Работа 5. Оценка условий подачи дутья в слой расплава при различных вариантах

Одной из распространенных разновидностей металлургических печей являются аппараты, работающие на принципе подачи дутья в слой расплава. Впервые этот был предложен в 1855 г. англичанином Генри Бессемером для переработки чугуна и стали. Дутье в бессеморовский конвертер подается через вертикальные фурмы, расположенные в его днище. В 1870-е годы русские металлурги – питомцы Горного института А.Иосса, Н.Лалетин и В.Семенников разработали процесс «бессемерования» медных штейнов, основанный на продувке расплавленного штейна воздухом. Бессемеровский конвертер для этого процесса оказался непригодным. Питомец Горного института А.А.Ауэрбах предложил для конвертирования штейнов новую конструкцию конвертера («Реторта Аурбаха»), в котором дутье подается через фурмы, установленные горизонтально в боковой стенке конвертера. Эта конструкция получила широкое распространение в мировой практике медеплавильного производства, а затем и в никелевой технологии для продувки никелевых и медно-никелевых штейнов.

В начале ХХ века на смену вертикальному конвертеру в медеплавильном, а затем никелевом производстве пришла горизонтальная конструкция, разработанная американцами Пирсом и Смитом. При значительном отличии нового типа конвертера от прежнего в нем сохранен принцип боковой горизонтальной подачи дутья.

Такой же способ горизонтального подвода дутья, но уже двухстороннего, применен в новом типе печи для плавки руд цветных металлов – так называемой печи для плавки в жидкой ванне (ПЖВ), затем названной печью В.А.Ванюкова. Что касается сталеплавильного производства, то здесь бессемеровский процесс претерпел существенные изменения. Появился кислородно-конвертерный способ производства стали. Аппарат для этого процесса сохранил форму бессемеровской реторты, а кислородное дутье осуществляется сверху, в виде вертикальной непогруженной струи, подаваемой через единичную водоохлаждаемую фурму.

Цветная металлургия вновь сделала у сталеплавильщиков заимствование – в ряде процессов появилась вертикальная кислородная струя. такими процессами являются, например, рафинирование ферроникеля (Побужье), переработка медного концентрата от разделения файнштейна и автогенная плавка (Североникель).

На основе исследований динамических характеристик непогруженных высоконапорных газовых струй и механизма их взаимодействия с жидкой ванной возникла идея использования кинетической энергии этих струй для создания управляемого массопереноса в виде вращения массы расплава. Такая подача дутья осуществляется за счет нескольких пространственно-ориентированных непогруженных струй, которые при соприкосновении под определенным углом с поверхностью расплава, находящегося в цилиндрическом сосуде, создают эффект интенсивного вращения.

Таким образом, подача дутья в слой расплава может осуществляться по одному из пяти вариантов:

1. Донная подача дутья (Бессемеровский конвертер);

2. Боковая подача дутья односторонняя (Горизонтальный конвертер, а также Реторта Ауэрбаха);

3. Боковая подача дутья двусторонняя (ПЖВ)

4. Верхняя непогруженная, вертикальная (Вертикальный кислородный конвертер, ААП);

5. Пространственно-ориентированные струи (новый вариант).

Аэродинамические условия. Несмотря на разнообразие способов подачи дутья в расплав, все они подчиняются общим закономерностям газовой динамики.

Если в системе нагнетания дутья абсолютное давление Р₁ [кГ/см²], температура дутья Т [К], а в пространстве, куда подается дутье - абсолютное давление Р₂ [кГ/см²], то для всех случаев количество дутья может быть вычислено по формуле, выведенной из закономерностей свободной струи:

_уд = 34,3  n  d²  m    Р₁  , нм³/час

где  – коэффициент аэродинамики фурменной системы – зависит от геометрической формы и качества изготовления элементов этой системы; n – число работающих фурм, насадок, сопел; d – диаметр фурм насадок, сопел, мм; m – степень чистоты рабочего отверстия фурмы, насадки сопла; Т – температура струи, К.

Для каждого варианта конструкции такой системы коэффициент  определяется экспериментальным путем. Для непогруженной подачи дутья m = 1. Для погруженной подачи (ГК, ПЖВ) m < 1 и принимается в зависимости от условий обслуживания фурм, заключающегося в их прочистке.

Заметим, что значение давления Р₂ различно для непогруженной и погруженной подачи дутья. Для непогруженной подачи, когда струя дутья попадает в свободное газовое пространство, без особой погрешности можно принять Р₂ = 1 кГ/см². Для погруженной подачи, когда струя попадает под слой расплава Р₂ = h + 1, где  - удельный вес расплава [кГ/см³], h – высота слоя расплава над фурмой [см].

Технологический процесс. В металлургии меди и никеля аппараты струйно-окислительного типа применяются для переработки сульфидных материалов – руд, концентратов, штейнов.

С некоторыми упрощениями физико-химические процессы, происходящие с сульфидными материалами в металлургическом аппарате под воздействием кислорода, подаваемого с дутьем, можно представить следующими схемами: