Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

1.3.4. Состояние ванны и динамика фаз

Конвертерная ванна (в ходе продувки) отличается сложной многофазной структурой. Бурное газовыделение, характерное для большей части продувки, вызывает интенсивное перемешивание фаз. Высокие температуры процессов и агрессивность фаз затруд­няют непосредственное изучение структуры ванны. Поэтому пред­ставленные ниже схемы следует рассматривать как ориентиро­вочные.

При продувке сверху (рис. 1.18, а) кислородные струи 2, исте­кающие через сопла (фурмы), внедряются в ванну 6, формируя первичную реакционную зону с границами нисходящего струйного участка 3. Скорость потоков в первичной реакционной зоне умень­шается от оси к периферии и от места встречи струи с ванной вниз по оси зоны. Ориентировочно она составляет IO1 — IO2 м/с, а век­тор динамического напора направлен вниз по потоку (здесь и да­лее направление вектора показано стрелками). В пределах границ вторичной реакционной зоны 4 выделяются продукты реакции окис­лов железа с элементами, растворенными в металле, в частности газовые объемы (пузыри) 5, состоящие из продуктов окисления уг­лерода. Каждый пузырь, всплывая на поверхность, выталкивает перед собой жидкий металл, а другие его порции занимают освобо­ждающееся место, двигаясь в тылу газовых объемов. Это создает потоки металла в реакционной зоне, движущиеся со скоростью 10 м/с. Здесь вектор скорости направлен вверх в соответствии с движением газовых объемов.

Движение фаз в пределах реакционной зоны вызывает переме­щение остальной массы ванны (рис. 1.18, а). Скорость потоков мак­симальна в участках, непосредственно примыкающих к реакцион­ной зоне. Если размеры периферийной части ванны не слишком ве­лики, то в каждом вертикальном сечении, проходящем через ось фурмы 1 (одно из них показано на рис. 1.18, а), образуется один замкнутый цикл потоков. Если же размеры периферийной части ванны значительны, то может образоваться два цикла потоков, один из которых будет находиться ближе к реакционной зоне, вто­рой — к стенке конвертера. Скорость движения потоков в перифе­рийных участках конвертерной ванны оценивается только косвен­ными методами. Получаемые результаты отличаются даже по по­рядку величины (10~3— IO0 м/с). Наиболее вероятное значение скорости 1 м/с.

Газовые объемы разрушаются на поверхности металлической ванны, где образуются всплески 8. Вспененный шлак 7 уменьшает высоту всплесков металла, и они могут не выходить за пределы шлакового слоя. Тогда вынос металла из конвертера потоком от­ходящих газов минимален. Разрушаясь в шлаковой фазе, всплески дробятся на капли 9, размер которых составляет Ю-4—Ю-2 м и более. Капли под действием собственной массы оседают в шлаке, причем чем меньше их величина, тем больше длительность оседа­ния, в процессе которого капли могут коагулировать друг с дру­гом или сливаться с новыми всплесками. Их содержание в шлаке

Повышается с ростом скорости выгорания углерода, оно максималь­но при основности шлака 1,5—1,7, так как вязкость шлака из-за появления в нем группировок 2СаО-SiCb (двухкальциевого сили­ката) увеличивается,

В разные периоды продувки металлические капли, называемые корольками, составляют 15—100 % от массы шлака. Шлаковая фа­за со взвешенными корольками образует шлакометаллическую эмульсию. Кроме того, в области реакционной зоны, где движение и перемешивание конденсированных фаз наиболее интенсивны, шлак вовлекается в металл, образуя металлошлаковую эмульсию. Струя окислителя, верхняя часть которой значительную долю продувки находится в шлаке, затягивает последний в металл, действуя как струйный насос. По экспериментальным данным, доля шлака в

Эмульсии в центральной части ванны растет снизу вверх. После прекращения продувки относительно крупные капли шлака всплы­вают, большая доля корольков оседает из шлака в ванну, но часть из них остается во взвешенном состоянии. Оседание происходит тем полнее, чем меньше вязкость шлака. Остающиеся в шлаке король­ки составляют 1 —10 % от массы шлака. Потери металла в виде ко­рольков при промежуточном скачивании шлака из конвертера в хо­де продувки достигают 1 %, а с конечным шлаком 0,5 % от метал­лической садки.

(1.71)

Поверхность контакта со шлаком взвешенных в нем корольков в процессе продувки значительна, так как их много и они имеют небольшие размеры. На этой поверхности возможна реакция взаи­модействия углерода растворенного в металле королька с окисла­ми железа шлака

[С] + (FeO) — у {СО} + [Fe].

Окись углерода в этом случае выделяется небольшими объемами размером Ю-4—IO-2 м. Пузыри 10, число которых соответствует количеству корольков, возникая в слое шлака и задерживаясь в нем вместе с газовыми объемами, поступающими из реакционной зоны, вызывают вспенивание шлака. Продолжительность пребы­вания пузырей в шлаке определяется их размерами, вязкостью и поверхностными свойствами шлака. Особенно интенсивно вспени­ваются шлаки с основностью около двух.

