Разработка энергосберегающего дутьевого режима конвертерной ванны с целью повышения эффективности производства

Актуальность работы. Известны дутьевые режимы и различные методы дожигания оксида углерода в рабочем пространстве кислородно-конвертерных агрегатов, позволяющие использовать дополнительное тепло от сжигания оксида углерода (СО) кислородом (02) для интенсификации тепловых и технологических процессов плавки стали, повышения доли металлолома и снижения расхода чугуна на процесс, улучшения технологических, энерго-экологических и технико-экономических показателей производства.

Однако эти методы продувки обладают существенными недостатками, заключающимися в том, что до настоящего времени не определены оптимальные условия проведения дутьевого режима с дожиганием СО кислородом над зоной продувки в конвертере с учетом влияния изменения уровня, состояния и свойств вспененного шлака на тепловые и технологические процессы плавки стали.

Актуальность работы заключается в необходимости разработки энергосберегающей технологии конвертерной плавки стали и определяется перспективностью дальнейшего развития конвертерного процесса на основе повышения интенсивности продувки ванны и более эффективного использования тепла от дожигания СО кислородом. Представляется целесообразным уточнить существующие теоретические положения о возможности дожигания СО струями Ог над поверхностью металла в зоне продувки с учетом влияния вспененной ванны.

В этой связи, проведение экспериментальных исследований в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях является крайне необходимым и весьма актуальным. Кроме того, внесение уточнений к теоретическим основам позволяет создать исходные предпосылки для построения корректной математической модели дожигания СО струями Ог в системе встречных газовых потоков над зоной продувки в конвертере.

Целью работы является разработка энергосберегающего дутьевого режима конвертерной ванны на основе интенсификации и оптимизации режима дожигания СО в рабочем пространстве агрегата, позволяющего повысить расход лома в завалку, снизить расход чугуна и улучшить технико-экономические показатели процесса. Уточнение технологического представления о механизме горения оксида углерода в струях кислорода и подачи тепла при воздействии струй дожигания на поверхность металла с учетом влияния вспененного шлака над зоной продувки.

Для достижения указанной цели автором предусматривалось решение следующих научно-технических задач:

— провести анализ существующих методов и режимов дожигания СО кислородом в конвертерах различного типа и определение направлений совершенствования их тепловых, дутьевых и технологических режимов плавки стали;

— обосновать экспериментально и теоретически эффективность использования режима дожигания СО в струях О2 при образовании и взаимодействии системы встречных газовых потоков (ВГП) в объеме газошлаковой эмульсии над зоной продувки металла в конвертере;

— на основе изучения теплового баланса и термодинамического анализа процесса дожигания СО в струях О2 определить наиболее предпочтительный дутьевой режим при движении струй дожигания в шлакогазовом объеме вспененной ванны, вблизи поверхности металла и вне высокотемпературной первичной реакционной зоны продувки;

— определить экспериментально и теоретически обосновать наиболее эффективный режим дожигания СО в конвертере с обеспечением оптимальных условий совмещения участков тепловыделения и усвоения тепла поверхностью металла без воздействия высокотемпературных факелов дожигания на футеровку конвертера и ухудшения технологических показателей плавки стали;

— разработать теоретические положения и адаптированные физико-химические и те-плофизические модели конвертерного процесса при использовании режима дожигания СО струями О2 в объеме газо-шлако-металлической эмульсии (ГШМЭ) над зоной продувки агрегата с целью совершенствования алгоритма управления параметрами тепловой работы конвертера и улучшения технологических показателей плавки стали;

— совершенствовать технологию конвертерной плавки стали на основе разработки энергосберегающего процесса с верхней и комбинированной продувкой расплава при оптимизации расположения газоструйной системы из О2 для дожигания СО над зоной продувки с учетом использования надежной информации о параметрах режима наводки шлака, вспенивания и изменения уровня шлаковой ванны.

Объект исследования: кислородно-конвертерный процесс с применением верхней, ^ донной и комбинированной продувкой металла кислородом и использованием типовых, двухконтурных и двухъярусных кислородных фурм, а также газодинамические стенды для исследования системы встречных газовых потоков, модели и установки для изучения процессов конвертерной плавки при интенсификации режима дожигания СО кислородом.

Предмет исследования: математические зависимости, устанавливающие взаимосвязи между параметрами дутьевого режима конвертерной ванны и системы встречных газовых потоков над зоной продувки агрегата и использующиеся для оптимизации и согласования хода процессов дожигания СО в струях Ог, теплопередачи в системе шлак-металл, обезуглероживания и окисления примесей металла в процессе плавки стали.

