінування металу і відповідного потокові первинного кисню принаймні одного потоку вторинного кисню для допалювання відхідних газів у шлаку або газовій фазі над ванною. Відповідність потоків первинного і вторинного кисню полягає в тому, що певний(-і) потік(-оки) вторинного кисню спрямовують в область виділення CO, що утворюється в результаті взаємодії з металом певного потоку первинного кисню. При цьому за рахунок поділу потоків кисню за своїм функціональним призначенням на: 1) потік первинного кисню, що рафінує метал, і 2) потік вторинного кисню, що допалює СО-вмісні гази, які виділяються в процесі продування, досягаються одночасно високі швидкості рафінування та перемішування розплаву, поліпшення режиму шлакоутворення, більш ефективне допалювання СО (підвищення a), більш повне засвоєння отриманої від допалювання теплоти рідким металом (підвищення коефіцієнта засвоєння теплоти допалювання рідким металом hм , який являє собою відношення кількості теплоти, додатково засвоєної металом при організації допалювання, до загальної кількості теплоти, яка виділяється при допалюванні). При реалізації цього способу подання потоку вторинного кисню може здійснюватися в шлак (шлако-газо-металічну емульсію - ШГМЕ) або в газову фазу над ванною для організації допалювання відхідних газів відповідно у шлаку (ШГМЕ) або в газовій фазі над ванною. Проте у відомому способі недостатньо ефективно використовується хімічний потенціал відхідних газів, особливо - в агрегатах з верхнім проду ванням ванни. Так, при організації допалювання в шлаку (ШГМЕ) частка вторинного кисню (від загальної кількості) обмежується величиною 30%, при перевищенні якої має місце переокислення шлаку та погіршення стійкості футерівки агрегатів конверторного типу; при цьому в умовах верхнього продування величина hм не перевищує 30-60%. При організації допалювання в газовій фазі над ванною частка вторинного кисню (від загальної кількості) обмежується величиною 40%, а hм знаходиться в діапазоні від 10 до 70 % (більші значення параметра відносяться до агрегатів з комбінованим дуттям). Для LD-агрегатів величина hм не перевищує 10-15%, має місце переокислення шлаку та погіршення стійкості футерівки агрегатів. В основу винаходу поставлене завдання удосконалити спосіб продування рідкого металу з допалюванням відхідних газів, у якому за рахунок зміни умов його здійснення підвищується ефективність допалювання СО-вмісних газів, які утворяться в процесі продування, (збільшуються a та hм ) та розширюються можливості його використання, що дозволить організувати високоефективне допалювання відхідних газів (у тому числі в LDагрегатах). поліпшити тепловий баланс плавок, розширити можливості керування як процесом допалювання, так і ходом плавки в цілому, та, в остаточному підсумку, зменшити собівартість сталі. Для вирішення поставленого завдання в способі продування рідкого металу з допалюванням відхідних газів, який включає подання зверху принаймні одного потоку первинного кисню для рафінування металу і відповідного потокові первинного кисню принаймні одного потоку вторинного кисню для допалювання відхідних газів у шлаку або газовій фазі над ванною, подання потоків первинного і вторинного кисню здійснюють імпульсами, причому імпульси подання потоків первинного і вторинного кисню послідовно слідують один за одним, а тривалість імпульсів подання потоку первинного кисню дорівнює тривалості імпульсів подання потоку(-ів) вторинного кисню. При цьому при допалюванні відхідних газів у шлаку тривалість проміжку часу між моментом початку імпульсу подання потоку первинного кисню та моментом початку імпульсу подання відповідного(-их) потоку(-ів) вторинного кисню визначають із співвідношення: t I - II = k e × ( 2,190 × 4 h c- в ´ і × cos a ´ (0,114 × 3 i × cos a - 0,056 × h ш × 3 rш ) ´ 1 Ступінь допалювання відхідних газів a являє собою відношення вмісту СО2, %об., до суми вмісту СО та СО2, %об., у вихідних газах. 