blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-7-556-564blackmet-1129Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ФАКЕЛОВ ГОРЕНИЯ ДЛЯ ОКИСЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ РАСПЛАВА В АГРЕГАТАХ КОНВЕРТЕРНОГО ТИПА. СООБЩЕНИЕ 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ФАКЕЛЕ ГОРЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРИРОДНОГО ГАЗАTHERMODYNAMIC JUSTIFICATION OF OPPORTUNITY OF USING HIGH-TEMPERATURE COMBUSTION FLANKS FOR OXIDATION OF MELT IMPURITIES IN AGGREGATES OF CONVERTER TYPE. REPORT 1. THERMODYNAMIC ANALYSIS OF PROCESSES IN COMBUSTION FLAME WHEN USING NATURAL GASСолоненкоВ. В.SolonenkoV. V.

соискатель ученой степени кандидата технических наук кафедры металлургии черных металлов

Candidates for a degree of Сand. Sci. (Eng.) of the Chair of Ferrous Metallurgy

mchmsis@mail.ruПротопоповЕ. В.ProtopopovE. V.

д.т.н., профессор кафедры металлургии черных металлов, ректор

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Ferrous Metallurgy, Rector

protopopov@sibsiu.ruФейлерС. В.FeilerS. V.

к.т.н., доцент, и.о. зав. кафедрой металлургии черных металлов

Cand. Sci. (Eng.), Acting Head of the Chair of Ferrous Metallurgy

feylersv@gmail.comЯкушевичН. Ф.YakushevichN. F.

д.т.н., профессор-консультант кафедры цветных металлов и химической технологии

Dr. Sci. (Eng.), Professor – Consultant of the Chair “Non-ferrous Metallurgy and Chemical Engineering”

kafcmet@sibsiu.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation201719082017607556564Copyright © Солоненко В.В., Протопопов Е.В., Фейлер С.В., Якушевич Н.Ф., 20172017Солоненко В.В., Протопопов Е.В., Фейлер С.В., Якушевич Н.Ф.Solonenko V.V., Protopopov E.V., Feiler S.V., Yakushevich N.F.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1129

Повышение производительности и снижение ресурсо- и энергоемкости при производстве стали в конвертерах предопределяет раз- работку технологических мероприятий и пути совершенствования конструкции агрегатов для обеспечения предварительного подогрева лома и других шихтовых материалов, интенсификацию дожигания отходящих газов в рабочем пространстве сталеплавильного агрегата и окислительно-восстановительных процессов в жидкой ванне при сохранении удовлетворительной стойкости дутьевых устройств и футе- ровки конвертера. Использование топливно-кислородных факелов горения в конвертерном процессе позволяет решить ряд многоцелевых технологических задач. Сгорание топлива в рабочем пространстве конвертера при формировании струи или использование погружных факелов горения значительно изменяет гидродинамическую картину в реакционных зонах и жидкой ванне. В работе термодинамическими методами определена динамика процессов горения газообразного топлива и окисления элементов конвертерной ванны при взаимодействии с высокотемпературными продуктами сгорания факела. Расчет процесса взаимодействия факела с химическими элементами конвертерной ванны проведен для равновесных условий. Установлено, что использование факелов горения изменяет состав газовой фазы в рабочем пространстве конвертера, в которой, кроме традиционно присутствующих при продувке кислородом О2 , СО, СО2 , образуются Н2 и Н2О. Присутствие этих газов изменяет тепловой режим и окислительную способность газовой фазы. При сжигании газокислородного топлива оптимальный состав исходной газовой смеси (природный газ и кислород) должен соответствовать соотношению 100  %  СН4   и  69  %  О2 , при этом в качестве продукта реакций окисления образуется парогазовая фаза, содержащая 40  %  СО2 и 60  %  Н2О. Полная энтальпия процесса сжигания газокислородного топлива при температурах конвертерной плавки при коэффициенте избытка кислорода более 1,0 (до  2,0) составляет примерно 200  кДж/моль исходных реагентов, при окислении метана углекислым газом – (–7)  ÷  (–14,5)  кДж/моль исходных реагентов при 1800  К, процесс становится эндотермичным при температурах более 2000  К (∆Н2200  =  (+7,7)  ÷  (+15,4)  кДж/моль); при окислении газа водяным паром ∆Н1800 – 2200  =  (+19,5)  ÷  (+70) кДж/моль исходных реагентов. Таким образом, только при окислении метана кислородом может быть достигнута температура факела более 1800 К. Использование в качестве окислителя воздуха, углекислого газа, паров воды не дает необходимого теплового эффекта. 