Автором выносятся на защиту:

— экспериментальные данные, теоретические и практические результаты исследова-Ф ния влияния параметров газоструйной системы из Ог на эффективность дожигания СО в.

ГШМЭ над зоной продувки в объеме конвертора с учетом влияния вспененного шлака и теплофизических свойств отходящих из ванны газов;

— результаты исследования аэродинамических свойств газоструйной системы при организации ее над зоной продувки и взаимодействии со встречным потоком отходящих из ванны газов, а также опытные данные по дожиганию СО в струях Ог и влияния этого процесса на интенсификацию теплообмена в шлаке, шлакообразование и технологические показатели плавки стали;

— энергосберегающая технология плавки стали, основанная на интенсификации и оптимизации режима дожигания СО в объеме ГШЭ, а также на основе осуществления согласованного управления процессами наводки шлака, нагрева и обезуглероживания металла по алгоритму теплофизической модели процесса.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— установлены закономерности изменения теплои массообменных характеристик в барботируемом газовспененном шлаке при движении в нем струй дожигания на встречу потоку отходящих из зоны продувки газов;

— показано, что при организации режима дожигания оксида углерода струями кислорода в объеме газошлаковой эмульсии и при рациональном размещении системы струй дожигания над поверхностью металла вне высокотемпературной области расплава параметры тепловой работы конвертерной ванны заметно улучшаются;

— разработаны принципы обеспечения энергосберегающей технологии конвертерной плавки стали на основе получения и использования избытка тепла от дожигания оксида углерода в струях кислорода над зоной продувки;

— создана математическая модель для определения газодинамических и теплофизи-ческих характеристик, учитывающая закономерности движения струй, протекание массообменных и тепловых процессов в них во взаимодействии с потоком отходящих газов в объеме газошлаковой эмульсии, что позволяет прогнозировать параметры дутьевого, теплового и технологического режимов плавки стали.

Практическая значимость работы.

Предложены к использованию алгоритмы и комплекс программ для расчета параметров дутьевого и технологического режимов с дожиганием оксида углерода, оценки степени дожигания и определения эффективности теплообмена на поверхности раздела шлак-металл в ванне агрегата.

Разработана усовершенствованная технология конвертерной плавки при использовании двухъярусной фурмы, позволяющая осуществить в синхронном режиме процессы дожигания оксида углерода над зоной продувки, наводки шлака, нагрева и обезуглероживания металла с улучшением технико-экономических показателей работы агрегата.

Предложены для использования в учебном процессе оригинальные установки и методика исследования на физических моделях режимов продувки жидкостей газами, поведения уровня вспененной ванны, ее газонасыщенности, изменения структуры и уровня границы раздела шлак — металл в ванне.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 2-ой и 3-ей международных научно-практических конференциях «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии», МГИСиС, Москва 2000 и 2002 г. г.- международной научной конференции РАЕ «Технология — 2003». Анталия (Турция), май 2003. международной научно-практический конференции «Рациональное использование природного газа в металлургии», Москва, МГИСиС, ноябрь 2003 г.- международной III научно-технической конференции студентов, аспирантов и магистров, г. Гомель (Беларусь), апрель 2003 г.- международных научных конференциях «Образование, наука и производство в XXI веке», г. Старый Оскол. СТИ (ф) МГИСиС, декабрь 2003 г. и октябрь 2004 г.- международная научная конференция РАЕ «Наукоемкое технологии», Турция (г. Анталия), 2005 г.- 5-ой международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства», г. Череповец (ЧГУ) октябрь 2005 г.- на научных семинарах кафедры металлургии стали МГИ-СиС (ТУ), г. Москва.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (100 наименований), приложения и изложена на 147 страницах, содержит 24 таблицы и 73 рисунка.

6. Общие выводы и заключение.

1. В результате выполненных исследований установлено, что одним из перспективных путей развития кислородно-конвертерного производства стали является применение двухъярусного дутьевого режима конвертерной ванны с дожиганием оксида углерода струями кислорода, которые по ходу движения размещаются в объеме газошлакометалли-ческой эмульсии и достигают поверхности металла во вторичной реакционной зоне продувки, т. е. струи дожигания по ходу продувки располагаются вне высокотемпературной барботажной области в ванне агрегата.

2. Исследованы на холодных моделях с применением метода кинофотосъемки и путем анализа данных фотографий локального газосодержания структура, газонасыщенность и закономерности образования газовспененной шлаковой ванны в условиях действия системы струй дожигания над зоной продувки.

3. Изучены на модели условия образования и особенности структуры переходной зоны шлак-металл и закономерности изменения уровня газошлаковой вспененной ванны. Получены фотографии для участков ее объема с определением размеров пузырей в сравнительных условиях применения различных режимов продувки, позволяющие судить об эффективности разрушения «свищей», «канальцев» и пузырей во вспененном шлаке по ходу продувки ванны кислородом.

4. Впервые при разработке математической модели процесса дожигания оксида углерода использован принцип учета взаимосвязей параметров движения газоструйной системы из кислорода в объеме газошлаковой эмульсии, встречного потока отходящих из ванны газов, струй кислородного дутья и характеристик реакционной зоны продувки в ванне конвертера. На базе этой модели создан алгоритм расчета параметров тепловой работы конвертерной ванны и функционирования системы контроля и прогнозирования параметрами дутьевого (Iq2, > Нф, ДН/Н0, Lc), теплового (V, г£0, г?°т, т^, г) т, а2) и технологического (Vc, ^](FeO), Vt/Vc, Ск, tK) режимов плавки для обеспечения наилучших технико-экономических показателей работы агрегата.

5 На основе экспериментальных данных и математического моделирования сформулированы оптимальные условия процесса дожигания СО в объёме ГШМЭ: расход кислорода на дожигание СО изменять по ходу продувки в зависимости от объёма выделяемого из ванны СО и окисленности шлака ?(FeO) — высоту и угол наклона сопел дожигания устанавливать таким образом, чтобы оси струй дожигания совпадали с краями лунок струй дутья на поверхности металлаконструкцию и количество сопел дожигания в фурме рассчитывать из условия обеспечения максимальной газоплотности системы ВГП, повышения массообменных свойств струй и интенсификации теплообмена между факелами дожигания и газошлаковой ванны над зоной продувки конвертера.

6. Экспериментально на горячей модели и в промышленном конвертере подтверждена возможность и доказана эффективность дожигания оксида углерода струями кислорода в системе встречных газовых потоков при размещении образующихся струй дожигания в пределах объема газошлаковой эмульсии над поверхностью металла в зоне продувки, что позволило ускорить процессы нагрева (V,) и обезуглероживания (Vc) металла, растворения извести, наводки и гомогенизации шлака, а также улучшить другие технологические показатели конвертерной плавки. При этом установлено, что на ускорение процессов V, и Vc в 1,1−4,3 раза, в зависимости от расхода (Iq*, м3/мин) в струях дожигания, существенную роль играют корольки и брызги металла, которые при попадании в систему струи дожигания окисляются, обезуглероживаются и нагреваются до 2000 °C, а затем возвращаются в ванну конвертера.

7. Экспериментальным путем на установке горячего моделирования подтверждена возможность интенсификации режима шлакообразования, т. е. наводки шлака с ускорением процессов растворения извести на основе использования тепла от дожигания СО струями Ог в объеме ГШМЭ над зоной продувки. При этом дополнительно установлено, что увеличении окисленности шлака (ZFeO+MnO) до 25% и снижении отношения Si02/(lFe0+Mn0) с 0,8−1,2 при ?(FeO)= 15−20% до 0,5−0,6 при I (FeO)=25−30% показатели дефосфорации, т. е коэффициент распределения фосфора (Lp) повышается с 170 до 240 и десульфурации, т. е коэффициента распределения серы (Lg) с 3,5 до 6,5 при достижении высоких значений основности и гомогенности шлака.

8. Расчетами материального и теплового баланса на примере 150 т. конвертерной плавки установлено, что при увеличении расхода кислорода, идущего на дожигание оксида углерода над зоной продувки на 25 и 50% относительно постоянного расхода кислорода на продувку металла (I0j = const), значения избытка тепла от струй дожигания в полости конвертера возрастают с 13,5−109 Дж (при типовой продувке) до 31,4−109 Дж (при использовании двухконтурной фурмы) и 49,5−109 Дж при дожигании СО в объеме газошлаковой эмульсии с передачей тепла поверхности металла в зоне продувки.

9. Расчетные данные свидетельствуют о возможности повышения расхода лома в завалку с 277 кг/т до 331 и 378 кг/т, а также снижения расхода чугуна на плавку соответственно с 723 до 669 и 622 кг/т. При этом длительность продувки конвертерной ванны кислородом снижается с 20 мин до 16,6 и 12,8 мин, а годовое производство жидкой стали возрастает с 1,47 до 1,60 и 1,78 млн.т., что свидетельствует о существенном повышении экономической эффективности кислородно-конвертерного процесса.

10. Расчетный экономический эффект от использования дополнительного тепла от дожиагния СО в системе встречных газовых потоков над зоной продувки составляет более 200 млн руб. в год на один кислородно конвертерный агарегат.