автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование процессов дожигания оксида углерода над зоной продувки в конвертере



московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

КОРОЛЬКОВА Лариса Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДОЖИГАНИЯ ОКСИДА. УГЛЕРОДА НАД ЗОНОЙ ПРОДУВКИ В КОНВЕРТЕРЕ

Специальность 05.16.02 - "Металлургия-черных металлов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994 год

Работа выполнена в Московском Государственном институте стали и сплзеов (Технологический университет).

Научный руководитель: . кавдздат технических наук, профессор Меркер Э.Э.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бородин Д.И., кандидат технических наук Штейнберг Л.С.

Ведущее предприятие: АО "НЛМК" - Новолипецкий металлургический комбинат.

Защита диссертации состоится " Но " КМ?С^и> 1994 г, в /У часоЕ на заседании спецяалазироЕанйого совета K-053.0R.0I по присуждению ученых степеней в области металлургии черных металлов при Московском Государственном институте стали и сплавов по адресу: 117936, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в бтблиотеке Московского Государственного института стали и сплэеое (технологический университет).

Автореферат разослан " & " 1994 г.

Справки по телефону: 237-84-37.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент Курунов И.Ф.

ББВДЕ1ИЕ

Современный кислородно-конвертерный процесс имеет, несмотря на дости^'утне высокие техшшо-экопошческие показатели, резервы повышения производительности, агрегатов, Одшш из перспективных в этом плане направлений является использование для продувки металлической еэнны двухъярусных фургл с двухконтурной готовкой, позволяющих иптенсифиц ронать.процесс дожигания в отходящих газах оксид углерода над зоной продувки путем "подачи струй кислорода через верхний ярус фурмы в виде-газодинамической завесы (ЦЗ).

Актуальность работы. Организация элективного дсшганид СО до СО-^ струями кислорода над зоной продуЕки и интенсификация теплообмена над ванной в конвертере при использовании двухъярусных фурм с отдувом возможна только на-осноге использования математической модели долигания СО, вскрывающей закономерности млссо-обмена меад струши 1аслорода 1дЗ и оксида углерода в потоке отходящих газов в зависимости от гидродинамических параметров зоны продуЕки агрегата. Кроме того, наличие математической модели позволяет найти рациональные конструктивные и режимные параметры двухъярусной кислородной фурмы с отдувом.

Цель работы. Проведение экспериментальных исследований на горячей модели конвертера для-изучения закономерностей процессов горения оксида углерода в струях кислорода 1дЗ и разработка на основе полученных опытных и теоретических данных математической модели дожигания СО над зоной продувки, учитывающей взаимосвязь параметров истечения струй в системе 1ДЗ над ватой, дутьевого и теплового режимов конвертера и конструкции двухъярусной фурмы с отдувом. Оценить в услоЕИтх конвертерного процесса эффективность действия газодинамической завесы из струй кислорода путем йроведе-•ния специальных экспериментов на лабораторных установках.

. Научная новизна. Впервые экспериментальным путем изучены закономерности процесса дояигйння оксида углерода в струях кисло-

рода при взаимодействия системы струй 1дЗ со встречным потоком газов, получены данные по кинетике горения СО в струях газоданамиче-. сной завесы для низкотемпературной области 1250 К), экспериментально определены для различных типов сопел параметры конструкции фурмы и режимы продувки, позволяйте интенсифицировать массопере-нос СО е струи ГдЗ, оптимизировать режим дшеигания СО и повысить теплоотдачу от струи.к ванне ро ходу продувки металла в конвертере.

• Впервые при разработке математической модели дожигания оксида углерода в струях кислорода газодинамической заЕесы был испо-льзоЕан принцип учета взаимосвязей параметров истечения струйной системы и характеристик продувочной зоны в ванне конвертера. Получено аналитическое выражение, зависимости к.п.д. дожигания СО и степени газоплотности струйной системы 1ДЗ от параметров конструкции '.сухъяруснон фурмы и режима истечения газа из сопел узла оаду-•ва .фурмы.

Для условии взаимодействия струйной системы ЩЗ со встреч-нш потоком отходящего газа получено критериальное уравнение зави-' симости числа ШерЕуда от чисел Решал ьдса и Шмидта, экспериментально определены значения тоэффвдиента массопереноса СО в струи ЩЗ для раз,-лчных типов сопел, найдена оптимальная область значений числа Рейкольдса ддя системы струй 1ДЗ.

Разработан алгоритм решения задачи теплообмена меаду факелами дожигания СО, шлаком и' металлом в процессе продувки конвер-. верной ванны через двухъярусную фурму. Определены условия подачи струй кислорода 1ДЗ над зоной продувки при которых достигается максимальна!? эффективность по теплоотдаче к ванне к устранению эрро-зионного износа футеровки .в зоно шлакового пояса и горловины конвертера . • . '

Разработана методика расчета параметров конструкции дву- . хъярусиой фурмы с двухконтурной головкой для использования в кислородно-конвертерных агрегатах. С помощью математического модели-

роЕания для конвертеров установлены закономерности изменения теплотехнических параметров по ходу продувки при использовании двухъярусной фурмы с отдувом в условиях поешпошгой интенсивности продувки Еатш кислородом. .

