Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

1.2.2. Продувка снизу

Продувку снизу газовыми струями изучали еще применительно к процессам донного воздушного дутья — бессемеровскому и тома — совскому.

Результаты холодного моделирования показали, что при малых давлениях дутья (<15 кПа) газ проходит через жидкость в виде отдельных пузырей. Если давление повышается до пределов 15— 20 кПа, над соплами возникают факелообразные газовые струи (рис. 1.9, а). Последние на расстоянии более 15—20 калибров от днища разрываются на пузыри различного размера. При давлении около 20 кПа газовые струи теряют прозрачность в результате ин­тенсивного подсоса в них жидкости и дробления ее на капли. В центральной части над соплами образуются почти сплошные ка­налы. Количество крупных и мелких пузырей увеличивается, а ин­тенсивность циркуляции жидкости вне зоны струй возрастает (рис. 1.9, б). Дальнейшее повышение давления до 0,2 МПа (рис. 1.9, в) и более усиливает описанные явления. В пробах из осевой части струи содержится значительное количество жидкости. По мере подъема кверху капли, находящиеся в струях газа, могут сливаться друг с другом и с массой жидкости, окружающей факел.

Рис. 1.9. дутья

А 6

Характер взаимодействия газа с жидкостью

При разных давлениях

Рис. 1.10. Схема циркуляционных по — Рис. 1.11. Схема реакционной зоны при токов в жидкости при достаточно продувке металла окислительным газом большом расстоянии между соплами (а) и окислительным газом в оболочке

Защитной среды (б)

Описанная картина наблюдается независимо от числа сопел в днище.

В результате циркуляции жидкости ее потоки воздействуют на периферийные газовые струи, отклоняя их к центру. С уменьшени­ем расстояния между соплами и увеличением давления дутья струи в большей степени сливаются друг с другом, формируя сплошные каналы. Очевидно, что этому слиянию должно (при постоянном рас­стоянии между соплами) способствовать приближение наружного ряда сопел к стенке агрегата, т. е. уменьшение циркуляционного се­чения. При достаточно большом расстоянии между соплами от­дельные струи не сливаются. В этом случае удается зафиксировать циркуляцию и в объемах жидкости между струями (рис. 1.10).

Слияние отдельных струй приводит к образованию пульсирую­щего факела, который при неблагоприятных обстоятельствах мо­жет пробить всю толщину жидкости. Последнее сопровождается увеличением выноса брызг из ванны и в практических условиях вызывает потери металла из конвертера. Кроме циркуляции жид­кости в вертикальных плоскостях, проходящих по радиусу ванны (см. рис. 1.9), наблюдается и вращательное ее движение против часовой стрелки в горизонтальных плоскостях. В результате неус­тойчивости газожидкостной системы поверхность ванны при опре­деленных параметрах дутья начинает совершать колебательное движение. Отклонение газовых струй в какую-либо сторону ванны сопровождается повышением уровня жидкости — образованием волны. Под действием силы тяжести жидкость волны стекает вниз, перетекая по инерции на противоположную сторону ванны, и вызы­вает соответствующее искривление газовых струй, что способствует формированию новой волны. Высота образующихся волн увеличи­вается с ростом давления дутья и уменьшением объема конвертера. Если высота волн становится соизмеримой с расстоянием от уровня ванны до горловины конвертера, то при их подъеме и ударах о фу­теровку могут начаться выбросы.

Темп смешения газа с жидкостью при донной продувке описы­вается следующим выражением:

Eft = AscZAmil = Р/(^/а? вых)2; [Xidmyi >6), (1.46)

Где р — постоянная, характеризующая темп смешения для данной пары газ — жидкость. Значение р колеблется в пределах 1,5—4,5, увеличиваясь с ростом давления дутья и уменьшением плотности жидкости. Процесс перемешивания при обычных для практики дав­лениях дутья в основном заканчивается на расстоянии 15—20 ка­либров от сопла.

В результате смешения с газовым потоком эжектированные объемы жидкости дробятся под действием динамического напора газа и превращаются в капли. Размеры капель составляют Ю-5— 10_3 м при высоких давлениях дутья. Они, как и в случае продувки сверху, подобны туману в газовом потоке. Значительная удельная поверхность капель, в частности при продувке жидких Fe — С спла­вов, обеспечивает быстрое расходование кислорода на окисление металла. В продуваемом металле формируются первичная I и вто­ричная II реакционные зоны (рис. 1.11). В пределах первичной зо­ны металл эжектируется в струю окислительного газа 1 и на его сжигание расходуется кислород газа. Образовавшиеся окислы же­леза переходят во вторичную реакционную зону, где, смешиваясь с металлом ванны, окисляют растворенные в нем элементы. Если окисляется углерод, пузыри образующейся окиси углерода всплы­вают на поверхность ванны, вызывая при своем разрушении образо­вание бурунов и всплесков.

Так же, как и при продувке сверху, в агрегатах с донным дуть­ем (кислородным или воздушным) в реакционных зонах периоди­чески образуются большие газовые объемы (по размеру близкие к размеру реакционной зоны), дающие наиболее мощные всплески. Последние являются одной из причин выноса и выбросов жидкости в пространство над ванной. В том случае, когда длина реакционной зоны близка к глубине ванны или больше ее, возникают также «прострелы» ванны газовым потоком (см. рис. 1.9, в), пульсация которого вызывает изменение длины реакционной зоны. Волнооб­разование приводит к колебаниям толщины слоя металла над соп­лом, что обусловливает периодический характер «прострелов». «Простреливающий» ванну газовый поток уносит с собой объемы жидкости, это также служит причиной выноса металла. При нали­чии слоя вспененного шлака всплывание больших газовых объемов и «прострелы» вызывают его выбросы.

Глубина конвертерной ванны должна превышать длину реакци­онной зоны для обеспечения более спокойного хода продувки. Вмес­те с тем чрезмерное (выше оптимальных значений) увеличение тол­щины слоя металла в конвертере также способствует выбросам (уровень вспененной ванны приближается к горловине).

При донной продувке ванны технически чистым кислородом фу­теровка днища быстро изнашивается. Пульсация реакционной зоны вызывает периодическое движение газожидкостной среды реакци­онной зоны, противоположное направлению потока вдуваемого газа, т. е, в сторону футеровки. При продувке кислородом температура фаз в реакционной зоне достигает приблизительно 2500 0C и обрат­ные удары вызывают контакт среды высокой агрессивности с футе­ровкой вокруг сопла. Поэтому для уменьшения скорости износа фу­теровки вокруг центральной кислородной струи создают поток защитной фазы III, подаваемой через кольцевой зазор 2 (см. рис. 1.11, б) и состоящей из восстановительного, диссоциирующего при температурах металла или нейтрального газа. Так как расход защитной среды по объему не должен превышать 5—10 % объема вдуваемого кислорода, ширина кольцевого зазора составляет мак­симум 1—3 мм. Даже в условиях достаточно высокого давления по­даваемой защитной среды длина пути ее смешения с окружающим металлом не превышает 10 см. Указанная длина пути достаточна для изоляции (отдаления) реакционной зоны от футеровки и смяг­чения отрицательного действия обратных ударов. Однако она слишком мала, чтобы существенно сказаться на общей структуре реакционной зоны. В дальнейшем газовый поток разбивается на отдельные пузыри.

Длина реакцибнной зоны продуваемого снизу металла несколько больше, чем при верхнем дутье, что связано в основном с соотноше­нием направлений векторов архимедовых и инерционных сил газо­вого потока. Если в первом случае векторы взаимно противополож­ны, что тормозит проникновение газовой струи в металл, то при донной они направлены в одну сторону.

