Интенсификация массопереноса в ванне плазменной печи путем наложения вынужденных пульсаций

Современные процессы промышленной переработки минерального сырья должны базироваться на использовании безотходных технологий, сочетающих экономическую эффективность и экологическую чистоту.

Прогресс металлургии тесно связан с повышением эффективности взаимодействия металлургического расплава с газовыми потоками. Дальнейшее развитие высокопроизводительных металлургических процессов возможно лишь при глубоком исследовании явлений и процессов, происходящих в ванне расплава, важнейшими из которых являются массои теплообменные процессы. Интенсификация процессов массои теплопереноса в сталеплавильном производстве привела к использованию новых устройств и режимов дутья. Можно отметить два основных направления: применение сверхзвуковых потоков и пульсирующего дутья. Пульсирующее дутье предполагается применять в самых различных металлургических процессах с целью повышения эффективности и управляемости этих процессов или для их интенсификации [1−3].

Дальнейшее развитие кислородно-конвертерного процесса привело к использованию пульсирующего кислородного дутья, а его применение — к следующим положительным результатам [ 1 ]:

1. Увеличение скорости окисления примесей при том же удельном расходе кислорода и пониженном переходе железа в шлак;

2. Более быстрое шлакообразование и уменьшение выноса железа в составе «бурого дыма»;

3. Возможность работы конвертеров при более низком содержании марганца в шихте при сохранении технико-экономических показателей процесса на том же уровне;

4. Более полное и глубокое извлечение из шлака таких примесей металла, как ванадий и фосфор.

Пульсирующая продувка применяется и во внепечной (ковшевой) обработке расплавов. За счет пульсирующего потока аргона, подаваемого в подъемный рукав циркуляционной вакуумной установки, наблюдается более интенсивное удаление водорода из металла при циркуляционном вакуумировании стали [2]. При обработке металла в ковше пульсирующим потоком аргона интенсивней происходит удаление водорода и неметаллических включений. В работе [3] предлагается способ перемешивания жидкости пульсирующей затопленной струей, формируемой посредством периодического заполнения и вытеснения металла из погруженной в расплав полой футерованной колонны.

В новых, еще не нашедших промышленного применения металлургических процессах, использование пульсирующих потоков газов будет также весьма полезным. Например, восстановление порошкообразных оксидов железа (руд) пульсирующим потоком восстановительного газа [4], в диапазоне температур 900—1100 °С [5]. Экспериментально установлено, что процесс восстановления оксидов железа с фракцией 0,2−0,5 мм оксидом углерода ускорялся на 15−25% при оптимальной частоте пульсаций газовою потока. Пульсирующее кислородное дутье используется при вакуумном рафинировании высокомарганцовистых чугунов с целью опережающего окисления углерода и получения природным легированным марганцем стали [6]. Это обеспечило на 10−15% увеличение скорости удаления водорода, и увеличение скорости удаления азота на 5−10%. С целью использования преимуществ метода интенсификации процесса восстановления путем пульсации потока газа-восстановителя, а также метода частичного сжигания восстановительного газа разработан метод, по которому колебания газа в реакционном пространстве возбуждались за счет энергии горения путем циклически подаваемых добавок окислителя [7]. Это способ восстановления оксидов металлов с пульсирующей подачей окислительного газа в основной поток восстановительного газа.

Пульсирующие потоки газа все шире начинают использоваться и в традиционных металлургических областях, например, в доменном производстве. Японские исследователи [8, 9] при разработке устройства для пульсирующей подачи топлива, использовали для возбуждения колебаний газа в доменной печи энергию горения топливных добавок. Сжигание этих добавок приводило к установлению пульсирующего режима в пределах фурменного устройства, к возбуждению колебаний давления и температуры дутья. Аналогичные результаты получены и авторами, которые изучали влияние на ход технологических процессов при подаче пульсирующего дутья с частотой до двух колебаний в минуту на крупных доменных печах [10].

Наложение на поток газа пульсаций нашло широкое применение в самых различных процессах: перемешивания, экстракции, абсорбции, фильтрования, распыления [51, 76] и пр.

Выплавка металлов в плазменных печах, а также переработка в них шлаков и шламов черной и цветной металлургии удовлетворяет требованиям экологии и энергосбережения по сравнению с другими подобными агрегатами. Кроме того, плазменные печи обладают рядом преимуществ перед другими подобными технологиями. Например, возможна полная автоматизация и мобильность процесса ведения плавки, выплавка высококачественных и дорогостоящих металлов и сплавов в любых объемах.

Однако при переходе к крупнотоннажным агрегатам возникают проблемы связанные с массопереносом в ванне, так как размеры активной зоны взаимодействия дуги с расплавом становятся во много раз меньше по сравнению с размерами ванны. Решение этих проблем ставит задачу поиска технологий, позволяющих без изменений конструкций агрегатов и применения дополнительного дорогостоящего оборудования интенсифицировать процессы переноса и, следовательно, повысить технико-экономическую эффективность и производительность этих печей.

Одним из оригинальных способов решения указанной проблемы является использование вынужденных пульсаций тока дуги или расхода плазмообразую-щего газа. Однако воздействие пульсирующих струй на расплав и их влияние на массоперенос в ванне изучен еще далеко не достаточно и требует дополнительных теоретических, модельных и экспериментальных исследований.

Дальнейшее развитие технического прогресса, появление новых высоких технологий требует увеличения объемов выпуска высококачественных и ценных металлов и сплавов, поэтому проблема повышения эффективности и производительности плазменных печей остается актуальной.

