Физическое моделирование прцессов перемешивания металла в конвертере с комбинированной продувкой

А.Н.Смирнов, К.Н.Шарандин, Е.Н.Лебедев
ДонНТУ, Донецк
14.02.2011

Наибольшее распространение в мире получила технология конвертирования стали с комбинированной продувкой кислородом сверху и нейтральным газом снизу [1,2]. По такой технологии в мире работают свыше 80% всех конвертеров. Известно, что комбинированная продувка обеспечивает снижение окисленности конечного шлака на 10-20% и повышение выхода годного на 0,2-0,3%; высокую гомогенизацию металла в конвертере по составу и температуре, повышение точности попадания в анализ на выпуске (это позволяет сократить среднюю продолжительность продувки на 0,5-1,5 мин.); снижение содержания углерода в конце продувки; снижение расхода раскислителей и пр.

По мере освоения и развития технологии комбинированной продувки металла, при сооружении новых конвертеров, параметры их рабочего пространства трансформировались. Наиболее характерной тенденцией является увеличение отношения высоты рабочего пространства к его ширине (с H/D = 1,3–1,4 до H/D = 1,6–1,7) и доведения глубины металлической ванны до 2 м и более. Это, в частности, позволяет повысить эффективность конвертерной плавки и снизить расход огнеупоров на тонну выплавляемой продукции за счет уменьшения объема рабочего пространства агрегата и повышения их эксплуатационной стойкости. Между тем основная часть конвертеров, построенных в разное время на металлургических заводах бывшего СССР, продолжает эксплуатироваться преимущественно в режиме верхней продувки. Эти конвертеры, как правило, имеют конфигурацию рабочей полости близкую к шарообразной, что требует дополнительных исследований в части оптимизации параметров продувки в случае их модернизации для применения комбинированной продувки.

Разработка и успешное освоение усовершенствованных вариантов конвертерных процессов и технологий предполагает, с одной стороны, проведение теоретических и экспериментальных исследований явлений, сопровождающих различные способы и режимы продувки конвертерной ванны, а с другой, практическое использование полученных результатов для создания ресурсо- и энергосберегающих технологий конвертирования.

Благодаря разработке и использованию оригинальных методов физического и математического моделирования кислородно-конвертерного процесса в мировой практике удалось получить новые экспериментальные данные, касающиеся вопросов оптимизации гидродинамики ванны, массообменных процессов и т.д. [3-8]. Это позволяет развить представления о рациональных конструкциях и расположениях продувочных элементов и оптимизации дутьевого режима плавки.

Целью настоящих исследований является изучение на физической модели особенностей гидродинамики перемешивания металла, шлака и вдуваемого газа, а также оценка влияния параметров продувки на время гомогенизации (перемешивания) жидкой ванны конвертера с комбинированной продувкой при различных положениях продувочных устройств в днище и разработка принципов оптимизации дутьевого режима.

Физическая модель была выполнена в масштабе 1:6 к промышленному 160 т кислородному конвертеру ОАО «Енакиевский металлургический завод» с соблюдением геометрического подобия всех основных узлов агрегата (рис.1). Типоразмер конвертера является наиболее распространенным на территории бывшего СССР. Константа геометрического подобия была выбрана исходя из условий удобства изготовления модели, обеспечения вдувания необходимого количества газа с учетом возможностей материально-технической базы лаборатории, а также трудоемкости проведения экспериментов. В качестве моделирующих сред использованы: вода – жидкий металл, сжатый воздух – продувочный газ, силиконовое масло – шлак.

Рисунок 1. Фотография и схематическое представление лабораторной установки: 1 – конвертер (органическое стекло); 2 – опора фурмы; 3 – цапфы; 4 – манометр; 5 – коллектор; 6 – магистраль; 7 – опора установки; 8 – донные продувочные элементы; 9 – опорное кольцо; 10 – компрессор; 11 – баллон; 12 – кран; 13 – направляющая фурмы; 14 – линейка; 15 – фурма; 16 – опорная стойка.

Для обеспечения гидродинамического подобия процессов, происходящих в модели и промышленном агрегате, в работе использован модифицированный критерий Фруда [3-6,8-9,10,12]:

При этом расход вдуваемого газа определяется по следующей формуле:

где Q_м и Q_н - расход газа для модели и натуры соответственно (м³/мин).

