Исследование и разработка конструкции наконечника фурмы

     1 Исследование и разработка конструкции наконечника фурмы 

     1.1 Существующая конструкция кислородной фурмы на комбинате «Криворожсталь» 

     В ходе развития кислородно-конвертерного  процесса комбината «Криворожсталь»  конструкция дутьевых устройств  постоянно совершенствовалась в соответствии с изменяющимися условиями работы, что позволило стабильно повышать технико-экономические результаты конвертерного производства [16].

     В настоящее время в кислородно-конвертерном цехе КГГМК применяются фурмы  с цельнолитыми пятисопловыми наконечниками (см. рис 2.1). Сопла Лаваля расположены симметрично относительно центральной оси фурмы и наклонены под углом 20° к вертикали. Угол раскрытия сопла 8°. Расстояние от оси сопла на выходе до оси фурмы 67,5 мм. Критический диаметр сопла 30 мм. Диаметр выходного отверстия 39 мм. Такая конструкция сопла обеспечивает скорость струи на выходе около 500 м/с при давлении кислорода в цеховой магистрали 1,6 МПа. Минутный расход кислорода составляет 400 – 450 м³/мин. Следовательно, интенсивность продувки составляет 2,5 – 2,8 м³/т∙мин.

     Характерно, что такие параметры конструкции  наконечника, как угол наклона сопел  к вертикали и угол раскрытия их не были обоснованы теоретически, а были подобраны в процессе работы цеха.

 

      1.2 Теоретические разработки влияния конструкции фурмы на поверхность контакта струи кислорода с ванной 

     Взаимодействие  струи окислителя с расплавами представляет собой первичное и определяющее звено в сложном комплексе  взаимосвязанных явлений, протекающих  в конвертерной ванне. Такие факторы, как глубина проникновения, площадь поверхности контакта струи кислорода с металлом влияют на скорость и степень усвоения кислорода, а значит на кинетику процессов производства стали. Эти вопросы уже давно привлекает внимание металлургов, однако изучены еще недостаточно полно. Далее рассматривается наиболее вероятная схема взаимодействия струи с ванной.

     При вдувании кислорода в ванну на поверхности расплава образуется локальная  зона в виде кратера с особым распределением температур, скоростей и концентраций. Эта зона получила название реакционной. Иногда употребляется другое название — зона продувки. Чтобы различить эти понятия, условимся в дальнейшем под реакционной зоной понимать углубление в металле, границами которого служит поверхность раздела фаз газ — расплав. Зона продувки включает в себя, помимо этого, участки металла, непосредственно прилегающие к границам реакционной зоны. На поверхности реакционной зоны развиваются процессы окисления железа и его примесей кислородом струи. Образующиеся при этом окислы железа за счет диффузии рассредоточиваются по всему объему ванны и служат источником кислорода для окисления в определенной последовательности примесей чугуна. Поэтому вопрос о геометрии реакционной зоны имеет большое практическое значение.

 

     

     Рис 2.1. Наконечник кислородной фурмы, применяемой  в конвертерном цехе КГГМК 

     1.2.1 Глубина реакционной зоны

     Глубина проникновения струи в жидкий металл в настоящее время считается  наиболее характерным показателем, позволяющим оценить степень  воздействия струи на ванну. В частности, как показывают производственные данные [5], при недостаточной глубине ухудшается степень поглощения (или коэффициент использования) кислорода металлом, скорость обезуглероживания оказывается ниже возможной, возрастает окисленность шлака и т. д. Поэтому вопрос о глубине проникновения струи газа в жидкую ванну давно привлекает внимание исследователей. Впервые этот вопрос для случая свободной изотермической струи был рассмотрен в работе [17]. Полученные уравнения имеют вид:

     для H/d₀=0 для H/d₀>0 

     h = 0,23nAr'_xH. (2.1)

       
 
 

     где d₀ — диаметр струи на выходе из сопла;

     Н — расстояние сопла от поверхности  ванны;

     п — безразмерный коэффициент проникновения;

     Аr₀ и Аr'_х — критерий Архимеда на выходе из сопла = и на уровне поверхности ванны = , где:

     ω₀,ω_x, — осевая скорость струи на выходе из сопла, в месте встречи ее с ванной;

     ρ₀,ρ_x, —осевая плотность газа на выходе из сопла, в месте встречи струи с ванной;

     ρ—плотность металла;

     g — ускорение силы тяжести;

       d_x — диаметр струи в месте встречи ее с ванной;

     h — глубина реакционной зоны (глубина проникновения струи).

     Позже И.Г. Казанцевым было предложено такое  уравнение

     

     (2.1а) 
 

     эмпирическая  зависимость п от Аr_х с помощью ЭВМ была аппроксимирована следующими аналитическими выражениями:

     для Ar_x<10 

     п = 0,0017Ar_x² — 0,0592Ar_x + 1,018; 

     для Ar_x>10 

       (2.2)

 

      В последующем различными исследователями  было предложено много других уравнений. На основе опытов с холодными моделями В. И. Баптизманский [5] получил следующую  формулу: 

       (2.3) 

     где p₁ — давление дутья;

       с₁ и с₂— постоянные коэффициенты.

     Для жидкой стали при H=0 последнее уравнение будет иметь вид: 

     h=18,1p₁^0,5d₀^0.6. (2.4) 

     Результаты  расчета по уравнениям И. Г. Казанцева  и В. И. Баптизманского согласуются между собой.

     Для случая истечения струй, у которых  давление на срезе сопла больше, чем давление среды, Г. П. Иванцовым [18] получена следующая формула:

     

     (2.5) 
 

     где p₁ — давление газа перед соплом;

       p₂ — давление среды, в которую истекает газ.