Практическая значимость. Сформулированы рекомендации по использовании двухъярусных фурм с отдуеом для кигЕорторов различной емкости, позволяющее повысить тепловой к.п.д, агрегата в зависимости' от количества дожигаемого оксида углерода в струях 1ДЗ,.а, следовательно, увеличить расход-лома в завалку и снизить расход чугуна на плавку.

Разработанную математическую' модель дсотгания СО струями кислорода газодинамической завесы и алгоритм решения задачи теплообмена можно использовать для исследовашгя дутьевых режимов в конвертере с применением даухъярусных фурм л определсшгя оптимальных условии конвертерного процесса при максимальной Э(М:ектиЕности тепловой работы агрегата.

Иублпкаики,_ По материалам диссертация опубликовано 5 пе-ч-т1гох работ.

Объем вдбота. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 тлав, заключения, списка литературы из 84 наименований и приложений. В тексте' содержится 62 рисунка и б таблиц.

СОСТСШИЗ ВОПРОСА, МЕТОДИКА И ЗАДАЧИ ИС0ВД0ВА1ШЯ.

Тепловая работа сталеплавильного конвертера при интенсивной продувке ванны кислородом определяется не.только условиями взаимодействия зон гонор, дил тепла и технологического лроцесса, но и е значительной стои-мм аависит от характера движения отходящих газов, интенсивности дожигания оксида углерода и протекания .процессов .тепло- и массообкена е системе .металл-шлак-газ а рабочем пространстве агрегата.

Лнализ литературных данных по применению двухъярусных кислородных фурм для дозшгания оксида углерода в конвертере свидетельствует о недостаточной эффективности использования тепла от факелов дожигания ЩЗ, т.к. существующиэ дугьевые режимы не позволяют решить полностью как энергетическую задачу (достижение максимального коэффициента д сжигания СО в объеме агрзгата), так и теплотехническую (обеспечение максимальной теплоотдачи от факелов дожигания СО к шлаку и металлу в ванне).

Для решения этих вашых задач необходимым-является проведение ряда экспериментов по изучению особенностей горения оксида углерода б струях кислорода газодинамической завесы (ЩЗ), истекающих; из сопел верхнего яруса .фурмы под углом к встречному запыленному потоку отходящих газов. При этом необходимым является опрэде-лени оптимальных условий массообмена между'потоком СО и струями ЩЗ, позволяющих интенсифицировать дожигание оксида углерода в турбулентных струях кислорода, повысить теплоотдачу к ваше, снизить износ футеровки и уменьшить пылевынос из конвертера. Изучение этих вопросов на основе экспериментальных и теоретических исследований и положено в основу данной работы.

Исследования проводились' в лабораторных условиях на установках горячего и холодного моделирования режимов истечения газа из сопел многосоплового блока и процессов дожигания СО струями кислорода в условиях продувки конвертерной ванны через двухъярусную фурму. .

Установлено, что основным источником выделения оксида уг-, лерода является зона продувки размером Поэтому для дожигания СО используется система дозвуковых турбулентных струй, покрывающих эту зону сверху, и позволяющая улавливать часть пыли и металлических брызг и возвращать их в ванну.

Изучение характеристик системы дозвуковых турбулентных струй при их истечений из многосоплового блока в виде газолинами-

ческой загесн производилось на стенде холодного моделирования (рис. I, А). Характер поведения струй исследовался на различных расстояниях от многосоплоних головок, имеющих по б сопел диаметром 3 мм и углами наклона к вертикали.15, 30 и 45°. Для сравнения параметров струй системы устанавливали одинаковую скорость истечешм равную 50+100 м/с.

Для исследовагчя влияния на гидродинамические параметры зоны реакции, образующейся при продувке- вашш сверху через двухъярусную фурму, струй 1ДЗ использовали лабораторную установи, изображенную схематично на ркс. I, Б. Масштабы моделирования определялись из условия идентичности значений критериев Архимеда и Фруда для образца и модели. Установка работала е автомодельной области по критерию Вебера я являлась моделью 5-т конвертора. Для мод ели -роваш1я кидкого металла использовалась вода с глицерином, для моделирования шлака - вакуумное масло. В качестве газа, используемого для продувки вашш и создания £ЦЗР брался воздух, который подавался в зону реакции через двухъярусную фурму. Подвод газа на про-луеку и КЗ осуществлялся раздельно. ,

Изучение газоплотностп системы струй 1ДЗ, истекающих из узла отдува двухъярусной фурмы, проводили в автомодельной области, определяемой по критерию Рейнсльдса, на лабораторном стенде (рис. I, В). Расход газа изменялся в пределах 10+100 и3/ч. Узел отдува располагался на расстояшях 0.1, 0.2 и 0.3 м от поверхности соударения. По ходу эксперимента отбирались пробы газа на содержание кислорода под струями инертного газа ({и над ниш ({О,}^).

