Вдосконалення дуттьових пристроїв кисневих конверторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність 05.16.02 - Металургія чорних металів

УДК 669.184.14

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

АВТОРЕФЕРАТ

Вдосконалення дуттьових пристроїв кисневих конверторів на основі дослідження процесу допалювання відхідних конверторних газів

БЕЗЧЕРЕВ ОЛЕКСАНДР

СЕРГІЙОВИЧ

Маріуполь 2007

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі теплофізики та теплоенергетики металургійного виробництва (ТТМВ) та в лабораторії енергоресурсозбереження металургійного виробництва (ЛЕМВ) Приазовського державного технічного університету (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Сущенко Андрій Вікторович, доцент кафедри ТТМВ, начальник ЛЕМВ ПДТУ (м. Маріуполь).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Чернятевич Анатолій Григорович, завідувач кафедри рудно-термічних процесів Дніпродзержинського державного технічного університету (м. Дніпродзержинськ);

доктор технічних наук, професор Носоченко Олег Васильович, начальник центральної лабораторії металургійного комбінату ВАТ “МК “Азовсталь”(м. Маріуполь).

Захист відбудеться "_5_"жовтня 2007 р. в 1200 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою:

87500, вул. Університетська, 7, м. Маріуполь, Донецька область, Україна.

З дисертацією можливо ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою:

87500, вул. Італійська, 115, м. Маріуполь, Донецька область, Україна.

Автореферат розісланий "1"вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01, доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вирішення головного завдання сучасного конверторного виробництва - одержання розплавленого металу з заданими властивостями при мінімальних витратах матеріальних та енергетичних ресурсів і шкідливих викидах в навколишнє середовище, нерозривним чином пов'язано з упровадженням науково-технічних заходів, спрямованих на подальше поліпшення теплового балансу конверторних плавок. До числа таких відносять реалізацію технології вторинного допалювання відхідних СО-вмісних газів у порожнині конвертора.

Це вимагає надійної інформації про закономірності процесів у зонах вторинного допалювання конверторних газів потоками окислювального дуття, про їх вплив на макрокінетику конверторної плавки в цілому.

Незважаючи на численні дослідження з цього питання, є маловивчені аспекти проблеми, що не дозволяють здійснити широкомасштабне використання технології вторинного допалювання відхідних газів у промислових конверторах. Необхідність та актуальність подальшого вивчення складного комплексу взаємопов'язаних процесів у зонах допалювання конверторних газів, установлення функціональних взаємозв'язків та пошуку оптимуму між показниками ефективності і керуючими параметрами процесу допалювання для різних варіантів його організації та конвертування чавуну, з метою розробки нових ефективних пристроїв (способів) для вторинного допалювання конверторних газів, визначили тему цього дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Питання, розглянуті в дисертації, відповідають Національній програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу на період до 2010 р. та науковому напрямку кафедри ТТМВ ПДТУ "Тепло- та масообмінні процеси у ваннах сталеплавильних агрегатів". Робота виконувалась у межах держбюджетних та госпдоговірних НДР: "Виявлення резервів енерго-ресурсозбереження сталеплавильного переділу на основі математичного моделювання процесів виплавки та позапічної обробки сталі" (№ 0197U002543; Міністерство освіти України), "Розробка та впровадження наконечника кисневої фурми і дуттьового режиму плавки в умовах зниженої витрати чавуну на виплавку конверторної сталі та підвищеної продуктивності цеху" (договір № 9605 від 16.12.04 р. з ВАТ “ММК ім. Ілліча”).

Мета та завдання дослідження. Мета роботи - зниження енергетичних та матеріальних витрат на виплавку конверторної сталі шляхом розробки нових ефективних пристроїв (способів) для інтенсифікації процесу допалювання відхідних СО-вмісних газів у кисневих конверторах на основі дослідження термодинамічних, кінетичних та теплофізичних закономірностей цього процесу, з урахуванням його впливу на макрокінетику конверторної плавки. При цьому були поставлені та вирішені такі завдання:

· доробити на базі узагальнення та аналізу одержаних до цього часу результатів фізичну модель і розробити на першому етапі статичну, а на другому - динамічну функціонально-детерміновану, математичні моделі процесу допалювання відхідних газів в кисневому конверторі з урахування макрокінетики конверторної плавки;

· встановити на основі розроблених моделей функціональні взаємозв'язки та знайти оптимум між показниками ефективності та керуючими параметрами процесу допалювання для різних варіантів його організації і конвертування чавуну (в першу чергу - для домінуючої в Україні LD-схеми), з метою розробки нових пристроїв (способів) для вторинного допалювання конверторних газів, які базуються на інтенсифікації теплообміну між зонами допалювання та металевим розплавом;

· розробити нові пристрої (способи) для інтенсифікації та підвищення ефективності допалювання відхідних газів в порожнині конверторів.

Об'єкт дослідження - зони вторинного допалювання відхідних СО_вмісних газів у порожнині агрегатів конверторного типу.

Предмет дослідження - фізико-хімічні, тепло-масообмінні та газодинамічні процеси в зонах вторинного допалювання відхідних СО_вмісних газів у порожнині агрегатів конверторного типу, їх взаємозв'язок з макрокінетикою плавки.

