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.