Взаимодействие кислородной струи с металлом и шлаком

Содержание:

1. Рассмотрите  характер взаимодействия кислородной  струи с металлом.

2. Изложите требования  техники безопасности к устройству  и эксплуатации             конверторов.

3. Изложите последовательность  подготовки изложниц к плавке, их стойкость и расход.

4. Изложите цель  и методы отсечки конверторного  шлака при выпуске плавки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Характер взаимодействия кислородной струи с металлом:

  Основным  и решающим фактором продувки в кислородных конвертерах является взаимодействие струи кислорода с жидким металлом и шлаком. Характер этого взаимодействия определяет практически все процессы, протекающие в ванне конвертера скорость окисления отдельных элементов, уровень окисленности металла и шлака, соотношение компонентов в составе отходящих  газов и тепловые процессы продувки.

   Дутьевой  режим — основная причина выбросов и выносов металла и шлака, что в значительной мере определяет экономику процесса, так как неудачный выбор дутьевого режима сопровождается уменьшением выхода жидкого металла. В ряде случаев неправильный выбор параметров дутья обусловливает заметалливание фурм и увеличение времени простоев конвертеров.

   Управление  дутьевым режимом (изменением расхода  и давления дутья, положением фурм над уровнем спокойного металла, а также изменением диаметра, числа и конструкции сопел) позволяет в определенных пределах регулировать ход процесса рафинирования и в конечном итоге получать металл широкого сортамента и высокого качества.

   Важное значение взаимодействия струи подаваемого дутья с металлической ванной и связанных с ним перемешивания ванны и обезуглероживания предопределяет интерес металлургов к этим вопросам. В то же время необходимо отметить, что эти вопросы являются наиболее сложными и наименее изученными в теории и практике сталеплавильных процессов. Сложность их определяется, во-первых, тем, что взаимодействие струи с металлом практически не поддается изучению прямым экспериментом, и, во-вторых, тем, что при исследовании приходится иметь дело с явлениями, подчиняющимися различным закономерностям. Подавляющее число исследований направлено на определение аэродинамических характеристик струи и формы реакционной зоны в месте встречи струи с металлом. При этом схема взаимодействия струи с металлом принимается следующей.

   Струя кислорода, вытекающая из сопла при  определенных давлении и расходе с весьма высокими скоростями, при встрече с металлом образует на его поверхности полость (кратер), размеры которой, а также характер перемешивания металла с газом определяются характеристиками струи. В полости кратера (его  
металлическими «стенками» и брызгами, возникающими при ударе струи о металл) воспринимается кислород струи металлом и в дальнейшем осуществляется перенос кислорода от реакционной зоны в объем ванны.

   Параметры струи, выходящей из сопла, могут  быть определены из условия адиабатического расширения струи:

,                                     

где: и p – давление истечения и давление среды, кгс/

        и v – удельные объемы газа;

      k – показатель адиабаты.

   При продувке через сопла двухатомных газов (в том числе и кислорода) критическая скорость достигается при отношении 
= 0,528. Дальнейшее повышение давления для цилиндрических и суживающихся сопел не приводит к увеличению скорости выхода газов из сопла. Для давлений, характерных при продувке металла в конвертерах и применении цилиндрических сопел или сопел с расширяющимся диффузором, но не отвечающих характеристикам сопел Лаваля, скорости истечения практически равны звуковым (для кислорода 298—300 м/с).

   За  соплом струя приобретает дополнительное ускорение. Скорости по оси, колеблются в пределах 400-600 м/с. Для характеристики процесса плавки сталеплавильщиков должны интересовать, прежде всего, параметры струи в месте встречи ее с металлом. Скорость струи и динамический напор в месте встречи могут быть определены по выражениям:

                                       

                                                  

где :   f- коэффициент, учитывающий влияние трения;

          x- расстояние от сопла до металла, м;

          диаметр струи в месте с ванной, м.

      Необходимо отметить, что уравнения (1)—(3) дают лишь приближенную оценку скорости потока и диаметра струи в месте встречи с металлом, поскольку выведены для условий дозвуковых изотермических струй. Однако, так как теория высокотурбулентных сверхзвуковых струй еще не разработана, для сравнения протекания процессов в различных условиях приходится пользоваться этими выражениями с учетом их приближенности.

   Основным  параметром, определяющим внедрение  струи в металл и течение обменных процессов, следует считать глубину проникновения струи:

                                            h= ,                                                      
где :  n – коэффициент проникновения скоростного напора:

     и - объемные веса газа и жидкости, кгс/

   Основным  процессом, происходящим в реакционной зоне, является перенос кислорода от струи к металлу — поглощение кислорода ванной. Количество кислорода, подаваемого на поверхность ванны в единицу времени, очень велико. Поскольку при нормальных условиях усвоение кислорода ванной в конвертерном 
процессе является практически полным, процесс передачи кислорода от струи к металлу можно рассматривать как квазистационарный. Это справедливо, во всяком случае, в период развитого обезуглераживания-после полного окисления кремния и марганца, поскольку в этот период степень дожигания окиси углерода в двуокись невелика (содержание С0₂ в отходящем газе 5—7%) и практически постоянна. Следует также учитывать возможность подсоса атмосферного воздуха вдоль дутьевой фурмы, что частично компенсирует расход кислорода на дожигание окиси углерода и обусловливает в ряде случаев меньший расход технического кислорода на окисление примесей, чем это нужно по балансу. При  достаточно отработанной технологии расход кислорода на 1 т стали практически постоянен.