ИсслсдоЕаше процесса дсиигания монооксида углерода систе-' мой кислородных струй в пще 1ДЗ и струями, истекающими из сопел, различной конструкции, производилось на установке горячего моделирования (рис. I, Г). В качестве источника оксида углерода использовался горящий кокс, через который продувался воздух. Объектом моделирования являлся когазерФор емкостью ¡¿50-т. Линейный масштаб

Схемы экспериментальных установок для изучения 'системы газовых струй (А)-, характеристик зоны продувки (Б),' газошготности ЩЗ (В), рекимов долсгтглш'я СО струями кислорода (Г).

. динатнико; 3. струи 1ДЗ; 3, область отбора проб; 3. гзделящяйся газ;

3. манометр; 4. подвод газа к фурме; 4. поверхность ссуда- 4. струи кислорода 1ДЗ;

4. воздуходувка. 5. расходомер; рения. '5. фурма со сменной го-

6. воздуходувка. ловкой;

61 термопары;

7. вытякка;

8. корпус установки;

9. пробоотборныэ патрубки; Рис. I. 10. баллон с кислородом.

моделирогакия 1:10. Масштаб моделирования по скорости и расходу кислорода определялся из идентичности на. образце и модели критерия. Рейноладсз. Для создания газодинамической завеск над поверхностью горящего кокса использовались многосопловые готовки. с 6 сопла;,а диаметром 3 мм и углами наклона сопел к оси '¿урка 15, 30 и 45°. Кислород.на до:.й1гаш;е подавался из баллона. Давление кислорода определялось по манометр , а расход по ротаметру.

Для изучения процессов дакигапия z -массообмена мевду нот око;.-, '«сходящих газов и стружа: кислорода с раалхшшли газодЕяашческшш характеристиками использовались сопла сяедувдах конструкций: пили-ццрическое сопло, сопло Лаваля и сопло с нарезкой. Выходной диаметр сопел составлял 1С :/л, критический диаметр сома Лаваля 0 'т.

В ходе экспериментов на горячей модели осукиствлялся отбор проб газа из установи! в стеклянные пипетки емкостью 250 «л. Анализ газа по химическому составу производился па IXU-IDü. По высоте установки производился замер тешердауры гаркопарзма ^ к SP -2G/5. Оценка результатов экспериментов производилась но параметрам: коэффициент долигания = LQÜ¿) ^

э@ективность долдгания = {iO}nj{pQ^ '(2)

где {со}^ и [сЬ)о - содержание оксида углерода в газе при использовании 1дЗ и без нее.

Анализ теоретических и экспериментальных данных показывает, что по мере приближения эпицентра зоны дожигания к поверхности выделения газа повышается термический к.п.д. конвертора и скорость нагрева металла по ходу продувки.

ШОВДСШМг ñAKCÜCMüHiOO'M РАШРООтШШй Ж ГАЗШСТНОС'Ш СИСШуШ СТРУИ 1ДЗ.

Изучение системы дозвуковых турбулентных струй, создаших газодинамическую завесу над зоной продувки (рис. I, А), показало, что автомодельная область истечения их находится в интервале зна-

-Точений критерия Реинальдса Ке>4»103. Струи являются раздельными и имеют максимум скорости на сеоих осях. На основе полученных.экспериментальных данных мокко сделать еывод, что для раздельных струй в система ГДЗ про£шш скорости зависят от~бозразмерного расстояния, угла наклона я диаметров сопел завесы. Для дозвуковых струй, истекающих из цилиндрических сопел диаметром о(е. профиль безразмерной скорости в системе 1Д5 выражается полученной экспериментально аппроксимирующей функцией:..... .....

ъ-т+ ом71- т

где скорость на оси струи, м/с;

. 4 - скорость на выходе из сопла заЕесы, м/с; - длина струи, м; с/с - диаметр сопла узла отдува, м.

Результаты исследования реотдоЕ продувки ванны на холодной модели (рис. 1,'Б) с применением двухъярусной фурмы показали, что размеры зоны продувки, образующейся при подаче кислорода в конвер-' тер сверху, зависят от конструкции фурмы, высоты ее подъема над поверхностью ванны, диаметра сопла продувки и характеристик струи продувки, определяемых критерием архшеда. Аэродинамичеоше характеристики струй верхнего яруса фурмы практически не влияют на размеры зоны продувки. В. качестве уравнений для определения диаметра, зоны продув ¡а выбрали хорошо согласующиеся с результатами проведенных экспериментов выражения, предложенные В.И.Явойским:

принг0 О^Ъ-^ОЯТ-Н0'^), (4) •

да'V0 = ^ . (^)°'05) (5)

где диаметр продувочного сопла, м;

Н^ - высота поднятия продувочной фурмы над ванной, м; Аг0 - критерий Архимеда.