Длина реакционной зоны может быть описана критериальным вы­ражением (1.37), причем для первичной реакционной зоны k = = 1,66; т=0,394, а для вторичной — соответственно 3,23 и 0,376. Содержание углерода в ванне существенно и неодинаково влияет на длину первичной и вторичной реакционнных зон. Если содержание углерода ниже 0,1 %, длина первичной реакционной зоны макси­мальна, при содержании же углерода 1—3%—минимальна. В случае продувки чугуна ее длина имеет среднее значение. Длина вторичной реакционной зоны с увеличением содержания углерода в металле изменяется симбатно скорости обезуглероживания vc, т. е. высоким скоростям окисления углерода соответствует максималь­ная длина зоны, а низким — минимальная.

Максимальный диаметр реакционной зоны в рассматриваемом случае меньше, чем при донной продувке. Он может быть описан выражением типа

Djdsbn = khxm, (1.47)

Где k и tn — некоторые постоянные. Для первичной реакционной зоны fe = 2,29, т=0,33, а для вторичной — соответственно 3,47 и 0,313. Величины диаметров первичной и вторичной реакционных зон зависят от содержания углерода в продуваемом металле: они ми­нимальны, если [С] ^0,1 %, с увеличением содержания углерода в металле растут и при концентрации углерода [С]=1—3 % дос­тигают максимума. Таким образом, диаметры реакционных зон из­меняются симбатно скорости окисления углерода vc.

В обычных условиях донной продувки (цилиндрические сопла, давление дутья более 0,2 МПа) окислительный газ входит в ванну сжатым и резко расширяется на начальном участке. В связи с этим диаметр реакционной зоны внизу ванны («корень» зоны) сущест­венно больше диаметра соп­ла d вых-

При донной продувке возду­хом количество сопел в днище, как отмечено выше, весьма вели­ко, а их диаметр небольшой. Если днище игольчатого типа, то рас­стояние между соплами составля­ет 5—20 калибров, а для фурмен­ных днищ оно снижается до пяти калибров в пределах фурмы. Сопоставление этих размеров с соот­ветствующей величиной диаметра реакционной зоны позволяет предположить, что реакционные зоны одной фурмы в значительной степени сливаются. При этом повышается вероятность возникнове­ния «прострела» ванны газовым потоком, увеличиваются размеры всплывающих газовых объемов, высота всплесков металла и ин­тенсивность его выноса. Для днищ игольчатого типа возможно лишь частичное наложение соседних реакционных зон. В этом случае указанные отрицательные последствия слияния значительно ослаб­ляются.

При донной кислородной продувке расстояния между соплами достигают 20—25 калибров, что позволяет обеспечивать достаточ­ную степень разведения образующихся реакционных зон и спокой­ную продувку.

1.2.3. Боковая продувка

Схема реакционной зоны при боковой продувке представлена на рис. 1.12. Совместное действие динамического напора газового потока с горизонтальным вектором и подъемной архимедовой силы, направленной вертикально вверх, приводит к искривлению зоны взаимодействия газовой струи с жидкостью. По мере удаления от среза сопла 1 в ванну 2 и уменьшения динамического напора в ре­зультате смешения газа с жидкостью удельное значение подъемной силы возрастает и искривление зоны увеличивается.

Процессы в первичной зоне I аналогичны описанным выше для верхней и донной продувки. Во вторичной зоне II окисляются при­меси и периодически выделяются отдельные крупные газовые объе­мы 3, вызывающие на поверхности ванны образование буруна и всплесков. Таким образом, периодическое образование и движение вверх больших газовых объемов в реакционной зоне наблюдается при любом способе продувки, т. е. представляет собой универсаль­ное явление.

Рис. 1.12. Схема реакционной зоны при боковой продувке

Длина реакционной зоны описывается выражениями типа (1.37) со следующими значениями коэффициентов: для первичной реакци­онной зоны L1 /г = 4, т = 0,35, а для вторичной L k = 4,27, яг=0,328.

Физико-химические явления в реакционной зоне во многом оп­ределяют механизм реакций конвертерных процессов и технологию плавки.