   Суммарная концентрация кислорода в реакционной зоне должна соответствовать суммарной концентрации кислорода в дутье в каждый момент времени. Поскольку растворение кислорода даже при очень высоких температурах реакционной зоны ограничено, передача металлической ванне больших его количеств 
возможна лишь при образовании большой поверхности раздела фаз. Ни форма кратера, ни глубина погружения струи не могут характеризовать изменение поверхности контактирования фаз. Полость, выдавливаемая кислородом в месте встречи с металлом, может иметь форму воронки или конуса с четкими геометрическими границами только при малых скоростях потока кислорода, т.е. при весьма малых значениях динамического напора в месте встречи струи с ванной.

   При давлениях  и расходах кислорода, характерных  для конвертерного процесса, о какой-либо определенной форме кратера вряд ли можно говорить. Исследования на моделях показывают, что в подфурменной зоне существует взвесь газа и брызг металла в пространстве, форма и размеры которого не могут характеризоваться даже в какой-либо отдельно взятый момент времени. Это заставляет полагать, что характеристикой обменных процессов в реакционной зоне должна в большей степени служить поверхность контактирования фаз, а не глубина погружения струи. 
       Если, например, при увеличении динамического напора в месте встречи струи с ванной возрастают, и глубина погружения струи, и поверхность контакта металла с газовой фазой, то это свидетельствует, лишь об общности причин этих явлений. Расчет глубины погружения струи может быть полезен при проектировании 
новых конвертеров и выборе интенсивности продувки в сочетании с конструкцией фурм, поскольку позволяет ориентировочно оценить расстояние от реакционной зоны до днища конвертера.

   Для характеристики обменных процессов в реакционной  зоне правильнее было бы пользоваться величинами поверхностей раздела фаз  или величинами, их характеризующими. Однако выбор таких величин представляется весьма затруднительным, поскольку практически невозможно определить ту долю работы струи, которая расходуется именно на образование поверхности.

   Существующие  деления энергии струи на различные  виды работ, производимые струей, носят сугубо ориентировочный характер. Так, В. И.

Явойский  указывает, что общая работа перемешивания, производимая струей, складывается из работы адиабатического расширения струи, работы проталкивания металла струей газа и работы изотермического расширения, 
всплывающих пузырей, на которые струя разбивается при встрече с металлом:

                                  

   Работа  адиабатического расширения струи  может полностью или частично передаваться ванне в зависимости от периода продувки. Частичная  потеря   работы  адиабатического  расширения происходит в начале продувки, когда струя не полностью погружена в ванну, т. е. в сравнительно небольшом промежутке времени плавки. При высоких скоростях обезуглероживания струя полностью погружена в металл, и работа адиабатического расширения передается ванне полностью. Однако какой-либо точный расчет потерь работы перемешивания и части, используемой ванной, практически невозможен, так как потери работы перемешивания в начале и конце продувки зависят от многих факторов (абсолютных  величин  скорости  обезуглероживания,   количества шлака, метода охлаждения плавки и др.) и не могут быть учтены

сколько-нибудь точнее.  Следовательно,  переход  от величин работы перемешивания к величинам межфазной поверхности весьма сложен и может быть оценен лишь ориентировочно.

  Ориентировочную оценку величин поверхности газ-металл в первом приближении можно дать по простому равенству:

                          S=                                                             

где   m- секундный расход кислорода,  г/с;

        ω- скорость газа в месте контакта с металлом;

       σ- поверхностное натяжение металла,  эрг/см² ;

       k- коэффициент, определяющий долю энергии струи, расходуемой на

           образование поверхности. 

   Согласно  некоторым исследованиям, величину k можно принять равной 0,03, поскольку лишь около трех процентов энергии струи расходуется на образование поверхности. Подставляя в уравнение (6) значения, характерные для 100-т конвертеров, получим, что поверхность контакта металл-газ составляет около 0,03∙10⁵ м². Однако этот расчет является также весьма приближенным. Исходя из этих вычислений можно увидеть, что изменения поверхностей контакта газ-металл сопровождается не только серьезными изменениями скорости окисления углерода, окисления примесей, но и процесса шлакообразования.

        

2. Устройство и эксплуатация 
конверторов:

Устройство  конверторов

   С точки  зрения безопасности и оздоровления условий труда общепринятый в настоящее время способ производства конверторной стали путем продувки чугуна кислородом сверху весьма выгодно отличается от донного дутья, так как при многократном подъеме и наклоне конверторов при донном способе в цех попадает большое количество газов, выбросов и тепла.

     Для безопасности и уменьшения воздействия на работающих лучистого тепла расстояние между осями конверторов во вновь сооружаемых цехах в зависимости от емкости конверторов должно быть не менее 24—36 м. Для защиты обслуживающего персонала от теплоизлучения и выбросов металла и шлака устанавливают теплозащитные экраны.

     Размеры и форма конверторов, а также режим дутья должны обеспечивать минимальное количество выбросов при работе конверторов. Для предупреждения повреждения конверторов при вращении для слива шлака расстояние между горловиной конвертора и крайними выступающими частями шлакового ковша должно обеспечивать свободное вращение конвертора. В то же время во избежание выплесков металла и шлака при сливе в ковши надо стремиться к минимально возможной высоте падения струи из конвертора.

   Конструкция сменных днищ конверторов должна обеспечивать надежное крепление днищ к конвертору и возможность удобной и безопасной смены днищ, причем способ уплотнения стыка между днищем и корпусом конвертора должен исключать возможность прорыва металла.