Основними методами дослідження в представленій роботі були - математичне моделювання, проведення експериментальних досліджень у лабораторних (на газодинамічних стендах) та виробничих умовах (на 160 т конверторах з верхньою продувкою). Розрахунки за математичними моделями виконувались на базі спеціально розробленого програмного забезпечення для ПЕОМ з використання сучасних чисельних методів. При визначенні параметрів металу, шлаку та конверторних газів використовувалися стандартні методи термометрії, хімічного аналізу та хроматографії. Обробка даних масивів промислових плавок проводилася з використанням стандартних методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

· на основі розробленої статичної математичної моделі конверторної плавки з вторинним допалюванням відхідних газів установлено діапазони оптимальних значень керуючих параметрів процесу допалювання залежно від варіанту підведення дуття, шихтовки плавок та зони організації процесу в агрегаті;

· як узагальнюючий критерій, що характеризує ефективність процесу допалювання відхідних газів, вперше запропоновано використовувати величину, яка є відношенням теплоти допалювання, засвоєної металевим розплавом, до маси металу наприкінці продувки плавки;

· з використанням уперше розроблених фізичної та математичної моделей процесу вторинного допалювання конверторних газів імпульсно-узгодженими струменями одержано залежності для визначення оптимальної тривалості імпульсів подачі потоків первинного та вторинного кисню;

· на основі розробленої комплексної функціонально-детермінованої динамічної математичної моделі допалювання відхідних газів у порожнині кисневого конвертора з урахуванням макрокінетики плавки виконано аналіз впливу параметрів процесу вторинного допалювання на основні динамічні характеристики конверторної плавки;

· одержано залежності ступеня допалювання та коефіцієнта засвоєння теплоти допалювання металевим розплавом Q від параметрів процесу вторинного допалювання для різних варіантів його організації і конвертування чавуну, а також від виду брухту, що використовується у шихті, „віку" футерівки агрегату та інших факторів;

· установлено, що оптимальна величина частки вторинного (що подається на допалювання) кисню від загальної кількості для LD-конвертора становить ~ (5…10) %, для агрегату з комбінованою продувкою - ~ (5…15) %; показано, що з техніко-економічних міркувань для агрегатів з комбінованою продувкою прийнятною є організація процесу вторинного допалювання відхідних газів у газовій фазі над ванною та в шлако-газо-металевій емульсії (ШГМЕ), а для LD-агрегатів - тільки в ШГМЕ;

· підтверджено, що процес вторинного допалювання в конверторі найбільш ефективно реалізується з регульованою подачею вторинного дуття по ходу продувки плавки; при цьому найбільш відповідально слід підходити до встановлення та регулювання параметрів процесу на початковому етапі продувки, а подачу вторинного дуття на заключному етапі продувки (переважно в LD_конверторах) доцільно виключати з техніко-економічних міркувань.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано практичні рекомендації щодо конструювання дуттьових пристроїв кисневих конверторів, на основі яких розроблені нові технічні рішення: 1) конструкція комбінованого сопла для одночасного продування конверторної ванни струменями двох типів (патент України № 18227 А); 2) спосіб продування конверторної ванни імпульсно-узгодженими струменями (патент України № 37988 А) та 3) відповідна йому конструкція фурми (патент України № 42550А); 4) конструкція фурми з центральним сопловим модулем для одночасного продування розплаву струменями двох типів (патент України № 59077A). Упровадження результатів дисертаційної роботи в конверторному цеху ВАТ “ММК ім. Ілліча” дозволило зменшити питому витрату рідкого чавуну на 1...4 кг/т сталі та одержати в 2006 р. фактичний економічний ефект ~ 0,4 млн. грн.; при цьому частковий економічний ефект здобувача становить ~ 60 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем розроблено методики проведення досліджень, математичні моделі процесів, прикладне програмне забезпечення для їх реалізації, проведені аналітичні дослідження з їх використанням, виконано аналіз та узагальнення отриманих результатів, експериментальні дослідження на газодинамічних стендах, ескізне опрацювання запропонованих технічних рішень, обробка результатів дослідно-промислових випробувань розроблених дуттьових пристроїв.

Апробація результатів дисертації. Основний зміст дисертаційної роботи доповідався та обговорювався на: 11,12,13-ій міжнародних конференціях “Теплотехника и энергетика в металлургии” (Україна, м. Дніпропетровськ, 1999, 2001, 2003 рр.), 1-ій та 3_ій міжнародних науково-технічних конференціях „Прогрессивные технологии в металлургии стали: XXI век” (Україна, м. Донецьк, 2004,2006 рр.), 9-ому міжнародному конгресі сталеплавильників (Росія, м. Старий Оскол, 2006 р.), 6,7_ій міжнародних науково-технічних конференціях "Тепло-массообменные процессы в металлургических системах" (Україна, м. Маріуполь, 2000,2006 рр.), міжнародній науковій конференції „Современные проблемы теории и практики производства качественной стали ” (Україна, м. Маріуполь, 2004 р.), 4,5,7,8,10,11,13,14_ій регіональних науково-технічних конференціях (Україна, м. Маріуполь, 1997, 1998, 2000, 2001, 2003, 2004,2006, 2007 рр.).

Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 17 роботах, у т.ч. - 8 статтях у спеціалізованих наукових журналах та збірниках наукових праць, 4 патентах України на винаходи, а також 5 матеріалах та тезах доповідей науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація містить: вступ, п'ять розділів, висновки. Загальний обсяг дисертації - 228 стор. друкованого тексту, включаючи: 44 рисунки на 44 стор., 5 таблиць на 12 стор., список використаних джерел з 144 найменувань на 16 стор. та 6 додатків на 50 стор.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Розділ 1. Допалювання відхідних газів у кисневому конверторі (стан питання та постановка завдань дослідження). Узагальнено результати теоретичних та експериментальних досліджень процесу вторинного допалювання СО-вмісних відхідних газів у агрегатах конверторного типу при різних видах продувки. Проведено критичний аналіз літературних джерел з питань: механізму, критеріальної оцінки ефективності, математичного моделювання та способів інтенсифікації процесу допалювання конверторних газів. Показано, що найбільш перспективними способами інтенсифікації та підвищення ефективності допалювання відхідних газів в конверторі є: використання вихрових струменів вторинного кисню, комбінованих сопел, а також низькочастотного пульсуючого дуття (періодичної (імпульсної) подачі вторинного дуття). Поставлені мета та завдання роботи.