     Как видно, все эти уравнения включают в себя параметр d₀, то есть диаметр выходного отверстия сопла.

     В настоящее время различными авторами для определения глубины предложено большое количество уравнений, преимущественно  эмпирических. Анализ различных работ  показывает наличие весьма многочисленных и разнообразных характеристик, которые необходимо применять для описания воздействия струи на геометрию реакционной зоны. Все эти характеристики могут быть сведены к одной — критерию Архимеда. 

     1.2.2 Диаметр реакционной зоны

     Диаметр реакционной зоны определяется совместным воздействием прямой и обратной струи. Однако при продувке хорошо ассимилируемого  газом большая часть газа на пути от нижнего уровня заглубления струи  до выхода из реакционной зоны поглощается  ванной. Поэтому обратная струя в этом случае не оказывает заметного влияния на диаметр и последний определяется главным образом воздействием прямой струи.

     Влияние этого воздействия можно оценить  величиной массовых сил потока металла, выталкиваемого из реакционной зоны при ее образовании. Отнесенные к диаметру лунки на поверхность ванны жидкого металла эти силы равны: 

     I_мет = Fρgd, (2.6) 

     где F=πd²/₄ — площадь сечения реакционной зоны, образующейся на поверхности жидкости в результате воздействия струи газа; I_мет — секундный импульс, приобретаемый металлом в момент удара струи газа о поверхность ванны.

     Предположим, что величина импульса потока металла  связана с секундным импульсом  струи в месте контакта ее с  поверхностью ванны I_x самым простым соотношением: 

     I_мет = n₁I_x. (2.7) 

 

      Отсюда: 

       (2.8) 

     Коэффициент n₁ показывает долю импульса струи, который передается металлу при воздействии прямой струи.

     Из  простых физических соображений  следует, что величина этого коэффициента может изменяться в пределах от 0 до 1. Так как I_x равно I₀, то формула (2.8) с учетом уравнения (2.6) примет вид: 

       (2.9) 

     Решая это уравнение относительно диаметра реакционной зоны, получим: 

       (2.10) 

     В критериальном виде уравнение (2.10) будет  иметь вид: 

       (2.11) 

     Величину  коэффициента п₁ определяли экспериментальным путем на холодной модели с соблюдением условий подобия [19]. В качестве моделирующих сред применяли воду и водяной пар. Результаты обработки опытных данных в соответствии с уравнением (2.12) представлены в виде зависимостей п₁ от Аr₀ для H/d₀=0 (кривая 1) и Аr'_х для H/d₀>0 . Понятно, что все опытные точки независимо от величины критерия Архимеда, положения и диаметра сопла укладываются в соответствующие кривые.

     Если представить полученные данные для H/d₀>0 в виде зависимости п₁ от Аr_х, то кривая 2 зависимости n от Аr'_х совпадает с кривой 1.

     Сравнение полученных данных с аналогичными зависимостями  показывает, что зависимости n₁=f(Ar_x), n=f(Ar_x) и 2n₀=f(Ar_x) совпадают между собой. Учитывая это, взаимосвязь коэффициентов n₀, п₁ и п можно выразить простым соотношением: 

     п = n₁ = 2п₀. 

     Поэтому для описания зависимости п₁ от Аr_х можно использовать соответствующие выражения для n по уравнениям (2.7).

     Подставляя  в уравнение (2.11) вместо п₁ значение п, получим 

       (2.12) 

     Уравнение (2.12) позволяет определить нижнюю границу  величины диаметра реакционной зоны, когда газ почти полностью  ассимилируется ванной, например при  продувке жидкого чугуна кислородом. Из уравнения следует, что в обобщенном виде величина диаметра определяется критерием Архимеда и коэффициентом п. В свою очередь п зависит от положения сопла. Следовательно, диаметр реакционной зоны также зависит от высоты подъема сопла над ванной, но эта зависимость имеет неявный характер.

     Несложно  представить зависимость диаметра реакционной зоны от параметров дутья по опытным данным авторов работы [20], а также зависимость по уравнению (2.12). Из этого следует, что уравнение (2.12) вполне удовлетворительно описывает экспериментальные данные в большом диапазоне изменения числа Архимеда. Лишь в области Ar₀>10³ расхождение увеличивается. Это связано с тем, что при больших значениях Аr₀ обратная струя начинает оказывать заметное влияние на величину диаметра. Однако на практике значения числа Архимеда редко превышают цифру 300, поэтому уравнение (2.12) для целей сталеплавильной практики вполне пригодно. К сожалению, в литературе отсутствуют другие данные, кроме данных М. П. Собакина и Д. Я. Вербицкого. Вследствие этого нет возможности подвергать формулу (2.12) более убедительной аналитической и экспериментальной проверке.

     Определенный  интерес представляет вопрос о диаметре реакционной зоны при вдувании в  ванну неассимилируемого газа. Этот интерес обусловливается тем, что в условиях конвертерного процесса при нахождении фурмы над поверхностью ванны в струю кислорода вовлекаются газы, не ассимилируемые ванной. Эти газы существенно снижают концентрацию кислорода в струе, в результате чего струя из ассимилируемой превращается в частично- или малоассимилируемую струю. В этом случае обратная струя поглощается неполностью Неассимилируемая часть газа оказывает дополнительное воздействие на диаметр кратера, в частности, увеличивает его.

     Впервые вопрос о величине диаметра при продувке неассимилируемым газом был рассмотрен авторами работы [21]. По этим данным зависимость диаметра лунки на поверхности жидкости от параметров дутья описывается полуэмпирическим уравнением: