• 5.3. Оценка площадей реакционных поверхностей в шлаковой ванне

В период проведения экспериментов печь работала при относительно невысокой производительности. Балансовая скорость восстановления железа на анализировавшихся промежутках времени составляла в среднем 9,14 т/ч с учетом потерь железа с пылью, шлаком, а также приход железа с углем (скорость загрузки: —18 т/ч шлама, 5 т/ч угля).

Расчеты площадей межфазных поверхностей в шлаковой ванне проводили с учетом ее зонального строения.

Приведем конкретный пример расчета поверхностей угля и капель в период стабильной работы установки с производительностью около 9 т Fe/ч (кампания N14).

В течение 1,5 часа с интервалом в 0,5 часа отбирали пробы шлака из поверхностного слоя ванны. За этот же период дважды отбирали пробы с соответствующих уровней остальной части барботируемой ванны. При этом в печь подавали 18 т/ч смеси шламов конвертерного и доменного производств НЛМК следующего состава (%, масс.): Fe(06m.)= 51,0 - 53,1; FeO = 40,3 - 43,9; CaO = 8,8 - 10,6; Si02 = 4,l - 5,7; S = 0,25 - 0,30; A1203 = 0,90 - 1,50; MgO =1,7 - 2,2; MnO = 0,3 - 0,8; С = 4,8 - 7,3; P = 0,10 - 0,15; ZnO = 2,3 - 3,8; п.п.п. = 4,2 - 6,7. Средняя влажность шлама за период проведения экспериментов составила 6,1%.

В печь также загружали 15 т/ч Анжерского угля марки ОС. Уголь имел следующие характеристики (%, масс.): Wp =5,4 - 6,7; А° = 9,5 - 10,5; Нс = 4,1 - 4,3; (N2+02) = 4,3 - 4,5; Sc = 0,3 - 0,37; Сс = 78,8 - 82,1; Vе = 14,7 - 15,6;.

В качестве флюсующей добавки в печь кратковременно (в течение 10 мин., с расходом 3 т/ч) загружали известь (93,0% СаО; 1,5% MgO; 1,75% Si02, п.п.п. 2 - 5%).

Состав шлака в рассматриваемый период проведения опытов изменялся в следующих пределах (%, масс.): Si02 = 37,2 - 38,2; СаО = 40,0 - 40,6; Fe = 1,7 - 1,8; А1203

= 10,1 - 10,2; МпО = 2,32 - 2,34; MgO = 7,0 - 7,4; P = 0,20 - 0,23; S = 0,13 - 0,14; Ca0/Si02= 1,05 - 1,09.

Получаемый металл имел состав (%, масс.): С = 4,1 - 4,2; Si = 0,01 - 0,03; Мп = 0,09 - 0,10; Р = 0,07 - 0,08; S = 0,08 - 0,10.

Шлаковую ванну продували кислородовоздушным дутьем с расходом 10000 - 10100 нмэ/ч. Содержание кислорода в дутье составляло 66 - 68% (объемн.) Степень дожигания технологических газов в надслоевом пространстве составляла 38 - 42%. Кислород для дожигания: 6500-7000 нм3/ч.

В табл. 21 и 22 приведены данные о фракционных составах и содержаниях угля и капель металла в шлаковой ванне в рассматриваемый период работы печи. Было сделано 4 отбора проб из поверхностного слоя ванны и 2 отбора - из зон I - III (б).

Во время других опытов, при работе печи в сходных с описанными условиях, получили следующие значения суммарных поверхностей угольных частиц и капель металла в поверхностном слое шлаковой ванны (м2): Уголь 5). 1453,5; 10). 1631,8 15). 1511,0 20). 1698,3 6). 1589,3 11). 1390,7 16). 1518,6 21). 1465,1 7). 1703,2 12). 1476,2 17). 1682,5 22). 1560,2 8). 1711,0 13). 1676,6 18). 1651,0 23). 1609,8 9). 1554,4 14). 1619,0 19). 1501,6 24). 1730,5 25). 1720,8 26). 1605,0 Капли 5). 104,1 9). 78,8 13). 80,1 17). 77,5 21). 85,9 6). 88,5 10). 111,2 14). 90,7 18). 95,4 22). 64,1 7). 62,3 11). 82,5 15). 73,6 19). 81,1 23). 82,2 25). 8). 68,8 12). 91,4 16). 65,9 20). 69,7 24). 79,6 26). Всего проанализировали 26 проб шлака из поверхностного слоя ванны.

Из барботируемого шлака за все время проведения экспериментов 11 раз отбирали пробы с помощью описанного выше (раздел 3) зонда с 5 пробницами.

. 1182,4 4). 1110,8 7). 1290,2

. 1214,0 5). 1251,7 8). 1209,0

. 1310,5 6). 1131,6 9). 1280,2

Таблица 21

Фракционные составы и содержания угля в шлаковой ванне в период проведения экс- N опы-та Фракционный состав угля, % (масс.) Площадь поверх-ности угольных частиц, м2 Содер-жание угля в

шлаке,

%

(масс.) Поверхностный слой шлаковой ванны (зона Ш (в)) + 10 мм 10-7 мм 7-3,2 мм 3,2-1,6 мм 1,6-0,8 мм 0,8-0,4 мм 0,4-0,2 мм -0,2 мм 1 12,50 8,70 34,10 37,59 6,08 0,5 0,30 0,23 1723,9 8,30 2 4,7 17,2 47,36 26,17 2,90 0,97 0,30 0,40 1540,8 7,88 3 8,50 15,10 35,18 35,00 4,85 0,46 0,4 0,51 1523,1 7,00 4 7,68 17,55 39,50 30,20 3,85 0,53 0,31 0,38 1457,1 7,40 Слой барботир уемого шлака (зоны II - III (б) 1 - - 55,30 39,30 2,50 1,00 1,06 0,84 1352,2 0,78 3 - - 62,40 31,20 4,06 0,78 0,80 0,76 1445,4 0,89 Таблица 22*

Фракционные составы и содержания капель металла в шлаковой ванне в период про-

N опы-та Фракционный состав капель, % (масс.) Площадь поверхности капель металла,

м2 Содер-жание металла в

шлаке, %

(масс.) Поверхностный ело i шлаковой ванны (зона Г [1(B)) - 7-3,2 мм 3,2-1,6 мм 1,6-0,8 мм 0,8-0,4 мм 0,4-0,2 мм -0,2 мм 1 - 41,58 34,08 13,21 3,85 5,40 1,88 97,9 2,82 2 - 34,80 39,57 15,11 4,07 4,80 1,65 93,5 2,64 3 - 26,50 44,67 17,70 5,39 4,23 1,51 78,8 2,17 4 - 38,81 32,28 18,34 3,92 4,89 1,76 73,1 2,05 Зона П1 (б) 1 - 31,70 40,57 13,82 3,77 7,44 2,70 135,5 1,55 3 - 25,33 40,20 23,51 6,97 2,30 1,69 143,3 1,76 Зона III fa) 1 - 38,63 43,62 9,57 3,56 4,05 0,57 105,8 1,47 3 - 42,14 39,64 10,80 3,18 3,02 1,22 94,0 1,30 Зона II 1 - 35,66 38,39 13,99 5,39 5,34 1,23 71,6 1,07 3 - 79,51 12,54 4,50 1,20 1,61 0,58 109,3 2,99 Зона I 1 - 68,58 22,80 4,87 0,85 1,63 1,27 246,2 2,65 3 - 81,58 10,16 5,03 1,27 1,57 0,39 299,5 3,96 В зоне I количество угля в пробах было очень малым.

Средние значения площади поверхности угля в ванне (по зонам) представлены в таблице 23.

Суммарная поверхность капель в зонах II - Ш(б) в рассматриваемом в качестве примера периоде экспериментов составляла 1). 312,9 м2 и 3). 346,6 м2. В остальных 9 опытах эта поверхность составляла (м ):

. 281,5 4). 322,6 7). 315,8

. 311,6 5). 342,7 8). 294,5

. 298,4 6). 301,9 9). 294,5

В этих же опытах поверхность капель в зоне I (подфурменной зоне) составляла

(м2):

. 251,3 4). 299,9 7). 295,6

. 311,4 5). 324,5 8). 317,6

. 280,3 6). 302,7 9). 299,1

Объединение зон III (б) - II при определении суммарной поверхности частиц угля и капель вызвано принятым подразделением шлаковой ванны на слои с различной характерной температурой (см. ниже).

