Кислородный лавинальный угол: ключ к эффективной работе конвертера основного отдува

Кислородный лавинальный угол и его роль в конвертере основного отдува

В конвертере основного отдува (КОТ) водоохлаждаемый лавинальный угол впрыскивает сверхзвуковую струю кислорода в жидкую ванну для очистки. Скорость/импульс струи обеспечивает проникновение в жидкий шлак и металл, способствуя окислительным реакциям в локальной зоне. Скорость и проникающая способность зависят от конструкции сопла (кончика лавиналя).

Кислородная струя верхнего отдува работает как источник кислорода и энергии для перемешивания жидкого металла. Главные внутрипечные явления, связанные со струей: образование полости от взаимодействия струи и металла, перемешивание металла, генерация всплесков и пыли, пост-комбустиция CO (декарбуризация + реакция с кислородом). Для оптимизации работы и контроля этих явлений вводят улучшения в конструкцию и эксплуатацию лавиналя: лавинальные сопла (преобразование энергии давления в кинетическую с высоким КПД для перемешивания), многосопловые лавинальные углы (высокоскоростная подача кислорода с подавлением всплесков/пыли за счет дисперсии струи).

С внедрением комбинированного отдува роль верхней струи как источника энергии для перемешивания снизилась, но гибкость конструкции и эксплуатации значительно выросла.

Цель отдува кислорода

Главная цель — удаление углерода до конечных спецификаций. Основная реакция: удаление C как CO (экзотермическая, добавляет тепло). Небольшое количество CO₂ (<10%) образуется при горении CO внутри конвертера (пост-комбустиция). Другие реакции отдува: окисление Si, Mn, P и др. Эти элементы окисляются и поглощаются шлаком. Реакции тоже экзотермические, дополнительно нагревают ванну. Окисление Si особенно важно — происходит рано, образующаяся SiO₂ со известью образует жидкий шлак. Реакции окисления при отдуве (изменение свободной энергии в ккал/моль при 1600 °C):

C + 0.5 O₂ = CO (-66)
2CO + O₂ = 2CO₂ (-57.4)
Si + O₂ = SiO₂ (-137.5)
Mn + 0.5 O₂ = MnO (-58.5)
2P + 2.5 O₂ = P₂O₅ (-148.5)

Окислительные реакции происходят в зоне удара струи — полости, создаваемой импульсом струи. Глубина впадины в ванне — функция импульса/тяги струи, расчетная по уравнению:

F = W (Ve/g)

где F — сила, W — массовый расход, Ve — скорость на выходе, g — ускорение свободного падения. Тяга струи и угол удара оптимизируются через конструкцию соплов лавиналя для целевых реакций и агитации ванны.

Сопла лавиналя проектируют под заданный расход кислорода (нм³/мин), дающий требуемую выходную скорость (число Маха), профиль струи и силу для проникновения через шлак и реакции с металлом в зоне полости.

Высокоимпульсная струя выходит из лавинального сопла со скоростью ~2 скоростей звука. Характеристический параметр — число Маха (отношение скорости газа к скорости звука). В результате расширения в сопле кислород охлаждается до ~–100 °C на выходе, интенсивно охлаждая сопло с обеих сторон (воды и кислорода).

Лавинальное сопло имеет сходящийся входной и расходящийся выходной каналы. Часто называют конвергентно-дивергентными (КД). Сверхзвуковые струи создаются КД-соплами. Запас кислорода под давлением Po поддерживается в зазоре. Кислород ускоряется в сходящейся части до звуковой скорости (M=1) в цилиндрическом горлышке. Затем расширяется в расходящейся части: температура, плотность, давление падают, скорость растет до сверхзвуковой (M>1).

При выходе в конвертер струя расширяется и затухает. Сверхзвуковое ядро сохраняется на определенном расстоянии. Сверхзвуковые струи расширяются под углом лавинального сопла — обычно 10–16°, в некоторых конструкциях до 23°.

Правильная конструкция сопла и правильная эксплуатация — необходимы для эффективных сталеплавных реакций и максимального ресурса лавиналя. При передуве (страя не полностью расширена на выходе) возникают ударные волны — теряется полезная энергия, удар на ванну слабее идеального. При недодуве (страя расширяется до давления среды до выхода) поток отрывается от внутренней поверхности сопла. Горячие газы из конвертера обжигают/эродируют выход сопла. Это не только снижает ресурс, но и уменьшает силу струи — «мягкий отдув». Механика формирования сверхзвуковой струи, передув и недодув на рис. 1.

Рис. 1 Механика формирования сверхзвуковой струи, передув и недодув

Основные компоненты кислородного лавиналя КОТ: входные фитинги кислорода, выходной кончик (лавинальная насадка) из литой/кованой меди высокой теплопроводности с точной обработкой соплов для целевых расхода и параметров струи. Корпус лавиналя — концентрические трубы: внешняя, промежуточная, центральная (для кислорода). Лавинальный угол должен компенсировать термическое расширение/сжатие. Внешняя труба нагревается в конвертере, расширяется — внутренняя конструкция с уплотнительными кольцами и соединениями компенсирует это в работе. Лавинальный угол должен быть безнапряженным и изготавливаться качеством сталелитейного завода для выдержания эксплуатационных условий.

Охлаждающая вода необходима для предотвращения сгорания лавиналя. Медное сопло и стальной корпус охлаждаются рециркулирующей водой под ~6 кгс/см². Ключевые элементы — каналы охлаждения: вода течет через центр сопла и выходит наружной трубой. Расчет на максимальную скорость воды в зоне сопла (наивысшие температуры). Вода критична для ресурса. Расходы по проекту. Температура воды на выходе не выше 60–65 °C.