Научная новизна работы:

— разработаны условия для проведения исследований на физической модели и перенесения результатов на процессы массопереноса в плазменной печи;

— установлено, что массоперенос однозначно интенсифицируется при наложении вынужденных пульсаций на параметры струи. Установлено, что массоперенос существенно зависит от коэффициента модуляции потока и силового воздействия струи на ванну;

— построена математическая модель силового воздействия обжатой или свободной дуги на жидкую ванну, имеющую стандартную конфигурацию. Проанализирована роль электромагнитных процессов в ванне расплава плазменной печи;

— определен эффективный диапазон частот 1−10 Гц, скважность импульсов и амплитуда вынужденных пульсаций, обеспечивающие интенсификацию массопереноса в ванне расплава;

— впервые теоретически проведена оценка частоты собственных малых колебаний лунки на поверхности жидкости, образованной под действием газовой струи и коэффициента их затухания.

Практическая ценность работы На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований предложены новые режимы проведения плавок с использованием пульсирующего воздействия на жидкую ванну в печах типа Linde для восстановления металлов группы железа из их оксидов или для обработки ишаков и шламов черной и цветной металлургии. Это увеличивает производительность крупнотоннажных печей данного типа, не изменяя их конструкцию, позволяет снизить себестоимость продукции и повысить технико-экономическую эффективность работы печей подобного типа.

4.6. Выводы по главе 4.

1. В процессе возгонки цинка из шлака выявлено, что наложение вынужденных пульсаций на расход плазмообразующего газа с коэффициентом модуляции 0,2, частотой 6 Гц и скважностью 2 приводит к увеличению коэффициента массопереноса в среднем на 25%.

2. При восстановлении никеля из его оксида при наложении пульсаций на расход плазмообразующего газа с коэффициентом модуляции 0,5, частотой 2 Гц и скважностью 2 приводит к увеличению коэффициента массопереноса в среднем на 22%, а при наложении токовых пульсаций с коэффициентом модуляции тока 0,57 — на 33%.

3. Анализ скорости восстановления ванны показал, что в начальные моменты времени скорость восстановления не зависит от наличия пульсаций параметров. Существенное влияние пульсаций наблюдается в период, когда становится доминирующими процессы доставки восстановителя к внутренним областям ванны.

4. Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований, позволяют утверждать, что при восстановлении металла обладающего общим сродством с кислородом в печи данного типа при наложении вынужденных пульсаций на плазменный поток любым способом приводят к интенсификации процесса массопереноса в среднем на 27%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе теории подобия и размерности получены масштабы преобразований для перехода от трехтонной плазменной печи по восстановлению кобальта к исследованиям на «холодной» модели, а также перенесение полученных результатов моделирования на реальную плазменную печь.

2. Интенсификация процесса массопереноса при наличии или отсутствии пульсаций происходит при увеличении числа Архимеда и при приближении среза фурмы к поверхности жидкости.

3. Наложение вынужденных пульсаций однозначно интенсифицирует массопе-ренос. Наиболее эффективным является диапазон частот от 1 до 10 Гц. Увеличение частоты пульсаций приводит к увеличению времени перемешивания, которое все равно остается меньшим по сравнению со временем перемешивания без пульсаций. Повышение коэффициента модуляции пульсирующей струи позволяет интенсифицировать массоперенос в несколько раз.

4. Экспериментально исследовано влияние вынужденных пульсаций газового потока на параметры фурменной зоны. Амплитуда пульсаций глубины лунки уменьшается с увеличением частоты и уменьшением силового воздействия струи на жидкость, и существенно растет с увеличением коэффициента модуляции потока.

5. Экспериментально установлено, что массоперенос в ванне при продувке без пульсаций определяется параметрами фурменной зоны, ее глубиной и диаметром. При пульсирующей продувке массоперенос определяется амплитудными значениями параметров лунки. При всей сложности и многообразии протекающих процессов установлено, что существует функциональная связь амплитуды пульсаций (или размеров лунки) и процесса перемешивания ванны.

6. Разработана математическая модель для расчета силового воздействия плазменной дуги на ванну расплава. Токи плазменной дуги до 5 кА по своему силовому воздействию соответствуют незаглубленной верхней продувке при числах Архимеда меньше пяти. Установлено, что, с точки зрения воздействия на параметры лунки наложение пульсаций на ток дуги эффективней в 2−3 раза, чем наложение пульсаций на расход плазмообразующего газа.

7. Создан программный продукт, позволяющий проводить моделирование полей потенциалов, магнитной и электрической напряженности и силового магнитного воздействия дуги на ванну и параметров фурменной зоны. На основе моделирования установлено, что объемная электромагнитная сила является одной из существенных составляющих, действующих на ванну, которая в свою очередь зависит от тока дуги, расположения и геометрии подового электрода.

8. Выполнена теоретическая оценка частоты собственных малых колебаний лунки и коэффициента их затухания. Установлено, что резонансная частота и частота затухающих колебаний не сильно отличается от собственной частоты и лежит в диапазоне от 3 до 7 Гц.

9. В начальные моменты времени скорость восстановления оксидной ванны плазменной печи не зависит от наличия пульсаций параметров. Влияние пульсаций как фактора интенсификации наблюдается в период, когда становится доминирующими процессы доставки восстановителя к внутренним областям ванны.

10. Использование вынужденных пульсаций параметров дуги приводит к интенсификации процесса массопереноса. На печи с весом садки 20 кг интенсификация составила в среднем 27%. Эффект сокращения времени протекания процессов тем значительнее, чем выше емкость печи.

11. Для интенсификации массопереноса в ванне плазменной печи рекомендуется использовать наложение пульсаций на ток дуги со скважностью импульсов равным двум, частотой 1−10 Гц и максимально возможным коэффициентом модуляции импульсов тока.

12.Решена важная научно-техническая задача, которая показывает пути повышения технико-экономической эффективности работы крупнотоннажных плазменных печей.