Продувка кислородом в конвертерном сталеплавильном производстве

Продувка кислородом в конвертерном сталеплавильном производстве

Кислород (O2) подается на горячий металл в конвертере во время производства стали для удаления таких примесей, как углерод (C), кремний (Si), марганец (Mn) и фосфор (P) и т. д. Используется фурма с водяным охлаждением. для подачи кислорода с очень высокой скоростью в жидкую ванну для производства стали. В 1950-х годах, когда процесс конвертера с верхней продувкой был коммерциализирован, а размер конвертера был ограничен максимум 50 тоннами, для продувки O2 в конвертере использовалась фурма с наконечником с одним отверстием. С течением времени размер преобразователя продолжал увеличиваться. Это потребовало увеличения количества отверстий в наконечнике фурмы для лучшего распределения O2 по большей поверхности ванны в конвертере.

В связи с растущими требованиями к производству сталей более высокого качества с более низким уровнем примесей для производства стали в конвертере требуется O2 очень высокой чистоты. O2, необходимый для производства стали, должен иметь чистоту не менее 99,5%, а в идеале от 99,7% до 99,8%. Остальные части содержат от 0,005 % до 0,01 % азота (N2), а остальное — аргон (Ar).

В конвертерах с верхним продуванием O2 выбрасывается со сверхзвуковой скоростью сужающимися расширяющимися соплами на конце фурмы с водяным охлаждением. Мощная газовая струя проникает в шлак и ударяется о поверхность жидкой ванны для рафинирования стали. Сегодня большинство конвертеров работают с наконечниками фурмы, содержащими от 3 до 6 сопел. Используются даже 8 наконечников форсунок. Оси каждого из сопел в фурме с наконечником фурмы с несколькими отверстиями наклонены по отношению к осям фурмы и расположены на одинаковом расстоянии вокруг наконечника. Наконечник копья изготовлен из меди и приварен к стальной трубе копья.

Расход O2 и скорость потока O2 в зависимости от размера трубы фурмы для конвертеров различных размеров приведены в таблице 1

<тд 81"> <тд 101"> <тд 89"> <тд 81">58000-66000 <тд 89">43,5-49,5 <тд 81">48000-54000 <тд 101">219×8 <тд 89">45,8-51,5 <тд 81">39000-44000 <тд 101">194×6 <тд 89">46,3-52,2 <тд 81">30000-33000 <тд 89">48,4-53,3 <тд 81">26000-28000 <тд 89">47,3-50,9 <тд 81">18000-20000 <тд 101">133×5 <тд 89">46,8-51,9 <тд 81">14000-16000 <тд 89">44,7-51,0 <тд 81">11000-13000 <тд 89">40.0-47.3

Вкладка 1 Расчетные скорости потока в фурме конвертера
Конвертер размера плавки в тоннах	Расход кислорода в Н м3/ч	Внутренний диаметр трубы X толщина в мм	Скорость потока кислорода в м/сек
250-300	245 × 8
210
180
150	168 × 6
120	159 × 6
80
60	121 × 5
50	114 × 5

В конвертерном сталеплавильном производстве O2 со сверхзвуковой скоростью продувается горячим металлом для удаления таких примесей, как C, Si, Mn, P и т. д. Во время продувки высота фурмы уменьшается, чтобы O2 был доступен в ванне для удаления C. На продувку O2 для очистки уходит от 15 до 20 минут. Время от плавки до плавки варьируется от 50 до 60 минут в зависимости от скорости потока O2, состава чугуна, профиля фурмы и химического состава стали. Интересно отметить, что время продувки O2 и время от одной до другой существенно не зависят от мощности конвертера.

О2 вдувается в конвертер через водоохлаждаемую фурму (длиной около 8-10 м) с конвергентно-расширяющимся соплом при высоком давлении (около 11-14 кг/кв. см) и со сверхзвуковой скоростью (число Маха больше 1). . Сверхзвуковая струя О2 из сопла способствует более высокому уносу О2 в ванну с жидкостью. Во время продувки образуется трехфазная дисперсия, состоящая из шлака/капель металла/пузырьков газа. Наиболее важной частью копья является наконечник сопла. Он предназначен для получения несливающейся струи свободного O2. Функции насадки следующие.

