Физико-химические процессы внепечного рафинирования металла

С учетом этого в конвертерах  различной вместимости фурму  устанавливают на высоте, соответствующей расстоянию до уровня ванны в спокойном состоянии от 0,8 до 4,8 м. В  этих пределах высота обычно возрастает при увеличении вместимости конвертера.

Действительное расстояние от фурмы до ванны по ходу продувки изменяется следствие вспенивания металла и шлака. В начале и в конце продувки, когда скорость окисления углерода не велика и металл вспенивается не значительно, фурма находится над ванной.  В  середине продувки, когда  интенсивность окисления углерода возрастает, большое количество выделяющихся пузырей монооксида  углерода  вспенивает верхнюю часть ванны и фурма оказывается погруженной в образующуюся  газо-шлако-металлическую эмульсию  (продувка в режиме заглубленной струи рис.2.1); при этом уровень ванны может достигать горловины конвертера.

 Изменение высоты  положения  фурмы   во  время продувки обычно  используют  для регулирования окисленности  шлака и ускорения его формирования. При этом  учитывают,  что в подфурменной зоне вдуваемый кислород  расходуется преимущественно  на прямое окисление железа, а образующиеся оксиды могут растворяться как в металле, так и в шлаке. При большом заглублении  кислородных струй в металлическую ванну  весь кислород  усваивается металлом. Уменьшение заглублений струй приближает зону прямого окисления к шлаку и в шлак переходит больше образующихся в этой зоне оксидов железа, как известно, существенно ускоряет растворение извести, т.е. шлакообразования (при этом несколько уменьшается поступление кислорода в металл, и, следовательно, скорость окисления углерода).

Пульсирующее  дутье. Пульсирующее  дутье предусматривает создание в процессе продувки пульсаций  кислородных струй с частотой от 200 до 800 Гц. Для создания пульсаций МИСиС было опробовано электромеханические и газодинамические  пульсаторы. Первые представляют собой установленный в кислородном канале фурмы перед соплами малогабаритный электродвигатель с горизонтально расположенной крыльчаткой,  при вращении которой периодически перекрывается вход в сопла фурмы, т.е. перекрывается поток кислорода. Эти пульсаторы сложны, требуют подвода к головке фурмы электропитания и инертного газа для защиты электродвигателя от попадания в него кислорода в связи с чем в настоящее время их не применяют.

Газодинамические пульсаторы представляют собой вставки различной  формы в кислородной трубе фурмы перед соплами, пазы или уступы в соплах; эти элементы создают застойные зоны в потоке кислорода, что вызывает его пульсацию.

Технологический эффект применения пульсирующего дутья основан  на том, что каждая из находящихся в подфурменной зоне продувки капель металла или кусков извести испытывает несколько сот воздействий ударной волны за одну секунду. При этом капли металла дробятся, сто увеличивает поверхность контакта металл-кислород, способствуя более  полному окислению примесей чугуна, и происходит механическое деление частиц  образующейся на поверхности  кусков извести тугоплавкой оболочки из  2СаО*SiO₂, что ускорят растворение извести.

Кислородно-конвертерный процесс с донной продувкой

  В середине 60-х годов  опытами по  вдуванию   струи    кислорода,  окруженной слоем углеводородов, была показана возможность через  днище  без  разрушения огнеупоров.  В  настоящее  время  в   мире   работают   несколько   десятков  конвертеров с донной  продувкой  садкой  до  250  т.  Каждая  десятая  тонн  конвертерной стали, выплавленной в мире, приходится на этот процесс.

  Основное отличие  конвертеров с донной продувкой  от конвертеров с  верхним  дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем, т. е.  объем  приходящийся на тонну продуваемого чугуна. В днище устанавливают от 7 до  21  фурм в зависимости от емкости конвертера.  Размещение  фурм  в  днище  может  быть различным. Обычно их располагают в одной половине днища так, чтобы  при  наклоне конвертера они были выше уровня жидкого  металла.  Перед  установкой  конвертера в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.