Газовые объемы 5, проходя из реакционной зоны, также вызы­вают увеличение высоты слоя вспененного шлака. При неблаго­приятном стечении обстоятельств слой вспененного шлака в 30— 50 раз превышает толщину невспененного шлака, а его уровень до­стигает 3—6 м от поверхности спокойной ванны (в зависимости от садки конвертера). При этом вспененная шлакометаллическая эмульсия подходит к горловине конвертера. В результате разру­шения на вспененном шлаке газовых объемов образуются всплески шлакометаллической эмульсии 11. Если уровень шлакометалли — ческой эмульсии располагается достаточно близко к горловине кон­вертера, то отдельные всплески через горловину выбрасываются за пределы агрегата. Иногда эмульсия просто переливается через гор­ловину. Это явление, называемое выбросами шлака, сопровождает­ся потерями металла в виде корольков и приводит к зарастанию брони конвертера. Оно представляет опасность для обслуживающе­го персонала.

(1.72)

С с»

(1.73)

Увеличение объема вспученной конвертерной ванны AV пропор­ционально скорости выгорания углерода Uc и продолжительности пребывания объемов газа в ванне т:

AV = Vcot:.

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям мак­симальный прирост высоты уровня ванны ДhB при первоначальной ее высоте hs составляет где k — коэффициент пропорциональности; rjc — доля кислорода, расходуемого на окисление углерода; Iq2— интенсивность продув­ки; пс — число сопел. Чем интенсивнее продувка ванны и в мень­шей степени рассредоточено дутье, тем значительнее будет ее вспу­чивание и вероятнее выбросы.

Возникновение выбросов и их интенсивность зависят от целого ряда причин. Довольно часты выбросы при переокислении шлака. Если содержание окислов железа повысилось в результате холод­ного начала процесса (низкая температура чугуна или значитель­ное количество легковесного лома в шихте), выбросы возникают при переходе к интенсивному окислению углерода. Когда окислен — ность шлака возросла в каком-то периоде продувки вследствие смягчения дутьевого режима при подъеме фурмы или же в резуль­тате добавок в конвертер железной руды, то выбросы могут насту­пить в начале периода интенсивного расходования окислов железа на окисление углерода в металле ванны и корольков шлакометал — лической эмульсии. Выбросы можно устранить путем принятия мер, обеспечивающих снижение интенсивности вспенивания шлака, уровня ванны и его колебаний, т. е. уменьшив окисленность шлака, скорость окисления углерода, рассредоточив дутье.

Увеличение в ходе продувки содержания CaO в шлаке вызывает повышение температуры его плавления. От начала к середине про­дувки с ростом скорости выгорания углерода уменьшается содер­жание окислов железа в шлаке (в результате восстановления). Так как марганец окисляется в начальном периоде продувки, то по мере увеличения количества шлака в последнем снижается также и содержание окислов марганца. Известно, что окислы железа и мар­ганца разжижают шлак, заметно уменьшая температуру его плав­ления. В результате одновременного действия перечисленных фак­торов температура плавления конвертерного шлака повышается по ходу продувки с 1200 в ее начале до 1600 cC в конце и при небла­гоприятных обстоятельствах может превысить его фактическую температуру, что приведет к выпаданию из раствора наиболее ту­гоплавких составляющих, в первую очередь двухкальциевого сили- ‘ката. Наличие в шлаковом расплаве твердой фазы вызывает уменьшение его текучести.

Если описываемые явления продолжают развиваться, степень гетерогенности шлака увеличивается и он свертывается. Свертыва­ние сопровождается не только сгущением шлака, но и потерей спо­собности пениться, его «оседанием», так как процессы массопере­носа в вязком шлаке замедляются, что подавляет реакцию (1.71). Свертывание усиливается при вводе в конвертер шихтовых мате­риалов и охлаждении шлаковой фазы.

Свернувшийся шлак зачастую представляет собой полутвердую или твердую массу, которая отбрасывается с поверхности реакцион­ной зоны к стенкам агрегата потоками выделяющегося газа. При этом теряется важная защитная функция шлака, препятствующая развитию всплесков и выносу металла в пространство над ванной и из конвертера. С возрастанием расхода кислорода, проходящего через одно сопло, увеличиваются размеры каждой из реакционных зон в случае многоканальной продувки, газовых объемов, выделяю­щихся в пределах реакционной зоны, и высота вызываемых ими всплесков. При свернувшемся шлаке всплески беспрепятственно вылетают из металлической ванны в полость конвертера. Если внутренняя высота конвертера недостаточно велика, это приводит к вылету всплесков через горловину на кожух конвертера, значи­тельным потерям металла и необходимости последующей очистки кожуха от заплесков. Но даже если всплески останутся в конвер­тере, то капли металла, образующиеся при их разрушении в по­лости агрегата, могут быть, как уже отмечено выше, подхвачены газовым потоком и вынесены из конвертера через горловину. Этот процесс протекает менее заметно, чем вылет крупных всплесков металла, но вызывает значительные осложнения. Потери металла с выносом при нормальном состоянии вспененного шлака практи­чески сводятся к нулю, но если шлак свернувшийся, они достигают около 0,2 % садки за каждую минуту продувки.