Розділ 2. Аналіз процесу допалювання відхідних конверторних газів на основі статичної математичної моделі плавки при різних варіантах підводу дуття, умовах шихти та виробництва. Розроблена математична модель базується на рівняннях матеріального та теплового балансів конверторної плавки з вторинним допалюванням відхідних газів. Залежності ключових параметрів - (%) від (%), , а також Q (ч. од.) от (ч. од.) для різних варіантів організації процесу одержані на основі узагальнення, аналізу та обробки даних вітчизняних і закордонних дослідників:

- при допалюванні над ванною в газовій фазі

 = - 0,0178()2 + 1,3036+ 12,94 , (R = 0,66),

- при допалюванні в шлаку (ШГМЕ)

= - 0,0357()2 + 2,2524+ 9,44 , (R = 0,83);

Q = { 1,0 - ()b },

де b - емпіричний коефіцієнт, який відповідно дорівнює: 0,67 - при вторинному допалюванні над ванною при комбінованій продувці з подачею нейтрального газу через днище агрегату; 1,02 й 0,39 - те саме, при комбінованій кисневій та верхній продувках відповідно; 1,40 й 0,51 - при вторинному допалюванні в шлаку при комбінованій та верхній продувках.

Модель містить блок розрахунку техніко-економічних показників, що дозволяє визначити фінансові витрати на виплавку сталі при різних технологіях конвертування чавуну та організації процесу вторинного допалювання відхідних газів.

На рис. 1, як приклад, наведено результати розрахунку змінення показників конверторної плавки (зменшення питомої витрати рідкого чавуну на виплавку сталі Мч , кг/т, і витрат на основні матеріальні та енергетичні ресурси на виплавку сталі З, грн. /т) у 160-т агрегаті при організації процесу вторинного допалювання над ванною та в шлаку (ШГМЕ) залежно від при верхній та комбінованій з подачею через днище нейтрального газу продувках. При цьому як узагальнюючий критерій, що характеризує ефективність процесу допалювання відхідних газів, використовували величину (МДж/т), що являє собою відношення теплоти допалювання, засвоєної металевим розплавом, до маси металу наприкінці продувки плавки. Як видно з рис. 1, вторинне допалювання конверторних газів у ШГМЕ для всіх варіантів підведення дуття (при традиційних технологіях конвертування чавуну) є більш ефективним порівняно з організацією процесу над ванною. При комбінованій продувці ванни ця перевага нівелюється при збільшенні частки донного кисневого дуття. Одержано в першому наближенні, що в LD_агрегаті збільшення параметра при організації процесу допалювання газів над ванною / в шлаку (ШГМЕ) до значень, більших 10 % / 15 % з техніко-економічного погляду є недоцільним. Для комбінованої з подачею через днище нейтрального газу, комбінованої кисневої та донної продувок ці значення становлять: 10 % / 20 %, 15 % / 20 % та (20...25) % / (20…25) % відповідно.

На основі проведених досліджень змінення величини Мч для найбільш поширеної в СНД технології верхньої продувки ванни залежно від параметрів процесу вторинного допалювання та шихтовки плавок установлено, що збільшення вмісту кремнію в чавуні та його температури характеризується зниженням Мч . Це пояснюється, в основному, зменшенням питомої витрати рідкого чавуну на виплавку сталі, кількості відхідних конверторних газів та теплоти, що виділяється при вторинному допалюванні. Вміст марганцю в чавуні та інших домішок суттєвого впливу на показники процесу вторинного допалювання не має. В межах завдання, що вирішувалося, розглядалось питання про часткове використання в шихті деяких альтернативних металобрухту охолоджувачів плавки (для кон'юнктури цін, яка склалася на цей час). На рис. 2 представлено дані про залежність відносного збільшення витрат на основні матеріальні та енергетичні ресурси на виплавку сталі , %, від частки брухту в шихті при використанні інших охолоджувачів. Найменше подорожчання виплавки сталі має місце при використанні залізорудних котунів, а найбільше - при використанні вапна. Для розглянутих умов була розрахована оптимальна витрата залізорудних котунів на виплавку сталі залежно від при типових шихтових умовах плавок.

Виходячи з того, що для одержання якісних сталей частка металобрухту в шихті конверторів обмежується верхньою межею 20 %, вторинне допалювання відхідних газів у LD-агрегаті з рекомендованим діапазоном значень при вирішенні цього завдання конвертування чавуну є прийнятним. Для вирішення завдання переробки максимально можливої кількості металобрухту необхідно розглядати питання про використання додаткових джерел теплоти (введення твердого палива, підігрів металобрухту і т.ін.), або переходити до технології комбінованої (донної) продувки ванни з вторинним допалюванням відхідних газів та в разі необхідності - також з використанням додаткових джерел теплоти.

Розділ 3. Дослідження процесу допалювання відхідних газів у кисневому конверторі з використанням динамічної функціонально-детермінованої математичної моделі. Модель складається з трьох основних структурних блоків (моделей нижнього рівня), які мають самостійне науково-практичне значення та об'єднані функціональними зв'язками. Модель процесу взаємодії струменів вторинного кисню з відхідними СО_вмісними газами над рівнем ванни в газовій фазі базується на таких положеннях та припущеннях. Струмінь окислювача (вторинного дуття, О2+N2{Ar}) з об'ємною витратою , температурою , об'ємними концентраціями кисню та азоту (аргону) витікає в неізотермічних умовах у газову фазу (СО+СО2) з температурою tг та об'ємними концентраціями СО і СО2 - і відповідно. На ділянці від зрізу сопла до деякого перерізу х у струмінь вторинного дуття ежектується газ навколишнього середовища, відбуваються процеси тепло- та масообміну з хімічними перетвореннями. Як параметр, що характеризує ступінь змішування струменя, що витікає, з навколишнім середовищем, використовувалася відносна приєднана маса газу до струменя, довжиною lx від зрізу сопла до перерізу х - qг (кг/кг дуття). Ступінь розвитку поверхні тепло- та масообміну факела з навколишнім середовищем в конверторі визначалася через величину наведеної бічної поверхні ( м2/(кг дуття/c) ). Прийнято, що час протікання власне хімічних реакцій горіння істотно менший за час релаксації шару змішування струменя. Після утворення шару змішування струменя вихідні компоненти миттєво реагують між собою до термодинамічної рівноваги, яка визначається фізичними умовами в конкретній точці факелу допалювання. В результаті розрахунків одержували осереднені по перерізу х струменя, що реагує, характеристики суміші, яка утворюється (концентрації компонентів та температуру). Модель процесу взаємодії струменів вторинного кисню з відхідними СО_вмісними газами в ШГМЕ. Основні положення та припущення аналогічні положенням попередньої моделі з такими особливостями. Струмінь окислювача (О2+N2{Ar}) витікає в неізотермічних умовах в ШГМЕ, яка містить компоненти шлакової (з масовими концентраціями FeО, Fe2O3 , CaО , SiО2 , P2O5 , MnО, MgО, S) та газової (з об'ємними концентраціями СО і СО2) фаз з температурою tШГМЕ , та ежектує її. При цьому кисень перерозподіляється між компонентами цих фаз відповідно до термодинамічних закономірностей у системі.

