blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-12-912-920blackmet-2222Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESИсследование особенностей дожигания отходящих газов в конвертере при использовании для продувки двухъярусных кислородных фурмFeatures of exhaust gases afterburning in a converter when using two-tier oxygen lances for refininghttps://orcid.org/0000-0002-7554-2168ПротопоповЕ. В.ProtopopovE. V.

Евгений Валентинович Протопопов, д.т.н., профессор кафедры металлургии черных металлов

654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Evgenii V. Protopopov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Ferrous Metallurgy

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007

protopopov@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7985-5666ТемлянцевМ. В.TemlyantsevM. V.

Михаил Викторович Темлянцев, д.т.н., профессор, проректор по учебной и воспитательной работе

654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Mikhail V. Temlyantsev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Vice-Rector for Educational and Tutorial Work

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007

uchebn_otdel@sibsiu.ruЯкушевичН. Ф.YakushevichN. F.

Николай Филиппович Якушевич, д.т.н., профессор, профессор- консультант кафедры металлургии цветных металлов и химической технологии

654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Nikolai F. Yakushevich, Dr. Sci. (Eng.), Prof.-Consultant of the Chair “Non-Ferrous Metallurgy and Chemical Engineering”

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007

Yakushevich@cmet.sibsiuСолоненкоВ. В.SolonenkoV. V.

Виталий Владимирович Солоненко, соискатель степени к.т.н. кафедры металлургии черных металлов

654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Vitalii V. Solonenko, Candidates for a degree of Cand. Sci. (Eng.) of the Chair of Ferrous Metallurgy

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007

Solonenko-nvkz@mail.ruСафоновС. О.SafonovS. O.

Сергей Олегович Сафонов, ассистент кафедры металлургии черных металлов

654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Sergei O. Safonov, Assistant of the Chair of Ferrous Metallurgy

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007

sergey.safonov.1950@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation2021240120226412912920Copyright © Протопопов Е.В., Темлянцев М.В., Якушевич Н.Ф., Солоненко В.В., Сафонов С.О., 20222022Протопопов Е.В., Темлянцев М.В., Якушевич Н.Ф., Солоненко В.В., Сафонов С.О.Protopopov E.V., Temlyantsev M.V., Yakushevich N.F., Solonenko V.V., Safonov S.O.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/2222

Выполнено теоретическое обоснование повышения эффективности дожигания конвертерных газов в агрегате при двухъярусной подаче разноимпульсных кислородных струй и сгорании СО до СО2 в канальном потоке газов, выходящих из реакционной зоны. Проведен термодинамический анализ процесса дожигания отходящих газов в полости конвертера при использовании для продувки двухъярусных кислородных фурм. Показано, что при вдувании кислородных газовых струй через сопла верхнего яруса с расходом 10 – 40 % от общего минутного расхода не обеспечивается достаточно полное дожигание оксида углерода СО. Лимитирующими факторами являются неравномерное количество и неорганизованный выход образующегося в реакционных зонах СО в различные периоды операции, низкая эффективность перемешивания отходящего потока с высокоскоростными газовыми струями и чрезмерно избыточное количество кислорода, подаваемого для дожигания, недостаточное смешение компонентов газовой фазы и низкая скорость реакции. Показано, что при обеспечении условий для дожигания СО до соотношения концентрации в газовой фазе image температура отходящего газа в полости конвертера может возрастать с 1800 до 2000 К, далее тепловой эффект от экзотермической реакции уменьшается. Количество кислорода, вдуваемого для дожигания СО, должно соответствовать остаточному содержанию углерода в металле при выполнении условия м3/мин ≈ 100 [Сост ] %. Избыток кислорода в газовой фазе и присутствие значительного количества нейтрального газа в значительной степени уменьшают коэффициент использования выделяющегося тепла в агрегате.

The theoretical substantiation was carried out for increasing the efficiency of converter gases afterburning in the unit with a two­tier supply of multi­pulse oxygen jets and combustion of CO to CO2 in the channel flow of gases leaving the reaction zone. The authors made the thermodynamic analysis of the process of exhaust gases afterburning in converter cavity when using two­tier oxygen lances for refining. It is shown that when oxygen gas jets are blown through the upper­tier nozzles with a flow rate of 10 – 40 % of the total minute flow rate, a sufficiently complete afterburning of carbon monoxide CO is not provided. The limiting factors are the uneven amount and disorganized output of the CO formed in the reaction zones during various operation periods, low efficiency of mixing the waste stream with high­speed gas jets and an excessively excessive amount of oxygen supplied for afterburning, insufficient mixing of the components of the gas phase and low reaction rate. It is shown that when the conditions are provided for CO afterburning to the concentration ratio in the gas phase, temperature of the exhaust gas in the converter cavity can increase from 1800 to 2000 K, then the thermal effect of the exothermic reaction decreases. The amount of oxygen injected for CO afterburning must correspond to the residual carbon content in the metal at m3/min ≈ 100 [Сост ] %. Excess of oxygen in the gas phase and presence of a significant amount of neutral gas significantly reduce the utilization rate of the generated heat in the unit.

конвертердвухъярусная фурмадожигание отходящих газовгазовые струимонооксид углеродаэнтальпияэнергия Гиббсаconvertertwo-tier lanceafterburning of exhaust gasesgas jetscarbon monoxideenthalpyGibbs energyReferencesВоскобойников В.Г., Перказов И.М., Завидонский В.А. Внедоменная обработка чугуна за рубежом. Серия «Подготовка сырьевых материалов к металлургическому переделу и производство чугуна». Вып. 2. М.: Институт «Черметинформация», 1986. 32 с.Voskoboinikov V.G., Perkazov I.M., Zavidonskii V.A. Non­Straw Cast Iron Processing Abroad. Series “Preparation of Raw Materials for Metallurgical Processing and Production of Cast Iron”. Issue 2. Moscow: Institute “Chermetinformatsiya”, 1986, 32 p. (In Russ.).Григорович К.В. Металлургия XXI века: современное состояние и направления развития. В кн.: Труды XIV международного конгресса сталеплавильщиков. М.: МИСиС, 2016. С. 56−65.Grigorovich K.V. Metallurgy of the XXI century: Current state and development directions. In: Proceedings of the XIV Int. Congress of Steelmakers. Moscow: MISiS, 2016, pp. 56–65. (In Russ.).Туркдоган Е.Т. Технологические усовершенствования в инжекционной металлургии и в процессах рафинирования металла в ковше в 80­х годах // Инжекционная металлургия’86. Труды конференции. М.: Металлургия, 1990. С. 10−44.Turkdogan E.T. Technological improvements in injection metallurgy and in metal refining processes in a ladle in the 80s. In: Injection Metallurgy’86. Conf. Proceedings. Moscow: Metallurgiya, 1990, pp. 10–44. (In Russ.).Takebayshi Т. The characteristics of BOF refining pretreated hot metal // International Oxygen Steelmaking Congress. Washington, USA. 1986. P. 557−562.Takebayshi Т. The characteristics of BOF refining pretreated hot metal. International Oxygen Steelmaking Congress. Washington, USA, 1986, pp. 557−562.Лякишев Н.П., Шалимов А.Г. Сравнительная характеристика состояния кислородно­конвертерного производства стали в России и за рубежом. М.: Элиз, 2000. 64 с.Lyakishev N.P., Shalimov A.G. Comparative Characteristics of the State of Oxygen­Converter Steel Production in Russia and Abroad. Moscow: Eliz, 2000, 64 p. (In Russ.).Югов П.И. Современное состояние мировой практики конвертерного производства и научные направления его развития в России // Черная металлургия. Бюллетень научно­технической и экономической информации. 2001. № 9. С. 9−13.Yugov P.I. The Current state of the world practice of converter production and scientific directions of its development in Russia. Ferrous Metallurgy. Bulletin of Scientific, Technical and Economic Information. 2001, no. 9, pp. 9–13. (In Russ.).Kruskopf A., Visuri V.­V. A Gibbs energy minimization approach for modeling of chemical reactions in a basic oxygen furnace // Metallurgical and Materials Transactions B. 2017. Vol. 48. No. 6. P. 3281–3300. https://doi.org/10.1007/s11663-017-1074-xKruskopf A., Visuri V.­V. A Gibbs energy minimization approach for modeling of chemical reactions in a basic oxygen furnace. Me­ tallurgical and Materials Transactions B. 2017, vol. 48, no. 6, pp. 3281–3300. https://doi.org/10.1007/s11663-017-1074-xБаптизманский В.И., Куликов В.О., Китаев А.Т. и др. Работа 130­т конвертеров, оборудованных двухъярусными фурмами // Экспресс­информация ЦНИИ и ТЭИ ЧМ. 1974. Сер. 6. Вып. 3. С. 1−14.Baptizmanskii V.I., Kulikov V.O., Kitaev A.T., etc. Operation of 130­t converters equipped with two­tier lances. Ekspress­informatsiya TsNII i TEI ChM. 1974, series 6, no. 3, pp. 1–14. (In Russ.).Смоктий В.В., Лапицкий В.В., Белокуров Э.С. Комбинированные процессы выплавки стали в конвертерах. Киев: Техника, 1992. 163 с.Smoktii V.V., Lapitskii V.V., Belokurov E.S. Combined Processes of Steel Smelting in Converters. Kiev: Technika, 1992, 163 p. (In Russ.).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.Протопопов Е.В., Чернятевич А.Г. О повышении эффективности продувки конвертерной ванны с дожиганием отходящих газов в полости конвертера // Известия вузов. Черная металлургия. 