Важно проектировать лавинальные сопла так, чтобы процессные переменные во время отдува соответствовали проектным параметрам. При работе на входном давлении выше проектного — струи просто неэффективны. При ниже проектного — быстрый износ, сверхзвуковые струи неэффективны.

Факторы, влияющие на производительность лавиналя КОТ

Много факторов влияют на эффективность лавиналя. Производительность зависит от условий внутри печи. Содержание Si в чугуне — критически важный параметр. Влияет на количество шлака, проникновение струи сквозь шлак, переливы. Рабочая высота лавиналя тоже критична и должна входить в расчет сопла. Если высота слишком мала — лавинальный угол подвергается экстремальным температурам, теплоотвод водой недостаточен — лицевой кончик плавится/сгорает преждевременно. Если высота слишком велика — тяга струи менее эффективна, время очистки удлиняется, нужен больше кислорода для декарбуризации и нагрева. Расход кислорода — проектный параметр, иногда ограничен системой подачи и/или экологией. Число Маха на выходе — фактор проектирования. Струя более сильная при большем числе Маха.

Число соплов и угол отверстий — важные параметры. На ранних стадиях КОТ использовали односопловые лавинальные углы, струя вертикально вниз — много переливов, материал вылетал прямо вверх. Трехсопловые с небольшим углом минимизировали переливы — высокий выход. Сейчас многие конвертеры работают с 4, 5, 6 соплами.

Зона удара — функция числа соплов и угла. Эффект увеличения числа соплов и угла на зону удара для 3, 4, 5 соплов (расход 565 нм³/мин, M=2, высота 1,8 м):

• 3 сопла, 12° — 1,41 м²
• 4 сопла, 12° — 1,52 м²
• 5 соплов, 12° — 1,61 м²
• 5 соплов, 14° — 1,67 м²

При увеличении угла растет боковая составляющая силы вместо вертикальной — больше перемешивания и агитации. Но избыточная боковая составляющая усиливает износ огнеупоров.

Факторы, влияющие на ресурс лавиналя

Долгий ресурс кончика лавиналя выгоден для экономики КОТ. Но в практике на процесс влияют многие параметры: химия чугуна, шлакообразование, качество извести, схема лавиналя, динамическое/статическое управление, ограничения давления кислорода, форма и объем конвертера. Различаются от завода к заводу — возможны только общие правила для идеальной практики.

Самая уязвимая часть — корона кончика лавиналя, подвергается >2000 °C. Нужен медь с проводимостью ~100% (обычно только кованая медь). Литая медь дает минимум ~90% электропроводности. Электропроводность пропорциональна теплопроводности.

Ресурс лавиналя варьируется: типично 200 расплавов, некоторые достигают 400, другие не выдерживают даже 100. Вода критична. Расход по проекту. Температура на выходе ≤60–65 °C. Качество воды важно: загрязнение оксидами/грязью дает отложения внутри труб и сопла — ухудшается теплообмен, снижается ресурс. Рабочая высота критична для проникновения. Но если слишком низко — риск эрозии/плавления лицевой части.

Недодув вызывает эрозию выхода сопла и отказ. Избыточное нагнетание шлака на кончик требует механического удаления или сжигания — обе практики могут повредить лавинальный угол.

Ресурс лавиналя влияют два фактора:

1. Статическое давление для проектирования сопла регулируется на клапанной станции, а не на входе сопла. Таким образом генерируют объемный расход для металлургических реакций. Потери давления между станцией и соплом (трение, повороты) — неизвестная величина (0,3–1,5 кгс/см² по геометрии газопровода). Для проектирования потери оценивают и определяют входное давление. Точный расчет сжимаемых потерь во всей газовой сети сложен. Входная температура и статическое давление в конвертере тоже неизвестны. Процессные переменные для проектирования сопла — приближенные. Если сопла работают в режиме, отличном от проектного, быстро показывают износ. Условия отдува становятся нестабильными и неэффективными.
2. Во время работы КОТ оператор меняет процессные переменные в ответ на непредвиденные события (переливы, колебания давления в кислородной сети, зарядка охлаждающей руды в основном отдуве) и текущие события (пробоотбор суб-лавиналем во время отдува). Соответственно, расход через сопло отклоняется от идеального на более или менее длительный период. Внутри и снаружи сопла возникает сложный нежелательный режим — «алмазная волна» (компрессионные/рассеивательные волны), ведущий к износу края сопла.

Новые разработки в лавиналях КОТ

Пост-комбустионный лавинальный угол. 90% газа от окислительных реакций — CO. Желательно допечь CO до CO₂ — высокоэкзотермическая реакция, доп. тепло. Практикуют в цехах с высоким отношением лом/чугун. Нужен двухпотоковый лавинальный угол с двумя выходами кислорода. Основной кислород через кончик как в обычном лавинальном углу, вспомогательный — отдельно управляется, дуется выше в конвертере. Функция вспомогательного — реакция с CO от ванны, доп. тепло для плавления дополнительного лома, контроль нагаров в устье конвертера.

Шлак-всплеск (slag splashing). Лавинальный угол для всплеска защитного покрытия из шлака с высоким MgO на стенки конвертера. После разлива стали остаточный шлак в конвертере кондиционируют по составу и температуре — оба параметра критичны для успеха. Кислород отключают, азот включают. Лавинальный угол опускают ~1 м над дном. Азот всплескивает жидкий шлак на стенки, создавая защитное покрытие. Это увеличило типичный ресурс выкладки до >20 000 расплавов на кампанию. Потребность в напуске снизилась до <0,5 кг/т жидкой стали.