Динамічна математична модель допалювання відхідних газів у порожнині кисневого конвертора з урахуванням макрокінетики плавки. Вищеописані блоки були синтезовані в розроблену раніше комплексну функціонально-детерміновану математичну модель конверторної плавки, що включає модулі розрахунку: динамічних теплових балансів, зневуглецювання та окислювання заліза розплаву в реакційній зоні, плавлення брухту, динаміки нижніх слабкоперемішуваних зон у ванні, пов'язаної з утворенням та розвитком термоконвективного фронту (для верхньої продувки ванни; для комбінованої - без нього), тепло-масообміну між виділеними зонами в агрегаті та ін. При цьому додатково до раніше закладених в модель закономірностей враховували кількість відхідних газів, що виділяються з розплаву в інтервалі між критичною концентрацією вуглецю в реакційній зоні та критичною концентрацією вуглецю у ванні. Параметри шлаку (динаміка змінення маси, хімскладу, рівня спінення і т.ін.) були описані регресійними рівняннями, отриманими з використанням емпіричних даних автора та інших дослідників.

Розроблена модель була адаптована стосовно до умов роботи 160-т LD_конвертора ВАТ “ММК ім. Ілліча”. На основі порівняльного аналізу розрахункових даних та фактичних технологічних показників продувки промислових плавок з вторинним допалювання відхідних газів у ШГМЕ була встановлена її адекватність реальним процесам. Аналітичні дослідження проводили для двох варіантів технології продувки ванни: верхньої та комбінованої (з подачею нейтрального газу знизу), які використовуються в наш час у переважній більшості випадків у світовій практиці конверторного сталеваріння (у т.ч. - в Україні).

На рис. 3, як приклад, наведено змінення характерних параметрів типової плавки в процесі продувки з вторинним допалюванням відхідних газів над ванною та в ШГМЕ при таких вихідних даних: частка вторинного кисню від загальної кількості = 5 %; кількість сопел (циліндричних) для вторинного допалювання в фурмі двоцільового призначення - 5; стан футерівки конвертора - відповідає середині її кампанії; характерний розмір кусків брухту x = y = 0, 05 м (середньоваговий брухт).

При цьому необхідно відзначити, що при використанні двоконтурних кисневих фурм для організації допалювання газів у ШГМЕ, на початковому (до 5...10 %) та кінцевому ( 90…100 %) етапах продувки процес здійснюється в газовій фазі над ванною (рис.3, б) відповідно до змінення висоти продувки і рівня ШГМЕ. Ця закономірність зберігається в широкому діапазоні змінення як при верхній, так і при комбінованій продувках.

При зміненні величини в досить широкому діапазоні (5...30 %) характер динаміки Q в процесі продувки плавки з допалюванням газів як над ванною, так і в ШГМЕ, принципово не змінюються: найбільші значення Q мають місце до (10...15) %; далі є ще один, менший за перший, екстремум Q при (60...70) %; при (85…100) % величина Q є мінімальною. Це пояснюється, в основному, характером динаміки співвідношення температур газу, металу та ШГМЕ - параметрів, які багато в чому визначають теплообмін між зонами допалювання та металевим розплавом. В цілому, це підтверджує те, що процес вторинного допалювання найбільше ефективно реалізується з регульованою подачею вторинного дуття по ходу продувки; при цьому найбільш відповідально слід підходити до встановлення та регулювання параметрів процесу на початковому етапі продувки, а подачу вторинного дуття на заключному етапі продувки (переважно в LD_конверторах) доцільно виключати з техніко-економічних міркувань.

Відповідно до одержаних результатів, частка вторинного кисню, що витрачається на окислювання СО до СО2 в зонах допалювання при організації процесу в ШГМЕ, збільшується від 60 % на початку до (80…100) % в середині та зменшується до (25...45) % наприкінці продувки плавки (менші значення відносяться до менших значень ); решта засвоєного кисню витрачається на окислювання шлаку, що потрапляє в зони допалювання.

Установлено, що на величину Q істотний вплив має “вік” футерівки конвертора. Більші значення цього параметра (за інших рівних умов) мають місце при “старій” футерівці. Причому вплив цього фактора досить істотний: у випадку організації вторинного допалювання в ШГМЕ при “старій” футерівці Q більший, ніж при “новій” в 1,5...1,8 разу. Це дозволяє зробити висновок про те, що з практичного погляду використання дуттьових пристроїв для реалізації технології вторинного допалювання відхідних газів рекомендується в першу чергу в другій половині кампанії з футерівки конвертора.

Одержано, що техніко-економічна доцільність заміщення частини вторинного кисню нейтральним газом (азотом) та оптимальна величина його частки в суміші з вторинним киснем в кожному конкретному випадку визначаються кон'юнктурою цін на шихтові матеріали (чавун, брухт та ін.), нейтральний газ (азот) та витратами на футерівку конвертора.

Показано, що спінювання ШГМЕ є негативним чинником з позицій ефективності процесу вторинного допалювання відхідних газів, в першу чергу - при його організації над ванною в газовій фазі; продувку плавки в конверторі необхідно вести з мінімально прийнятним за технологічними вимогами рівнем спінення ШГМЕ.