• Подача и распределение кислорода
• Для создания газовой струи
• Чтобы вызвать волнение в ванне.
• Для получения металлических капель

После выпуска предыдущей плавки и слива шлака проводят осмотр футеровки. Лом и жидкий металл загружаются. Конвертер наклоняют в вертикальное положение, а фурму опускают в сосуд, чтобы начать продувку O2. Выбор начальной высоты фурмы должен быть таким, чтобы концентрация усилия на уровне ванны не вызывала выброса мельчайших частиц железа (искрения) и в то же время максимальная площадь поверхности ванны покрывалась струей O2.

Сначала O2 продувают мягко, поддерживая большую высоту фурмы, чтобы способствовать образованию шлака и избежать выброса мелких частиц, поскольку горячий металл не покрыт шлаком. Известь обычно добавляют в начале продувки, а также во время продувки. O2 подается в течение примерно 15-20 минут путем постепенного уменьшения высоты фурмы, так что пенообразование шлака остается под контролем, а реакции окисления происходят непрерывно.

Подача О2 в виде струи свободного газа является важной особенностью конвертерного производства стали как в конвертерах с верхним дутьем, так и в различных типах комбинированных дутьевых конвертеров. При таком способе подачи O2 общее время продувки O2 почти не зависит от производительности конвертера, скорости продувки O2 и перемешивания снизу. Это отражается путем оценки безразмерного импульсного расхода в зависимости от отношения времени продувки к общему времени продувки для конвертеров разной мощности от 30 до 400 тонн.

Видно, что безразмерная импульсная скорость потока описывает действие свободной струи О2, создаваемой постоянным объемным расходом О2 на различной высоте фурмы. Безразмерное число импульсного расхода увеличивается с уменьшением высоты фурмы. Уменьшение высоты копья делает удар жестче, а увеличение высоты копья делает удар мягче. Можно считать, что профиль копья изначально создает мягкий удар, а по ходу удара становится все более сильным.

Основными требованиями к профилю фурмы во всех конвертерных сталеплавильных производствах являются образование шлака, богатого FeO (оксидом железа), на начальной стадии, а затем удаление С и Р за счет постепенного увеличения доступности О2 в ванне во избежание переокисления шлака. Первое требование достигается за счет «мягкого удара». (неглубокое проникновение струи), а другое требование достигается за счет постепенного ужесточения удара (глубокое проникновение струи в ванну). Таким образом, мягкая и жесткая продувка являются обязательным условием рафинирования чугуна столкновением струи О2, независимо от производительности конвертера и способа выплавки стали конвертера (чистая верхняя продувка или комбинированная продувка), в результате чего общее время продувки О2 остается более или менее одинаковым. .

Наличие кислорода

O2 энергетически доступен во время процесса очистки в конвертере. Энергетическая доступность O2 достигается за счет пропускания определенного расхода O2 через сопло.

В конвертерном производстве стали O2 продувают через сопла Лаваля. Сопло Лаваля, также называемое сужающимся-расходящимся соплом, характеризуется проточным каналом, площадь поперечного сечения которого уменьшается в направлении потока и достигает минимальной площади поперечного сечения, а затем еще больше увеличивается в направлении потока. Минимальная площадь поперечного сечения проточной части называется критической частью сопла. Сопло Лаваля может разогнать газ до сверхзвуковой скорости (число Маха больше 1). На самом деле скорость газа на выходе соответствует числу Маха от 2,0 до 2,4.

Поведение струи свободного газа

Поведение газа при выходе из одиночного сопла Лаваля в окружающую среду, состоящую из воздуха, показывает, что газ при выходе из сопла распространяется в окружающей среде и называется «струей свободного газа», поскольку распространение не ограничено. Свободная струя в окружающей среде характеризуется потенциальной длиной ядра (PCL) и сверхзвуковой длиной ядра (SCL). В потенциальном ядре не происходит уноса окружающей среды и, следовательно, скорость газа как в осевом, так и в радиальном направлении такая же, как и на выходе. За пределами потенциального ядра как радиальная, так и осевая скорость начинают уменьшаться из-за развлечения окружающих. Однако в струе свободного газа достигается точка, в которой скорость газа достигает звукового значения (М=1). В пределах сверхзвуковой длины активной зоны скорость газа выше сверхзвуковой как в радиальном, так и в осевом направлении. За пределами сверхзвуковой длины активной зоны скорость газа дозвуковая. Таким образом, радиальное растекание и уменьшение осевой скорости за пределами потенциального ядра являются основными характеристиками струи свободного газа.

За счет растекания масса струи увеличивается, а значит, концентрация газа в плоскости P=0 уменьшается за счет увлечения окружающей среды. Если через сопло протекает O2, то концентрация O2 в плоскости P2 ниже, чем в P1 и при P=0. Но масса струи (струя состоит из основной жидкости + окружающей среды) в точке P2 больше, чем масса в точке P1. Осевая скорость струи зависит от осевого расстояния, измеренного от выходного отверстия сопла.

Одним из важных свойств свободной струи является то, что она несет с собой скорость потока импульса, который при попадании в жидкость преобразуется в силу и проникает в жидкость. Скорость потока импульса внутри струи сохраняется. Это важное свойство струи, поскольку оно зависит только от входных переменных, таких как давление, количество и диаметр сопла. Это не зависит от условий нисходящего потока.

Поведение струй, создаваемых многосопловыми наконечниками, зависит от количества сопел и угла наклона каждого сопла с осью фурмы. Количество сопел в конвертерном сталеплавильном производстве зависит от мощности конвертера, но обычно оно составляет от 3 до 6. Угол наклона каждого сопла для наконечника фурмы с тремя отверстиями обычно составляет от 10 до 12 градусов, а для наконечника фурмы с пятью или шестью отверстиями обычно составляет 15 градусов. до 16 градусов с осью копья.

Несколько свободных газовых струй за соплом могут сливаться или не сливаться в зависимости от угла наклона и количества сопел при заданном давлении и расходе газа на входе. Сливающаяся струя похожа на одиночную. При угле наклона фурмы с тремя отверстиями 10 ?12 град многоструйные струи не сливаются до определенного расстояния за соплом. Несливающаяся струя при столкновении с жидкостью производит проникновение, равное количеству струй.

Затухание осевой скорости и радиальное растекание зависят от соотношения плотности окружающей среды и плотности струи O2. Если плотность струи О2 больше плотности окружающей среды, то такая струя медленно распространяется в окружающей среде. Скорость распространения зависит от значения коэффициента. Следовательно, скорость струи падает медленнее на любом расстоянии вниз по потоку от окружающей среды. В такой ситуации холодная струя выбрасывается в горячее металлическое окружение, а длина потенциального ядра, PCL и длина сверхзвукового ядра SCL больше, чем при соотношении плотности среды/плотности струи O2, равном единице. Если отношение плотности окружающей среды к плотности струи О2 меньше единицы, то струя О2 легче окружающей и струя О2 распространяется быстрее, что приводит к меньшей длине потенциального ядра PCL и длине сверхзвукового ядра SCL. . В этом случае струя холодного кислорода подается в шлак.

Действие струи свободного кислорода

Важна скорость свободной струи O2. Осевая скорость уменьшается по мере увеличения расстояния за соплом из-за увлечения окружающей среды. В конвертере в момент начала продувки вокруг струи О2 находится горячая атмосфера. По мере продолжения удара окружающая среда струи меняется с угарного газа (СО) на шлак. Большую часть времени струя погружена в шлак. Окружение в конвертере динамическое. Скорость струи зависит от давления вверх по потоку, осевого расстояния вниз по потоку и окружающей среды. Трудно рассчитать скорость струи, когда окружающая среда меняется, но скорость потока импульса внутри струи не зависит от расстояния за соплом и может быть рассчитана.

Струя несет с собой скорость потока, которая при ударе о ванну преобразуется в силу. Таким образом, действие свободной струи можно описать безразмерным числом расхода. Безразмерное число расхода увеличивается с уменьшением высоты фурмы. Таким образом, безразмерное число расхода используется для описания динамического изменения высоты фурмы. Безразмерное число импульсного расхода означает действие струи O2 на ванну на высоте фурмы против силы тяжести

Проницаемость струи

Безразмерное число расхода описывает влияние высоты фурмы на проницаемость струи. Неглубокое проникновение струи, достигаемое при большей высоте фурмы, является "мягкой струей"? по сравнению с глубоко проникающей струей, получаемой при меньшей высоте фурмы и называемой «твердой струей».

Это означает, что постоянный объемный расход O2, подаваемый при постоянном давлении при выпуске через сопло, может привести к «мягкому» попаданию в ванну. и может постепенно усложняться. Таким образом, способ подачи О2 в конвертерной практике сталеплавильного производства через «свободную струю»? очень эффективен с точки зрения физико-химических реакций.

