<<
>>

Мощность перемешивания в характерных зонах шлаковой ванны.

Для анализа основных взаимодействий в шлаковой ванне необходимо изучение поля локальной мощности диссипации кинетической энергии. В качестве первого приближения можно провести оценку мощностей перемешивания в характерных зонах ванны.
При расчетах использовали методику энергетического анализа пневматического перемешивания А.А. Варенцова [56]. Приведем пример расчетов.

При переработке шлама (20 т/час, влажность 8%) с подачей угля - 17 т/час (летучие 16%, влажность 8%) и дутья на одну нижнюю фурму 625 нм3/час (70% О2) общая мощность перемешивания барботируемого шлакового расплава в печи составляла^ = 877,1 кВт (41,4 кВт/м3).

В области поверхностного слоя выделялось 117,4 кВт/м3 (37,6% от Nnep). При этом мощность перемешивания барботажным дутьем составляла 252,2 кВт (90,1 кВт/м3; 34,0 Вт/кг шлака), а газами, образующимися вне зон компактного выхода бар- ботирующего газа - 77,6 кВт.

В основном барботажном слое выделялось 36,5 кВт/м3 (53,8% от Nnep). Мощность перемешивания барботирующим газом составляла 401,6 кВт (30,1 кВт/м3; 11,4 Вт/кг), а продуктами химического реагирования вне барботажных столбов - 70 кВт.

В области фурменного пояса (учитывали только кинетическую энергию струй) выделялось 75,7 кВт (5,3 Вт/кг) или 13,9 кВт/м3 (8,6% от N„ep).

Исследование эффективности перемешивания шлаковой ванны. Как

показано в разделе 3.5., распределение оксидов железа по высоте шлаковой ванны неравномерно. Это связано с особенностями распределения в ванне основных восстанавливающих агентов - частиц угля и капель науглероженного железа. В то же время, сканирование химического состава шлака в ванне, как по длине, так и по высоте печи показало высокую степень гомогенизации расплава по остальным компонентам шлака. Химический состав шлака, одновременно отобранного с различных горизонтов ванны и с двух противоположных торцов печи, отличается не более чем на 1% по CaO, Si02) А1203, MgO.

В связи с этим оценили степень приближения ванны барботируемого шлака к реактору идеального смешения.

Печь РОМЕЛТ принадлежит к типу открытых систем, предельным случаем которых является реактор полного смешения. Под реактором полного смешения понимается такой реактор, в который непрерывно подаются исходные вещества и из кото-

рого непрерывно выводится реакционная смесь, содержащая продукты реакции, но внутри реактора в результате интенсивного перемешивания система однородна [59]. Реальные устройства в той или иной степени приближаются к данному предельному случаю. Вопрос о том насколько данная конкретная система отвечает сформулированным выше требованиям имеет большое практическое значение поскольку позволяет наметить конкретные пути интенсификации процесса, оптимизации эксплуатационных параметров, автоматизации и управления процессом.

Проблема особенно актуальна для агрегата жидкофазного восстановления. Поскольку скорости протекающих в нем процессов велики, то это требует осуществления воздействий в рамках реального времени.

Достаточно большие объем и площадь рабочей ванны, локальная загрузка реагентов, различия физических свойств исходного сырья (уголь, железосодержащие материалы, флюсующие) и продуктов (железоуглеродного и шлакового расплавов, газообразных продуктов реакции) делают проблему достижения однородности ванны по всем параметрам достаточно сложной и приводят к необходимости детального изучения распределения реагентов по длине и глубине ванны, скоростей и интенсивности перемешивания.

Протекающие в шлаковой ванне процессы восстановления эндотермичны и требуют подвода тепла извне. Основная часть тепла подводится из надслоевого пространства. Поскольку восстановительные процессы протекают, в основном, в верхней части барботажного слоя, то это требует интенсивной передачи тепла с поверхности шлаковой ванны, воспринимающей тепловой поток из надслоевого пространства, в ее объем, что может быть обеспечено лишь перемешиванием расплава. Интенсивность передачи тепла определяется интенсивностью перемешивания.