На стенде (рис. I, Б) исследовалась газоплотность системы

струй, истекаюдпх из многосонлового блоха е ецдо ГДЗ. Оценка эффективности применения струной газодинамической завесы для уменьшения выхода газа из защищаемой области производись но параметру газоплотности системы струй ГДЗ:

f 1 Г i г]с0

где [Ogj0 и - исследуемые компоненты, заменящно в выраке--

нии (2) соответственно [со}^ и {со} . Иа стенде изучалось влияние на -данный фактор высоты поднйтш: сопел узла отдуЕа над поверхностью соударения а числа Рейнольдса, определяемого хар-чктерлстикамя истекаювдах струй спотеш UiS.

Анализ результатов эксперимента показал, что нлиыпхе коки-чины числа Рейнольдса на отношение f^^c/i^'loo 3aEIIc:iT от особенностей газодинамики струй в системе ГДЗ и. носит экстремальный характер. При £е<0,5»10 увеличение этого отношен:«: выгнано тем, что в условиях 1ДЗ струи имеют недостаточный дииамгчоснкй напор у поверхности соударения, что не позволяет обеспечить плотны!: газодинамический затвор в этой зоне. Для уменьшения отношения [Og] J

необходимо увеличить расход газа на завесу и уменьшить высоту поднятия сопел узла овдува. При увеличения значения критерия Рейнольдса более 1,5*10^ это -отношение слога возрастает, что объяс-. няется усилением эжогадам струй в верхней части 1ДЗ, приводящей х увеличению подсоса газа из области над струями загесы в объеме 1ДЗ через ме.-струшое пространстЕО.

Экспериментальным путем установлено, что для системы струй 1ДЗ при любом число сопел максимум эуТектиЕности завесы находится; в пределах. значений числя Рейнольдса 0,5«I04<. Be ¿I,o-I04.

На-основе математической обработки данных и использования . интерполяционной формулы Ньютона с переменным шагом для автомодельной области (Зе >IQ3) получена следующая аппроксимирующая функция зависимости .параметра газоплотности ( р) системы струй КЗ от

числа Не, безразмерной скорости , относительной высоты

поднятия сопел НСЛ/С и фактора перекрытия струй системыуи:

' ( еп —

Из уравнения (V) следует," что газоплотность струйной системы газодинамической заЕеси определяется* и нерпую очередь величинами Ее, и (^.Следовательно, представляется реальным при помощи двухъярусной фурмы осуществлять воздействие на параметры и Ч , т.е. улучшать тепловой баланс конвертерной плавки.

ЭШШШЕНТАЛЫЫЕ ИССЛВДОВАНШ ПРОЦЕССА МАССООВЖ1А

■и ршмов дсвдгашя оксадд углерода струями гдз.

Исследование режимов дожигания СО до СО2 проводили на установке горячего моделирования (рис. I, Г) в области температур 750*1250 К. Проводить исследования в данной области температур для изучения процесса дожигания оксида углерода возможно по той причине , что одинаков характер изменения скорости химической реакции в зависимости от температуры в интервале 300+2000 К. Причем, прямая реакция окисления оксида углерода идет более полно именно в интервале пониженных температур и есть возможность не учитывать влияния обратной реакции (разложение,диоксида углерода). .

Оценка результатов исследования осуществлялась по параметрам В и На установке изучалось влияние на эти параметры конструкции сопла (цилиндрическое, Лавадя,- с нарезкой), а для системы из 6' струй также высоты поднятия фурмы над уровнем горящего кокса, . угла наклона сопел к оси фурмы и расхода кислорода на создание 1ДЗ.

При исследовании влияния на процесс дожигания окевда углерода, конструкции сопла был сделан вывод, что наиболее эффективным является сопло с нарезкой (рис. 2, А), т.к. в этом случае струя кислорода' обладает более сильными аэродинамическими характеристи- . каш (возрастает подсос встречного газа в струю). Это объясняется

Зависккость эффективности 'докигания (—) и коэффициента, дожигания (—) от расхода кислорода при использовании сопел различной конструкции (А) и влияние расположения сопел дожигания и угла их наклона на коэффициент довшгаиия и фпсг (—-) в

В 0.8 • ЦБ

АЧ

48 «5

V

экспериментальной устаноЕкё (а),

Расход лислородсх, л/у 2500 5000 15С0

_ _ «..1 Л

1- щ .г

г

А

А

^ к

-1 -— —-у— Г- с ^ Т -----' ^ |

т --—' -уГ ,—*' —< ►

\ . ^

V * ^ ' Б

1 0,9 0.8 0,7

а

Ц5 0,3 04

о^ о,5 ав

Расстояние от ионеа до фурмы, м

о - цилиндрическое сопло, • - сопло Лаваля, д - сопло с нарезкой; ♦ 15°, О - «/,= 30°, ♦ 45°. Рис. 2.

тем, что скорость процесса дожигания СО ограничивается скоростью подсоса в струю газа из окружающей среды. Экспериментальные значения коэффициентов массообмеиа мезду струями и атмосфкрой агрегат имеют следующие величины (м/с):

для цилиндрического сопла 0,0265; дЛя сопла ЛаЕалк 0,0269;-

для сопла с нарезкой 0,0538.

Другими слонами, наиболее интенсивный массообмеи наблвдается при использовании закрученных струй.

