1.3.3. Температурный режим реакционной зоны | Металлолом

Как показано выше, эжектированный в струю металл в преде­лах струйного участка первичной реакционной зоны (см. рис. 1.5, область Ia) сгорает с температурой около 2500 0C. Эксперименталь­но наблюдаемая температура горения, зафиксированная пиромет­рами, свизированными через сопло для подачи технически чистого кислорода на область струйного участка, составляет 2100—2700 0C. При донной продувке воздухом этим способом установлена темпе­ратура реакционной зоны (1700—1900 °С). В случае обогащения воздушного дутья кислородом до 30—35 % температура реакцион­ной зоны достигнет 2000—2200 °С. Таким образом, с увеличением содержания кислорода в дутье соответственно повышается и мак­симальная температура реакционной зоны.

Температура первичной реакционной зоны /р. 3 превышает сред­нюю температуру ванны tB на некоторую величину: tPm 3=tB-\-&.t. Величина перегрева At в случае продувки кислородом, по данным различных работ, составляет 700—900 °С, а воздухом 350—400 °С. Перегрев несколько зависит от содержания углерода в металле, скорости окисления углерода Vc, интенсивности продувки и поэтому изменяется в ходе плавки. Имеются данные о снижении температу­ры первичной реакционной зоны при увеличении скорости окисле­ния углерода и усилении механического перемешивания ванны в связи с интенсификацией теплоотвода от зоны в окружающие ее слои.

Схема температурного поля реакционной зоны независимо от способа подвода дутья в обобщенном виде представлена на рис. 1.15. В поперечном сечении (рис. 1.15, а) максимальная температу­ра достигается на оси / первичной реакционной зоны I. При вер­тикальной продувке оси внедряющейся газовой струи, первич­ной и всей реакционной зоны совпадают.

С увеличением расстояния от оси реакционной зоны по ее ра­диусу температура уменьшается. Это происходит потому, что ско­рость газового потока при его смешении с металлом снижается, а масса эжектированного металла растет. В результате скорость горения капель уменьшается, а затраты выделяющегося при горе­нии тепла на нагрев капель металла увеличиваются, что вызывает

Понижение температур горения и первичной реакционной зоны I от ее оси к периферии.

На границе первичной I и вторичной II реакционных зон горе­ние металла прекращается, так как кислород вдуваемого газа пол­ностью израсходован. При дальнейшем продвижении вдоль радиу­са г в пределах вторичной реакционной зоны горячие окислы же­леза, поступающие из первичной зоны, смешиваются с металлом

TOC \o «1-3» \h \z ванны III, имеющим более низкую температуру. Здесь к физичес – ‘

Кому теплу реагирующих фаз добавляется химическое тепло экзо – I

Термических реакций окисления некоторых примесей (Si, Mn). |

В зависимости от величины теплового эффекта реакции изменение j

Температуры в пределах вторичной реакционной зоны может быть!

Отражено более или менее круто спадающей кривой. Реакция окис – •

Ления углерода окислами железа эндотермична, что способствует!

Резкому понижению температуры. По мере смешения окислов же – j

Леза с металлом ванны растет масса последнего и соответственно 5

Доля его физического тепла в тепловом балансе, а доля физическо – ;

Го тепла окислов железа и тепла реакций окисления элементов ме – j

Талла уменьшается. i

Вне пределов вторичной реакционной зоны, в объеме конвертер – j ной ванны III, находится только металл, и температура в этом се-

Чении соответствует в первом приближении средней температуре j

Ванны. j

Есть основания полагать, что перемешивание металла вне ре­акционной зоны осуществляется потоками значительных размеров.

Потоки более нагретого металла, выходящие из реакционной зоны, j

Распространяются время от времени на большую часть или на!

