Способ выплавки стали в кислородном конвертере и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к сталеплавильному производству, а именно к кислородно-конвертерному процессу, и может быть использовано при получении стали из твердой металлошихты в кислородных конвертерах. Цель изобретения - повышение эффективности нагрева лома, повышение выхода жидкой стали и увеличение производительности агрегата - достигается за счет ускорения массопереноса между твердым углеродсодержащим топливом и потоком кислорода. Подачу кислорода осуществляют в пульсирующем режиме: при нагреве лома с частотой пульсаций 50 - 100 Гц, а после начала расплавления шихты - с частотой пульсаций 600 - 1000 Гц. По ходу всего процесса подают углеводородное топливо с частотой пульсаций 200 - 400 Гц. Устройство для пульсирующей подачи реагентов содержит коаксиально расположенные трубы, образующие каналы подвода кислорода и углеводородного топлива. На торце канала подачи кислорода установлено сопло с диффузорно-конфузорной, цилиндрической и расширяющейся конической частями. Длины частей соотносятся как 0,6 : 0,4 : 1,7 : 2,0. Диаметры их составляют 0,6 : 1,0 : 1,9 диаметра подводящего тракта. В канале подвода топлива выполнена тороидальная перемычка, образующая практическое сечение канала, равное 0,7 площади сечения газоподводящего тракта. Перемычка установлена на расстоянии 27 - 30 калибров тракта от среза канала. Также в тракте подачи топлива установлена кольцевая диафрагма площадью 0,8 площади сечения газоподводящего тракта. Кольцевая диафрагма установлена на расстоянии 20 - 25 калибров тракта от среза сопла. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к сталеплавильному производству, а именно к кислородно-конвертерному процессу, и может быть использовано при получении стали из твердой металлошихты в кислородных конвертерах. Целью изобретения является повышение эффективности нагрева лома и повышение выхода жидкой стали. Сущность изобретения заключается в том, что пульсации потока кислорода заставляют колебаться, т.е. турбулизируют, прилегающий к поверхности твердого углеродсодержащего топлива неперемешиваемый пограничный газовый слой, который оказывает наибольшее сопротивление подводу кислорода к реакционной поверхности и отводу газообразных продуктов горения, т.е. тормозит процесс горения в целом. Эффективность такого воздействия зависит от частоты пульсаций дутья, причем значение частоты, при которой обеспечивается наибольшая эффективность, можно рассчитать с помощью следующей эмпирической формулы: где μ - вязкость газа; ρ - плотность газа; d - диаметр кусков твердого топлива. Рекомендованный диапазон частот выбран исходя из размеров фракции угля (80 - 120 мм), применяемого в качестве твердого углеродсодержащего топлива. После расплавления лома основная задача донной продувки расплава состоит, во-первых, в том, чтобы обеспечить наиболее развитую поверхность контакта расплав - газ, и, во-вторых, чтобы максимально интенсифицировать перемешивание расплава. В обоих случаях важную роль играет диспергирование газовой струи на пузырьки, т.е. необходимо обеспечить раздробление ее на пузырьки по возможности меньшего размера. Как показали лабораторные и полупромышленные исследования, применение высокочастотных колебаний струи кислорода обеспечивает эффективное ее диспергирование (см. табл. 1). На основании этих исследований было установлено, что оптимальная частота пульсаций при рафинировании расплава 600 - 1000 Гц. При использовании частоты пульсации ниже 600 Гц эффективность перемешивания ванны ухудшается, а использование частоты более 1000 Гц практически не изменяет (по сравнению с 1000 Гц) результирующих параметров продувки. Диапазон по параметрам частот пульсаций углеводородного топлива выбран исходя из требований полного его сгорания при прохождении через слой лома. Как показало горячее моделирование, при использовании частот менее 200 Гц догорание части углеводородов происходит вне слоя лома, что приводит к потери части тепла, а при частотах более 400 Гц сгорание