Залежність осереднених за період продувки плавки значень ключових параметрів процесу вторинного допалювання (зQ , б) від для 160_т конвертора з верхньою та комбінованою продувками подається на рис. 4. З урахуванням одержаних результатів та даних, наведених на рис. 4, а також обмежень за припустимою температурою внутрішньої поверхні футерівки конвертора та ступеня окисленості шлаку, оптимальна величина для LD_конвертора становить (5...10) %, для агрегату з комбінованою продувкою - (5...15) %. При цьому середня за продувку плавки величина Q для конверторів верхнього дуття становить (20...35) % при організації вторинного допалювання над ванною в газовій фазі та (30...50) % в ШГМЕ. Для конверторів комбінованого дуття ці значення становлять (20...60) % та (50...80) % відповідно. У цілому, з техніко-економічних міркувань, для агрегатів з комбінованою продувкою прийнятною є організація процесу вторинного допалювання відхідних газів над ванною в газовій фазі та в ШГМЕ, а для LD_конверторів - тільки в ШГМЕ.

З використанням розробленої моделі виявлено вплив на показники процесу вторинного допалювання конверторних газів такого важливого параметра шихтовки плавок, як вид металобрухту. Встановлено зменшення зQ зі збільшенням x (y), причому різниця у величині зQ при використанні брухту різних видів може досягати 20 % відн. при верхній продувці ванни та 30 % відн. - при комбінованій. Це дозволяє говорити про те, що в існуючих у цей час умовах шихти та виробництва конверторних цехів України, які характеризуються використанням „покупного” легковагого брухту, застосування технології вторинного допалювання конверторних газів буде максимально ефективним за інших рівних умов.

Одержано, що при подачі вихрових потоків вторинного дуття, які організуються за допомогою дуттьових пристроїв з оптимальними конструктивними параметрами, істотно підвищується ефективність процесу вторинного допалювання конверторних газів; так, для LD_агрегату при організації процесу в ШГМЕ середня за продувку плавки величина Q збільшується в (1,10…1,15) разу, при цьому ступінь допалювання залишається на тому самому рівні.

Розділ. 4. Розробка дуттьових пристроїв для інтенсифікації та підвищення ефективності допалювання відхідних газів у кисневому конверторі. На основі результатів, одержаних в розділах 2,3 , розроблено конструкцію комбінованого сопла (див. рис.5) для одночасної продувки конверторної ванни струменями двох типів, що дозволяє підвищити ефективність процесу допалювання відхідних газів у ШГМЕ. Сопло складається з корпусу 1, центрального сопла 2 з конфузором 3, критичним перерізом 4 та дифузором 5, що утворює тракт подачі первинного кисню, і периферійного кільцевого сопла 6, що охоплює центральне сопло 2 та утворює тракт подачі вторинного кисню, в якому виконано завихрювач газового потоку 7. Вторинний потік кисню, проходячи через завихрювач 7, одержує додаткову тангенціальну складову швидкості, формується в кільцевому соплі 6 та витікає з нього у вигляді вихрового струменя - зонтоподібної завіси 8 над центральним струменем 9, практично не взаємодіючи з останнім. Периферійний вихровий струмінь кисню 8, маючи значну поверхню масообміну з висхідними потоками окису вуглецю, сприяє їх допалюванню. Теплота, що виділяється при цьому поблизу поверхні розплаву, прискорює процеси шлакоутворення, нагрівання та рафінування металу.

Розроблено спосіб допалювання відхідних газів імпульсно-узгодженими струменями, який передбачає подачу зверху з імпульсним зміненням витрати потоків первинного та відповідних їм потоків вторинного кисню за умови, що імпульси подачі потоків первинного та відповідних їм потоків вторинного кисню послідовно йдуть один за одним та мають визначену тривалість. Використання цього способу дозволяє підвищити ефективність процесу вторинного допалювання за рахунок: 1) взаємного узгодження часу протікання процесу окислювання вуглецю струменями первинного кисню та процесу допалювання відхідних газів струменями вторинного кисню; 2) зменшення теплових втрат від зон допалювання; 3) додаткової турбулізації взаємодіючих фаз у системі за рахунок квазіперіодичного оновлення реакційних зон та областей допалювання в агрегаті і, як наслідок, збільшення коефіцієнтів та поверхонь тепло-масообміну; 4) інтенсифікації перемішування ванни. конверторний плавка шихтовка агрегат

На основі фізичної моделі процесів у системі "потік первинного кисню - реакційна зона - метал - шлак (ШГМЕ) - потік вторинного кисню - зона допалювання" отримано залежності для визначення проміжку часу між моментом початку імпульсу подачі потоку первинного кисню та моментом початку імпульсу подачі відповідного (_их) потоку (_ів) вторинного кисню I-II , с, при допалюванні відхідних газів в шлаку (ШГМЕ) та над ванною в газовій фазі відповідно:

де hс-в висота розташування вихідного перерізу сопла для подачі первинного кисню над рівнем рідкого гомогенного шлаку (наприкінці продувки плавки), м; i імпульс потоку первинного кисню у вихідному перерізі сопла, Н; Fc , площа вихідного перерізу (м2) та кут нахилу (град.) сопла для подачі первинного кисню; Pо тиск у робочому просторі агрегату на рівні вихідного перерізу сопла для подачі первинного кисню, Па; hш , ш висота шару (м) та густина (кг/м3) рідкого гомогенного шлаку.

Одержано, що для умов роботи 160-т, 350-т LD_конверторів значення I-II згідно з (4) та (5) становлять 0,11...0,16 с та 0,15...0,24 с відповідно.

Для реалізації цього способу розроблено конструкцію фурми з механізмом узгодженого переривання потоку окислювача на вході в продувальні та додаткові сопла, що здійснюється за рахунок кінетичної енергії дуттьового потоку.