Increase in productivity and reduction of resource and energy capacity in steel production in converters predetermine development of technological measures and improvement of design of aggregates providing preheating of scrap and other charge materials, intensification of afterburning of waste gases in working space of steelmaking unit and redox processes in liquid bath while maintaining satisfactory durability of blowing devices and lining of the converter. Using fuel-oxygen combustion flames in converter process allows solving a number of multi-purpose technological problems. Combustion of fuel in working space of converter during formation of jet or use of submerged combustion flames significantly changes hydrodynamic pattern in reaction zones and liquid bath. Thermodynamic methods have been used to determine dynamics of combustion processes of gaseous fuels and oxidation of converter bath elements during their interaction with high-temperature flame combustion products. Calculation of the process of flame interaction with chemical elements of the bath was carried out for equilibrium conditions. It was established that use of combustion flames changes composition of gas phase in working space of converter, in which H2 and H2O are formed in addition to those traditionally present when oxygen is blown with O2 , CO, and CO2 . Presence of these gases changes thermal regime and oxidizing ability of the gas phase. When burning gas-oxygen fuel, optimal composition of initial gas mixture (natural gas + oxygen) should correspond to a ratio of 100  %  CH4   +  69  %  O2 , while a vapor-gas phase containing 40  % of CO2 and 60  % of H2O is formed as a product of oxidation reactions. The total enthalpy of gas-oxygen fuel combustion at converter melting temperatures with oxygen excess ratio of more than 1.0 (up to 2.0) is approximately 200  kJ/mole of the initial reagents, with methane oxidation by carbon dioxide (–7) ÷ (–14.5) KJ/mole of initial reagents) at 1800  K and the process becomes endothermic at temperatures over 2000  K (ΔH2200 = (+7.7) ÷ (15.4) kJ/mole); with water vapor gas oxidation (ΔH1800  –  2200 = (+19.5) ÷ (+70) kJ/mole of the initial reagents. Therefore, only when the methane is oxidized with oxygen temperature of flame can be more than 1800 K. Use of carbon dioxide, water vapor as an air oxidizer does not give necessary thermal effect. 

конвертергазокислородный факелметануглеводородыстальпродувкатермодинамический анализconvertergas-oxygen flamemethanehydrocarbonssteelblowingthermodynamic analysisReferencesШнееров Я.А., Смоктий В.В., Шор В.И. и др. Комбинированные процессы выплавки стали в кислородных конвертерах. Обзорная информация // Черная металлургия. Сер. Сталеплавильное производство. 1982. Вып. 4. С. 23.Shneerov Ya.A., Smoktii V.V., Shor V.I., Afonin S.Z., Leporskii S.V. Combined processes of steel smelting in oxygen converters. Overview. Chernaya metallurgiya. Ser. Staleplavil’noe proizvodstvo. 1982, vol. 4, pp. 23. (In Russ.).Hosoki S. Production technology of iron and steel in Japan during 1992 // ISIJ International. 1993. Vol. 33. No. 4. Р. 427 – 445.Hosoki S. Production technology of iron and steel in Japan during 1992. ISIJ International. 1993, vol. 33, no. 4, pp. 427–445.Osani H., Ohmiya S. Total hot metals pretreatment and BOF operation practice for high purity steelmaking. – In: 1 EOS Congress Düsseldorf, 1993. P. 41 – 46.Osani H., Ohmiya S. Total hot metals pretreatment and BOF operation practice for high purity steelmaking. In: 1 EOS Congress Düsseldorf, 1993, pp. 41–46.Krieger W., Proferl G., Pochmarskital L. Metallurgische und Betriebliche Ergebisse des LD-processes bei Zufur von Inerigasen durch den Tiegelboden // Berg – und Hüttemännische Monatshefte. 1983. No. 9. S. 332 – 338.Krieger W., Proferl G., Pochmarskital L. Metallurgische und Betriebliche Ergebisse des LD-processes bei Zufur von Inerigasen durch den Tiegelboden. Berg – und Hüttemännische Monatshefte. 1983, no. 9, pp. 332–338.Haastert H.P., Hoffken E. Konverterstahlwerke kombiniertes blasen und das TBM-verfahren in den Stahlwerken der Thyssen // Stahl Agll Thyssen Technische Berichte. 1985. No. 1. S. 1 – 10.Haastert H.P., Hoffken E. Konverterstahlwerke kombiniertes blasen und das TBM-verfahren in den Stahlwerken der Thyssen. Stahl Agll Thyssen Technische Berichte. 1985, no. 1, pp. 1–10.Jacobs H. Q-BOP process – after eleven years // Metals. 1973. Vol. 25. No. 3. Р. 33 – 41.Jacobs H. Q-BOP process – after eleven years. Metals. 1973, vol.  25, no. 3, pp. 33–41.Афонин С.З., Вяткин Ю.Ф., Югов П.И. Повышение эффективности конвертерного производства стали путем внедрения комбинированной продувки и динамических систем управления технологическим процессом // Сталь. 1986. № 10. С. 5 – 7.Afonin S.Z., Vyatkin Yu.F., Yugov P.I. Increasing the efficiency of converter steel production by introducing combined blowdown and dynamic process control systems. Stal’. 1986, no. 10, pp. 5–7. (In Russ.).Kitamura M., Hoh S. LD-converter way of combined blowing // Kobe Steel Eng. Repts. 1982. Vol. 32. No. 4. P. 85 – 87.Kitamura M., Hoh S. LD-converter way of combined blowing. Kobe Steel Eng. Repts. 1982, vol. 32, no. 4, pp. 85–87.Mink P., Van Unen G., Deo B. Development in the bath agitation process at hoogovens. – In: 1 EOS Congress. Dusseldorf. 1993. P. 65 – 70.Mink P., Van Unen G., Deo B. Development in the bath agitation process at hoogovens. In: 1 EOS Congress. Dusseldorf. 1993, pp.  65–70.Федорович В.Г., Карп С.Ф. Комбинированная продувка высокофосфористого чугуна в лабораторном конвертере // Изв. вуз. Черная металлургия. 1960. № 8. С. 34 – 37.Fedorovich V.G., Karp S.F. Combined blowing of high-phosphoric iron in a laboratory converter. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1960, no. 8, pp. 34–37. (In Russ.).Ohnishi M., NagaiJ., Yamamoto T. etс. Metallurgical characteristics and operation of oxygen top and bottom blowing at Mizushima Works // Ironmak. And Steelmak. 1983. Vol. 10. No. 8. P. 28 – 34.Ohnishi M., Nagai J., Yamamoto T. etс. Metallurgical characteristics and operation of oxygen top and bottom blowing at Mizushima Works. Ironmak. and Steelmak. 1983, vol. 10, no. 8, pp. 28–34.Jacobs H., Ceschin B., Dauby D., Claes J. Development and application of the LD-NC top and bottom blowing process // Iron and Steel Eng. 1981. Vol. 58. No. 12. P. 39 – 43.Jacobs H., Ceschin B., Dauby D., Claes J. Development and application of the LD-NC top and bottom blowing process. Iron and Steel Eng. 1981, vol. 58, no. 12, pp. 39–43.Bogdandy L., Von Brotzmann K., Fritz E. Improvements in bottom blowing by combined blowing technique and increase of the scrap rate // Iron and Steel Eng. 1981. No. 9. P. 58.Bogdandy L., Von Brotzmann K., Fritz E. Improvements in bottom blowing by combined blowing technique and increase of the scrap rate. Iron and Steel Eng. 1981, no. 9, pp. 58.