углеводородов локализуется в районе донных фурм, что приводит к ухудшению выходных параметров плавки (повышению угара металла, увеличению выбросов и снижению выхода жидкой стали). Таким образом, применением описываемого способа выплавки стали достигаются результаты (значительная интенсификация процесса горения твердого и газообразного топлива, повышение эффективности нагрева лома, увеличение выхода жидкой стали и повышение производительности агрегата), значительно лучшие, чем у прототипа. Пример. Способ реализуется в 160-тонном кислородном конвертере, оборудованном донными и боковыми фурмами, представляющими собой конструкцию типа труба в трубе, в которую по центральному каналу подается кислород, а по наружному - газообразные углеводороды. В конвертер загружают металлолом, твердые углеродсодержащие материалы (уголь фракции 80 - 100 мм) и осуществляют подачу кислорода и углеводородов через донные и боковые фурмы. Фурмы оснащены пульсаторами специальной конструкции (см. чертеж), позволяющими при реализовываемых в период нагрева лома давлениях (3 - 4 ати) кислорода создавать пульсации частотой 50 - 100 Гц. Частота пульсаций потока углеводорода составляет 200 - 400 Гц (см. табл. 3). После нагрева лома за счет сжигания твердого и газообразного углеродсодержащего топлива, после образования в зонах фурм жидкого металла, начинается период рафинирования расплава. В этот период давление в кислородподводящем тракте увеличивается до 5 - 6 ати, в результате чего частота генерируемых модулем пульсаций (см. табл. 2) достигает 600 - 1000 Гц. Таким образом, по ходу плавки необходимо изменять частоту пульсаций донного дутья кислородом с 50 - 100 Гц в период нагрева лома до 600 - 1000 Гц в период рафинирования расплава. Продувка с таким диапазоном частот осуществляется за счет выполнения сопл донных фурм в виде специальных модулей, позволяющих периодически перестраивать газодинамическую структуру струи, причем частота такого перестроения может значительно изменяться при незначительных изменениях таких параметров дутья, как давление или расход. На чертеже изображено сопло в разрезе. Сопло состоит из диффузора 1, конфузора 2, цилиндрического 3 и конического 4 участков. Принцип действия такого газодинамического модуля состоит в том, что при протекании сверхзвукового газового потока через каналы переменного сечения или сложной конфигурации в нем образуются неустойчивые отрывные течения, которые приводят к периодическому изменению распределения профиля скоростей в осевом сечении, а также угла раскрытия газовой струи, истекающей из сопла. Таким образом, частота перестройки пульсаций сверхзвуковой газовой струи определяется, во-первых, геометрической формой и размерами сопла и, во-вторых, такими параметрами газового потока, как расход газа и его давление на входе в сопло. Предложенное сопло работает следующим образом. При продувке отрывные течения, образующиеся в цилиндрическом участке сопла, периодически частично пережимают газовый поток: при этом длина этого участка и отношение его диаметра к критическому диаметру сопла (d₂/d_kp) определяют частоту такой перестройки. Адиабатическое расширение такой перестраивающейся струи в коническом участке сопла обеспечивает периодическое изменение ее угла раскрытия (в пределах 15 - 25^o) с требуемой частотой ее перестройки). В табл. 2 и 3 приведены полученные опытным путем основные соотношения размеров сопла (модуля), обеспечивающего требуемые частоты пульсаций кислорода. По мере неизбежного износа футеровки длина конического участка (1₄) уменьшается от плавки к плавке. В результате сократится амплитуда колебаний угла раскрытия струи, но частота пульсаций дутья останется без изменений, что позволит достигнуть поставленную в изобретении цель. Таким образом, принципиальным отличием данного устройства является то, что в данном диапазоне геометрических и режимных параметров оно позволяет создать, кроме требуемого диапазона колебаний потока, дополнительно пульсации угла раскрытия истекающей струи, что в свою очередь весьма целесообразно