При оценке величины реакционной поверхности капель в шлаковой ванне были приняты некоторые допущения.

Учли, что часть мелких и средних капель в барботируемом шлаке может находиться в крупных газовых пузырях. При этом взаимодействие углерода капель может идти наиболее интенсивно через определенную, контактирующую со шлаком часть их поверхности, ориентировочно, одну треть. Считая долю капель, находящихся в пузырях, пропорциональной газосодержанию (см. ниже) в соответствующих зонах шлаковой ванны, получили значения площади «активной» поверхности капель, контактирующей со шлаком (см. табл. 23). Остальная часть поверхности капель, находящихся в атмосфере пузырей, участвует в регенерации этой атмосферы, т. е. наряду с угольными частицами обеспечивает косвенное восстановление железа на границах «газ- шлак».

Пренебрегли деформацией в шлаке крупных капель, т. е. в расчетах использовали несколько заниженную оценку поверхности капель. Таким образом определяли минимальный возможный вклад в интегральную скорость процесса восстановления железа из шлака растворенным в каплях углеродом.

Средние, в анализировавшихся условиях, значения площади поверхности капель металла в ванне (по зонам) представлены в табл.

Полученные статистической обработкой среднеквадратичные отклонения представленных в табл. 23 суммарных поверхностей угольных частиц и капель металла в характерных зонах ванны составляли 10 - 15% от среднего значения.

Таблица 23

Средние площади поверхности угольных частиц, капель металла, газовых пузырей и брызг шлака в характерных зонах шлаковой ванны печи РОМЕЛТ при работе со сред- й производительностью 9,14 т железа в час (пе реработка шлама] Зона Площадь поверхности угольных частиц, и2

5с Площадь поверхности капель ме-талла, м2 Площадь по-верхности пу-зырей, м2 Площадь по-верхности вспле-сков и брызг шлака, M2Sgp Брызговой слой - - - 970 Ш(в) 1615 80 (50)* 1280 +(1615)** - П - Ш(а, б) 1255 320(260)* 4735 - I 330 290 - - Суммарная по-верхность 3200 690(600)* 7630 970 *- площадь «активной» поверхности капель;

** -суммарная площадь поверхности «газ-шлак» S6 в восстановительных зонах барботажных столбов.

Степень развития межфазной поверхности «газ-шлак» определяется гидродинамическим режимом шлаковой ванны.

Продувка расплава в печи ведется в струйном или близком к струйному режиме. Помимо термического расширения газа в верхней части барботажных столбов происходит удвоение объёма газа при конверсии С02. При относительно небольшой рабочей высоте продуваемого расплава шлаковая ванна, по-видимому, близка к состоянию пробоя (газовая нагрузка, отнесенная к площади, прорабатываемой дутьем одной барботажной фурмы, составляет около 2,5 м/с). Вне зон действия барботажных столбов также идет активное газовыделение в шлаке (преимущественно, в поверхностном слое) связанное с пиролизом угля, испарением влаги, восстановлением оксидов железа и другими процессами. Фактически вся верхняя часть шлакового расплава в печи равномерно насыщена газом.

Поскольку роль восстановления железа через газовую фазу из низкожелезистого шлака, характерного для процесса РОМЕЛТ, изначально предполагали незначительной, площадь межфазной поверхности «газ-шлак» оценили с завышением.

страционных установках жидкофазного восстановления [74]. Поскольку в этом слое размеры пузырей намного больше, чем в более глубоких зонах шлаковой ванны, принятие заниженного количества газа в данной зоне шлакового расплава при условии постоянства высоты расплава приводит к завышению величины общей площади межфазной границы «газ-шлак».

В зоне Ш(б) (см. раздел 3) ванны, находящейся ниже поверхностного слоя, га-зосодержание вне барботажных столбов приняли равным 0,5, учитывая приход в эту зону газа из более глубоких слоев ванны и образование газов в самой зоне. Также приняли, что общее газосодержание в шлаковой ванне печи РОМЕЛТ составляет 0,4 (характерное значение газонасыщения в устойчивом барботажном слое [75]). Исходя из общего газонасыщения шлакового расплава, в зонах II и Ш(а) вне барботажных столбов приняли одинаковое газосодержание: 0,15. Газосодержанием зоны спокойного шлака пренебрегли.

