3.4. Зональная структура ванны3.4.1. Экспериментальное исследование системы «шлак-уголь-металл»

В данном разделе приведены результаты прямых экспериментов на пилотной установке РОМЕЛТ на НЛМК (кампании NN9 - 14, 17 - 20). Площадь поверхности частиц угля и капель металла в шлаковом расплаве определяли по их массовому содержанию и фракционному составу в пробах шлака, отобранных из центральной части ванны в процессе плавки различных материалов, из следующих характерных зон (рис. 35):

I - подфурменная зона: слабо перемешиваемый слой шлака, расположенный над слоем накапливаемого на подине чугуна; II - фурменная зона: переходная область между слабоперемешииаемым и барботируемым шлаком; III - зона барботируемого шлака. Эту зону подразделяли на слои: поверхностный (зона Ш(а)), средний (Ш(б)) и нижний (III (а)). Геометрические параметры зон даны ниже (табл. 3).

Ill

Отбор проб шлака производили одновременно из всех трех зон шлаковой ванны.

3.4.2. Методика отбора и анализа проб шлака

Методика отбора проб шлакового расплава должна обеспечивать получение образцов шлака с разных уровней по высоте ванны. Для этого необходимо выполнение нескольких требований к конструкции пробоотборника. Во-первых, нужно чтобы пробницы, расположенные вдоль оси пробоотборника на соответствующих высотах, закрывались крышками, прогорающими через определенное время пребывания про-боотборника в рабочем пространстве печи. Во-вторых, необходимо использовать достаточно массивные металлические пробницы, имеющие большую термическую емкость. При поступлении в такие пробницы шлак быстро затвердевает, Происходит фиксация состояния шлакового расплава на данном горизонте шлаковой ванны.

Время выдержки пробоотборника в рабочем пространстве печи определяли опытным путем.

Для исследования состояния и состава приграничных слоев металлической и шлаковой фаз при рафинировании металла в мартеновских печах Е. В. Челшцев использовал специальную стальную пробницу с каналами, закрывавшимися картонными крышками [33]. При погружении в жидкую ванну, каналы пробницы, заполнялись расплавами с различных горизонтов ванны. Если пробница была опущена достаточно глубоко, в каналы заходил не только шлак, но и металл.

Стенки каналов были относительно тонкими. Тем не менее, и при такой конструкции пробницы было обеспечено надежное получение твердых проб шлака.

В опытах по изучению строения шлакоштейновой эмульсии, проводившихся на печах Ванюкова [34] для отбора проб применили вертикальный зонд. Он представлял собой ряд из 12 стальных стаканов, приваренных соосно к несущей трубе. Внутри этой трубы находилась трубка, в которую подавали водо-воздушную смесь для охлаждения внешней трубы в период отбора пробы. Промежутки между стаканами обертывались несколькими слоями плотной бумаги, пропитанной силикатным клеем. Это обеспечивало проникновение расплава внутрь стаканов уже после их расположения на заданном уровне ванны (примерно, через 10 секунд после погружения в расплав).

Внутренний диаметр стаканов 52 мм, наружный диаметр несущей трубы 27 мм, высота стакана 100 мм, расстояние между стаканами 200 мм. Пробоотборник опускали в печь через загрузочное окно в своде печи. Экспериментально определенное время выдержки составило —20 секунд. Пробы расплава массой около 0,6 кг находились в закаленном состоянии с фиксированных уровней ванны. При этом не происходило смешения пробы с расплавами других горизонтов при подъеме зонда.

В наших опытах использовали вертикальный зонд (рис. 36), конструкция которого позволяла одновременно отбирать четыре пробы шлакового расплава из характерных зон с разных уровней шлаковой ванны и пробу металла из металлической ванны.

W

§

*м

§

Рис.

Зонд представляет собой стальную штангу длиной 9 м. На верхнем конце штанги имеется кольцо для подвески на мостовой кран. На нижнем конце зонда установлена пробница для чугуна. Выше нее на соответствующих уровнях размещены пробни- цы для шлакового расплава. Все пробницы конические, массой —13 кг, с коническими пробками (стопорами) для легкого извлечения проб (рис. 37).

1! 3

Рис. 37 Устройство пробницы 1 - штанга; 2 — металлический стакан; 3 - стопор

Пробницы перед погружением закрывались картонными крышками, что обеспечивало заполнение пробниц только после фиксации пробоотборника в ванне. Масса проб шлака составляла около 1,5 кг.