при донной продувке. Пульсации углеводородного топлива, поступающего по наружному каналу 5, в требуемом диапазоне частот, как показали натурные эксперименты, обеспечиваются его конструктивными особенностями, главными из которых являются тороидальная перемычка 6 с критическим сечением площадью 0,7 площади сечения газоподводящего тракта и диафрагма 7 с критическим сечением площадью, составляющей 0,8 площади сечения газоотводящего тракта. Тороидальная перемычка располагается на расстоянии от среза сопла на глубине 27 - 30 калибров тракта. Диафрагма находится на глубине 20 - 25 калибров от среза сопла, что обусловлено неизбежным износом футеровки днища конвертера по ходу плавки. При прохождении через тороидальное сопло газовый поток разгоняется до сверхзвуковой скорости (1,2 Маха) по оси струи. В результате соударения периферийных участков сверхзвуковой струи с диафрагмой образуются отраженные потоки. Взаимодействие их с осевой струей газа приводит к периодическому частичному перекрыванию последней, т.е. к созданию пульсаций давления и скорости в газовом потоке. Описанные конструктивные особенности газового канала позволяют получить поток углеводородного топлива, пульсирующий с частотой 200 - 400 Гц при используемых на практике давлениях газа. Увеличение расстояния между диафрагмой и перемычкой приводит к снижению частоты пульсаций (менее 200 Гц), а уменьшение расстояния между ними приводит к получению пульсаций более высокочастотного (более 400 Гц) спектра. Увеличение площади проходного сечения перемычки приводит к уменьшению скорости струи и, как результат, к понижению эффективности пережатия струи. Этим недостатком характеризуется и увеличение проходного сечения диафрагмы. Снижение площади проходного сечения диафрагмы и перемычки нецелесообразно из-за повышения потерь давления и снижения пропускной способности фурмы. В целом существенным отличием данного устройства является создание требуемого спектра частот за счет взаимодействия отраженных потоков, создаваемых системой перемычка - диафрагма. Таким образом, использование изобретения позволяет интенсифицировать процесс горения твердого и газообразного топлива, повысить эффективность нагрева лома, увеличить выход жидкой стали и повысить производительность агрегата.

Формула изобретения

1. Способ выплавки стали в кислородном конвертере, включающий загрузку железосодержащих материалов, последующий нагрев и расплавление их сжиганием углеводородного и твердого углеродсодержащего топлива кислородсодержащим газом, подаваемым в пульсирующем режиме в конвертер фурмами снизу и сбоку, и рафинирование расплава, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности нагрева лома и повышения выхода жидкой стали, в период нагрева лома кислородсодержащий газ подают с частотой пульсации 50-100 Гц, а после образования в зонах фурм жидкого металла частоту пульсаций кислорода повышают до 600-1000 Гц, причем углеводородное топливо по ходу всего процесса подают с частотой пульсаций 200-400 Гц. 2. Устройство для выплавки стали в кислородном конвертере, содержащее концентрически расположенные трубы, образующие тракты, для подачи кислорода и углеводородного топлива, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности нагрева лома, повышения выхода жидкой стали, тракт для подачи кислорода на торце дополнительно снабжен соплом, состоящим из диффузорно-конфузорной, цилиндрической и расширяющейся конической частей, причем соотношение их длин соответственно составляет 0,6:0,4:1,7:2,0, а соотношение их диаметров составляет 0,6:1,0:1,9 диаметра подводящего тракта, при этом тракт для подачи углеводородного топлива выполнен в виде канала с тороидальной перемычкой, образующей критическое сечение канала, равное 0,7 площади сечения газоподводящего тракта, расположенной на расстоянии 27-30 калибров тракта от среза канала, и с кольцевой диафрагмой с площадью, равной 0,8 площади сечения газоподводящего тракта, расположенной на расстоянии 20-25 калибров тракта от среза сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4