Все расстояние до периферийных участков конвертерной ванны, до – \

Стигая даже футеровки. В отдаленных от реакционной зоны объ – j

Емах металла возможны колебания температуры, что необходимо j

38 i

M M

А б

Рис. 1.16, Схема массопотоков при испарении с поверхности горящего металла

Учитывать при замерах температуры ванны в ходе продувки с помощью так называемого зондового метода.

В продольном сечении на оси первичной реакционной зоны (рис. 1.15, б) по мере удаления на расстояние I от места встречи струи окислительного газа с металлом 2 температура падает. Мак­симальная температура достигается, очевидно, у начала первичной реакционной зоны, в месте встречи струи окислительного газа с ванной.

Характер кривых изменения температуры и динамических напо­ров вдоль оси реакционной зоны аналогичен. По мере смешения окислительного газа с металлом развиваются процессы, идентич­ные протекающим в поперечном сечении. При верхней продувке толщина области III в районе реакционной зоны обычно невелика, что одновременно со значительными пульсациями глубины проник­новения струи в металл должно создавать здесь температурную нестабильность. В условиях донной продувки область III вдоль оси реакционной зоны практически отсутствует, так как газообразные продукты реакций поднимаются к поверхности металла, а иногда даже возникает опасность «прострела» струями конвертерной ван­ны. Только при боковой продувке температура ванны на стороне, противоположной месту подвода дутья, должна быть достаточно стабильной.

Горение металла в окислительном газе сопровождается выделе­нием дыма. Существуют различные теории дымообразования. Наи­более вероятной причиной является испарение веществ в реакцион­ной зоне при взаимодействии встречных массопотоков кислорода ‘Ъ в газовой фазе Г и паров конденсированных фаз на поверхности горения металла М, покрытого окисной пленкой О (рис. 1.16, а). В результате испарения окислов железа и металла создается пы – левыделение удельной интенсивности о и соответственно. Па­ры железа должны окисляться во встречном потоке кислорода. В зависимости от температурных условий и состава газовой фазы возможно окисление паров закиси железа в окись. Продукты ис­парения переходят в газовую фазу с каким-то кинетически и термо­динамически обусловленным соотношением двух – и трехвалентного железа.

Процесс значительно усложняется по сравнению с приведенной схемой массопотоков при наличии в горящем металле элементов, дающих газообразные продукты окисления. В первую очередь это относится к углероду. При тотальном горении металла на границе раздела металл — окисная пленка M—О сгорающий углерод обра­зует пузыри газа П (согласно экспериментальным данным, имею­щие различные величину и форму), которые, всплывая и нарастая в объеме, выходят через окисную пленку О в газовую фазу Г (рис. 1.16, б). Величина этих объемов порядка IO-5—IO-4 м, т. е. весьма мала, что создает значительную поверхность их контакта в первую очередь с окисной фазой. Таким образом, фактически удельное пылевыделение происходит не с поверхности металличес­кой M и окисной О фаз, а со значительно большей поверхности их раздела с газовыми объемами продуктов горения углерода. По­следнее и определяет, очевидно, удельную интенсивность пылевы – деления iFeo и he-

(1.64)

(1.65)

В рассматриваемых условиях более легкокипящей фазой явля­ются, по-видимому, окислы железа. Следовательно, их парциальное давление на поверхности горения (испарения) близко к насыще­нию, в то время как парциальное давление испаряющегося железа в пять—десять раз меньше. Удельная интенсивность испарения ц испаряющейся г-й фазы определяется выражением

^г Pi’

Где рг – — коэффициент массопереноса от поверхности испарения в газовую фазу; R—универсальная газовая постоянная; pi— равно­весное парциальное давление испаряющейся фазы при температу­ре горения ГГОр. Интенсивность потерь массы испаряющейся фазы в единицу времени

Ini = IiFi.

Здесь Fi — площадь поверхности испарения г-й фазы.

Так как р^со > PFe, a Fрео > Fpe (согласно схеме, приведенной на рис. 1.16, б), то и пылеунос происходит, очевидно, в основном в результате испарения окислов железа. Перенос продуктов испа­рения от поверхности горения в более «холодные» участки газовой фазы (O2, СО) сопровождается в дальнейшем (при t < Wi) кон­денсацией паров. В результате конденсации образуются частицы пыли размером менее 10_6 м, что характерно для этого процесса. В дальнейшем частицы, взвешенные в газовых объемах, переходят во вторичную реакционную зону, смешиваются здесь с газообраз­ными продуктами окисления углерода и удаляются из реакционной зоны с общим газовым потоком.

(1.66)

Вместе с железом и его окислом в соответствии с парциальным давлением своих паров испаряются и другие элементы, входящие в состав металла. В первую очередь это относится к марганцу и его окислам, в чистом виде имеющим высокую упругость паров. Одна­ко парциальное давление паров pi зависит не только от темпера­туры, при которой происходит испарение, но и от содержания в растворе компонента данного вещества:

О

Pi = a-iPi.

Где я,- — активность i-ro компонента в растворе; р° — давление пара над фазой, состоящей только из i-ro компонента. Поэтому интен­сивность массопотока при испарении других элементов и их окис­лов значительно уступает интенсивности испарения железа и его окислов. Концентрация элементов в той части конвертерной пыли, которая получена в процессе испарения, исчисляется процентами, т. е. соответствует порядку величины их концентрации в сгораю­щем металле.

Так как

1 gPi = —— +В, (1.67)

Гор

А из выражения (1.64) получаем

То, хотя влияние Trop имеет двоякий характер, в сталеплавильных процессах с повышением Trop растет ц.

Согласно описанному механизму испарения горящего в окисли­тельном газе металла системы Fe—С с поверхности горения уходят объемы газа, образующегося в результате окисления углерода в условиях тотального сжигания металла. Можно предположить, что при значительной удельной поверхности процесс испарения близок к равновесию. Тогда интенсивность испарения i-ro компонента в единицу времени

Mi = /tmo2PdQ< (1-69)

Где k — постоянная, учитывающая стехиометрические соотноше­ния при сгорании и испарении металла; то2 — интенсивность рас­ходования кислорода на сжигание металла в реакционной зоне; pi — парциальное давление испаряющегося i-ro компонента; [С] — концентрация углерода в горящем металле.

Таким образом, чем выше содержание углерода в конвертерной ванне и соответственно в сгорающем в первичной реакционной зоне металле, тем интенсивнее унос пыли из ванны с продуктами испа­рения. Величина pt тем больше, чем выше температура в реакцион­ной зоне, следовательно, она растет с увеличением содержания кис­лорода в дутье. В случае полного усвоения вдуваемого кислорода в реакционной зоне то2 будет равна интенсивности подачи кисло­рода в ванну с окислительным дутьем.

В реакционной зоне наряду с испарением может происходить и разбрызгивание металла, вызванное физическим и химическим дроблением его объемов, эжектированных в струю. Как показыва­ют эксперименты, в результате химического дробления горящих ка­пель образующиеся при этом частицы имеют минимальную величи­ну (до нескольких микрон). Достаточно малые частицы могут быть взвешены в газовых объемах, выделяющихся из реакционной зоны. Такой унос следует, в отличие от обусловленного испарением, рас­сматривать как механическое пылевыделение из объема ванны.

В зависимости от способа продувки длина пути газовых объе­мов от места их образования до поверхности ванны различна. Она, очевидно, минимальна при поверхностной продувке сбоку и в начале процесса с верхним дутьем и возрастает в случаях боковой глубин­ной и особенно донной продувки. Газовый объем, несущий диспер­гированные в нем частицы пыли, двигаясь через слой ванны, может оставить частицы пыли на границе раздела газ — металл. Меха­низм осаждения взвешенных частиц весьма сложен, а его интенсив­ность возрастает с увеличением размера частиц. Над ванной ме­талла на протяжении почти всей плавки находится слой шлака (зачастую вспененного), в котором также осаждаются взвешенные частицы из газовых объемов.