Восстановление оксидов (в основном оксидов железа) в шлаковой ванне осуществляется углеродом угля у поверхности и в объеме шлаковой ванны, что также может быть обеспечено лишь с помощью интенсивного перемешивания.

Локальность загрузки требует перемешивания как по глубине, так и по длине и ширине ванны.

Сложность протекающих в агрегате процессов, высокие температуры, различие в свойствах участвующих в процессе реагентов (газ, жидкость, твердое вещество), гетерогенность реакционной зоны делают весьма проблематичной возможность мо-

дельного изучения процессов в ванне (в частности, перемешивания) и перенесения полученных на модели результатов на реальный объект.

В силу перечисленных выше причин, обусловленных многофакторностью процесса, прямое изучение протекающих в агрегате процессов, в том числе и перемешивания, также связано со значительными трудностями.

Однако получение таких данных непосредственно на работающем агрегате представляет несомненный интерес, поскольку позволяет получить результаты, дающие возможность объективно судить о протекающих в системе процессах, вносить необходимые коррективы с целью их оптимизации и совершенствования управления процессом.

Анализ данных, полученных в ходе опытных плавок, позволяет судить об уровне перемешивания в разных зонах агрегата и количественно его описать.

Барботажиый слой. Перемешивание изучалось при введении добавок марганцевой руды в шихту по изменению концентрации оксида марганца в шлаке во времени, поскольку в условиях опытов большая часть оксидов марганца переходила в шлак (~ 90%). Отбор проб шлака осуществлялся из печи и с желоба в период выпуска шлака путем намораживания шлака на стальной стержень.

На рис. 48 (а) приведена зависимость концентрации оксида марганца в шлаке в пробах, отбранных из ванны в районе фурмы № 10, как функция времени в процессе плавки на одной из кампаний.

Знание количества загруженного оксида марганца и скорости загрузки, а также изменения содержания оксида марганца в шлаке как функции времени (левая восходящая ветвь кривой), позволяет определить массу шлака, в которой распределяется введенный оксид марганца за время подачи марганцевой руды.

Изменение концентрации оксида марганца во времени после прекращения загрузки (правая нисходящая ветвь кривой) обусловлено разбавлением шлака поступающей пустой породой. Для случая реактора полного смешения эта зависимость может быть получена из дифференциального уравнения:

dC

Мш~сй = тш<Лй ~~тшС ~ШметСмет (4-3)

здесь С - концентрация МпО в шлаке, % (масс.); а^ - концентрация (МпО) в загружаемой пустой породе (вновь возникающем шлаке), %, масс.; тш- скорость загрузки пустой породы (скорость образования шлака), т/ч; шмет - скорость образования металла,

1\[Мп\

т/ч; Смепг ———— — 1,2У[ми]- эквивалентная концентрация (МпО) в металле, %,

масс.; [Мп] - концентрация марганца в металле, %, масс.; M^,- масса барботируемого шлакового расплава в реакторе, т; t - время, ч.

17.00 21.00 1.00 5.00 19.00 23.00 3.00 Время, час

Рис. 48 Зависимость концентрации (МпО) как функция времени (а) и результаты обработки нисходящей ветви кривой поз. (а) в координатах In (C(t)-ao/k) - время (б)

(4.4)

Решением уравнения (4,3) является:

к к М,„.

т„„ где C(t) - текущая концентрация (МпО), %, масс.; С0 - начальная концентрация (МпО) (отвечает моменту окончания загрузки порции марганцевой руды), %, масс.; С т

коэффициент распределения марганца между металлом и шла

- 1,29

{Мп\ (Мп)

г

у^ _. мет

ком;

- выход шлака на тонну металла.