Иссяедовашю процесса дожигания оксида углерода системой ГдЗ из шести струй показало, что наиболее оптимальным является угол наклона сопел 30°. Влияние еысоты поднятия фурмы над поверхностью . горепкя кокса следующее (рис. 2, Б). Коэффициент дожигания при поднятии фур:.:ы увеличивается, однако увеличиваются и потери тепла с уходящими газами (Чцс1,), определяемые как:

О - С • V • (8)

"(лег пег лег лег где'Спсг, Улсг. ?псг - теплоемкость, расход и температура уходящих газов.

Наиболее резкое увеличение коэффициента до;;з:гания наблюдается при изменении угла.наклона сопел от 15 до 30°, дальнейшее . увеличение угла наклона не приводит к существенным изменениям.

На основе результатов экспериментов было выведено критериальное уравнение шссообмела для системы струй ЗДЗ.

Изменение концентрации оксида углерода в объеме конвертера вне системы струй ГДЗ г.?о;,шо выразить:

(т0-т)> о)

где {С0)о, {со} и {со}00 - содержание оксида углерода в газах без докигания, на поверхности струй ГДЗ и над с груши 1ДЗ; - отношение поверхности контакта струй ГДЗ к объему конвертера.; .

Д0 - элективный коэффициент массообмена в струях 1ДЗ, м/с; X - время, с. ■ • Для условий массопередачи. в осесимметричной турбулентной струе ура'вн^ние для- потока массы в поперечной сечении струи имеет

'"¿А - А 4с 039 (Ю)

где А - коэффициент, требующий экспериментального определения; Ке = - число. Рейнсшадса для потока кислорода;

¿Ь = Ьс/Ц? ~ критерий ШерЕуда;'

Ь0 - длина струи в системе ГДЗ, м; Дг - коэффициент турбулентной диффузии, м^/с; и^, - скорость истечения газа, м/с; V - коэффициент кинематической еязкости газа, м^/с; ¿с = У/Дт - число Имидта.

С учетом вышесказанного, выразивиз (9) и проинтегрировав, имеем:

А= Ло- д .¿м-дс0-*5 (Ш

В результате обработки экспериментальных даш:ых, полученных на установке горячего моделирования (рис, I, Г), критериальное уравнение для условий взаимодействия струйной ЩЗ со встречным потоком отходящих газов имеет взд:

¿й = 0,0435-£еа8-¿с0'33. (12)

Сравнение значений эффективных коэффициентов .массообмена, полученных экспериментально и рассчитанных по выражению (12), показало, что погрешность рассчета не превышает Щ'. Следовательно, уравнение (12) может быть использовано для рассчетов массообмена мезду струями системы ЩЗ и атмосферой в кгтзертерё.

разработка штцтичжжой модели и алгоритма расчета дсшгашя оксзда углерода струяли 1ДЗ.

Исходными данными для построения математической модели дожигания выделяющегося из ванны оксида углерода струями газодинамической завесы над зоной продувки являются: 'садка конвертора (0и), эквивалентный диаметр продувочного сопла (^0), давление дутья (рд), скорость окисления углерода ( \Г0) угол наклона сопел («¿).

Скорость выделения газа из ванны и егй объем рассчитываем по выражениям:

, ИЗ)

Ус^есо-^-тЯз- ' (14)

где 1,8 - коэффициент пересчета массы окисляющегося углерода в объеме СО, приведенного к н.у,; 5В - площадь поверхности условного зеркала ванны, м2; (5С0 - массовая скорость окисления углерода, кг/с; Тм - температура металла, К.

Объем кислорода, необходимого для дожигания всего выделяющегося оксида углерода по реакции С0*0,5^-»СО^, равен: А^р^УсО' Для расчета струйной системы 1ДЗ необходимо знать площадь перекрываемой поверхности зоны продувки. Диаметр продувочной зоны определяем по выражению (4) или (5). Для расчета критерия Архимеда необходимо знать скорость истечения газа из сопла продувки. Ее величину можно определить по формуле Сен-Венана:

где ^- коэффициент;

к, Р, показатель'адиабаты, газовая постоянная и температура газа;

Ра и Рд - атмосферное давление и давление газа на выходе из. сопла, Па.

Высоту .сопел узла отдува двухъярусной фурмы определяем:

(16)

Используя уравнение БД .Маркова для сеязи ишульса струи и глубины ее внедрения в шлак в условиях 1ДЗ, определяем величину импульса струи завесы по выражению:

где I- импульс струи, кг-м/с^;

и - длина струи е атмосфере и в шлаке, м, С другой стороны, импульс струи кислорода равен:

1 ц У* с е >

•где и>0 и с(с - скорость истечения газа и диаметр сопла завесы.

Решая совместно уравнения (17) и (18) определяем с(с. Скорость^ находится аналоппаю Скорость на оси струи определяем •из выражения (3).

Задаваясь величиной эффективности доиигания и зная расход газа'на доютаиив, из выражения (9)- определяем количество сопел верхнего яруса фурмы.

Рассчет коэффициента дожигания производим при использовании следующих допущений:

1. игнорируется радиальное распределение физических величин в струе;

2. подсос в струп пропорционален относительной тангенциальной скорости -¿¿Л/1 ц относительной перпендикулярной скорости №г '00^1 ;

3. в зоне газовой струи поддерживается равновесие СО-СС^-Оо.

Основные уравнения рассчета имеют еид: непрерывности с! ( ТГ-.Р-д>д) ^-у^Г с/ ¿»С

. (19)

сохраиешш компоненты . \ . ■

; ' (21)

Равновесие системы оценивается по константе: .

£„ А:■ : ^

Уравнения сохранения горизонтального и вертикального моментов:

=р) (24)

с/ ^

Уравнения энтальпии и закона ее сохрапошш:

(26) (27)

Уравнение состояния идеального газа:

где f, gp - плотность струи и Евделяющегося из ванны газа, кг/м3; Х- радиус струи, м;

и>т, u>v - скорость на оси струи и. встречного потока, м/с; Lc — длина струи, м;

Jta и J3Q - коэффициенты тангенциального и перпендикулярного

подсоса е струю; X - угол наклона струи к горизонту, град; {qj, , , |co}j, {С0}0 - концентрации Q2, С02 и СО в струе

и СО во встречном потоке; Рсо, РСОг, Р^ - парциальные давления компонентов в струе, Па; Н и Нг - энтальпии струи и встречного потока, идя/гаг; Ср - средняя удельная теплоемкость газа в струе, кЦа/(кг-К); m — молекулярная масса компоцентн струи газа; Qco - теплота сгорания СО, хДж/кг G<¿. Положение осей струи определяется как:

СО>Х=^> • (29)

ш

Получешше уравнения (1Э)*(30) решаются методом Эйлера при следующих условиях: при J.c=0: ?0=fc, Г0=1С, ^0=3ü-J, H0=QC0,

то=тс la¿\=1> xo4=°J ¿c=uax: V1873 К'

{C0}já0,4; где "с" - данные для истечения струи из сопла узла от-дуЕа; вС- угол наклона coima к оси фурмы.

рассчитывается методом иттерации, т.к. уравнение (23) не решается аналитически.

Коэффициент дахягания определяется для конечных данных по выражению (I). Термический к.п.д. агрегата находится:

п - п.Ха-Р-ГТп-Тм)- п-К„-Р-1С0яЬ'йеъ /ят\

*>*ит- У^-а. вео.32/ге,* Ъ

где Хг= МкЛ//<с - коэффициент теплопередачи от струи к металлу, Вт/См2-К);

?

? - площадь контакта струи кислорода с венной, м ;

- тепловой э;Т)Т;окт реакции восстановления СО, бДк/кг СО^;

. Кщ - коэффициент кассопередачи, определяемый из выражения (12);

в=1-- доля кислорода, пошедшая на дожигание СО;

М<=0,043'Рг1/'3«£е4/'5 - число Нуссельта;

Л - коэффициент теплопроЕодности, Вт/(м*К);

Рх^Ср^'^ЛА - число Прандтля;

п - количество струй е системе ГДЗ.

Структура алгоритма и математическая модель расчета параметров системы ГДЗ и дашганпя оксида углерода струями кислорода над зоной реакции позволяют осуществлять расчет конвертерного процесса по ходу продувки ванны кислородом с 'щ вменением двухъярусной' фурмы с обеспечением максимального "коэффициента дожигания и высоких значений термического к.п.д. агрегата.

моделирование и ош.зизавдя реша дсшганйя . ч ■ . оксида углерода струям газсдопшиеской завесы 'в шшиепзее.

На ЭВМ "Искра-1030" с использованием математической модели производилось моделирование процесса дожигания оксида углерода в струях кислорода ГДЗ. Характер распределения массовых долей компонентов газа е струе (0^, С02, СО), температуры и скорости по длине струи показан, на рис. 3. Эти зависимости получены при истечении струй кислорода из сопел с углом наклона 30° и диаметром 8 мм, скорость истечения струй 1ДЗ составляла 200 м/с, содержать окол-

Раопределение массово: долей кешанентов (А), скорости и температуры (Б) по длине струи газа. 1.0

Г5

J*

г? V?

ч % „ А

\ X щ'

/,

г * 1йГ

б

у i "Aq

IL

i —

10

W 200 300 Le/*с

---- для #6=20°, {C0}e=soí, &с=ЗСй и/с (данные И.Хпраи и Р.

др'шо);---для at=30°, u)c=200 г,¡/с, ¿COfeCGZ (расчет на ЭК.1). .

Рис. 3.

да углерода ео встречном потоке газа В0£, Как издцо из рис. 3, наиболее резкие изменения в составе струи, ее скорости и температуре наблюдаются за начальным участком струи, т.е. на сравнительно небольшом расстоянии от среза сопла. При дальнейшем удлинении струи характер изменения указанных параметров более умерен. Пре^фацешю роста температуры при значительном удалении от среза сопла объясняется охлаждением струи дониганкя в результате постепенного уноса тепла с поверхности струй в окружающее пространство с более низкой температурой. Получешше зависшости распределения температуры ц скорости по длине струи согласуются с литературными данншд (рис. 3, Б), что свидетельствует о возможности практического использования математической модели для расчетов процессов в реальных агрегатах.