Зонд опускали в печь через загрузочное отверстие в своде до упора в подину, выдерживали в течение времени, достаточного для прогорания крышек и заполнения расплавом пробниц. Время выдержки определялось экспериментально и составляло 60-100 с. После выдержки зонд извлекали. Быстрое затвердевание шлака происходило при его попадании внутрь массивной пробницы. Структура печного шлака в извлеченных пробах имела характерный вид стекла, что свидетельствовало о «замораживании» пробы шлака именно на необ-

ходимом уровне в шлаковой ванне. Отметим, что в более поздних экспериментах на печи РОМЕЛТ [35], применяли пробницы с меньшим количеством отбираемого шлака и с более тонкими стенками, чем в наших опытах. Пробы шлака и в этом случае получали в виде стекла. В последующих исследованиях [36], с целью улучшения представительности данных, перешли на использование более крупных проб ниц с рабочим объемом около 600 см3 (масса шлака в пробе до 1,5 кг).

Для определения представительности проб, отобранных в зоне загрузки, параллельно отбирали пробу из верхнего горизонта ванны на расстоянии 4 мпо продольной оси печи от точки загрузки. Анализ параллельно отобранных проб не выявил существенных различий между ними.

Отбор проб шлака с поверхности ванны осуществляли специальным пробоотборником, представлявшим собой стальную штангу с расположенной на конце открытой пробницей, аналогичной пробницам зонда.

Из отобранных проб сначала извлекали и взвешивали частицы угля, затем из измельченного в медной ступке шлака магнитной сепарацией извлекали корольки металла. Пробу шлака размалывали и из нее еще раз извлекали металл. Корольки взвешивали. Уголь разделяли по размерам на восемь фракций, мм: +10,0; 7,0 - 10,0; 3,2 - 7,0; 1,6 - 3,2; 0,8 - 1,6; 0,4 - 0,8; 0,4 - 0,2; -0,1. Корольки металла рассеивали на шесть фракций, мм: +3,2; 1,6 - 3,2; 1,1 - 1,6; 0,8 - 1,1; 0,4 - 0,8; -0,4. Шлак в пробе также взвешивали. Фракционный состав частиц угля и капель металла для характерной пробы для верхней части барботируемого шлака (зона Шв) и нижней части (зона Ша) при плавке шлама с расходом 16 т/ч и расходом угля 15 т/ч представлен на рис. 38.

На основе полученных данных о содержании и фракционном составе определяли величины удельных поверхностей частиц угля и капель металла на разных уровнях по глубине шлаковой ванны. Зона III («)

Зона Ш (в) о *

s;

7,7

$20 ¦¦ 10 4- 3 0

17,6

га

30,2

SO J 5 40 ¦¦

ц -a _

Eg — с - СЕ 40 -г с: JO - ^ 20 - ; к Ю • о К 33,5

50 т 40 ¦¦

3 я.

520 ¦¦ з

ю + о

3,2 7

O.s 1,1 1.6

Размер кгпель, мм

Зона Ш (а)

43

3 5

is

0.8 1.1 1.5 3,2 Размер капель, им

0,2 0,4 1,6 3,2 7,0 10 14

Размер частиц угля, мм Зона III (а) в ео 55,3 ь. 40 - 39.3 о и г 20 ¦ о 0,8 1.1 1 25 0 0 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 7,0 Ю 14 Размер частиц угля, мм РИС. 38 Фракционные составы капель металла и частиц угля в зонах Ш(а) и 1П(в) бар-

ботируемого шлака

Для расчетов величин поверхностей частиц угля и капель металла, в соответствии с уровнями отбора проб, приняли следующие геометрические характеристики зон шлаковой ванны (табл.

Таблица 3 Уровень Границы Объем Объем Газосодержа N отбора зон ванны зоны, шлака в ние в шлако ЗОНЫ проб(от (отсчет от зоне вой ванне, подины), подины), м м м3 м3 доли ед. I 0,8 0,5-1,24 11,2 11,2 0 п 1,4 1,24-1,6 6,8 5,4 0,15 Ш(а) 1,8 1,6-2,11 9,7 6,8 0,15 III (б) 2,5 2,11 -2,7 12,2 6,1 0,5 Ш(в) 3,0 2,7-3,0 7,0 2,8 0,6 За вычетом газа в барботажных столбах.

Высота зоны 1 - 1,24 м представляет собой верхнюю границу спокойного шлака. Нижняя граница зоны принята 0,5 м - ориентировочная высота слоя металла на подине.

м — граница фурменной зоны (зоны внедрения факела барботажиой фурмы в расплав). 2,11 м - уровень начала расширения профиля печи.

м - ориентировочная нижняя граница поверхностного слоя шлаковой ванны. 3,0 м — средняя высота условной поверхности шлаковой ванны.

Величины принятых газосодержаний в различных зонах ванны обосновываются в разделе 5.

Рассчитанные величины поверхности капель металла и угольных частиц в шлаковой ванне далее были использованы в кинетических расчетах (раздел 5). Поскольку данные о скоростях реагирования по поверхности угольных частиц или углеродистых образцов в литературе приводятся на единицу определенной формально- геометрически (гладкой) поверхности, площадь поверхности угольных частиц определяли без учета открытых пор.

Площадь поверхности угля в j-ой зоне ванны определяли по формуле:

Sf= (6 PuwfCj Vj/pc 104)X(C/DO (3.1)

где Vj - объем шлакоугольной суспензии в j-ой зоне ванны, м3; puus и рс - соответственно средняя плотность расплава и плотность ококсованного угольного остатка, кг/мэ; Cj - содержание угля в j-ой зоне ванны, % (масс.); С; - содержание i-ой фракции

в угле, % (масс.); - средний размер частиц угля i-ой фракции (среднее арифметическое верхней и нижней границ фракции), м.

В формуле (3.1) / - коэффициент формы частицы (коэффициент отклонения формы частицы от сферической). Для определения величины внешней поверхности

угольной частицы i-ой фракции со средним размером^,-, применили формальный.

прием: поверхность шара с диаметром умножается на эмпирический коэффициент / По данным [37], для частиц ококсованного угольного остатка принимаем /

=1,25.

Величину поверхности капель металла в j-ой зоне шлаковой ванны определяли по формуле:

^ ev.p СкапСкап'

^чкап. X 1 jruui. j у

J '^moop^D™ (3 2)

/"» 3 г*кап¦

где иМет. - плотность металла, кг/м ; - содержание капель в j-ой зоне ванны, %

С кап.

v„ ,у - содержание i-ой фракции в извлеченных каплях металла, % (масс.);

рхкап.

- средний размер капель i-ой фракции (среднее арифметическое верхней и нижней границ фракции), м.

Масса проб шлака составляла около 1,5 кг. В то же время масса шлаковой ванны в печи в период проведения экспериментов была около 85 т. Таким образом, масса проб составляла 0,0018% от массы ванны. При таком значительном различии масштабов исследуемой системы и пробы необходимо доказать представительность отбираемых проб, т. е. показать, что содержания и фракционные составы капель металла и угольных частиц в пробах с большой вероятностью совпадают с теми же характеристиками в различных зонах шлаковой ванны. Точного решения этой сложной вероятностной задачи в литературе не обнаружили. Приводимые ниже рассуждения носят качественный характер.

Предположим, что распределение угольных частиц и капель металла равномерно в любом сечении шлаковой ванны вне зон прохода реагирующего дутья барботажных фурм. Очевидно, что ошибка, состоящая в получении в пробе заниженного по сравнению с реальным содержания в шлаке той или иной фракции дисперсной фазы, становится существенной и может превышать 100%, когда объем шлака, приходящегося на одну частицу дисперсной фазы данной фракции, становится больше объема пробы. Иными словами, для обеспечения представительности пробы необходимо, чтобы на любой объем шлака, равный объему пробы, приходилась бы по крайней мере одна или более частиц дисперсной фазы данной фракции.

При содержании С (% масс.) частиц данной фракции дисперсной фазы в шлаке, их число N в объеме, равном объему Vn пробы составит:

N = (С/100) *(PuJPJ * (3.3)

где V4 - объем частицы (м3); рд -плотность дисперсной фазы, кг/м3.

Рассчитаем N для конкретных случаев, с учетом реальных экспериментальных данных. Для капель металла фракции 1,1 - 1,6 мм (со средним кажущимся диаметром 1,35 мм), при их содержании в шлаке 0,3%, масс., число частиц в пробе составит 503 штуки. Для частиц угля фракции 1,6-3,2 мм (со средним диаметром 2,4 мм) и при их содержании в шлаке 0,3 %, масс., число частиц в пробе составит 696 штук. Очевидно, для этих и более мелких фракций представительность анализируемых проб очень хорошая. Для более крупных частиц при их малом содержании в шлаке

представительность проб может значительно ухудшиться. Для капель металла с диаметром 3 мм и их содержании в шлаке ОД %, масс, количество капель в пробе составит 15 штук. Для частиц угля с размером 10 мм и с содержанием в шлаке 0.1%, масс, их число в пробе составит 3 штуки.

В целом можно считать, что отбор проб шлака в экспериментах обеспечивал точность в пределах, удовлетворительных для прямого эксперимента на действующем металлургическом агрегате.