В период продувки со свернувшимся шлаком вредные примеси, сера и фосфор, практически не переходят из металла в шлак, так как все процессы массопереноса в шлаке подавляются.

Таким образом, устранение свертывания шлака и снижение по­терь металла с выносом являются главными технологическими за­дачами, которые приходится решать в процессе продувки. Сверты­ванию эффективно препятствуют добавки плавикового шпата, зна­чительно разжижающего шлак. Шлак разжижают, повышая со­держание в нем окислов железа путем смягчения дутьевого режи­ма, главным образом за счет кратковременного увеличения высоты фурмы над уровнем ванны.

В процессе донной продувки металла окислительным газом (рис. 1.18, б) над каждым из сопел 2 формируется первичная реак­ционная зона с границами 3, в которой струйные потоки направле­ны вверх. В пределах вторичной реакционной зоны с границами 4 при всплывании газовых объемов 5 металл также движется вверх. За пределами зоны продувки, в периферийных участках ванны 6, металл движется в направлении, показанном стрелками. Если объ­ем ванны, заключенный между соплами, достаточно велик, движе­ние металла может развиваться и в этом объеме. В результате гидродинамической неустойчивости системы возникает волна 8, беспорядочно перемещающаяся по поверхности ванны. Значитель­но большая, чем при верхней продувке, степень рассредоточения дутья препятствует в рассматриваемом случае развитию крупных всплесков металла и выносу ее капель.

Донная продувка отличается прежде всего более высокой, чем при верхней, степенью усвоения кислорода дутья и окислов желе­за в реакционной зоне. Последнее объясняется большей длиной пути (толщиной слоя металла), который проходят образовавшие­ся в первичной реакционной зоне окислы железа. В результате в шлак попадает меньшее их количество. Содержание окислов желе­за в шлаке в середине донной продувки обычно в полтора-два раза меньше, чем при верхней, и составляет иногда всего 4 % незави­симо от состава окислительного газа (воздух, кислород, окисли­тельные смеси) и типа процесса (кислый, основной). Низкое со­держание окислов железа в шлаке поддерживается на протяжении почти всей продувки за исключением ее начального периода, ког­да в ванне окисляются кремний и марганец, и заключительной фазы — передувки, когда содержание углерода в продуваемом ме­талле снижается до 0,1 % и менее. Это приводит к тому, что шлак 7, часто слабовспененный, гетерогенный и иногда даже твердый, ма­ло реакционноспособен (если не приняты специальные меры) и не­достаточно защищает ванну от выноса металла в полость конвер­тера.

От больших потерь металла предохраняет в таких случаях вы­сокая степень рассредоточения дутья. Тем не менее при продувке, например, воздухом вынос металла может быть существенным, так как через ванну проходит значительное количество инертного азота. Отмечается также заметалливание горловины потоком вы­носимых капель.

В кислом бессемеровском процессе при большой величине со­отношения концентраций марганца и кремния в чугуне высокое со­держание закиси марганца в шлаке значительно снижает темпера­туру его плавления. При этом шлак остается жидкоподвижным, несмотря на низкое содержание окислов железа, и вспучивается по­током отходящих газов, что приводит к выбросам. Исключая опи­санный случай, в середине операции при донной продувке сверты­вание шлака трудно устранить, не изменив способ подвода дутья или не приняв специальных технологических мер, что является не­достатком этого способа.

Для глубинной боковой и донной продувки смесями кислорода и аргона при аргонокислородном рафинировании строение метал­лической и шлаковой фаз в значительной степени аналогично (рис. 1.18, в). Однако в первом случае объем ванны, не подвержен­ный непосредственному воздействию развивающихся в реакцион­ной зоне газожидкостных потоков, значительно больше, чем во втором.

В агрегате с поверхностным боковым дутьем (обычно малое бессемерование) динамический напор вдуваемого газа невелик, ма­ла также толщина металла над реакционной зоной, поэтому зна­чительная доля образующихся окислов железа переходит в шлак. Строение шлаковой фазы при боковом и верхнем дутье во многом аналогично (рис. 1.18, г).

Шлак с высоким содержанием окислов железа интенсивно пе­нится, что при достаточно большой скорости выгорания углерода приводит к его выбросам. Размеры части ванны, располагающейся за пределами реакционной зоны, максимальны, следовательно, за­труднено ее хорошее перемешивание.