^ т

Влшшие расхода кислорода через сопла узла овдува (Л), диаметра сопел (Б), высота поднятия сопел над Еапной (Б), угла наклона сопел (Г) нчисла соясл 2 узде оадувз на коэффициент даяигаиия.

Ечйяние на "величину коэффициента дожигания конструктивных характеристик узла отдува (диаметр, угол наююйа к оси фурмы и количество сопел), высоты поднятия узла отдува над поверхностью зонн продуЕки и расхода кислорода на создание газодинамической завесы показано на рис. 4„ Эти зависимости получены при исиользовашш ма-

-га-

тематической модели дожигания. Расчет влияния на коэффициент дожигания кадцого параметра производился при фиксировании остальных.

Из полученных данных (рис. 4) следует, что количество сопел в узле

/

отдува не оказывает значительного влияния на процесс до;;игашш. *

Наиболее существенное воздействие на величину коэффициента дожигания оказывают угсл наклона сопел, расход кислорода на завесу и высота поднятия узла отдува над зоной продувют. Влияние угла наклона сопел значительно возрастает при изменении его величины с 15 до 30 градусов, дальнейшее увеличение его не сопровождается интенсивным ростом велич1шы коэффициента дояигашш. Повышение расхода кислорода через сопла дожигания более 30*40# от его расхода на продувку является нецелесообразным а даче Ередным. Излишки кислорода, не гстуртпдае в реакцию с оксидом углерода, забирают часть тепла, получаемого от реакции, что способствует охлаздению струи и сильно переокнсляют шан.

На рис. 5 приведены данные, характеризующие зависимость средней удельной скорости поступления тепла от дожигания, средней удельной скорости изменения теплосодеркания езнны и коэффициента теплоотдачи от струй 1ДЗ к Еанне при использовании двухъярусной фурмы в 250-т конверторе от угла наклона сопел завесы, высоты их поднятия над ванной и в&лишшы 1фитерия Рейнояьдса. Как вндно иэ рис. 5, интенсивный рост тэплоусвоения ванны наблодается при увеличении угла наклона .сопел завесы с 15 до 30°. При .росте величины числа Рейншвдса, наоборот, имеет место снижение теплоусвоения ванны.

Суммарный коэффициент теплоотдачи заметно снимется, если резким дожигания- оксида углерода осуществляется при увеличении расстояния между ванной и узлом отдува фурмы. Поэтому для повышения величины коэффициента теплоотдачи за счет увеличения коэффициента дожигания требуется уменьшение высоты поднятия сопел узла отдува. Увеличение высоты поднятия узла дожигания сопровождается ухудиени-

Графики зависимости средней удельной скорости поступления

тепла от дожигания (—) и средней удельной скорости изменения

теплосодеркания ванны (---) от угла наклона сопел узла отдува

"(А), коэффициента теплоотдачи от струи к ванне от высоты поднятия

соппл над ванной (Б).

Угол наклона сопел, град & 50 45"

««V

Ч.О «

С1 V.

Н

<о

С? сж «

^ с

е» с п

? г»3 # 5 «

Г о

<2-

5 «

5 3

а«.

= е: е.

2 « о о*

* 6

г«5 21В

ш

5 Ю

ччо

* 570 ^ 300 «о 250

'Й

У <- Ъ-з

у -------

А

И

130

г 1 х 2 Iе*

90 а Е §1 §

50

О з

Высота поднятия сопел шд банкой,ли

I - Ее=8,95.Ю4; 2 - Ее=11,94.Ю4; 3 - Ре=14,92-Ю4.

Рис. 5.

ем условий службы футеровки и увеличением выноса тепла из конвертера, вызывая снижение термического к.п.д. агрегата.

Известно, что скорость дожигания оксида углерода, выделяющегося из ванны, струями кислорода.1ДЗ ограничивается скоростью подсоса его в струю. Приближение сопел доясигашш к ванне уменьшает поверхность контакта струй с атмосферой агрегата, что приводит к снижению подсоса оксида углерода в струю. Для того, чпоби этого не происходило необходимо улучшать аэродинамические характеристики струй. Усиление подсоса в струю обеспечивают закрученные струи, которые имеют меньшую дальнобойность (по-сравнеиию с щшвдричес-

тт) при более интенсивном массообмене с окружающей средой. Если при усилении турбулизацин струй дожигаши одновременно использовать для продуЕки ванны двухконтурную головку, то величина коэффициента заметно возрастает,.что способствует повышению коэффициента теплоотдачи.