1996. № 2. С. 1−5.Protopopov E.V., Chernyatevich A.G. On increasing the efficiency of converter bath refining with exhaust gases afterburning in converter cavity. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1996, no. 2, pp. 1−5. (In Russ.).Протопопов Е.В., Лаврик Д.А., Чернятевич А.Г., Мастеровенко Е.Л. Повышение эффективности дожигания отходящих газов в конвертерах с жидкофазным восстановлением // Известия вyзов. Черная металлургия. 2001. № 6. С. 13−17.Protopopov E.V., Lavrik D.A., Chernyatevich A.G., Masterovenko E.L. Improvement in efficiency of post combustion of off­gases in basic oxygen converters with liquid-phase reduction. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2001, no. 6, pp. 13−17. (In Russ.).Протопопов Е.В., Чернятевич А.Г. Исследование взаимодействия кислородных струй с отходящими конвертерными газами // Известия вузов. Черная металлургия. 1996. № 10. С. 5−9.Protopopov E.V., Chernyatevich A.G. Investigation of oxygen jets interaction with exhaust converter gases. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1996, no. 10, pp. 5−9. (In Russ.).Chatterjee A. On some aspects of supersonic jets of interest in LD steelmaking // Iron and Steel International. 1973. Vol. 16. No. 1. P. 38–40.Chatterjee A. On some aspects of supersonic jets of interest in LD steelmaking. Iron and Steel International. 1973, vol. 16, no. 1, pp. 38–40.Tabata Y., Marsh R.C., Kelly P. Improvement of ВОР steel refining blowing control using wide angle lance nozzles // Steelmaking Conference Proceedings. 1998. P. 451−457.Tabata Y., Marsh R.C., Kelly P. Improvement of ВОР steel refining blowing control using wide angle lance nozzles. Steelmaking Conference Proceedings. 1998, pp. 451−457.Жульковский О.А., Чернятевич А.Г., Гресс А.В. Численное исследование процесса дожигания отходящих газов в конвертере // Известия вузов. Черная металлургия. 1993. № 1. С. 19−22.Zhul’kovskii O.A., Chernyatevich A.G., Gress A.V. Numerical investigation of exhaust gases afterburning in a converter. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1993, no. 1, pp. 19−22. (In Russ.).Чернятевич А.Г., Айзатулов Р.С., Протопопов Е.В. Комбинированная продувка металла с подачей нейтрального газа сверху и через днище конвертера // Сталь. 1989. № 5. С. 20−23.Chernyatevich A.G., Aizatulov R.S., Protopopov E.V. Combined metal blowing with inert gas delivery from above and through converter bottom. Steel in the USSR. 1989, vol. 19, no. 5, pp. 202–204.Normanton A.S., Davies M.W., Spenceley G.D., Kreijger P.J. Technical StaancTJoint development of BSC / Hoogovens bath agitation process and scrap enhancement in basic oxygen steelmaking // Steelmaking Conference Proceedings. 1986. Vol. 69. P. 599−612.Normanton A.S., Davies M.W., Spenceley G.D., Kreijger P.J. Technical StaancTJoint development of BSC. Hoogovens bath agitation process and scrap enhancement in basic oxygen steelmaking. Steelmaking Conference Proceedings. 1986, vol. 69, pp. 599−612.Rymarchyk N. Post combustion lances in basic oxygen furnace (BOF) operations // Steelmaking Conference Proceedings. 1998. P. 445−449.Rymarchyk N. Post combustion lances in basic oxygen furnace (BOF) operations. Steelmaking Conference Proceedings. 1998, pp. 445−449.Somways N.L. Developments in the North­American iron and steel industry – 1994 // Iron and Steel Engineer. 1995. Vol. 71. No. 2. Р. D1−D24.Somways N.L. Developments in the North­American iron and steel industry – 1994. Iron and Steel Engineer. 1995, vol. 71, no. 2, pp. D1−D24.Чернятевич А.Г., Протопопов Е.В. Разработка наконечников двухконтурных фурм для кислородных конверторов // Известия вузов. Черная металлургия. 1995. № 12. С. 13−17.Chernyatevich A.G., Protopopov E.V. Development of tips of double-circuit lances for oxygen converters. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1995, no. 12, pp. 13−17. (In Russ.).Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. Cправочник / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1969. 252 с.Elliott J.F., Gleiser M., 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.).Li Z., Hanaoka T. Development of large­point source emission downscale model by estimating the future capacity distribution of the Chinese iron and steel industry up to 2050 // Resources, Conservation and Recycling. 2020. Vol. 161. Article 104853. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2020.104853Li Z., Hanaoka T. Development of large­point source emission downscale model by estimating the future capacity distribution of the Chinese iron and steel industry up to 2050. Resources, Conservation and Recycling. 2020, vol. 161, article 104853. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2020.104853De Vos L., Cnockaert V., Bellemans I., Vercruyssen C., Verbeken K. Critical assessment of the applicability of the foaming index to the industrial basic oxygen steelmaking process // Steel Research International. 2021. Vol. 92. No. 1. Article 2000282. http://doi.org/10.1002/srin.202000282De Vos L., Cnockaert V., Bellemans I., Vercruyssen C., Verbeken K. Critical assessment of the applicability of the foaming index to the industrial basic oxygen steelmaking process. Steel Research International. 2021, vol. 92, no. 1, article 2000282. http://doi.org/10.1002/srin.202000282Yao L., Zhu R., Tang Y., Wei G., Dong K. Effect of furnace gas composition on characteristics of supersonic oxygen jets in the converter steelmaking process // Materials. 2020. Vol. 13. No. 15. Article 3353. https://doi.org/10.3390/ma13153353Yao L., Zhu R., Tang Y., Wei G., Dong K. Effect of furnace gas composition on characteristics of supersonic oxygen jets in the converter steelmaking process. Materials. 2020, vol. 13, no. 15, article 3353. https://doi.org/10.3390/ma13153353Kwon J.­H., Lee J.­A., Lee K.­U., Han J.­W. A study on the supersonic jet nozzle to improve of the operating efficiency of the converter process // Korean Journal of Metals and Materials. 2020. Vol. 58. No. 8. P. 550−559. https://doi.org/10.3365/KJMM.2020.58.8.550Kwon J.­H., Lee J.­A., Lee K.­U., Han J.­W. A study on the supersonic jet nozzle to improve of the operating efficiency of the conver­ ter process. Korean Journal of Metals and Materials. 2020, vol. 58, no. 8, pp. 550−559. https://doi.org/10.3365/KJMM.2020.58.8.550Feng C., Chen S., Dong J., Zhu R., Wei G., Dong K. Influence of preheating temperature on the characteristics of O2 + CO2 jet by mixed injection with a swirling oxygen nozzle // JOM. 2021. Vol. 73. No. 10. P. 2985−2994. https://doi.org/10.1007/s11837-021-04836-2Feng C., Chen S., Dong J., Zhu R., Wei G., Dong K. Influence of preheating temperature on the characteristics of O2 + CO2 jet by mixed injection with a swirling oxygen nozzle. JOM. 2021, vol. 73, no. 10, pp. 2985−2994. https://doi.org/10.1007/s11837-021-04836-2Zhang B., Chen K., Wang R., Liu C., Jiang M. Physical modelling of splashing triggered by the gas jet of an oxygen lance in a converter // Metals. 2019. Vol. 9. No. 4. Article 409. https://doi.org/10.3390/met9040409Zhang B., Chen K., Wang R., Liu C., Jiang M. Physical modelling of splashing triggered by the gas jet of an oxygen lance in a converter. Metals. 2019, vol. 9, no. 4, article 409. https://doi.org/10.3390/met9040409Liu C., Tang L., Liu J., Tang Z. A dynamic analytics method based on multistage modeling for a BOF steelmaking process // IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 2019. Vol. 16. No. 3. P. 1097−1109. https://doi.org/10.1109/TASE.2018.2865414Liu C., Tang L., Liu J., Tang Z. A dynamic analytics method based on multistage modeling for a BOF steelmaking process. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 2019, vol. 16, no. 3, pp. 1097−1109. https://doi.org/10.1109/TASE.2018.2865414

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