2 37998 Крім того, потік(-оки) вторинного кисню формують у вигляді вихрового(-их) струменя(-ів), що витікає(-ють) у порожнині сталеплавильного агрегату. Імпульсне подання потоків первинного кисню і відповідних їм потоків вторинного кисню за умови, що імпульси подання потоків первинного і вторинного кисню послідовно слідують один за одним, а тривалість імпульсів подання потоку первинного кисню дорівнює тривалості імпульсів подання відповідного(-их) потоку(-ів) вторинного кисню, дозволяє підвищити ефективність допалювання відхідних газів за рахунок таких чинників: 1) інтенсифікації тепло-масообмінних процесів у реакційних зонах та областях допалювання за рахунок квазіперіодичного відновлення зазначених зон та областей в агрегаті; 2) взаємного узгодження часу протікання процесу окислювання вуглецю струменями первинного кисню і процесу допалювання відхідних газів струменями вторинного кисню; 3) додаткової турбулізації взаємодіючих фаз у системі, і, як наслідок, збільшення коефіцієнтів тепло-масообміну, а також поверхонь теплообміну та взаємодії фаз; 4) інтенсифікації перемішування ванни (металу та шлаку); 5) зменшення теплових втрат від областей (зон) організації допалювання, у тому числі теплових потоків на внутрішню поверхню футерівки агрегату та зовнішню поверхню продувальної фурми (у першу чергу при організації допалювання відхідних газів у газовій фазі над ванною). Причому останнє (4, 5) дозволяє здійснювати ефективне допалювання газів як у шлаку, так і в газовій фазі над ванною, в агрегатах з верхнім продуванням (без наявності додаткового перемішування ванни). Для організації допалювання відхідних газів або в газовій фазі над ванною тривалість проміжку часу між моментом початку імпульсу подавання потоку первинного кисню та моментом початку імпульсу подання відповідного(-их) потоку(-ів) вторинного кисню tІ-ІІ необхідно встановлювати виходячи із співвідношень (1) або (2) відповідно, які отримані на основі проведеного чисельного експерименту на ПЕОМ (з використанням даних [3, 4] та ін.) і дозволяють визначити значення tІ-ІІ, що забезпечують за рахунок взаємного узгодження процесів: подання потоку первинного кисню, окислювання вуглецю металу струменями первинного кисню, виділення з розплаву СО-вмісних газів та подання потоку(-ів) вторинного кисню на їхнє допалювання, максимум величин a та hм у системі "потік первинного кисню – реакційна зона – метал – шлак – потік вторинного кисню – зона допалювання". Значення емпіричного коефіцієнта kе у виразах (1), (2) знаходиться в діапазоні 0,90-1,30. При kе1,30 має місце неузгодженість часу протікання процесу окислювання вуглецю струменями первинного кисню і процесу допалювання відхідних газів струменями вторинного кисню, що призводить до істотного зниження кінцевого ефекту допалювання (зменшення a та hм). Величину hс-в, що фігурує у співвідношеннях (1), (2), у практичних умовах можна знайти на основі відомих значень технологічних параметрів – робочої висоти продувальної фурми (над рівнем металу в спокійному стані) hф, маси Мш та густини рідкого гомогенного шлаку rш після закінчення æ h c-в ö ÷), (1) ´ exp ç - 10,683 × ç 3 i × cos a ÷ è ø де t I- II - тривалість проміжку часу між моментом початку імпульсу подання потоку первинного кисню та моментом початку імпульсу подання відповідного(-их) потоку(-ів) вторинного кисню, с; ke емпіричний коефіцієнт, який дорівнює 0,90-1,30; hс-в - висота розташування вихідного перерізу сопла для подання потоку первинного кисню над рівнем рідкого гомогенного шлаку, що знаходиться на поверхні металу м; i = m × w c + Fc × (Pc - Po ), H m - масова витрата первинного кисню через сопло, кг/с; wc - швидкість потоку первинного кисню у вихідному перерізі сопла, м/с; Fc - площа вихідного перерізу сопла для подання потоку первинного кисню, м2; Ре - статичний тиск у вихідному перерізі сопла для подання потоку первинного кисню. Па; PO - тиск у робочому просторі агрегату на рівні вихідного перерізу сопла для подання потоку первинного кисню, Па; a - кут нахилу сопла для подання потоку первинного кисню до вертикальної осі, град; hш - висота шару рідкого гомогенного шлаку над поверхнею металу, м; rш - густина рідкого гомогенного шлаку, кг/м3, а при допалюванні відхідних газів у газовій фазі над ванною тривалість проміжку часу між моментом початку імпульсу подання потоку первинного кисню та моментом початку імпульсу подання відповідного(-их) потоку(-ів) вторинного кисню визначають із співвідношення: t I - II = k e × ( 2,190 × 4 h c -в ´ і × cos a ´ (0,114 × 3 i × cos a + h ш × (1 - 0,056 × 3 r ш )) ´ æ h c-в ö ÷), ´ exp ç - 10,683 × (2) ç 3 i × cos a ÷ è ø де умовні позначення - див. вище. Крім того, подання потоку первинного кисню починають у момент закінчення імпульсу подання відповідного(-их) потоку(-ів) вторинного кисню. Причому при допалюванні відхідних газів у шлаку відношення витрати первинного кисню в період імпульсу подання його потоку до витрати вторинного кисню в період імпульсу подання його відповідного(-их) потоку(-ів) визначають із співвідношення: Vi - I / Vi - II = 20,0 - 2,0, (3) де Vi-I - витрата первинного кисню в період імпульсу подання його потоку; Vi-II - витрата вторинного кисню в період імпульсу подання його потоку(-ів), а при допалюванні відхідних газів у газовій фазі над ванною відношення витрати первинного кисню в період імпульсу подання його потоку до витрати вторинного кисню в період імпульсу подання його відповідного(-их) потоку(-ів) визначають із співвідношення: Vi - I / Vi - II = 10,0 - 1,4, (4) де умовні позначення - див. вираз (3). А також, потік(-оки) вторинного кисню формують у вигляді дозвукового(-их) струменя(-ів), що витікає(-ють) у порожнині сталеплавильного агрегату. 3 37998 вищити ефективність процесу допалювання відхідних газів [6, 7 та ін.], тому що останнє інтенсивно розвивається ляше на тих ділянках струменя, де його швидкість сумірна зі швидкістю поширення полум'я в суміші СО-СО2 (5-12 м/с). Формування потоку вторинного кисню у вигляді вихрового струменя, що витікає в порожнині агрегату, дозволяє "зм'якшити" потік вторинного кисню - істотно зменшити його далекобійність і збільшити поверхню взаємодії з відхідними газами [8]. При цьому вихровий струмінь вторинного кисню, маючи значну поверхню масообміну з висхідними потоками окислу вуглецю, сприяє їх ефективному допалюванню. Крім того, екранувальна зонтоподібна вихрова завіса вторинного кисню над областю найбільш інтенсивного випару та газовиділення (над реакційною зоною) дозволяє також зменшити кількість пилу та бризок, що виносяться з агрегату, - "накриває" область взаємодії струменя первинного кисню з металом, зменшуючи завдяки своїй осаджувальній дії можливість викидів шлаку та металу при спінюванні ванни. У випадку організації допалювання відхідних газів у шлаку, завдяки додатковому перемішуванню ШГМЕ струменем(-ями) вторинного кисню, у підфурменій зоні прискорюються тепло-масообмінні процеси як у шлаку, так і між шлаком і металом, що сприяє поліпшенню умов шлакоутворення та рафінування в агрегаті. Теплота, що виділяється при цьому поблизу поверхні розплаву, прискорює процеси шлакоутворення, нагрівання та рафінування металу. Суть винаходу пояснюється на фіг. 1-4. На фіг. 1 подана принципова схема реалізації способу продування рідкого металу з допалюванням відхідних газів у газовій фазі над ванною. На фіг. 2 поданапринципова схема реалізації способу продування рідкого металу з допалювання відхідних газів у шлаку. На фіг. 3 подана система з електромеханічним переривачем газових потоків для реалізації способу продування рідкого металу з допалювання відхідних газів у газовій фазі над ванною. На фіг. 4 подана система з електромеханічним переривачем газових потоків для реалізації способу продування рідкого металу з допалюванням відхідних газів у шлаку. Спосіб здійснюється таким чином. У процесі продування рідкого металу в сталеплавильному агрегаті 1 (див. фіг. 1, 2) через основні(-е) продувальні(-е) сопла(-о) 2 верхньої кисневої фурми 3 імпульсами подаються(-ється) потоки(-ік) первинного кисню 4, призначені(-ий) для рафінування та перемішування розплаву 5, а через додаткові(-е) сопла(-о) 6 імпульсами подаються(-ється) потоки(-ік) вторинного кисню 7, призначені(-ий) для допалювання СО-вмісних газів 8, що утворюються при продуванні металу струменями первинного кисню, у шлаку 9 (див. фіг. 2) або над ванною в газовій фазі 10 (див. фіг. 1). Причому кожному з основних продувальних сопел, призначеному для подання потоку первинного кисню в розплав, відповідає одне або декілька додаткових сопел, призначених для подання потоку(-ів) вторинного кисню в область переважного виділення СО-вмісних газів, що утворюються в процесі продування розплаву відповідним потоком первинного кисню. При цьому імпульси подання потоку(-ів) вторинного кисню через додаткове(-і) сопло(-а), які генеру продування плавки, а також діаметра дзеркала ванни Dв, із наступного співвідношення: hс-в=hф-Mш/rш/(p/4·(Dв)2). (5) Крым того, при наявності відповідних засобів вимірювальної техніки, у ряді випадків є можливим безпосередньо виміряти висоту шару рідкого шлаку після закінчення продування плавки – hш. Тоді: hс-в=hф-hш. (6) У тому випадку, якщо подання потоку первинного кисню починають у момент закінчення імпульсу подання відповідного(-их) потоку(-ів) вторинного кисню забезпечуються найбільш високі швидкості рафінування та перемішування розплаву. Відношення витрати первинного кисню в період імпульсу подання його потоку до витрати вторинного кисню в період імпульсу подання його відповідного(-их) потоку (-ів) Vi - I / Vi - II = 20,0 - 2,0 - при організації допалювання в шлаку, та Vi - I / Vi - II = 10,0 - 1,4 - при організації допалювання в газовій фазі над ванною, забезпечує ефективне допалювання відхідних газів (досягнення високих значень a та hм ). Зазначені діапазони значень параметра VI-I/Vi-ІІ отримані на основі аналізу результатів численних теоретичних та експериментальних досліджень процесу допалювання відхідних газів у агрегату конверторного типу [5] з урахуванням підвищення ефективності допалювання газів за запропонованим способом. При цьому більші значення параметра Vi-І/Vi-ІІ відносяться до агрегатів з додатковим перемішуванням ванни (наявністю донного або бічного продування), менші - до агрегатів із чисто верхнім продуванням ванни. У тому випадку, якщо Vі-І/Vi-ІІ>20,0 - при організації допалювання відхідних газів у шлаку, або Vi-І/Vi-ІІ>10,0 - при організації допалювання відхідних газів у газовій фазі над ванною, збільшення ступеня допалювання, з погляду поліпшення теплового балансу плавки, буде незначним. При цьому внаслідок необхідності застосування сопел малого діаметру (для подання потоків вторинного кисню), далекобійність допалювальних струменів буде неприйнятно малою і практична реалізація способу - важка. Крім того, інструменти та механічне обладнання, що використовуються в промислових умовах, не дозволяють реалізовувати конструкцію сопел для подання потоків вторинного кисню, необхідні значення діаметра яких у цьому випадку можуть складати десяті частки міліметра та менше. У тому випадку, якщо Vi-І/Vi-ІІ