Применение газодинамической завесы над зоной продуЕки в конвертере позволяет снизить гигос брызг и пили, которые нагреваются в струях дожигания. Возвращение части нагретых брызг способствует улучшению теплоусвоешш ванны зс счет возвращаемого тепла. Возрастанио количества тепла, поступающего в Еашу, сопровождается снижением расхода чугуна и увеличением доли лома в завалке, а также сокращению длительности продувки. Это подтверждается сделанным па ЭЕл расчете плавки 250-т конвертора (расход лома yEeJшчиEaeтcя на 25+30 кг/т) и увеличением на Ъ*Ю% производительности 5-т конвертера С О АЗ при осущестЕлешш дожигания СО под шлаком струями ЩЗ из сжатого воздуха.

вмвелш.

1. Отработаны методики и сконструированы установки для исследования газодинамических характеристик струй при их истечешш из многосоплоеого блока в виде ЩЗ, газоплотности струйной системы газодинамической завесы и процесса дожигания оксида углерода встречным многострунным потоком кислорода,

2. В лабораторных условиях изучено влияние параметров конструкции двухъярусной фурмы с отдуеом и а продана,мичесгсих характеристик струйной системы па газоплотпость Гдо, образуемой над зоной продуЕки е конвертере. С повышением газоплотности струй коэффициент эффективности дожигания СО возрастает.

3. Впервые изучены закономерности процесса дошгания оксида углерода, содержащегося в отходящих из конвертера газах, встречными струями кислорода в система ЩЗ без учета влияния шлака в

температурной области 750+1260 К. Наибольший эуТокт по дожиганию СО достигается при использовании а верхнем ярусе фург.щ сопел с нарезкой, позволяющей закручивать струи и улучшать их аэродинамические характеристики.

4. Изучены закономерности массообмена при взаимодействии отходящих газов со встречными струями ГДЗ. Получено критериальное уравнение массообмена в виде зависимости критерия Шервуда от чисел Рейнольдса и Шмидта. Найдены значения эффективных коэффициентов массопереноса при использовании струйной ГЦЗ и струй с различными аэродинамическими характеристиками.

5. Разработана математическая модель докигащш оксида углерода в струям кислорода газодинамической завесы, основанная на закономерностях подсасывания в струю горючей компонглы из окружающей среды и особенностей ее горения с учетом факторов 1дЗ, способс-твующпх достижению максимальной газоплотности завесы и интенсификации теплообмена между факелами дожигания и ванной.

6. Впервые при разработке математической модели использован принцип учета взаимосвязей параметров истечения струйной ГДЗ и характеристик продувочной зоны в ванне конвертора.

7. Путем моделирования установлено, что максимальные изменения температуры и скорости в струях ГДЗ набл вдаются вне начального участка струи вблизи от выхода из сопел фурмы. Аналогичный характер распределения б струях имеют и массовые доли газовых

' компонентов СО, С02,

8. На основе подученных экспериментальных данных и математического моделирования сформулированы оптимальные условия процесса дожигания оксида углерода струя.® ГДЗ над зоной продувки в кон-. Еертере: расход кислорода на дожигание изменять по ходу продувки в зависимости от объема выделяющегося из ванны окевда углерода (или скорости окисления углерода в металле); Еысоту'сопел дожигания над уровнем ванны и угол их нагона устанавливать в

зависимости от диаметра зоны продувки; диаметры сопел узла от-дува и их количество расчитывать из условия обеспечения максимальной газоплотности струйной системы, повышения массообмен-

ных свойств струи и интенсификации теплообмена мезду факелами *

дожигания и ванной. 9. Разработана методика расчета двухъярусной фурмы с двухконтурной головкой доя продувки 250-т конвертера кислородом; показано, что на основе математической модели при использовании двухъярусной фурмы с отдуЕом представляется возможным управлять режимами конвертерной плавки с целью достижения максимальных значений коэффициента дожигания и термического к.п.д, агрегата.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Меркер Э.Э., Тимофеева A.C., ыечеринов A.A., поролькова Л.Н. Экспериментальное определе;ще эффегачшюсти защиты металла в коше. Деп. во ШОГТК/!? К Г33-мш£8, IS88, Ш (201), с. 115.

2. Ыеркер Э.Э., Тимофеева A.C., Корольком Д.II. Моделирования применения газодинамической защиты в конвертере. Деп. во ШШИТЭЫР Л 340-мш88, 1989, Ж (207), с. 139.

3. Корслькова Л.Н., Меркер Э.Э., Ксхяекционова B.C. Исследование характеристик зоны продуЕки при организации струйной защиты в конвертере. - Изв. ВУЗов, "Черная металлургия", 1993, .'.'9-Ю, с. 21-25.

4. Меркер Э.Э., Корслькова Л.Н., Тимофеева A.C. Массообмен над зоной продувки при организации струйной защиты в конвертере. -Изв. ВУЗов, "Черная металлургия", IS94, JS I, с.79-83.

5. Корслькова Л.П., Меркер Э.Э., Колекционова Е.С. Применение газодинамической завесы для дсгагашя оксида углерода в конвертере. - Изв. ВУЗов, "Черная металлургия", 1994, J5 5 (в печати).

• . ■■) ,

Заказ iSO Тирак IUÜ экз.

Типография ЭОЗ, МИСиС, ул. Орджониквдзе, 8/9.