З огляду на обмеженість величини оптимальної витрати вторинного кисню (див. розділ 3), перспективним є використання розробленої конструкції наконечників кисневих фурм з центральним сопловим модулем з тангенціальним завихрювачем кисневого потоку - див. рис. 6. Потік вторинного кисню прискорюється в тангенціальних каналах 8 завихрювача 7 та витікає з сопла 6 у вигляді вихрового потоку ("парасольки"), що розкривається на визначеній відстані поблизу торця фурми, з межами, які виходять за межі периферійних продувальних струменів 11. Кисневий вихор 13 при цьому має велику поверхню взаємодії з відхідними газами, у межах якої останні ефективно допалюються.

Область оптимальних значень конструктивних параметрів дуттьових пристроїв, наведених на рис. 5,6, установлена шляхом вивчення струминних процесів при проведення серії експериментальних досліджень на газодинамічних стендах з використанням стисненого повітря високого тиску.

Розділ 5. Дослідно-промислові випробування та впровадження дуттьових пристроїв для інтенсифікації та підвищення ефективності допалювання відхідних газів в 160-т конверторах ВАТ “ММК ім. Ілліча”. Провівши попереднє конструктивне опрацювання зазначених у розділі 4 варіантів модернізації наконечника кисневої фурми конверторного цеху ВАТ “ММК ім. Ілліча” з метою організації вторинного допалювання газів у порожнині конвертора, встановили, що нині найбільш раціональним, з погляду можливостей виготовлення, є варіант з установкою в наконечнику додаткового центрального соплового модуля спеціальної конструкції для подачі вторинного кисню. Цей варіант має такі переваги: 1) можливість компонування соплового блоку без радикальної зміни всієї конструкції фурми, швидка та малозатратна реалізація; 2) у центральній частині наконечника існуючої конструкції є застійна зона охолоджувача; установка центрального сопла дозволить зменшити цю зону, а витікаючий центральний струмінь буде захищати центральну частину наконечника від потрапляння бризок металу та шлаку; крім того, центральний кисневий струмінь, що витікає, буде сприяти збільшенню охолоджувального ефекту кисню в наконечнику; 3) можливість подальшого розвитку конструкції наконечника з додатковим центральним соплом, як з метою підвищення інтенсивності продувки конверторної ванни, так і з метою розробки універсальної конструкції фурми з більш широким зміненням параметрів дуттьового режиму плавки (за рахунок наявності або відсутності знімного завихрювача в центральному сопловому модулі) для продувки плавок у шихтових умовах, що істотно змінюються. У результаті промислових випробувань та впровадження кисневих фурм нової конструкції (див. рис. 7) для вторинного допалювання конверторних газів (= 5 %) отримано: 1) поліпшення теплового балансу конверторної плавки, еквівалентне зменшенню питомої витрати рідкого чавуну на 1...4 кг/т сталі; 2) поліпшення умов служби охолоджувача конверторних газів та газовідвідного тракту конверторів; 3) прискорення та стабілізація процесів шлакоутворення. При цьому, незважаючи на збільшення теплового потоку на фурму, стійкість наконечників була на 18 % вищою порівняно з наконечниками базової конструкції в період промислових випробувань. Негативного впливу процесу вторинного допалювання газів на футерівку конвертора виявлено не було.

Фактичний річний економічний ефект (2006 р.) від упровадження результатів дисертаційної роботи в конверторному цеху ВАТ “ММК ім. Ілліча” становить 406 326,85 грн.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове технічне вирішення наукового завдання поліпшення техніко-економічних показників виплавки конверторної сталі за допомогою вдосконалення дуттьових пристроїв кисневих конверторів на основі дослідження процесу допалювання відхідних конверторних газів.

2. Встановлено діапазони оптимальних значень керуючих параметрів процесу допалювання конверторних газів залежно від варіанта підведення дуття, шихтовки плавок та зони організації процесу в агрегаті на основі розробленої статичної математичної моделі конверторної плавки з вторинним допалюванням відхідних газів.

3. З використанням розробленої комплексної функціонально-детермінованої динамічної математичної моделі допалювання відхідних газів в порожнині кисневого конвертора з урахуванням макрокінетики плавки виконано аналіз впливу параметрів процесу вторинного допалювання на основні динамічні характеристики конверторної плавки, що дозволило розробити практичні рекомендації щодо його ефективної організації.

Отримано залежності та Q від параметрів процесу вторинного допалювання для різних варіантів його організації і конвертування чавуну, а також від виду брухту, що використовується в шихті, „віку” футерівки агрегату та інших факторів.

4. Установлено, що оптимальна величина для LD_конвертора становить (5...10) %, для агрегату з комбінованою продувкою - (5...15) %. При цьому середня за продувку плавки величина Q для конверторів верхнього дуття становить (20...35) % при організації вторинного допалювання в газовій фазі над ванною та (30..50) % в ШГМЕ. Для конверторів комбінованого дуття ці значення становлять (20...60) % та (50...80) % відповідно. У цілому, з техніко-економічних міркувань, для агрегатів з комбінованою продувкою прийнятною є організація процесу вторинного допалювання відхідних газів у газовій фазі над ванною та в ШГМЕ, а для LD-агрегатів - тільки в ШГМЕ.

5. Одержано, що на величину Q істотний вплив має “вік” футерівки конвертора: більші значення цього параметра (за інших рівних умов) мають місце при “старій” футерівці. Тому використання дуттьових пристроїв для реалізації технології вторинного допалювання відхідних газів рекомендується в першу чергу в другій половині кампанії з футерівки конвертора.

6. Установлено зменшення зQ зі збільшенням характерного розміру кусків брухту x (y), що пов'язано з динамікою температурного поля в різних зонах агрегату; причому різниця у величині зQ при використанні брухту різних видів може досягати 20 % відн. при верхній продувці ванни та 30 % відн. - при комбінованій. Це дозволяє прогнозувати ефективність процесу вторинного допалювання конверторних газів залежно від шихтових умов плавок.