Величина Т представляет собой

т

mk постоянную времени реактора (ч), определяющую скорость изменения концентрации оксида марганца в реакторе как функцию времени. Скорость образования шлака тш определяется параметрами загрузки и может быть рассчитана по формуле: (4.5)

1 - 0,01 (%FeO) где Wh Pj, Qi - скорость загрузки угля, рудной части шихты, флюсующих, т/ч; W2, Р2, Qi - соответственно влажность, масс, доля; fVj, Р3, Q3 - соответственно содержание пустой породы (шлакообразующих), масс. доля. ф На рис. 48 (б) приведены результаты обработки кривой рис. 48 (а) (правой

нисходящей ветви) в координатах ln(C(t)-a.(/k) - время.

Скорость образования шлака для этого периода составляет 4,638 т/ч.

Экспериментальные результаты достаточно хорошо аппроксимируются линейной зависимостью, что свидетельствует о возможности рассматривать ванну как реактор полного смешения. В результате обработки кривой на рис. 48 (б) получены значения постоянной времени реактора - 8,65 ч и массы шлака в реакционной зоне - 40,1 т.

На восходящей ветви масса барботажного слоя может быть рассчитана из "мгновенного" материального баланса, поскольку время загрузки мало (45 мин) и общее количество загруженного материала за этот период также мало (масса шлака, Ь образующегося за период загрузки, порядка 4 т, что существенно меньше общей мас

сы шлака, находящегося в печи 80 т) и в барботируемом слое (~ 40 т)).

Изменение концентрации МпО в шлаке на восходящей ветви также описывается уравнением (4.4), но поскольку, как уже отмечалось выше, время загрузки мало по сравнению с постоянной времени ванны (0,75 ч против 6-7 ч), то экспонента может быть разложена в ряд, содержащий лишь два члена. Тогда

C(t) = C0+Q-C0)^t (4.6)

к Мш

где С0 - концентрация МпО в шлаке в момент времени t = 0, т.е. начала загрузки.

Для кривой, приведенной на рис. 48 (а) значение С0 - 3,12%, С,=4,52%, шш = 5,752 т/ч, а0 = 15,87%, к~ 1,07, t = 0,75 ч. Рассчитанное на основании приведенных данных значение Мш = 38,6 т.

Продольное распределение концентраций.

Постоянная перемешивания и масса Ь барботажного слоя являются лишь интегральными характеристиками перемешивания

и отражают характер перемешивания всего расплава. С практической точки зрения представляет также интерес распределение концентрации реагентов по длине и глу-

бине ванны, отражающее равномерность распределения компонентов расплава по объему ванны и скорость установления стационарного распределения.

Для изучения такого распределения осуществлялся одновременный отбор проб из двух точек по длине печи, расположенных на ее концах по разные стороны от загрузочного отверстия (фурмы 10 и 15). Точки отбора находились также на разном расстоянии от загрузочного отверстия. В процессе отбора проб осуществлялась загрузка марганцевой руды. За время порядка 15 мин было загружено 0,7 т марганцевой руды (0,135 т МпО). Поскольку масса барботажного слоя составляла около 40 т, то это должно было привести к повышению концентрации МпО в ванне на величину ~ 0,3%. Отбор проб осуществлялся в течение часа с интервалом 10 мин. Концентрация МпО в печи перед началом загрузки составляла 2,7%. В процессе загрузки происходило увеличение концентрации оксида марганца в обеих точках отбора, рис. 49. Подача Мп РУДЫ 3.0 ж i 2,8 а 2.6 2.4 х®0 О О

-О :: х

® ® ® О

20

80

40 60

' Время, мин Рис. 49 Зависимость концентрации оксида марганца от времени. Точки отбора: х-фурмаN10; о —фурмаN15

Концентрация повышалась до 2,9-3,0%. Концентрации на разных сторонах печи оказались практически идентичными, хотя на начальном участке кривой концентрации в пробах из фурмы 10 оказались несколько выше, чем концентрации в пробах, отобранных на противоположной стороне печи (3% против 2,9%). Однако это различие может являться следствием неточности химического анализа.

Интенсивность массообмена между шлаковой ванной и барботажными столбами. Эта составляющая массообмена играет в процессе РОМЕЛТ существенную роль, поскольку целый ряд процессов (горение топлива, выгорание серы из шлака) протекает именно в зоне барботажных столбов.

Прямое изучение этого слагаемого перемешивания в рамках действующего агрегата весьма затруднительно, поскольку интегральные характеристики перемешивания (распределение концентрации в преде-

лах барботажного слоя) обеспечиваются не только перемешиванием в зоне барботажных столбов, но и наличием макроциркуляционных вихрей в ванне.

Интенсивность массообмена шлаковой ванны с барботажными столбами определялась по интенсивности выгорания серы из шлака непосредственно после заливки доменного шлака в печь, на «старте», когда объем шлаковой ванны остается постоянным, а загрузка рудосодержащей шихты и угля, обеспечивающих поступление серы в расплав, отсутствует.

Интенсивность перемешивания в барботажных столбах столь велика, что они, несомненно, могут рассматриваться как реакторы полного смешения. В этом случае изменение концентрации серы в шлаке во времени также описывается уравнением для открытого реактора

CI(/) = Cjexр(-1) (4.7)

где Cq _ начальная концентрация серы в шлаке, % (по массе); С" (t) - концентрация серы в шлаке в момент времени t, % (по массе); Г- постоянная времени реактора, мин.

На рис. 50 приведена эта зависимость в координатах ыс - t. Экспериментальные точки достаточно хорошо укладываются на прямую.

Постоянная времени равна 32 мин. Она зависит от интенсивности продувки и массы шлака в барботируемой части ванны.

Для рассматриваемого случая масса барботируемой части ванны составляла приблизительно 32 т. Поскольку постоянная времени Т = MJm, где m - масса шлака, попадающего в зону барботажа в единицу времени (присоединенная масса), то величина присоединенной массы в рассматриваемом случае оказалась равной ~ 1 т/мин. При интенсивности продувки, равной 11900 м3/ч (200 м3/мин) присоединенная масса

л

составила 5,0 кг/м (3,96 кг/кг дутья).

Полученное значение достаточно хорошо совпадает с результатами теоретических расчетов (2-4 кг/кг [60]).

Интенсивность массообмена с барботажными столбами представляет особый интерес в связи с тем, что барботажные столбы - часть шлаковой ванны, в которой протекают окислительные процессы.

Время, мин

Рис. 50 Зависимость логарифма концентрации серы в шлаке от времени продувки шлака

Поскольку одновременно в ванне идут также восстановительные процессы, существенным является вопрос о степени влияния окислительных зон на процессы восстановления. При скоростях загрузки железосодержащей части шихты порядка 20 т/ч, содержании железа в шихте -50% и в шлаке ~3% среднее время пребывания оксидов железа в барботажном слое - около 5 мин, а восстановленного металлического железа (полупродукта) - около 3 мин. Поскольку время удаления образовавшегося полупродукта из зоны барботажа на порядок меньше постоянной массообмена шлаковой ванны с барботажными столбами (порядка 3 и 30 мин., соответственно), влияние окислительных зон на процессы восстановления незначительно. Таким образом, в зоне барботируемого шлака обеспечивается близкая к максимально возможной гомогенизация по всем компонентам шлака, кроме оксидов железа.

<< | >>
Источник: Усачев Александр Борисович. Разработка теоретических и технологических основ производства чугуна процессом жидкофазного восстановления POMEJIT. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук. Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов. Москва - 2003. 2003

Еще по теме Мощность перемешивания в характерных зонах шлаковой ванны.:

  1. 1.2. Процессы преимущественно жидкофазного восстановления железа
  2. 1.3. Процессы полностью жидкофазного восстановления железа
  3. 3.4.3. Структура шлакометаллической эмульсии в печи РОМЕЛТ
  4. Мощность перемешивания в характерных зонах шлаковой ванны.
  5. 4.2. Исследование процесса плавления сырья.
  6. 5.5. Оценка скорости восстановления железа из шлака с участием угольных частиц
  7. 9. КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПЛАВКИ
  8. ГЛУБОКОЕ РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА