ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА НАД ЗОНОЙ ПРОДУВКИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДВУХЪЯРУСНОЙ ФУРМЫ В КОНВЕРТЕРЕ

Карпенко Г.А., Меркер Э.Э., Кожухов А.А.

Россия СТИ (ф) МИСиС, e-mail: merker@inbox.ru

Для улучшения технологических и теплотехнических показателей конвертерной плавки стали необходима организация эффективного дожигания оксида углерода (СО) в полости агрегата дополнительными струями кислорода (О₂) в объеме газошлаковой эмульсии (ГШЭ) шлаковой ванны над зоной продувки, т.е. следует направлять струи О₂ из верхних сопел двухъярусной фурмы в область преимущественного выделения СО из ванны.

В струях дожигания (СО) в зависимости от их подсасывающих свойств выделяется следующее количество тепла (, кВт) над зоной продувки конвертера

Эффективность теплообмена между струями дожигания, шлаком и металлом обусловливаются соотношением скоростей процессов тепловыделения () и теплоотвода из зоны горения СО () при условии, что . Поток теплоотвода в объеме ГШЭ при этом составляет:

, (1)

где Т_ш и Т – температура шлака на поверхности контакта со струями дожигания и в остальном объеме ГШЭ, К; a_ш – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²×К) Вт/(м²∙К). Для анализа эффективности теплообмена в ГШЭ при дожигании СО в струях О₂ над зоной продувки использовали зависимость:

, Вт/м², (2)

где S_ш – поверхность контакта струй со шлаком, м²; , Вт/(м²∙К).

При вычислении a_ш использовали критериальную зависимость для системы газовых струй:

(3)

где и - критерии Рейнольдса и Прандтля; l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К); u - коэффициент кинематической вязкости, м²/с; - теплоемкость, кДж/(кг∙К); r_ш – плотность газошлаковой эмульсии, кг/м³; L_c – длина струй, м.

В качестве определяющего фактора принимали скорость омывания (W₀, м/с) газовыми потоками тепловоспринимающей поверхности в ГШЭ. Эта скорость определяется дутьевыми параметрами, объемом отходящих из зоны продувки газов и учитывает газовую нагрузку, т.е. приведенную скорость потоков (м³/(м²∙с)) на горизонтальное сечение столба ГШЭ над ванной (S_в, м²). Газовую нагрузку в объеме ГШЭ находили в соответствии с выражением

, (4)

где - расход кислорода на дожигание СО, м³/мин; D_р.з – диаметр зоны продувки, м.

Особенностью расчета a_ш является использование W₀ в критерии Re и значения уровня газонасыщенности (j_ж) в ГШЭ:

, (5)

где DН_в – высота вспененной ванны относительно ее начального уровня, Н₀, м; j_ж – газонасыщенность ГШЭ в зоне действия струй дожигания.

В качестве образца для анализа эффективности теплообмена использовали данные для условий работы 250 т. конвертеров КарМК с продувкой ванны двухъярусным потоком О₂, т.е при различных соотношениях , (где - расход О₂ на продувку металла, м³/мин), а также при учете свойств шлакового расплава () с различными значениями j_ж и . В результате математической обработки принятых данных получили следующие зависимости:

(6)

Из анализа регрессионных зависимостей (6) следует, что эффективность теплообмена в системе шлак-струи дожигания возрастает при повышении , и a_ш. Кроме того по мере увеличения скорости движения (Re®max) струй в ГШЭ и повышении температуры (t_ш) на их поверхности возрастает уровень теплоотвода () в области ГШЭ.

Результаты исследований показали, что по мере увеличения расхода О₂ на дожигание СО () основные технологические показатели конвертерной плавки улучшаются. Однако при этом установлено, что эффективность процесса дожигания СО достигает своего оптимума при соответствующих параметрах дутьевого режима продувки конвертерной ванны.

Так, например, термический к.п.д. дожигания:

где - объем отходящего газа СО₂ после дожигания СО в ГШЭ, возрастает (рис. 1) до определенного уровня с расходом О₂ на дожигание СО, а затем уменьшается. При определенных газодинамических и теплофизических условиях взаимодействия струй дожигания в ГШЭ достигается максимум по теплогенерации и что по мере дальнейшего увеличения , и возрастают потери тепла, а значение снижается, что приводит к уменьшению и ухудшению теплообмена в ГШЭ.