  В  условиях  донной  продувки  улучшаются  условия   перемешивания   ванны,  увеличивается поверхность металл-зарождения и выделения пузырьков СО.  Таким  образом, скорость обезуглероживания  при донной продувке выше  по  сравнению  с верхней.  Получение металла с содержанием углерода  менее 0,05  %  не  представляет затруднений.

  Условия удаления  серы при донной продувке  более   благоприятны,  чем  при  верхней. Это также связанно с  меньшей  окисленностью  шлака и увеличением  поверхности контакта газ -  металл.  Последнее  обстоятельство  способствует  удалению части серы в газовую фазу в виде SO₂.

  Преимущества процесса  с  донной  продувкой  состоят   в  повышении  выхода  годного металла на 1 - 2  %,  сокращении  длительности  продувки,  ускорении  плавления лома,  меньшей  высоте  здания  цеха  и  т.  д.  Это  представляет определенный интерес, прежде всего, для возможной замены мартеновских  печей  без коренной реконструкции зданий мартеновских цехов.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ  ОЦЕНКА  ПРОДУВКИ  СВЕРХУ И ЧЕРЕЗ ДНИЩЕ

По  сравнению с верхней  продувкой донная  продувка  кислородом имеет  ряд особенностей.  Некоторые  из  них  считают  положительными:

1. Уменьшается уровень вспенивания ванны и вероятность выбросов.
2. Существенно  снижается  окисленность  шлака и металла по ходу продувки;  окисленность шлака возрастает лишь при продувке до содержания в металле < 0,1 % С.
3. Значительно уменьшается вынос пыли с отходящими газами, поскольку крупные частицы поглощаются  при движении  через слой  металла и шлака, однако, поскольку пыль становится более мелкодисперсной, усложняется очистка конвертерных газов.
4. Повышается выход годного металла на 1-1,5 % в связи с отсутствием выбросов, снижением потерь железа в виде оксидов со шлаком и в виде пыли с отходящими газами.
5. Уменьшается количество окисляющегося при продувке марганца, что обеспечивает экономию марганцевых ферросплавов.
6. Уменьшается высота конвертера вследствие отсутствия вертикально перемещающейся фурмы.
7. Улучшаются условия выплавки стали с очень низким содержанием углерода. Более  быстрому и полному его окислению (образованию пузырей СО) способствует интенсивное перемешивание и возникновение в ванне дополнительных газовых полостей из продуктов разложения вдуваемых углеводородов, поэтому углерод легко окисляется до ~0,02 %.

При верхней продувке окисление  углерода до  содержания ниже 0,06…0,05 % не рекомендуется, т.к. при этом сильно окисляется железо и велики его потери со шлаком.

8. Более высокая степень дефосфорации и десульфурации при использовании порошкообразной извести.

Ряд  особенностей донной продувки   считается её недостатками (по сравнению с верхней продувкой):

1. Уменьшается на 2-4 % количество перерабатываемого лома, что связано с затратой тепла на разложение углеводродов и с уменьшением прихода тепла от окисления железа (в шлак) и в результате уменьшения доли углерода, окисляющегося до СО₂ (в отходящих газах при донной продувке содержится ~5 % СО₂, тогда как при продувке сверху ~10 %).
2. Формирование основного шлака лишь в конце продувки при использовании  кусковой извести; этот  недостаток можно исключить при использовании  порошкообразной извести, однако требуется специальное сложное оборудование для её помола и вдувания.
3. Необходима продувка металла инертным газом для удаления водорода, а также продувка инертным газом в межпродувочные периоды для охлаждения фурм, в связи с чем усложняется конструкция и эксплуатация днища, а также система подачи кислорода, защитных углеводородов и инертных газов.
4. Дополнительные простои конвертера при замене днищ.
5. В момент наклона конвертера дутьем выбрасывается в цех много капель металла, поэтому необходимо специальное ограждение для улавливания этих капель и дыма.
6. Отводимые газы содержат водород (до 20-30 % при малой скорости обезуглероживания), что повышает взрывоопасность при работе газоотводящего тракта без дожигания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ. Физический  смысл. Значения энергии активации для различных типов  процессов  массообмена.

