Разработка и совершенствование конструкций дутьевых устройств и технологии конвертерной плавки с жидкофазным восстановлением

Оглавление: 

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Современное состояние  теории и практики продувки конвертерной ванны с элементами жидкофазного восстановления.

1.1. Общая характеристика  конвертерных процессов с элементами  жидко-фазного восстановления.

1.2. Дутьевые устройства, проблемы теории и экспериментальных  исследований продувки конвертерной  ванны с жидкофазным восстановлением. 

1.3. Задачи исследований.

ГЛАВА II. Изучение макрофизических  явлений в реакционных зонах  конвертерной ванны при различных  вариантах продувки и вводе углеродсо-держащих материалов.:.л.

2.1. Анализ условий высокотемпературного  моделирования и методика проведения  экспериментов. 

2.2. Исследование особенностей  верхней продувки конвертерной  ванны при подаче кусковых  и порошкообразных материалов.

2.3. Организация реакционных  зон при верхней кислородной  продувке конвертерной ванны  с дожиганием отходящих газов. 

Щ> 2.4. Исследование взаимодействия донных кислородно-топливных струй  с конвертерной ванной.

2.5. Выводы по главе  II.

ГЛАВА III. Исследование реакционных  зон и гидрогазодинамики конвертерной ванны при комбинированной продувке встречными дутьевыми потоками.

3.1. Повышение эффективности  дожигания отходящих газов в  конвертерах с жидкофазным восстановлением. 

3.2. Исследование особенностей  гидрогазодинамики конвертерной  ванны и управляющие воздействия  при комбинированной продувке  встречными топливно-кислородными  струями. 

3.3. Исследование поведения  конвертерной ванны при комбинированной  продувке расплава с элементами  жидкофазного востановления. 

3.4. Выводы по главе  III.

ГЛАВА IV. Разработка многоцелевых конструкций дутьевых устройств  для конвертерных агрегатов жидкофазного восстановления.

4.1. Предлагаемые направления  совершенствования конструкций  дутьевых устройств. 

4.2. Разработка конструкций  многоконтурной верхней фурмы  для конвертеров с жидкофазным  восстановлением оксидных материалов.

4.3. Разработка многосопловых  донных и боковых топливно-кислородных  фурм.

4.4. Разработка дутьевых  устройств для подачи подогретых  нейтральных газов. 

4.5. Выводы по главе  IV.

ГЛАВА V. Разработка, исследовани  и совершенствование технологии продувки ванны 160-т конвертеров  ОАО "ЗСМК" при использовании  кислородных фурм с цельноточенными  головками.

5.1. Исходные условия и  методика проведения исследований.

5.2. Разработка методики  проектирования одноконтурных кислородных  фурм с двухрядным расположением  сопел и характеристика предложен  ных наконечников.

5.3. Результаты исследования  технологии конвертерной плавки  с использованием цельноточенных  наконечников фурм и их обсуждение.

5.4. Выводы по главе  V.

Введение: 

В сталеплавильном производстве наиболее полно задачам повышения  производительности, экономической  эффективности, снижения энергоемкости  и улучшения качества металлопродукции отвечает кислородно-конвертерный процесс, получивший широкое развитие в мире, как наиболее стабильный и стандартный  метод производства стали [1]. Состояние  конвертерного производства России практически полностью отражает основные проблемы мировой практики, как по определению оптимального состава перерабатываемой шихты, так  и направлениям снижения потерь и  расходных показателей процесса [2]. В течение последних 15-20 лет  в силу конъюнктуры рынка и  особенностей локального ценообразования  в конвертерном производстве вынуждены  были решать диаметрально противоположные  задачи - создание комплекса технологий, обеспечивающих экономию жидкого чугуна [3-5], а в последнее время, по известным  причинам, экономию металлического лома [6-8]. В тоже время, несмотря на наличие  оригинальных отечественных разработок [3, 4], в повседневной практике работы конвертерных цехов России в настоящее  время зачастую используются устаревшие, не отвечающие современному уровню ресурсо- и энергосбережения технологии, дутьевые устройства и агрегаты. При этом современные экономические условия, колебания рыночных цен на основные шихтовые материалы предопределяют необходимость создания новых технологий и источников сырья при выборе оптимального варианта работы конвертеров. В последние годы условия выплавки стали в конвертерах существенно  изменились в связи с ужесточением требований к качеству стали, конкурентной борьбе за рынки сбыта металлопродукции, расширением производства легированных, коррозионностойких, электротехнических и других низкоуглеродистых марок  стали [9]. Разработка и широкое внедрение  за рубежом различных вариантов  комбинированной продувки металла  в конвертерах [4, 5, 10] позволило существенно  расширить функциональные возможности  конвертерного агрегата и процесса в целом. Вместе с тем значительное сокращение объемов подготовки высококачественного  металлического лома и необходимость  повышения температуры металла  перед непрерывной разливкой вынуждают конвертерщиков значительно повышать расход чугуна на выплавку стали, а для компенсации теплового баланса плавки изыскивать и применять другие охладители (отходы металлургических предприятий, железо- и марганецсодержащие концентраты и агломераты, богатые марганцевые и хромовые руды и др.), что позволяет повысить выход жидкой стали и значительно снизить расход марганец- и хромосодержащих ферросплавов [9].

Актуальность темы: Дальнейшее развитие металлургического комплекса  страны целесообразно связывать  с разработкой и развитием  новых схем производства металла. В  условиях ухудшения качества и состояния  сырьевой базы основную технологическую  схему производства стали (доменная печь - конвертер), можно считать  более энергозатратной в сравнении  с современными зарубежными способами  получения металла широкого сортамента. В этой связи актуальной является разработка ре-сурсо- и энергосберегающей  технологии конвертерной плавки с использованием одновременно с ломом в качестве охладителей операции железо- и марганецсодержа-щих  концентратов или агломератов. При  этом к числу важнейших проблем  относится разработка оптимальной  технологии продувки конвертерной ванны  с организацией дожигания отходящих  газов в рабочем пространстве агрегата при вводе кусковых и  порошкообразных углеродсодержащих  материалов с целью увеличения приходной  части теплового баланса плавки. В условиях дефицита основных шихтовых материалов при изменяющихся параметрах металлозавалки такая технология позволяет  перерабатывать в конвертерах способом жидкофазного восстановления повышенное количество железо- и марганецрудного  сырья с применением в качестве дополнительного теплоносителя  и восстановителя энергетических марок  угля.

Успешное освоение технологии продувки конвертерной ванны с элементами жидкофазного восстановления предполагает получение новой теоретической  и прикладной информации по вопросам:

- организации реакционных  зон при верхней и комбинированной  продувке конвертерной ванны  с подачей кускового и порошкообразного  угля и дожиганием отходящих  газов без воздействия на футеровку  агрегата;

- гидродинамики конвертерной  ванны при различных вариантах  продувки с элементами жидкофазного  восстановления.

В стадии начальной разработки и исследования находятся вопросы  конструирования верхних, донных и  боковых многоцелевых дутьевых устройств  для конвертерных агрегатов жидкофазного восстановления, обеспечивающих продувку ванны с вводом порошкообразного угля, в том числе в составе  порошкообразных смесей с железо и марганецсодержащими оксидными  материалами и дожиганием отходящих  газов, а также донным перемешиванием расплава подогретыми нейтральными и восстановительными газами. В силу конъюнктурных соображений имеющаяся  зарубежная техническая информация по промышленной эксплуатации новых  вариантов комбинированного дутья  конвертерной ванны с организацией жидкофазного восстановления оксидных материалов носит общий и, как  правило, рекламный характер. Попытки  использовать опубликованные в печати рекомендации иностранных фирм не дают стабильных и удовлетворительных результатов  и требуют проверки в конкретных условиях. На сегодняшний день в  отрасли отчетливо прослеживается существенное отставание в разработке новых вариантов продувки конвертерной ванны, предусматривающих оптимизированную по расходам и энергии переработку  одновременно с ломом увеличенного количества железомарганцеворудного  сырья способом жидко-фазного восстановления, а также всевозможных металлургических отходов. Поэтому развитие теоретических основ и практических аспектов ресурсо и энергосберегающей технологии продувки конвертерной ванны с элементами жидкофазного восстановления является актуальной задачей сегодняшнего дня.

Связь работы с научными программами и планами: Основной объем проведенных научно-исследовательских  работ был выполнен в соответствии с планами научно-исследовательских  работ Сибирского государственного индустриального университета.

Цель и задачи исследования: Для условий сырьевой базы России на основе экспериментальных и теоретических  исследований в новых направлениях гидрогазодинамических и тепломассообменных закономерностей продувки конвертерной ванны при интенсификации дожигания  отходящих газов в рабочем  пространстве агрегата и окислительно-восстановительных  процессов в жидком расплаве найти  эффективные пути совершенствования  технологии с жидкофазным восстановлением  железомарган-цеворудных добавок, обеспечивающие повышение выхода жидкой стали, снижение расхода марганецсодержащих ферросплавов при надлежащем уровне стойкости  дутьевых устройств и футеровки  агрегата.

Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели: - разработка и оптимизация  установок и методик для высокотемпературного исследования физико-химических процессов  в реакционных зонах взаимодействия дутья с ванной и гидрогазодинамических  закономерностей поведения последней  при различных вариантах продувки с элементами жидкофазного восстановления;

- проверка работоспособности  и отработка оптимальных лабораторных  конструкций верхних, донных и  боковых дутьевых устройств, выполняющих  функции: продувки ванны с вводом  порошкообразного угля; дожигания  отходящих газов в полости  конвертера и донного перемешивания  ванны подогретыми нейтральными  газами;

- с использованием высокотемпературного  моделирования определение оптимальных  вариантов организации реакционных  зон в расплаве при продувке  топливно-кислородными и газопорошковыми  струями с подачей кускового  и порошкообразного угля и  дожиганием газов; 

- установление с использованием  высокотемпературного моделирования  особенностей поведения конвертерной  ванны, механизма вспенивания  шлаковой и металлической фаз,  образования выбросов и выносов  в ходе различных вариантов  продувки при подаче железо- и  марганецсодержащих добавок и  углеродсодержащих восстановителей; 

- получение уточненных  выражений для определения параметров  реакционных зон, уровня безопасного  вспенивания конвертерной ванны,  рационального размещения верхних,  донных и боковых фурменных  устройств при различных режимах  комбинированного дутья; 

- разработка методики  проектирования и, на ее основе, конструкций верхних дутьевых  устройств для конвертеров с  жидкофазным восстановлением оксидных  охладителей; 

- разработка на основании  высокотемпературных экспериментов  и численного моделирования многоцелевых  конструкций донных дутьевых  устройств, обеспечивающих подачу  подогретых нейтральных газов  при индивидуальном регулировании; 

- обоснование рационального  выбора дутьевого и шлакового  режимов ведения конвертерной  плавки с жидкофазным восстановлением  оксидных железомарганцеворуд-ных  охладителей; 

- разработка промышленных  конструкций дутьевых устройств,  усовершенствованных и новых  технологических вариантов продувки  конвертерной ванны с элементами  жидкофазного восстановления.

Научная новизна полученных результатов: Разработаны и предложены практические варианты использования  многоцелевых конвертерных установок  для высокотемпературного изучения особенностей гидрогазодинамики и  тепломассообмена при различных  вариантах продувки конвертерной ванны  с элементами жидкофазного восстановления. С использованием высокотемпературного моделирования получена новая информация о структуре и размерах реакционных  зон, образующихся при воздействии  топливно-кислородных и газопорошковых струй на конвертерную ванну с  условием дожигания отходящих газов. Впервые получена достоверная информация об особенностях поведения ванны, вспенивания  металла и шлака, механизма образования  выбросов и основных управляющих  воздействиях на ванну при различных  режимах верхней и комбинированной  продувки с жидкофазным восстановлением  железо-марганцеворудных присадок при  использовании в качестве дополнительного  теплоносителя и восстановителя энергетического угля в кусковом виде. Получили дальнейшее развитие основные технологические положения по организации  специальной открытой формы реакционной  зоны для более эффективного дожигания  отходящих газов при верхней  продувке пучками кислородных и  нейтральных газовых струй и  комбинированной продувке со встречным  взаимодействием топливно-кислородных  струй. Разработана методика проектирования новых конструкций верхних многоконтурных и боковых многосопловых фурм для конвертеров жидкофазного восстановления с подачей окислительных и  нейтральных газов, в том числе  несущих в порошкообразном состоянии  углеродсодержащий материал. На основе высокотемпературных экспериментов  и численного моделирования процесса подогрева нейтральных газов  получили дальнейшее развитие разработки дутьевых устройств, обеспечивающих подачу в конвертерную ванну нагретых до 500-550°С перемешивающих нейтральных  газов при индивидуальном регулировании  донного дутья. Теоретически и экспериментально обоснованы новые и усовершенствованные  методы верхней и комбинированной  продувки конвертерной ванны с использованием предложенных конструкций дутьевых устройств и конвертерных агрегатов  применительно к условиям жидкофазного восстановления железо- и марганцеворудного  сырья.