Основные характеристики лабораторной модели конвертера и моделируемого промышленного объекта представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры модели по отношению к 160 т агрегату

Исследования были условно разбиты на два этапа: визуальное наблюдение и обобщенное изучение гидродинамического поведения жидкости в конвертере на первом этапе, и количественная оценка влияния режимов продувки на изменение времени перемешивания жидкости (гомогенизации) с учетом полученных ранее данных на первом.

Время гомогенизации определялось как период, требуемый для достижения некоторой высокой однородности системы, необходимой с технологической точки зрения. Наиболее точным методом измерения времени перемешивания является электрохимический метод с введением в перемешиваемую жидкость (воду) небольшого количества концентрированного раствора (10%) поваренной соли (250 мл) и измерением электропроводности в двух точках объема. При этом значения времени перемешивания являются самыми высокими, по сравнению с другими методами, а погрешность измерений составляет приблизительно 5-6 % [3,4,10,11]. Время усреднения регистрировалось в ходе каждого опыта при различных расходах, способах подачи дутья и положениях продувочных устройств.

Сравнение характера перемешивания жидкой ванны при верхней и комбинированной продувке выполнено на рис.2. При верхней продувке в жидкой ванне имеют место превалирующие циркуляционные потоки жидкости (рис.2 а), перемещающиеся от центральной части конвертера вдоль днища к его стенкам и затем вверх к зеркалу. При этом достаточно большая часть жидкой ванны интенсивно не перемешивается. При комбинированной продувке появляются дополнительные циркуляционные потоки, обусловленные подачей донного газа через днище (рис.2 б), что в значительной степени способствует подавлению застойных зон и интенсифицирует перемешивание жидкой ванны. По нашим оценкам при верхней продувке порядка 70-75% жидкости вовлечено в постоянно циркулирующие потоки, а при комбинированной подаче дутья это значение составляет не менее 85-90% объема.

Рисунок 2 Общая схема движения потоков жидкости: а) верхняя продувка, б) комбинированная продувка

В настоящих исследованиях особое внимание уделялось идентификации параметров реакционных зон, а именно механическому взаимодействию газа с поверхностью жидкой ванны, ввиду значительного импульса струи переходящего в работу по перемешиванию. Измерения выполнялись с помощью масштабирования фотографий и оцифровки видео материалов запечатленного физического процесса (рис.3).

Рисунок 3 3D представление (а) и схематическое изображение (б) разнонаправленных потоков газа при комбинированной продувке (положение донных фурм – 0,75R)

Установлено, что при продувке сверху в положении фурмы на высоте 200 мм над уровнем ванны образуются достаточно выраженные реакционные зоны объемом около 300 мл каждая. Объем барботируемой жидкости, соответствующий продувке через одну донную фурму, составляет приблизительно 1-1,1 л. Выполненные исследования позволяют судить о гидродинамике взаимодействия газовой струи с металлическим расплавом, о геометрических параметрах зон отображающих эти взаимодействия и о той или иной степени влияния их на интенсивность перемешивания ванны. Так, предотвращение взаимогасящего (ослабляющего) влияния разнонаправленных потоков жидкости вызванных верхней и нижней продувкой возможно лишь в определенном диапазоне расположений донных продувочных устройств и фиксированном положении верхней фурмы (рис. 3).

При расположении донных фурм в диапазоне 0,4R–0,66R имеет место некоторое наложение циркуляционных потоков друг на друга. Это в большей или меньшей степени ослабляет интенсивность перемешивания. В диапазоне 0,66R–0,9R – взаимное наложение разнонаправленных циркуляционных потоков практически полностью исключается по мере смещения донных фурм к периферии ванны. Однако их приближение к конической части днища влечет за собой ослабление циркуляции жидкости. Причиной этого, видимо, является нарушение симметричности тороидообразного движения потоков от донных фурм, вызванное пристеночным эффектом. Выполненные наблюдения позволяют выбрать рациональные подходы к определению места положения донной продувочных единиц. Для условий выполненных экспериментов с учетом геометрической конфигурации конвертера рациональный диапазон смещения донных фурм составил 0,66R–0,8R (R – радиус днища конвертера) при расходе перемешивающего газа 10–70 л/мин.

В результате обобщения выполненных исследований получены оригинальные зависимости времени перемешивания от расхода донного дутья в оптимальном положении донных фурм (рис. 4): для донной продувки – 0,68R (рис.4 а) и для комбинированной – 0,75R (рис.4 б).

