Исследование особенностей дожигания отходящих газов в конвертере при использовании для продувки двухъярусных кислородных фурм

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 [С_ост ] %. Избыток кислорода в газовой фазе и присутствие значительного количества нейтрального газа в значительной степени уменьшают коэффициент использования выделяющегося тепла в агрегате.

1. Воскобойников 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.

2. Григорович К.В. Металлургия XXI века: современное состояние и направления развития. В кн.: Труды XIV международного конгресса сталеплавильщиков. М.: МИСиС, 2016. С. 56−65.

3. 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.

4. Takebayshi Т. The characteristics of BOF refining pretreated hot metal // International Oxygen Steelmaking Congress. Washington, USA. 1986. P. 557−562.

5. Лякишев Н.П., Шалимов А.Г. Сравнительная характеристика состояния кислородно­конвертерного производства стали в России и за рубежом. М.: Элиз, 2000. 64 с.

6. 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.

7. 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-x

8. Баптизманский 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.

9. Смоктий В.В., Лапицкий В.В., Белокуров Э.С. Комбинированные процессы выплавки стали в конвертерах. Киев: Техника, 1992. 163 с.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Протопопов Е.В., Чернятевич А.Г. Исследование взаимодействия кислородных струй с отходящими конвертерными газами // Известия вузов. Черная металлургия. 1996. № 10. С. 5−9.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Rymarchyk N. Post combustion lances in basic oxygen furnace (BOF) operations // Steelmaking Conference Proceedings. 1998. P. 445−449.

20. Somways N.L. Developments in the North­American iron and steel industry – 1994 // Iron and Steel Engineer. 1995. Vol. 71. No. 2. Р. D1−D24.

21. Чернятевич А.Г., Протопопов Е.В. Разработка наконечников двухконтурных фурм для кислородных конверторов // Известия вузов. Черная металлургия. 1995. № 12. С. 13−17.

22. Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. Cправочник / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1969. 252 с.

23. 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.2020.104853

24. De 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.202000282

25. Yao 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/ma13153353

26. Kwon 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.2020.58.8.550

27. Feng 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/s11837-021-04836-2

28. Zhang 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/met9040409

29. Liu 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.2018.2865414