Чернятевич А.Г., Протопопов Е.В., Ганзер Л.А. О некоторых особенностях окисления примесей в конверторной ванне при комбинированной продувке // Изв. вуз. Черная металлургия. 1987. № 4. С. 25 – 29.Chernyatevich A.G., Protopopov E.V., Ganzer L.A. On some peculiarities of oxidation of impurities in the converter bath with combined blowing. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1987, no. 4, pp. 25–29. (In Russ.).ПротопоповЕ.В.,Чернятевич А.Г.,ЮдинС.В. Гидродинамические особенности поведения конвертерной ванны при различных способах продувки // Изв. вуз. Черная металлургия. 1998. № 8. С. 23 – 29.Protopopov E.V., Chernyatevich A.G., Yudin S.V. Hydrodynamic features of converter bath behavior at various blowdown methods. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1998, no. 8, pp. 23–29. (In Russ.).Чернятевич А.Г., Бродский А.С., Пантейков С.П. Высокотемпературное моделирование поведения конвертерной ванны при комбинированной продувке кислородом // Изв. вуз. Черная металлургия. 1997. № 12. С. 27 – 31.Chernyatevich A.G., Brodskii A.S., Panteikov S.P. High-temperature modeling of converter bath behavior at combined oxygen blowing. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1997, no. 12, pp. 27–31. (In Russ.).Протопопов Е.В., Айзатулов Р.С., Ганзер Л.А. и др. Прикладное изучение движения жидкости в зоне продувки струями с разным динамическим напором // Изв. вуз. Черная металлургия. 1996. № 6. С. 18 – 23.Protopopov E.V., Aizatulov R.S., Ganzer L.A., Kalashnikov S.N., Verevkin G.I. Applied study of liquid motion in zone of blowing by jets with different dynamic head. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1996, no. 6, pp. 18–23. (In Russ.).Трубавин В.И., Просвирин К.С., Щедрин Г.А. и др. Особенности структуры и гидродинамики реакционной зоны при донной продувке конвертерной ванны кислородными и кислородно-то- пливными струями // Металлургия и коксохимия. 1979. № 63. С. 26 – 29.Trubavin V.I., Prosvirin K.S., Shchedrin G.A. etc. Features of structure and hydrodynamics of reaction zone at bottom blowing of converter bath by oxygen and oxygen-fuel jets. Metallurgiya i koksokhimiya. 1979, no. 63, pp. 26–29. (In Russ.).Якушевич Н.Ф,, Строкина И.В., Полях О.А. Определение па- раметров окислительно-восстановительных процессов в системе Fe – C – O2 – H2 // Изв. вуз. Черная металлурги. 2011. № 8. С. 13 – 18.Yakushevich N.F., Strokina I.V., Polyakh O.A. Parameters determination of oxidation and reduction processes in Fe – С – О2 – Н2 system. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2011, no. 8, pp. 13–18. (In Russ.). 2Сурис А.Л. Термодинамика высокотемпературных процессов. Справ. изд. – М.: Металлургия, 1985. – 568 с.Suris A.L. Termodinamika vysokotemperaturnykh protsessov. Sprav. izd [Thermodynamics of high-temperature processes]. Moscow: Metallurgiya, 1985, 568 p. (In Russ.).Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов / Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1969. – 252 с.Elliott John F., Gleiser Molly, Ramakrishna V. Thermochemistry for Steelmaking. Addison - Wesley Inc., 1963. (Russ.ed.: Elliott J., Gleiser M., Ramakrishna V. Termokhimiya staleplavil’nykh protsessov. Moscow: Metallurgiya, 1969, 252 p.).Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под ред. В.П. Глушко. – М.: Наука, 1979. – 1620 с.Termodinamicheskie svoistva individual’nykh veshchestv [Thermodynamic properties of individual substances]. Glushko V.P. ed. Moscow: Nauka, 1979, 1620 p. (In Russ.).Толстогузов Н.В. Теоретические основы и технология плавки кремнистых и марганцевых сплавов. – М.: Металлургия, 1992. – 239 с.Tolstoguzov N.V. Teoreticheskie osnovy i tekhnologiya plavki kremnistykh i margantsevykh splavov [Theoretical foundations and technology of melting of siliceous and manganese alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1992, 239 p. (In Russ.).Туркдоган Е.Т. Физическая химия высокотемпературных процессов / Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1985. – 355 с.Turkdogan E.T. Physical chemistry of high-temperature processes. Academic Press, 1980, 447 p. (Russ. ed. Turkdogan E.T. Fizicheskaya khimiya vysokotemperaturnykh protsessov. Moscow: Metallurgiya, 1985, 344 p.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.