7. Підтверджено, що процес вторинного допалювання відхідних газів у конверторі найбільш ефективно реалізується з регульованою подачею вторинного дуття по ходу продувки плавки; при цьому найбільш відповідально слід підходити до встановлення та регулювання параметрів процесу на початковому етапі продувки, а подачу вторинного дуття на заключному етапі продувки (переважно в LD_конверторах) доцільно виключати з техніко-економічних міркувань.

8. Одержано, що при подачі вихрових потоків вторинного дуття, які організуються за допомогою дуттьових пристроїв з оптимальними конструктивними параметрами, істотно підвищується ефективність процесу вторинного допалювання конверторних газів; так, для LD_агрегату при організації процесу в ШГМЕ середня за продувку плавки величина Q збільшується в (1,10...1,15) разу, при цьому ступінь допалювання залишається на тому самому рівні. Розроблено практичні рекомендації щодо конструювання дуттьових пристроїв для ефективного вторинного допалювання відхідних газів.

9. З використанням розроблених фізичної та математичної моделей процесу вторинного допалювання конверторних газів імпульсно-узгодженими струменями отримано залежності для визначення оптимальної тривалості імпульсів подачі потоків первинного та вторинного кисню; визначено значення цього параметра для LD_агрегатів.

10. Розроблено нові ефективні пристрої (способи) для вторинного допалювання відхідних газів: 1) комбіноване сопло (патент України № 18227 А); 2) спосіб продувки конверторної ванни імпульсно-узгодженими струменями (патент України № 37988 А) та 3) відповідна йому продувальна фурма (патент України № 42550А); 4) фурма з центральним сопловим модулем з тангенціальним завихрювачем кисневого потоку (патент України № 59077A). Стосовно до умов роботи 160-т LD_агрегатів конверторного цеху ВАТ “ММК ім. Ілліча” розроблено та впроваджено в 2006 р. нову конструкцію наконечника кисневої фурми для вторинного допалювання відхідних газів. В результаті впровадження одержано річний (2006 р.) економічний ефект 0,4 млн. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Сущенко А.В., Безчерев А.С. Состояние и пути решения проблемы дожигания отходящих газов в кислородном конвертере // Вестник Приазовского государственного технического университета: Сб. научн. тр. - Мариуполь, 1999. - Вып.8. - С.50-54.

Сущенко А.В., Безчерев А.С. О математическом моделировании процесса дожигания отходящих газов в кислородном конвертере // Вісник Приазовського державного технічного університету: Зб. наук. праць. - Маріуполь, 2000. - Вип. 9. - С.23-26.

Сущенко А.В., Безчерев А.С. Дожигание отходящих газов в кислородном конвертере импульсно-согласованными струями // Металлургическая теплотехника. Сб. науч. тр. Национальной металлургической Академии Украины. - Днепропетровск: НМетАУ, 2001. - Т.4. - C.157-161.

Сущенко А.В., Безчерев А.С. Кислородная фурма для эффективного дожигания отходящих газов в LD-конвертере // Металлургическая теплотехника. Сб. науч. тр. Национальной металлургической Академии Украины. - Днепропетровск: НМетАУ, 2003. - Т.9. - C.182-185.

Сущенко А.В., Безчерев А.С. Моделирование процесса дожигания монооксида углерода в кислородном конвертере при различных вариантах подвода дутья // Вісник Приазовського державного технічного університету: Зб. наук. праць. - Маріуполь, 2004. - Вип.14. - С.44-48.

Безчерев А.С., Сущенко А.В. Моделирование процесса дожигания монооксида углерода в кислородном конвертере // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2004 - № 8. - С. 44-48.

Сущенко А.В., Безчерев А.С. Исследование процесса дожигания конвертерных газов с использованием динамической математической модели // Вісник Приазовського державного технічного університету: Зб. наук. праць. - Маріуполь, 2007. - Вип.17. - С. 61-65.

Сущенко А.В., Ларионов А.А., Климанчук В.В., Семенюк П.П., Волков А.М., Бухало А.И., Небога Б.В., Безчерев А.С. Разработка и внедрение кислородной фурмы для интенсификации дожигания отходящих газов в 160-т конвертерах Мариупольского металлургического комбината им. Ильича // Бюл. НТ и ЭИ. Черная металлургия. - 2007. - № 2 (1286). - С. 66-69.

Сущенко А.В., Безчерев А.С. К вопросу о дожигании отходящих газов в кислородном конвертере // Материалы VI-ой международной научно-технической конференции "Тепло- и массообменные процессы в металлургических системах", 7-9 сентября 2000 г. - Мариуполь: ПГТУ. - 2000. - С.353-356.

Сущенко А.В., Безчерев А.С. О взаимодействии струй вторичного кислорода с отходящими конвертерными газами // Материалы VII-ой международной научно-технической конференции "Тепло- и массообменные процессы в металлургических системах", 6-8 сентября 2006 г. - Мариуполь: ПГТУ. - 2006. - С.200-204.

Сущенко А.В., Безчерев А.С. Математическое моделирование дожигания отходящих газов в кислородных конвертерах // Тезисы докладов международной научной конференции „Современные проблемы теории и практики производства качественной стали”, 8_10 сентября 2004 г. - Мариуполь: ПГТУ. - 2004. - С.116-118.

Сущенко А.В., Безчерев А.С. Моделирование процесса дожигания монооксида углерода в кислородном конвертере // Тезисы докладов 1_ой международной научно-технической конференции „Прогрессивные технологии в металлургии стали: XXI век”, 21-23 сентября 2004 г. - Донецк: ДонНТУ. - 2004. - С. 28-29.

Сущенко А.В., Безчерев А.С. Математическое моделирование факела дожигания отходящих газов в полости кислородного конвертера // Матеріали 3-ої міжнародної науково-практичної конференції „Прогресивні технології у металургії сталі: ХХІ сторіччя”, 31 жовтня -2 листопада 2006 р. - Донецьк: ДонНТУ. - 2006. - С. 98-103.

Сущенко А.В., Поживанов М.О., Семенченко П.М., Куземко Р.Д., Безчерев О.С., Гришин А.Б. Комбіноване сопло. Патент України на винахід № 18227А за заявкою № 96020703 від 23.02.96 р. МКВ 6 С 21 С 5/48. Опубл. 25.12.97р. Бюл. № 6.

Сущенко А.В., Безчерев О.С. Спосіб продування рідкого металу з допалюванням відхідних газів. Патент України на винахід № 37998А за заявкою № 2000052758 від 15.05.00 р. МКВ С 21 С 5 /32. Опубл. 15.05.01 р. Бюл. № 4.

Сущенко А.В., Безчерев О.С. Фурма. Патент України на винахід № 42550А за заявкою № 2001042177 від 03.04.01 р. МКВ С 21 С 5 /48. Опубл. 15.10.01 р. Бюл. № 9.

Бойко В.С., Ларіонов О.О., Климанчук В.В., Сущенко А.В., Безчерев О.С. Волков О.М., Бухало А.І. Фурма для продування розплаву струменями двох типів. Патент України на винахід № 59077A за заявкою № 2003010045 від 02.01.03 р. Опубл. 15.08.03 р. Бюл. №8.

АНОТАЦІЯ

Безчерев О.С. „Вдосконалення дуттьових пристроїв кисневих конверторів на основі дослідження процесу допалювання відхідних конверторних газів”, рукопис на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.16.02 “Металургія чорних металів”, Приазовський державний технічний університет, Маріуполь, 2007 р.

Дисертація присвячена питанню розробки нових ефективних пристроїв (способів) для вторинного допалювання СО-вмісних відхідних газів в агрегатах конверторного типу.

Розроблено статичну математичну модель конверторної плавки з вторинним допалюванням відхідних газів, яка дозволяє в першому наближенні встановити діапазони оптимальних значень керуючих параметрів процесу допалювання залежно від варіанту підведення дуття, шихтовки плавок та зони організації процесу в агрегаті.

Розроблено комплексну функціонально-детерміновану динамічну математичну модель допалювання відхідних газів у порожнині кисневого конвертора з урахуванням макрокінетики плавки. З її використанням проведено аналітичні дослідження процесу вторинного допалювання відхідних газів та одержано основні закономірності для раціональної його організації в конверторах з верхнім та комбінованим дуттям.

Розроблено нові ефективні пристрої (способи) для вторинного допалювання відхідних газів у порожнині конверторів.

У результаті впровадження в конверторному цеху ВАТ “ММК ім. Ілліча” кисневих фурм нової конструкції для вторинного допалювання конверторних газів одержано річний економічний ефект 406 326,85 грн.

Ключові слова: кисневий конвертор, дуттьові пристрої, відхідні газі, вторинне допалювання, математичне моделювання.

Безчерев А.С. “Совершенствование дутьевых устройств кислородных конвертеров на основе исследования процесса дожигания отходящих конвертерных газов”, рукопись на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 “Металлургия черных металлов”, Приазовский государственный технический университет, Мариуполь, 2007г.

Диссертация посвящена вопросу разработки новых эффективных устройств (способов) для вторичного дожигания СО-содержащих отходящих газов в агрегатах конвертерного типа.

Обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса вторичного дожигания СО-содержащих отходящих газов в агрегатах конвертерного типа при различных видах продувки. Проведен критический анализ литературных источников по вопросам: механизма, критериальной оценки эффективности, математического моделирования и способов интенсификации процесса дожигания конвертерных газов. Показано, что наиболее перспективными способами интенсификации и повышения эффективности дожигания отходящих газов в конвертере являются: применение вихревых струй вторичного кислорода и комбинированных сопел, использование низкочастотного пульсирующего дутья (периодической (импульсной) подачи вторичного дутья).

Разработана статическая математическая модель конвертерной плавки с вторичным дожиганием отходящих газов, базирующаяся на полученных эмпирических зависимостях ключевых параметров процесса вторичного дожигания и уравнениях материального и теплового балансов, позволяющая в первом приближении установить диапазоны оптимальных значений управляющих параметров процесса дожигания в зависимости от варианта подвода дутья, шихтовки плавок и зоны организации процесса в агрегате.

Разработана комплексная функционально-детерминированная динамическая математическая модель дожигания отходящих газов в кислородном конвертере с учетом макрокинетики плавки. Она позволяет анализировать влияние параметров процесса вторичного дожигания на основные характеристики конвертерной плавки, определять пути к её рациональным: шихтовке, дутьевому режиму, конструкциям дутьевых устройств и др. С ее использованием проведены аналитические исследования процесса вторичного дожигания отходящих газов и получены основные закономерности для рациональной его организации в конвертерах с верхней и комбинированной продувкой.

Разработаны новые эффективные устройства (способы) для вторичного дожигания отходящих газов в полости конвертеров: 1) конструкция комбинированного сопла для одновременной продувки конвертерной ванны струями двух типов; 2) способ продувки конвертерной ванны импульсно-согласованными струями и 3) соответствующая ему новая конструкция продувочной фурмы; 4) конструкция фурмы для одновременной продувки расплава струями двух типов с центральным сопловым модулем с тангенциальным завихрителем кислородного потока.

В результате внедрения в конвертерном цехе ОАО “ММК им. Ильича” кислородных фурм новой конструкции для вторичного дожигания конвертерных газов получен годовой экономический эффект 406 326,85 грн.

Ключевые слова: кислородный конвертер, дутьевые устройства, отходящие газы, вторичное дожигание, математическое

Bezcherev О. S. „Perfection of blast furnaces of oxygen converters on the basis of post-combustion process research", manuscript on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on a specialty 05.16.02 „Ferrous metallurgy”, Priazovsky state technical university, Mariupol, 2007.

Dissertation is devoted to the question of development of new devices (methods) for post-combustion process in converter type aggregates.

Developed static mathematical model of the converter melting with post-combustion process, which allows in the first approaching to set the ranges of optimum values of handling parameters of post-combustion process depending on the variant of tricking blowing, charge of melting and zone of process organization in aggregate into.