Рисунок 4 Зависимость величины времени гомогенизации от расхода газа, вдуваемого через днище: а) – донная продувка (0,68R), б) – комбинированная продувка (0,75R)

Установлено, что при изменении величины расхода газа, вдуваемого через днище (положение донных фурм 0,75R), для условий комбинированной продувки, время гомогенизации изменяется по экстремальной зависимости и имеет минимальное значение, соответствующее расходу в 50-55 л/мин. При этом дальнейшее увеличение расхода перемешивающего газа влечет за собой увеличение времени гомогенизации в результате возникновения струйного течения газа и ослабления возгонного движения жидкости. Это в свою очередь позволяет идентифицировать следующие рациональные параметры продувки: положение донных фурм - 0,75R, расход донного газа не более 50-55 л/мин (рис.4 б)), при фиксированном местоположении верхней фурмы – 200 мм и расходе дутья – 1,8 м3/мин.

Выводы

Разработана физическая модель 160 т кислородного конвертера, позволяющая выполнить исследования гидродинамического состояния и времени усреднения жидкой ванны при комбинированной продувке, что дает возможность расширить представления о развитии процессов массопереноса с учетом конфигурации конвертера и расположения продувочных устройств в днище. Показано, что при фиксированном положении верхней фурмы (220 мм) взаимоослабляющее влияние разнонаправленных потоков жидкости вызванных верхней и нижней (тороид) продувкой предотвращается в диапазоне 0,66R–1,0R расположения донных продувочных устройств. Так же установлено, что при положении донных фурм 0,75R от центра днища и расходе газа в пределах 30 – 55 л/мин достигается наилучшее перемешивание объема ванны конвертера, тогда как с увеличением расхода более 55 л/мин происходит монотонное увеличение времени перемешивания.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Смирнов А.Н. Развитие конвертерного производства стали в мире // Металл. 2006. №11.-С. 18-27.

2. The Making, Shaping and Treating of Steel. Steelmaking and Refining Volume / Editor J.Fruehan. – Pittsburg, PA: The AISE Steel Foundation, 1998. – 767 p.

3. Mazumdar D. Evans J.W. Modeling of steelmaking processes. – Boca Raton, London, New York: CRS Press, Taylor and Francis Group, 2010. – 463 p.

4. Singh V., Kumar J. Optimization of the bottom tuyeres configuration of the BOF vessel using physical and mathematical modeling // ISIJ International. 2007. Vol.47. No11. - P.1605-1612.

5. Luomala M.J., Fabritius T.M. Physical Model Study of Selective Slag Splashing in the BOF // ISIJ International. 2002. Vol.42. No.11. - P.1219–1224.

6. Choudhary S.K., Ajmani S.K. Evaluation of Bottom Stirring System in BOF Steelmaking Vessel Using Cold Model Study and Thermodynamic Analysis // ISIJ International. 2006. Vol.46. No.8. - P.1171–1176.

7. CFD Simulation of Melt Flow Mixing Phenomena in Combined Blowing Converters / Odenthal H.-J., Falkenreck U., Kempken J. e.a. // Proceedings 5th European Oxygen Steelmaking Conference. 26-28 June 2006, Aachen, Germany. - Dusseldorf: Verlag Stahleisen GmbH, 2006. - P.454-466.

8. Martin M., Rendueles M., Diaz M. Hydrodynamics and mass transfer in steel converters using cold models // Proceedings 5th European Oxygen Steelmaking Conference. 26-28 June 2006, Aachen, Germany. - Dusseldorf: Verlag Stahleisen GmbH, 2006. - P.577-580.

9. Кутателадзе С.С. Анализ подобия и физические модели. – Новосибирск: Наука, 1986. – 296 с.

10. Modeling of bottom stirring to improve mixing in BOF Singh V., Lenka S.N., Ajmani S.K. Proceedings of Asia Steel 2009, Busan, Korea (May 24-27, 2009), CD-ROM-S10. (16 pages).

11. Некоторые вопросы оценки интенсивности перемешивания при продувке метала в ковше инертным газом. Сообщение 1 / А. Н. Смирнов, Е. В. Ошовская, И. Н. Салмаш и др. // Процессы литья. 2008. №4. – С.41-48.

12. Hydraulic mоdel experiment of converter coherent jet oxygen lance Zhang-Lei, Shen Ming-Gang, Zhang Zhen-Shan, Kang Shu-Mei Proceedings of Asia Steel 2009, Busan, Korea (May 24-27, 2009), CD-ROM-S10. (5 pages).