 Для  массообмена  в пределах одной фазы движущей силой будет разность концентраций вещества, для теплообмена – разность температур двух участков и т.п. Скорость химической реакции определяется совокупностью огромного числа элементарных актов взаимодействия между частицами вещества (молекулами, атомами, ионами). В связи с этим движущая сила химической реакции определяется рядом факторов: концентрацией, температурой, мерой химического сродства и др.

В случае диффузионного  массообмена  образуется пограничный  слой, через который и происходит диффузия; следовательно, сопротивление будет пропорционально толщине этого слоя. При теплопередаче величина сопротивления зависит от коэффициентов теплопередачи контактирующих материалов (фаз) или пропорциональна толщине стенки, разделяющей две среды. В случае химической реакции в гомогенной системе с сопротивлением связана  энергия   активации  процесса.

 Энергия активации в элементарных реакциях – это минимальная энергия реагентов (атомов, молекул и др. частиц), достаточная для того, чтобы они вступили в хим. реакцию, т. е. для преодоления барьера на поверхности потенциальной энергии, отделяющего реагенты от продуктов реакции. Потенциальный барьер - максимум потенциальной энергии, через который должна пройти система в ходе элементарного акта хим. превращения. Высота потенциального барьера для любого пути, проходящего через переходное состояние, равна потенциальной энергии в переходном состоянии. Если в сложной реакции, состоящей из последовательных и параллельных элементарных реакций, имеется лимитирующая элементарная реакция (реакция с макс. характерным временем), то ее энергия активации является и энергией активации сложной реакции.

В макроскопической химической кинетике энергия активации – это энергетический параметр Еа, входящий в Аррениуса уравнение:  

К = Аexp (-Ea/ kТ)

где к - константа скорости; А - предэкспоненциальный множитель (постоянная или слабо зависящая от температуры величина); k - константа Больцмана; Т – абсолютная температура. График зависимости lnk от 1/kT (аррениусов график) - прямая линия. Наблюдаемая энергия активации вычисляется из тангенса угла наклона этой прямой. В общем случае сложных реакций параметр Еа в уравнении Аррениуса является функцией энергии активации отдельных стадий, и определяемая энергия активации наз. эффективной (эмпирической, кажущейся).

Любой процесс, сопровождающийся каким-либо изменением энергии, является экзотермическим в одном направлении и эндотермическим в другом. Энергии активации экзотермических и эндотермических направлений реакции, обозначаемые соответственно Е^-_а  и Е⁺_а , связаны соотношением:

Е⁺_а  = Е^-_а +│Q│ 

где Q - теплота реакции при Т= 0.

Качественная одномерная геометрическая иллюстрация связи энергии активации с высотой потенциального барьера и теплотой реакции представлена на рис.3.1, где Е1 и Е2 - уровни энергии соотв. основного состояния реагентов и продуктов реакции.

 Рисунок 3.1 Энергетическая  схема элементарной реакции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перечень  использованных  источников

1. Меджибожский  М. Я.  Основы  термодинамики и кинетики  сталеплавильных процессов. – Киев;  Донецк:  Вища шк.  Головн. Изд-во,  1986 – 280 с.
2. Баптизманский В.И., Охотский В.Б.  Физико-химические  основы  кислородно-конвертерного процесса. – Киев; Донецк; Вища  школа, 1984. – 184 с.
3. Якушев А.М. Справочник   конвертерщика. – Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1990. - 403 с.
4. Явойский В.И.,  Левин С.Л., Баптизманский В.И., Умрихин П.В., Меджибожский М.Я., Поволоцкий Д.Я., Ойкс Г.Н., Черненко М.А., Абросимов Е.В. М., «Металлургия», 1973, с.  26-27.
5. Кондратьев В. Н., Никитин Е. Е., Тальрозе В. Л., в кн.: Низкотемпературная плазма, М., 1967, с. 13-34; Термические бимолекулярные реакции в газах, М., 1976; Кузнецов Н.М., Савров С.Д., "Химическая физика", 1990, т. 9, № 3, с. 356-69.