В любом из конвертерных процессов важно обеспечить необхо­димое перемешивание металлической ванны. В результате пере­мешивания ванны устраняется неравномерность ее химического со­става и температуры, возникающая вследствие преимущественного окисления примесей в реакционной зоне, обеспечивается доставка в реакционную зону и окружающие ее объемы металла, содержащего примеси. Последнее способствует усвоению поступающего в реак­ционную зону кислорода (окислов железа) на окисление приме­сей.

Перемешивание металла со шлаком путем эмульгирования ко­рольков в шлаковой фазе или шлака в металле создает значитель­ную поверхность раздела металл — шлак, через которую могут удаляться вредные примеси, сера и фосфор. Так, поверхность раз­дела металл — шлак в шлакометаллической эмульсии на два-три порядка величины, т. е. в 100—1000 раз, больше, чем спокойной ванны. Перемешивание металлической ванны происходит в резуль­тате воздействия на нее окислительного газа (дутья) Еяуг, газооб­разного продукта окисления углерода Etry3 (со> и естественной кон­векции, возникающей при наличии градиента плотностей. Послед­нюю составляющую можно не рассматривать, так как ее роль не­значительна.

Суммарная энергия, затрачиваемая на перемешивание ванны в единицу времени (мощность),

Es = Elly7 — f Eny3(CO) ¦ (1-74)

Проанализируем значимость этих двух составляющих в процессе перемешивания металлической ванны. Кинетическая энергия струи вдуваемого окислительного газа

Eдут (кии) = mrwf/2, (1-75)

Где тг и Wr — массовый расход вдуваемого газа и его скорость в месте встречи с металлической ванной.

Величина Eдут (Кин) может быть определена по формулам, приве­денным в подразд. 1.1, достаточно точно для процессов донной, бо­ковой и верхней (если ванна вспучена и фурма погружена в нее) продувки, когда струя газа вводится непосредственно в ванну, и приблизительно — для верхней продувки, когда расстояние от соп­ла до уровня спокойной ванны меньше длины ядра начальных ско­ростей. Если это расстояние больше, точно рассчитать ?дут (юш) в месте встречи дутья с ванной трудно.

Энергия дутья может расходоваться на эжекцию металла в струю Еэт, сопровождающуюся дроблением его с образованием но­вой поверхности раздела, затратами энергии Erwв, потерями на удар при столкновении газового потока с каплями Егя и затратами энергии на разгон капель в газовом потоке Ek3lu:

Eэж ~ Eпоо — f — E уД — f — Eкап. (1.76)

Затраты энергии на образование НОВОЙ ПОВврХНОСТИ — Ьпов при дроблении капель весьма невелики. Величина потерь на удар Ey^ зависит от его характера. Для системы газ — жидкость в процессе их взаимодействия предполагается неупругий удар, после которого газ и жидкость движутся в одном направлении с одинаковыми ско­ростями. Отметим, что это допущение полностью справедливо лишь для малых капель металла. Тип удара крупных его объемов может быть промежуточным между неупругим и упругим. В последнем случае, как известно, потери энергии на удар вообще отсутствуют.

На преодоление архимедовых сил Esivx расходуется Елуц1тВ), ес­ли направления движения дутья и действия архимедовых сил вза­имно противоположны. В конкретных процессах эти затраты имеют место только при верхней продувке. Тогда

?дут (кин) = Еэж -(- Eapx ~ Eкап -}- Еул + Eapx. (1.77)

Откуда

^кап = Eдут (кин) Eуд EарХ. ( 1.78)

В уравнениях (1.77), (1.78) для донной и боковой продувки Eapx=O — В процессе внедрения в жидкость содержащийся в окис­лительном газе кислород расходуется на окисление железа в пер­вичной реакционной зоне, поэтому при оценке затрат Eblрх (в случае верхней продувки) необходимо учитывать кинетику расходо­вания кислорода по глубине зоны и среднюю величину проникно­вения окислителя в ванну. Энергия ?арх, затрачиваемая при движе­нии струи вниз, возвращается в систему (ванну) лишь в процессе последующего всплывания тех содержащихся в дутье газов, кото­рые не поглощаются ванной (азот, аргон, неусвоенный кислород и др.). При верхней продувке технически чистым кислородом коли­чеством этих газов и соответствующим влиянием на перемешивание ванны можно пренебречь. Таким образом, в случае верхней про­дувки кислородом Еэт меньше ?дУт(кин) на величину Eavx, а при дон­ной и боковой Еэж « Еду^(кин). Часть энергии дутья, затрачиваемой на эжекцию жидкости, превращается в кинетическую энергию ка­пель в газовом потоке и передается затем ванне. Эта часть ?дут(кип) минимальна при неупругом ударе.

Если газовый поток массой т,\ и скоростью сталкивается с объемом металла массой т2 и скоростью, близкой к нулю, что имеет место при эжекции металла и разгоне его капель, то в результате неупругого удара скорость газового потока и капель

W2 = M1W1Km1 + т2). (1-79)

Тогда энергия, приобретенная каплями в результате неупругого удара, составит

Ек!1ц —m2w2/2 = m2nt\Wi/2(ml + т2)2, (1.80)

А ее доля от первоначальной кинетической энергии газа (до столк­новения)

Будет равна

Т]кап = EkJ Er = Tn2Tn1Km1 + т2)2. (1.82)

Теоретически отношение т2!тх, при котором весь вдуваемый кислород расходуется на сжигание железа, равно 3,5, что близко к экспериментально наблюдаемым значениям. В этом случае Т1кап= = 0,174, т. е. около 17 % всей кинетической энергии газового пото­ка расходуется на разгон капель. С учетом развития упругого уда­ра т]кап увеличивается до пределов 20—25 %. При донной и боко­вой продувке, когда в уравнении (1.77) Z^apx = O и ?Кап максималь­на, 20—25 % всей кинетической энергии дутья ^ду^кин) расходуется на разгон капель. При верхней продувке Eapx > 0 и достигает обычно 10 % от начальной энергии дутья. Следовательно, в усло­виях верхней продувки т]Кап несколько меньше, чем при донной и боковой (< 20 %).

Согласно такой обобщенной ориентировочной оценке в зависи­мости от способов подвода дутья около 20—25 % его энергии за­трачивается на сообщение эжектируемым и сгорающим каплям ки­нетической энергии

^кап = ЦЕцут (кин)1 (1.83)

Где ф = 0,2 — 0,25. Эта энергия передается металлу при слиянии с ним движущихся окислившихся капель в пределах вторичной реак­ционной зоны и может быть использована на перемешивание ван­ны. Отметим, что газовая струя играет роль струйного насоса, че­рез который проходят жидкие фазы ванны. Путем холодного моде­лирования установлено, что через струю проходит до 1/3 всей ван­ны, по данным экспериментов на жидком металле — 1/2.

При окислении углерода в реакционной зоне образуются пузы­ри окиси углерода, всплывающие на поверхность ванны. Объемы СО изотермически расширяются, причем в единицу времени совер­шается работа

?"изот (CO) — Eарх (СО) = РокрЛ — In [1 + (Ржё^/Рокр) ] =

Тде Eapx (СО) — работа архимедовых (выталкивающих) сил при всплывании пузырей; р0кр — давление в газовой среде над поверх­ностью ванны; Ir — интенсивность газовыделения; h — средняя глу­бина, с которой всплывают пузыри; k — пересчетный коэффициент; Uc — скорость выгорания углерода; Tb— температура ванны, К. С ростом температуры ванны и скорости обезуглероживания Vc мощность перемешивания ванны увеличивается. Эта энергия рас­ходуется на перемешивание металла, окружающего пузыри при их расширении и движении.

Определяя h, следует учитывать расположение (вверху, внизу) и длину реакционной зоны L. В первом приближении можно при­нимать h равной 1/2 глубины спокойной ванны hB. При верхней про­дувке вектор движения ванны от действия струи направлен вниз, а от действия всплывающих газовых объемов СО — вверх, т. е. они взаимно противоположны, что, по-видимому, существенно сни­жает полезное влияние струи. Согласно расчетам В. И. Явойского с сотрудниками и других авторов, энергии перемешивания ванны всплывающими пузырями и от действия струи равны соответствен­но 15—25 и 2—3 кВт/т. Следовательно, перемешивание ванны, продуваемой кислородом сверху, определяется в основном дейст­вием всплывающих пузырей окиси углерода. Экспериментально об­наруженное направление движения жидкости за пределами реак­ционной зоны (на рис. 1.18, а показано стрелками) подтверждает это. Чем глубже струя кислорода проникает в ванну, тем интенсив­нее последняя перемешивается. Поэтому с переходом на многока­нальные фурмы равномерность газовыделения хотя и увеличивает­ся, но в целом мощность перемешивания конвертерной ванны не­сколько снижается.

При донной продувке направленность действия вдуваемых струп и всплывающих пузырей СО одинакова (см. рис. 1.18, б), что улуч­шает перемешивание ванны в конвертерах рассматриваемого типа (.Едут(кип) в этом случае всегда положительна). В общем для донной продувки

Е"дут — Едут (кин) ~Ь Ешзот (н)> (1.85)

Где ?Изот(и) — энергия перемешивания за счет изотермического рас­ширения неусваиваемых газов дутья в ванне (O2, N2, топлива). Величина Eh30t(H) существенна даже для донной продувки кисло­родом. Но особенно она велика в случае донного воздушного дутья благодаря значительному содержанию в нем азота. В расчетах учитывалось, что температура азота дутья на выходе из ванны на 200—300 0C ниже температуры последней. Результаты расчетов по формулам (1.84), (1.85) средней удельной мощности перемешива­ния ванны, продуваемой с обычной интенсивностью при Zjb = 1,5 м и L = 0,7 м за счет разных источников, приведены в таблице. При глубине ванны в конвертерах с воздушным дутьем Zjb = 0,7 величи­на E2 составляет ~ 60—80 кВт/т.

Из сравнения EKati и Еи30Т(СО) следует, что для любого способа продувки металла кислородом сверху или снизу определяющее влияние на перемешивание ванны оказывают пузыри окиси углеро­да, т. е. скорость выгорания углерода, а в случае подвода воздуха снизу — дутье. Учитывая различие направлений векторов движения от действия струй при разных способах подвода дутья (сверху, снизу) и данные таблицы, получаем, что средняя мощность переме­шивания ванны для донной продувки кислородом примерно в 1,5 раза, а воздухом в 3—3,5 раза больше (Лв = 0,6—0,8 м), чем при продувке кислородом сверху.

В случае боковой продувки векторы движения, вызванного ос­новными источниками перемешивания (дутье и пузыри СО), распо­ложены под углом 90° (см. рис. 1.18, в и г), т. е. тип их результи­рующего действия промежуточен между верхней и донной подача­ми дутья.

Согласно выражению (1.84) на перемешивание ванны затрачи­вается тем больше энергии, чем выше интенсивность газовыделе-

Удельная мощность перемешивания ванны и ее составляющие при донной продувке, кВт/т

Состав дутья

Интенсив­ность продувки

O2, м8/(т-мин)

^кап

^изот (O2)

Яизот (СО)

^изот др. г

Кислород Воздух

3—4 3-4

1,5—2 3-4

5,5-7,5 5,5—7,5

17—23 17-23

2-3

75-110

26-35 100-135

Пия. Следовательно, с ростом скорости выгорания углерода переме­шивание усиливается. Скорость обезуглероживания в начальный период продувки мала во всех конвертерных процессах, что обус­ловливает и минимальную мощность перемешивания. Скорость вы­горания углерода снижается и в конце продувки тем сильнее, чем ниже его концентрация в металле. Соответственно ухудшается пе­ремешивание ванны, что сказывается на массопотоке углерода в реакционную зону из периферийных участков ванны. В случае про­дувки сверху технически чистым кислородом, когда газовыделение и перемешивание в основном определяются процессом окисления углерода, при низких концентрациях последнего (менее 0,02— 0,03%) его выгорание может практически прекратиться, тогда окислы железа из первичной реакционной зоны интенсивно посту­пают в шлак, так как металл не содержит примесей, которые мо­гут окисляться.

В рассматриваемые периоды, когда Vc (начало и конец про­дувки) и ?изот (СО) очень низки, очевидно, весьма существенна роль в перемешивании ванны динамического действия кислородных струй. Некоторое влияние на перемешивание оказывает также дви­жение через ванну азота и инертных газов, содержащихся в тех­ническом кислороде. Струи кислорода, вдуваемого в металл снизу, окружены оболочкой защитной среды инертного или восстанови­тельного характера. Струйные потоки такой среды в ванне разру­шаются на отдельные всплывающие пузыри. Работа их расшире­ния (дополнительно к работе расширения пузырей СО) также ис­пользуется на перемешивание ванны. Этот дополнительный расход энергии в период интенсивного окисления углерода не превышает 5 %. Однако при содержании в ванне углерода менее 0,1 %, когда усвоение кислорода дутья на его окисление резко падает, значи­мость данного источника энергии возрастает. Известно, что увели­чение мощности перемешивания ванны способствует снижению кон­центрации (FeO). Если при верхнем кислородном дутье уменьше­ние содержания углерода в металле до пределов 0,01—0,03 % вызывает увеличение концентрации окислов железа в шлаке в диа­пазоне 30—40 %, то при донной продувке и таких же [С] оно не превышает 20 %. Этому также способствует и более низкое пар­циальное давление окиси углерода в газовой фазе, чем при верхней продувке.

Еще сильнее перемешивающее действие азота при донном воз­душном дутье (см. таблицу), так как его концентрация во вдувае­мом газе высокая. В этом случае резко снижается парциальное давление окиси углерода в газовой фазе в конце продувки, что так­же способствует уменьшению окисленности металла и шлака. В то — масовском процессе содержание углерода в металле иногда дости­гает менее 0,01 % при концентрации окислов железа в шлаке не более 10—15 %.

При выплавке сталей с особо низким содержанием углерода в ряде случаев целесообразна боковая глубинная или донная про­дувка смесями газов с переменным соотношением кислорода и инертного газа в дутье. Чем меньше содержание углерода в ванне на данном этапе продувки, тем больше должна быть концентрация инертного газа в дутье, чтобы поддержать достаточно эффективное перемешивание ванны и обеспечить удаление углерода из металла периферийных ее участков без переокисления шлака.

Для интенсификации перемешивания ванны в последнее время начинают успешно применять пульсирующую продувку кислородом сверху (работы Московского института стали и сплавов (МИСИС) под общим руководством В. И. Явойского), когда расход кислорода меняется во времени с частотой ~ 600 Гц. Это ускоряет процессы массопереноса в реакционной зоне и в ванне в целом, позволяет увеличить степень использования кислорода дутья, повысить ин­тенсивность шлакообразования, окисления углерода, ванадия и других примесей. Данное направление совершенствования техно­логии кислородно-конвертерного процесса представляется перспек­тивным.

Согласно выражению (1.84) с увеличением h энергия переме­шивания ванны пузырями повышается. При боковой продувке ин­тенсивность перемешивания тем больше, чем ниже от уровня ванны расположены сопла.

Энергия, расходуемая на перемешивание, вызывает движение и в части ванны, расположенной вне пределов реакционной зоны. С увеличением размеров дтой области и массы находящегося в ней металла интенсивность перемешивания при одной и той же величи­не затрачиваемой на него энергии уменьшается.

В случае продувки сверху (см. рис. 1.18, а) такие слабопереме — шиваемые области располагаются по радиусу ванны и ее глубине. На их размеры влияет степень рассредоточения дутья. С увеличе­нием числа сопел в фурме и неизменной интенсивности продувки размеры первых областей понижаются, а вторых растут. Повыше­ние интенсивности продувки вызывает уменьшение и тех и дру­гих слабоперемешиваемых областей при данной степени рассредо­точения дутья.

Таким образом, одна и та же энергия дутья обусловливает мак­симальные перемешивающий эффект и равномерность перемеши­вания при донной, а минимальные — при боковой поверхностной продувке.

Для всех способов подачи дутья интенсивность газовыделения Qr в различные периоды конвертерной плавки зависит, как уже от­мечалось, от скорости окисления углерода и изменяется в ходе про­дувки так, как показано схематически на рис. 1.19. В начальный период / преимущественно окисляются кремний и марганец. Так как в этот период температура ванны недостаточно высокая, ско­рость окисления углерода и интенсивность газовыделения невелики. Затем по мере разогрева ванны и снижения концентрации кремния и марганца скорость окисления углерода растет (период II) и до­стигает максимума (период III), а в заключительной фазе продув­ки при падении содержания углерода она уменьшается (период IV). Качественно аналогично изменяется и мощность перемешивания конвертерной ванны Es. Наиболее резкие различия Es в ходе плав­ки наблюдаются при продувке металла кислородом, когда переме­шивание ванны определяется действием пузырей окиси уг­лерода ?изо т(СО>

В ванне вне пределов реак­ционной зоны возникают замк­нутые циркуляционные потоки металла, движущиеся с оп­ределенной скоростью (см. рис. 1.18).

Так как окисление элемен­тов, растворенных в металле, осуществляется в основном в локальном объеме ванны (ре­акционной зоне), от интенсив­ности перемешивания металла здесь зависит скорость массопере­носа окисляющихся примесей к реакционной зоне и в ней самой.

Соотношение интенсивностей окисления элементов и тепловыде­ления в реакционной зоне, с одной стороны, и перемешивания ванны, с другой, определяет степень неравномерности состава и тем­пературы ванны. Выше уже рассматривался характер температур­ного поля в пределах реакционной зоны. Наблюдается неравно­мерность распределения температур и за ее пределами. Экспери­ментально установлено, что при верхней продувке в поверхностных слоях ванны, куда в первую очередь поступают потоки металла из реакционной зоны (см. рис. 1.18, а), температура на 50—IOO0C вы­ше, а содержание углерода иногда на 0,5—1 % ниже, чем в глубин­ных ее областях. Эта неравномерность возрастает при малой ско­рости выгорания углерода, по содержанию кремния и марганца она иногда достигает 0,2—0,5 %.

После продувки, особенно в тех случаях, когда скорость выго­рания углерода на заключительных этапах была невысока, в про­бе, отобранной из поверхностных слоев металла, содержание углерода может быть пониженным по сравнению с фактическим средним, и это иногда является причиной выпуска плавки с откло­нениями от заданного состава.

При зондовом методе определения содержания углерода и из­мерении температуры конвертерной ванны необходимо правильно выбирать точку замера, в противном случае полученные результа­ты не отразят средний состав ванны.

В качестве характеристики интенсивности перемешивания ванны принимают так называемый коэффициент турбулентной диффузии Dif его следует рассматривать как условное понятие. В этом случае удельная интенсивность переноса i-ro компонента и между точками 1 i 2 на расстояние I при данном значении Di определяет разность концентраций i-ro компонента между рассматриваемыми точками (С1. — С2.) в соответствии с уравнением

I. = Df (Cl — C21 )// = DfAC1-//. (1.86)

Рис. 1.19. Характер изменения интен­сивности газовыделения в ходе про­дувки металла в конвертере

Уравнение турбулентного переноса вещества в результате дви­жения жидкости (1.86) лишь по форме сходно с соответствующими выражениями для скорости массопереноса, осуществляемого мо­лекулярной или конвективной диффузией. Необходимо отметить, что физически они имеют различную природу. Отсюда вытекает и второе следствие: коэффициент турбулентной диффузии не зависит от коэффициента молекулярной диффузии и в условиях, идентич­ных по перемешиванию, будет одинаковым для веществ с различ­ным коэффициентом молекулярной диффузии.

Согласно имеющимся экспериментальным данным, при верхней кислородной продувке в начальный период средняя величина DJ для промышленных конвертеров составляет IO-3 м2/с, в период ин­тенсивного выгорания углерода DJ возрастает до величин порядка Kb2-IO-1M2A:.

Приблизительные расчеты показывают, что в пределах реакци­онной зоны (интенсивного газовыделения) величина Dt. по край­ней мере на порядок больше, чем на периферийных участках ван­ны, т. е. достигает IO-1 — IO0 м2/с.

При кипении мартеновской ванны, имеющей глубину, сопоста­вимую с глубиной конвертерной ванны, DJ составляет IO-3 — 10~2 м2/с (в связи с меньшими скоростью окисления углерода и ин­тенсивностью перемешивания).

Неравномерность химического состава и температуры в кон­вертерной ванне, возникающая при донном и особенно при боковом способе продувки, изучена пока недостаточно. В результате значи­тельных рассредоточений дутья в горизонтальных сечениях ванны и равномерности перемешивания ее по высоте в условиях донной продувки наблюдается существенная однородность состава и тем­ператур. При боковой подаче дутья площадь участков ванны за пределами реакционной зоны весьма велика, что наряду с более низкими интенсивностями продувки и газовыделения, создает пред­посылки значительной неравномерности состава и температуры ме­талла.

Массоперенос между металлом и шлаком, как было отмечено выше, осуществляется главным образом в шлакометаллической эМульсии. Интенсивность массопереноса t’-ro компонента через гра­ницу раздела металл — шлак

H = HCt — Ci paBH)S, (1.87)

Где Pi — обобщенный коэффициент массопереноса; Ci и Ctpann — соответственно концентрации t-ro компонента в объеме металла и равновесная со шлаком; S1 — площадь поверхности раздела ме­талл — шлак.

Обобщенный коэффициент массопереноса рг — зависит от коэффи­циентов массопереноса t-ro элемента в металле P1)1, шлаке рш,- а также от коэффициента скорости химической реакции №., опреде­ляющего акт перехода t’-ro элемента через границу раздела ме­талл —¦ шлак. Если химическая реакция имеет первый или псевдо- первый порядок, то применимо правило аддитивности, согласно ко­торому

Где Ф = IAiipaBH = Ci равн/С i ; CipaBii, Ci" — концентрации компо­нента в металле, равновесные со шлаком, и в шлаке; Цг равн — рав­новесный коэффициент распределения компонента между шлаком и металлом.

Чем больше величина любого из коэффициентов массопереноса в уравнении (1.88), тем меньшее влияние он оказывает на значение обобщенного коэффициента массопереноса. Если один из коэффи­циентов массопереноса меньше остальных, то именно он определя­ет Pi — Скорость процесса в целом зависит от лимитирующего звена массопереноса.

Существуют формулы для расчета P^1 и р™, учитывающие гео­метрическую форму поверхности контакта реагирующих фаз (не­прерывная или дискретная), скорость гидродинамических потоков в них U, коэффициент диффузии i-го компонента в этих фазах, их температуру. Определяющее влияние на коэффициенты массопере­носа в конвертерной (и в целом в кипящей) ванне оказывает мощ­ность перемешивания В первом приближении это влияние мо­жет быть отражено зависимостью р-> ~ Um ~ Е" , где тип мень­ше единицы. Равновесная со шлаком концентрация i-ro элемента в

Металле Cip3BH определяется химическим составом шлака и тем­пературой.

Площадь поверхности раздела металл — шлак в шлакометал — лической эмульсии зависит от количества шлака, массы металла диспергированных в шлаке корольков или массы шлака в металле, фракционного состава диспергированной фазы, продолжительности ее пребывания в основной фазе. В настоящее время очень трудно учесть сложное влияние всех факторов на величину S таким обра­зом, чтобы точно ее рассчитывать.

(1.88)

Следует отметить, что на интенсивность перераспределения эле­ментов между металлом и шлаком сильнее всего влияют несколько факторов. Повышение интенсивности продувки и скорости выгора­ния углерода способствует увеличению поверхности раздела ме­талл — шлак 5 и обобщенного коэффициента массопереноса Pt. Для получения достаточно большого р™ и, следовательно, р, необ­ходимо поддерживать шлак в жидкоподвижном состоянии. Напри­мер, высокая вязкость и гетерогенность шлака в томасовском кон­вертере на протяжении основной продувки тормозят (вместе с дру­гими причинами) удаление фосфора из металла. В конце продувки процесс дефосфорации становится возможным только при возрас­тании содержания окислов железа и разжижении шлака. Для успешного удаления примесей из металла необходим шлак такого состава, чтобы равновесная с ним концентрация элемента в метал­ле была ниже фактической С"равн < Cf. Эти факторы в первую очередь определяют скорость массообмена элементов между метал­лом и шлаком.