Эффекты, вызываемые реактивной мягкой падающей струей O2 при попадании в ванну с жидким металлом, включают (i) окисление железа (Fe), (ii) неглубокое проникновение, (iii) реакцию шлак/металл и (iv) усиление образования шлака. и, таким образом, облегчая удаление Р. Слишком большая продолжительность подачи мягкой струи О2 приводит к выплескиванию шлака из-за чрезмерного окисления.

Эффекты, вызванные реактивной жесткой струей O2, когда она попадает в ванну с жидким металлом, включают (i) доступность O2 глубоко в ванне, (ii) усиление окисления C и ухудшение удаления P, (iii) выделение CO глубоко в ванну. ванна и ее выход через ванну перемешивают ванну и (iv) образование капель, которые затем эмульгируются в шлаке.

Типы струй O2 и их эффекты показаны на рис. 1.

Рис. 1. Типы кислородных струй и их эффекты

Реакции в конвертере

При выплавке стали O2 насыщенный углеродом чугун продувают чистым O2 при сверхзвуковых скоростях. Реакции и смешение интенсивны. O2 реагирует с растворенным Si, растворенным Mn и самим Fe, образуя жидкий FeO-содержащий шлак. O2 также реагирует с растворенным C, высвобождая газообразный CO и тем самым обезуглероживая железо. Путь к окислению этих элементов (C, Si и т. д.) при рафинировании стали заключается в том, чтобы вдувать O2 в раствор железа до точки, при которой его концентрация в жидкой ванне превышает равновесный уровень, допускаемый конкретным элементом-примесью. Затем растворенный O2 и растворенный примесный элемент объединяются с образованием газообразного CO (в случае C) или жидкого кремнезема (SiO2 в случае Si). Поскольку растворимость обоих этих продуктов [CO (газ) и SiO2 (жидкость)] очень ограничена в жидком чугуне, они быстро образуют зародыши своих отдельных фаз, коагулируют, консолидируются и всплывают благодаря интенсивному перемешивающему действию процесса. .

Кроме того, во время интенсивной продувки O2 при производстве стали часть жидкого железа сама окисляется до FeO, который затем интенсивно смешивается с ванной жидкого металла в эмульсию и может реагировать с растворенными примесями в расплавленном чугуне непосредственно в соответствии со следующими реакциями. .

2Fe (расплав) + O2 (газ) =2FeO (жидкий шлак)

FeO (жидкий шлак) + C (растворенный в жидком растворе железа) =CO (газ) + Fe (расплав)

2FeO (жидкий шлак) + Si (растворенный в жидком растворе железа) =SiO2 (жидкий) + Fe (расплавленный)

Эти реакции окисления сильно экзотермичны. Тепло, выделяющееся при окислении Si и других примесей, вместе с энтальпией окисления самого железа используется для плавки холодного скрапа, чтобы увеличить теплоемкость конвертера, а также повысить температуру жидкой стали для последующих операций. CO2 никогда не образуется в ванне сталеплавильного конвертера, за исключением следовых количеств. CO2 (если он когда-либо образуется) быстро превращается в CO путем реакции с любым оставшимся растворенным C. В случае, если после окисления жидкой ванны не остается растворенного C, CO2 восстанавливается до CO путем окисления самого Fe. Таким образом, CO2 является окислителем при температурах выплавки стали. Равновесный продукт реакции окисления Fe или C, растворенного в железе, с помощью CO2 сильно направлен в сторону CO со следовым количеством CO2 согласно расчетам свободной энергии Гиббса. C действует как восстановитель FeO в соответствии с приведенным выше уравнением и является еще одним фактором, который может замедлять (или препятствовать) окислению железа.

В процессе производства стали некоторая часть железа окисляется до такой степени, что она увеличивает долю жидкого FeO в фазе жидкого шлака, которая сосуществует в конвертере с металлом. Если O2 продувается за пределы конечной точки окисления примесей, окисление Fe становится чрезмерным. Это проявляется как измеримая потеря выхода Fe в шлак, что дает предсказуемые, поддающиеся расчету более высокие концентрации жидкого оксида железа (FeO) в шлаке. Как только C окисляется до CO, любой дополнительный O2 соединяется с Fe, превращая FeO в шлак.