Чем крупнее частицы и длиннее путь газового объема в слое металла и шлака, тем в большей степени они осаждаются, что при­водит к снижению концентрации пыли в отходящих из конвертера газах. Есть основания полагать, что осаждение (фильтрация) суб­микронной пыли развивается неинтенсивно и она в значительной степени уносится отходящими газами. Величина данной составляю­щей ггылеуноса определяется температурными условиями в реак­ционной зоне (т. е. содержанием кислорода в дутье и другими фак­торами, влияющими на температуру зоны), а также концентрацией углерода в продуваемой ванне. Крупная же фракция пылеуноса из реакционной зоны может в большей степени осаждаться на пути газовых объемов в слое металла и шлака. Степень завершенности этого процесса в настоящее время не поддается количественной оценке. При донной продувке, когда реакционная зона находится в нижних слоях ванны, осаждение более эффективно, чем при верх­ней. Очевидно, отчасти по этой причине запыленность отходящих газов в конвертерах донного кислородного дутья в два-три раза ниже, чем в конвертерах верхнего дутья.

Возможен еще один механизм формирования пылеуноса. Как описано выше, всплески металла образуются в результате выделе­ния газовых объемов из реакционной зоны и их разрушения на поверхности ванны. Если конвертерная ванна покрыта достаточно толстым слоем вспененного шлака, всплески, встречая сопротивле­ние последнего, быстро теряют скорость и не выходят за пределы его поверхности. Если же шлак практически отсутствует или тол­щина его слоя недостаточна, всплески металла беспрепятственно движутся в газовой фазе конвертера, подымаясь на меньшую или большую высоту. В этом случае возможно образование всплесков также в результате удара струи о ванну (см. рис. 1.4). Экспери­ментально установлено, что всплески при неблагоприятных усло­виях поднимаются от уровня ванны до горловины. Часть массы металла разрушающегося всплеска дробится на капли различного размера порядка 10~4—Ю-2 м. Достаточно малые капли подхва­тываются потоком отходящих газов и выносятся через горловину из конвертера. Это происходит при условии

Pr^ 2 . /1 -7Л\

Ci —2—> mKang\ (1.70)

Где Cf — коэффициент сопротив­ления капли, зависящий от ее формы и величины критерия Рей – нольдса Re = ayrc/Kanpr/r]r (при Re > 500 Cf « 0,44); рг, цт, Wr — плотность, динамическая вязкость и скорость газового потока; гкап, dKan, п^кап — радиус, диаметр и масса капли.

По результатам ориентиро­вочных расчетов для обычных условий конвертерной плавки критический размер частицы ме­талла составляет около 3 • Ю-4 — — 10~3 м. Частица, имеющая раз­мер ниже критического, будет вы­несена из конвертера газовым по­током.

Вынесенные частицы в системе отвода конвертерных газов с дожиганием при смешении газов с воздухом частично сгорают и взрываются. При этом в результате испарения образуется пыль.

В системах бездожиговой очистки кислородный потенциал отхо­дящих газов выше, чем равновесный частицы с металлом, поэтому она окислится, хотя и с меньшей скоростью, чем в газовой фазе, где значительно больше концентрация кислорода.

Физический вынос в значительной степени определяет запылен­ность отходящих газов. По ориентировочным расчетным оценкам в результате испарения в реакционной зоне в выходящих из горло­вины газах может содержаться от 0,4 (в начале продувки при 4 % углерода в металле) до 0,01 кг/м3 железа (в заключительном пе­риоде при 0,1 % углерода в металле). Фактически же концентра­ция железа в выходящих газах достигает 1 кг/м3 в начале продув­ки и 0,1 кг/м3 в конце ее. Экспериментально установлено, что кон­центрация пыли в отходящих газах резко увеличивается в период потери шлаком жидкоподвижности и пенистости, т. е. во время раз­вития всплесков металла из реакционной зоны и повышения потерь металла с физическим выносом. На рис. 1.17 показан вызванный этими причинами аномальный рост интенсивности потерь железа с пылеуносом /пре в период т= 10—16 мин, когда скорость выгора­ния углерода достигала максимума и шлак свертывался, оставляя без защиты металлическую ванну.

Рис. 1.17. Изменение интенсивно­сти потерь железа с плавильной пылью по ходу продувки в 130-т конвертере

В условиях верхней кислородной продувки потери железа с пылью достигают 10 кг/т стали, а с выносом — 20 кг/т стали. При донной подаче дутья в результате значительной степени его рас­средоточения (большое количество сопел), которая для кислорода в три—пять раз, а для воздуха в десятки раз больше, чем при верх­ней продувке кислородом, интенсивность всплескообразования ме­талла резко снижается. Этому также способствует и придонное расположение реакционных зон, уменьшающее кинетическую энер­гию всплывающих газовых объемов и соответственно высоту образующихся всплесков. Поэтому, несмотря на то, что шлак боль­шую часть плавки нежидкоподвижен, его количество невелико и он плохо защищает металлическую ванну, физический вынос металла из конвертера меньше, чем при подаче кислорода сверху, и большую долю потерь железа с пылеуносом составляют потери от испарения в реакционной зоне. Этим, очевидно, и обусловлена меньшая (в два-три раза) запыленность конвертерных газов в случае дон­ной продувки но сравнению с верхней для одного и того же состава дутья. Минимальной запыленностью отходящих газов отличались процессы донного воздушного дутья, бессемеровский и томасов – ский, что при низком уровне требований к защите окружающей среды позволяло обходиться без систем газоочистки. В условиях возрастающих требований к защите окружающей среды эта осо­бенность процессов донной продувки является их значительным преимуществом.

Определенную долю в запыленность отходящих конвертерных газов вносят шихтовые материалы. При их вводе через горловину в ходе продувки пылевидная фракция, взвешиваясь в газовом пото­ке, может выноситься в систему отвода дымовых газов. С учетом скорости газов в горловине критический размер выносимых частиц для извести составляет около МО-3—17-Ю-3 м, а для руды 5-10-4 — 5-ICh3 м. При значительной концентрации пылевидной фракции в шихтовых материалах (в первую очередь это относится к извести) содержание пыли в отходящих газах достигает 4 кг/м3. Увеличение скорости выгорания углерода, а значит, и газового по­тока приводит к росту (для каждого шихтового материала) крити­ческого размера частицы и, следовательно, к повышению интенсив­ности пылеуноса. Поэтому наибольшую опасность представляют пе­риоды плавки с максимальной скоростью выгорания углерода: се­редина продувки, иногда заключительная треть ее. Присадка ших­товых материалов в конвертер именно в эти периоды сопровожда­ется повышенным выносом пыли, что затрудняет эффективную очистку газов и создает предпосылки для увеличения загрязнения окружающей среды. С интенсификацией процесса продувки степень развития описанного процесса возрастает.

Для снижения запыленности отходящих газов пылевидной фракцией шихтовых материалов последние следует присаживать преимущественно в периоды минимальной скорости выгорания уг­лерода, главным образом в начале плавки. Выбор этого периода для присадки, например, извести благоприятен и с точки зрения ор­ганизации процесса шлакообразования (см. гл.3).

В некоторых кислородно-конвертерных цехах добиваются мини­мального пылеуноса шихтовых материалов, присаживая известь в конвертер на заваленный лом перед заливкой жидкого чугуна, т. е. в беспродувочный период плавки. Недостатком такого метода яв­ляется увеличение продолжительности плавки. Так как все шихто­вые материалы по технологическим соображениям не могут быть присажены в начальный период, то массу первой порции шлакооб – разующих стараются довести до максимально допустимой.