Газ от процессов восстановления, пиролиза угля, испарения и конверсии влаги выходит из ванны преимущественно вне барботажных столбов со скоростями, определяемыми интенсивностью его образования, балансом процессов дробления и коа- лесценции пузырей, а также структурой турбулентной циркуляции в ванне. Определим скорость W выхода этого газа с соответствующей части поверхности расплава, а также скорости прохода газа в нижних горизонтах ванны, с учетом резкого возрастания газовыделения в шлаке с высотой. Определим также величины газовых нагрузок U (газовая нагрузка - скорость газа, приведенная к сечению ванны, проходимому газом):

U= V/(S-n*s) (5.6)

3 2

где V - объемный расход газа (м /с) через данное сечение S (м ) ванны; s - средняя площадь сечения барботажного столба в данной зоне (м ); п — число барботажных фурм.

Знание этих величин необходимо для оценки характерного размера газовых пузырей и соответственно площади поверхности «газ-шлак» в характерных зонах ванны.

Во всех последующих расчетах учли, что температура в различных зонах печи различна. Характерные значения температуры шлака составляли: в брызговом слое -

1550° С, в поверхностном слое - 1500° С, в остальной части барботируемой шлаковой ванны- 1450° С. Температура шлака в подфурменной зоне составляла 1400° С.

Зона III (в). Для расчета средней скорости прохода газа в поверхностном слое шлаковой ванны нужно знать количество газа, выделяющегося в ванне в секунду (ве-личину расхода газа).

Примем среднее содержание железа в шламе (при работе печи в анализируемых условиях со средней производительностью 9,14 TFe/ч) равным 52,0% (масс.), содержание в шламе FeO равным 47,1%. То есть, 56/72*47,1/52*100= 70,4% железа в шламе находилось в форме FeO, а 29,6% - в форме Fe203. Считали, что в областях прохода газа барботажных фурм газовыделением от процессов восстановления можно пренебречь. Тогда через поверхностный слой ванны, вне зон выхода газа барботажных столбов, проходил газ, выделяемый при восстановлении железа с расходом: Vbocct.=1773/293 *22,4/56/3600*((9140* 70,4/100 + 9140*3/2*29,6/100) + 1080)) =

= 7,77+0,73 = 8,5 м3/с.

Последний член в скобках представляет собой скорость выделения газа от восстановления железа углеродом, растворенным в каплях металла. Расчет скорости восстановления углеродом капель дан ниже.

Оценим интенсивность газовыделения в шлаке от процессов испарения и конверсии влаги Увлагн. Считаем, что 30% влаги, попадающей в печь, конвертируется углем с удвоением газового объема, а 70% влаги - испаряется, не вступая в реакции со средой. Примем также, что влага сырья и топлива не выделяется в областях действия барботажных столбов.

В этих предположениях: VM^=1773/293*22,4/18/3600*(18000*6,10/100+15000*6,05/100)*(0,7+0,3*2) = 5,4 м3/с

Проведем оценку объема газов, выделяющихся при пиролизе угля. Согласно данным [83, 84], плотность летучих компонентов промышленных углей колеблется в пределах 0,4 - 0,5 кг/м3, т. е. из 1 кг летучих может быть получено 2,0 - 2,5 нм3 газа, содержащего по объему до 60% Н2; до 25% метана; до 5% других углеводородов и СО (содержание негорючих компонентов СОг и Nj может достигать 12%).

Приняли, что 15% летучих выделяются и реагируют в газовой фазе барботажных столбов (вследствие вовлечения в барботажные столбы угольных частиц, пиролиз которых не успел завершиться).

Интенсивность газовыделения вне барботажных столбов от процессов пиролиза в рассматриваемых условиях составила (Vе приняли 15%; удельное выделение летучих - 2 нм /кг):

Улет=15000/3600*(1,00 - 6,05/100)* 1773/293* 15/100*2*0,85 = 6,0 м3/с

Таким образом, общее газовыделение с поверхности ванны составляло V(III(B))= 19,9 м3/с.

Газовая нагрузка (расчет по формуле (5.6)) в поверхностном слое (зоне III (в)), с учетом геометрии ванны, составила:

U(III (в)) = 19,9/(24,0 - 16*0,6)/0,6 = 1,4 м/с

Средняя скорость прохода газа в данной зоне (газосодержание 0,6 (доли ед.) составила 1,4/0,6 = 2,3 м/с.

Проведем расчет газовой нагрузки и скорости прохода газа в зоне Ш(б). На поверхностный слой ванны приходится около 50% всей поверхности угля в шлаковом расплаве и около 10% всей поверхности капель металла. Считаем, что в объеме ванны, располагающемся ниже ее поверхностного слоя выделяется 50% всего газа от протекания процессов восстановления с участием угля и 90% газа, генерируемого при взаимодействии капель металла со шлаком. Также из общефизических соображений примем, что ниже поверхностного слоя в объеме шлаковой ванны вне барботажных столбов выделяется 40% от всей генерации летучих и 30% влаги, вносимой с компонентами шихты.

Тогда общий расход газа, проходящего через верхнюю границу зоны (III (б), составлял:

V(III (б)) = 7,77*0,5 + 0,73*0,9 + 6,0*0,4 + 5,4*0,3 = 8,57 м3/с.

Соответственно газовая нагрузка с учетом геометрии зоны составляет:

U(III (б)) = 8,57/(22,4-16*0,5) = 0,67 м/с.

Средняя скорость прохода газа на верхней границе данной зоны составляла 0,67/0,5 = 1,3 м/с.

В зонах Ш(а) и II принятое газосодержание составляет 0,15. В этих зонах в сравнении с вышележащими слоями ванны интенсивность перемешивания расплава невелика. В этих условиях, присутствующие в данных зонах угольные частицы (преимущественно мелких фракций) находятся в газовых пузырях. При этом восстановление оксидов железа из шлака протекает на межфазной поверхности «газ-шлак», а роль угольных частиц состоит в участии твердого углерода в регенерации восстановительной атмосферы в пузыре. Такое восстановление идет с очень низкой скоростью (как

л

будет показано ниже, удельная скорость процесса (в кг Fe/м с) на порядок меньше, чем скорость восстановления на участках непосредственного контакта «угольная частица-шлак», возникающего в условиях сильного перемешивания шлака, которое характерно для верхних зон шлаковой ванны). Исходя из этого, интенсивность газовыделения в зонах Ш(а) и II оценили не из степени развития поверхности угля в данных зонах, а из его массового содержания. Средние содержания угля в зонах II - Ш(в) за время проведения экспериментов составили, соответственно (% (масс.)): 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,5% и 6,0%. Исходя из данных фракционного анализа капель приняли, что в зонах Ш(а) и II выделяется 70% от всего количества газа, генерируемого в ванне каплями металла. Тогда:

V(III (a)-II) = 8,5*(0,2+0,3+0,4)/(0,2+0,3+0,4+0,5+6,0)+0,7*0,73 = 1,53 м3/с

Средняя скорость W прохода газа на верхней границе зоны Ш(а), с учетом гео» метрии ванны, составляла: 1,53/(19,0-16*0,5)/0,15 = 0,93 м/с. Реальные скорости прохода газа в данных зонах ниже. Считая, что пузыри поднимаются преимущественно в режиме одиночного всплывания, приняли скорость их подъема в данных зонах 0,7 м/с (это приводит к уменьшению оценки характерного размера пузыря и соответственно к завышению площади поверхности «газ-шлак».

Таким образом, вне барботажных столбов в поверхностном слое и в зоне Ш(б) шлаковой ванны реализуется режим динамической пены [74, 78 - 81], а в зонах Ш(а) - II - режим барботирования [78, 82].

В настоящее время отсутствуют экспериментальные данные по удельной поверхности «газ-шлак» в шлакоугольных суспензиях при больших газовых нагрузках.

Учитывая влияние на характеристики пенного слоя наличия в системе значительного количества мелких твердых частиц [83], в поверхностном слое и в зоне 111(6) долю крупных газовых объемов в общем газосодержании приняли соответственно равными 0,85 и 0,8. Средние по обеим зонам размеры «больших пузырей» рассчитали Ш по эмпирической формуле (5.7) Сано и Мори [84], пригодной для анализа высокоин

тенсивного барботажа и струйной продувки:

d = 0,91(—)2 (lOOt/)0,44 /5 7ч

p ^ ¦ )

где О" =0,3 Н/м И P =2650 кг/м3- соответственно поверхностное натяжение и плотность шлака; U (м/с) - газовая нагрузка в данной зоне ванны.

Расчетный размер пузырей в зоне Ш(в) составил 0,085 м, а в зоне Ш(б) - 0,062 м. Расчет по формуле [85]:

D - (2/g)*(U*(l-(p)/ ф)0,5 (5.8)

(ср - газосодержание, доли, ед.), пригодной для анализа режима динамической пены дает существенно большие значения размеров пузырей: в зоне Ш(в) - 0,18 м, а в зоне Ш(б) - 0,092 м.

В расчетах для оценки площади поверхности «газ-шлак» в данных зонах по верхнему пределу приняли меньшее расчетное значение размеров «больших пузырей»: в зоне Ш(в) - 0,083 м, а в зоне Ш(б) - 0,05 м.

Характерный для этих зон размер D„ «мелких пузырей» (при режиме динамической пены распределение пузырей по размерам бимодально) приняли равным 2 мм, что является минимальной оценкой среднего размера пузырьков, возникающих в шлаке при восстановлении (с учетом наличия серы в восстановителях [86]). Это значение Д, меньше внутреннего масштаба турбулентности 10 в системе, который составляет в данных зонах 2,5 - 3,5 мм.

Для расчета размера пузырей в зонах Ш(а) - II использовали применимое для движения с числами Рейнольдса 50 - 800 соотношение В. Г. Левича [87], проверенное как на холодных модельных жидкостях, так и на солевых расплавах. При характерной вязкости шлака р. - 0,5 Па*с, имеем:

D = (36*WVp/g)0'5 = 0.022 м (5.9)

(Re = 82)

Для пузырей в зонах барбсггажа 111(a) - II значение D„ приняли 0,004 м, что в несколько раз меньше получаемого по соотношениям (5.8) и (5.9).

Распределение пузырей по размерам в каждой зоне неизвестно. Как правило, распределение пузырей по размерам, как в классических круглых барботерах, так и при струйной продувке (участок пузырькового шлейфа в терминологии Г. Н. Абрамо-

вича) близко к нормальному. Тогда общая площадь поверхности пузырей в каждой зоне должна определяться по формуле [88]:

Sг = 6V*(D2 + о)/(Т? + 3Da) (5.10)

где Vr— общий объем газа в данной зоне ванны; D - средний размер пузыря в зоне; а - стандартное отклонение; о - (Dmax — Dmin)/6; Dmax - 2D; Dmm ~ 0. Отсюда следует, что площадь поверхности пузырей, оцениваемая по среднему размеру пузырей (все пузыри в зоне имеют одинаковый размер), в 1,2 раза больше, чем получаемая при расчете по формуле (5.10). Для оценки площади межфазной поверхности «газ-шлак» вне барботажных столбов по верхнему пределу расчет провели по средним размерам пузырей. Значения S? в различных зонах шлаковой ванны приведены в таблице 23.

При оценке величины поверхности «газ-шлак» в верхней части барботажных столбов, где преимущественно реализуются восстановительные условия, использовали данные моделирования изменения состава реагирующей газовой фазы по высоте барботажного столба [39]. Из этих расчетов следует, что восстановительная зона находится в верхней части барботажного столба, фактически совпадая по толщине с зоной насыщенного углем поверхностного слоя. Средний размер крупных газовых образований в данной зоне барботажных столбов (доля в общем газосодержании 0,85), рассчитанный по формуле Сано и Мори (5.7), составил 0,11 м. В расчетах площади крупных пузырей приняли их размер 0,1 м. Характерный размер мелких пузырьков приняли равным 1 мм. Суммарная площадь межфазной поверхности «газ-шлак» в восстановительных зонах барботажных столбов Ss дана в таблице 23.

Нижняя часть брызгового слоя, существующего над поверхностью шлаковой ванны, находится в восстановительной атмосфере выходящих из ванны газов. Площадь брызг в этой зоне S6p оценили при ориентировочной толщине зоны ~ 0,2 м, объемном содержании преобладающих здесь крупных капель и брызг шлака 0,15 и их среднем размере 5 мм (см. табл. 23) (такой размер капель в зоне дожигания характерен для установок жидкофазного восстановления [89]).