Для улучшения технологических и теплотехнических показателей конвертерной плавки стали необходима организация [1,2] эффективного дожигания оксида углерода (СО) дополнительным потоком кислорода (О2) над зоной продувки в объеме газошлаковой эмульсии (ГШЭ) шлаковой ванны [3,4], т.е. направлять струи О2 из верхних сопел двухъярусной фурмы [5] в область преимущественного выделения СО из конвертерной ванны.
Исследования проводили на 50 кг индукционной печи, которая имитировала горячую модель конвертера [2,4,5] с применением двухъярусной кислородной фурмы для продувки жидкого чугуна (С=3,9%; Si = 0,7%; Mn=1,2%; P=0.12%; S=0.035%; tчуг= 1450± 500С) кислородом. Расход О2 на продувку металла составлял IО2 = 0,8м3/мин, а на дожигание СО подачу О2 осуществляли в пределах 
= 0,2 - 0,4 м3/мин. Положение сопел дожигания изменяли при НС=0,05; 0,15 и 0,25 и при высоте металла в ванне Н0=0,1м. Средняя длительность продувки металла кислородом составляла 25 - 30 мин при общем расходе извести около 4-5 кг на плавку.
Результаты обработки опытных данных показали, что при повышении длительность продувки ( τ) снижается на 7-9 мин, а окисленность шлака Σ FeO) и его температура (tШЛ, 0С) при этом заметно возрастают [2,5].
При IО2 = const повышение расхода О2 на дожигание СО (I 
) в объеме вспененного шлака приводит к увеличению Σ(FeO) и снижению τ в соответствии с уравнениями регрессии:
Σ (FeO) = 13,5 + 0,19 · (I / I 
) + 0,03 · (НС/ dC); R=0,8 (1)
τ = -19,4 · (I / I ) + 25,64; R= 0,94 (2)
где dC - диаметр верхних сопел фурмы,м; R - коэффициент корреляции.
Установлено существенное влияние на (tШЛ) не только отношения расходов I / I , но и высоты положения сопел дожигания (НС/ dC) над зоной продувки металла. Показано [5], что с приближением струй (факелов) дожигания к поверхности металла температура шлака понижается ((tШЛ ) →max) по причине уменьшения степени дожигания СО струями О2 в объеме наибольшего содержания СО, т.е. в области выхода их из реакционной зоны продувки, что подтверждается следующей зависимостью:
tШЛ = 1465 + 1,2 (I / I ) - 0,53 (НС/ dC), R= 0,7 (3)
Следует отметить, что повышение (tШЛ) с увеличением (НС/ dC) в условиях применения двухъярусного режима продувки металла О2 [2,4,5] вызвано не только повышением степени дожигания СО в струях О2 над зоной дутья, но и в значительной мере за счет тепла брызг металла, которые возвращаются струями дожигания в шлак [1,4].
Повышение значения температуры и окисленности шлака (Σ (FeO) <0,25%) способствовали быстрому растворению извести и интенсификации технологических процессов нагрева (υt, 0С/мин), обезуглероживания (υС, %[С]/мин), десульфурации (υS, %[S]/мин) и дефосфорации (υР, %[P]/мин) металла [3,5].
При обеспечении требуемой жидкоподвижности шлака путем добавок плавикового шпата скорость растворения извести возрастала с уменьшением соотношения SiO2 / (Σ (FeO) + MnO) с 0,8 - 1,2 при изменении окисленности шлака Σ (FeO) = 15 - 20% до 0,5 - 0,6 при увеличении Σ (FeO) до 25 - 30%.
Применение двухъярусной фурмы позволяет при НФ=const регулировать окисленность шлака по уравнению (1) и его температуру по уравнению (3), что является особенно важным в периоды свертывания шлака (при υС →max), путем изменения расхода I на дожигание СО в зоне ГШЭ агрегата.
Существенное влияние окислов (Σ (FeO) + MnO) на ускорение процессов υS и υР установлено при продувке 250 т конвертерной ванны [2,5].
При этом опытным путем были установлены следующие корреляционные зависимости:
L 
= 
= 0,7 + 0,009 · (О2) 
, R = 0,53; F = 11,38, (4)
L 
= 
= 157 + 0,111 · (О2) 
, R = 0,48; F = 27,6, (5)
где L и L - конечные коэффициенты распределения серы и фосфора между металлом и шлаком; (О2) - количество О2 , содержащегося в шлаке в виде окислов FeO и MnO; F - среднеквадратичное отклонение.
Установлено, что возрастание величины (О2) для 250 т конвертерной ванны с 300 до 800 кг приводит к повышению L с 3,5 до 6,5, а L со 170 до 240.
Следовательно, при использовании режима дожигания СО струями О2 в объеме газошлаковой ванны вокруг корпуса фурмы и вблизи на оптимальном расстоянии от поверхности реакционной зоны устраняется дефицит кислорода (О2) при I O2 и НФ = const, поступающего в шлак во все периоды конвертерной плавки, что позволяет при значениях 20% < Σ (FeO)<25% интенсифицировать процессы шлакообразования, нагрева и обезуглероживания металла с повышением производительности агрегата.
Решение проблемы по эффективному использованию тепла от дожигания оксида углерода (СО) струями кислорода (О2) при двухъярусной продувке конвертерной ванны [1] представляется весьма актуальной, т.к. позволяет интенсифицировать тепловые и технологические процессы [2] плавки стали.
Исследования проводили на холодной модели конвертера [4,5] с использованием двухъярусной фурмы [1,4]. В качестве шлака при моделировании использовали трансформаторное масло, вода имитировала жидкий металл.
Состояние газошлаковой эмульсии (ГШЭ) в шлаковой ванне и барботажной зоны при внедрении струй воздуха в ванну фиксировали методом кинофотосъемки и проводили измерения основных параметров дутьевого режима в объеме агрегата.
В результате установили, что из зоны продувки агрегата при многоструйной продувке жидкости воздухом поднимается вверх в шлак вокруг корпуса фурмы столб газожидкости смеси [2,4,5], состоящей из пузырей разной формы и газовыми вертикальными каналами с образованием вспенивания во всем объеме газошлаковой смеси.
При подаче встречного потока воздуха через верхние сопла фурмы столб газошлаковой смеси разрушается, вспенивание шлака снижается, а крупные пузыри газа подсасываются в струи дутья и затем измельчаются. Результаты среднестатистического измерения размеров пузырей (δпуз, мм) в контрольной области ГШЭ обработали и получили регрессионную зависимость вида:
δ = 39,15 + 0,09 · (НС/ dC) - 80,6 · (I / I О2); R = 0,68; F = 325, (6)
где НС и dС - высота и диаметр сопла, м; I и I - расход воздуха (дутья) на продувку воды (металла) и на разрушение пузырей (дожигание СО) в масле (шлаке), м3/с.
Для анализа тепловых потоков в реальном конвертере (образец 250 т конвертер Кар МК), поступающих от струй дожигания СО до СО2 к поверхности ГШЭ, омывающего эти струи, использовали зависимость:
q = α·Δt = α·(tC - tP), (7)
где α - коэффициент теплоотдачи в системе шлак - газовые струи, Вт/(м2 · 0С); tC и tP - средняя температура струй и шлакового расплава, 0С.
В качестве определяющего фактора степени омывания газовыми потоками тепловоспринимающей поверхности ГШЭ в барботажной зоне шлаковой ванны приняли W, м/с.
Эта скорость омывания определяется дутьевыми параметрами и учитывает газовую нагрузку 
(м3/ (м2 · с)) - приведенную скорость на горизонтальное сечение столба газошлаковой эмульсии (SВ, м2).
Газовую нагрузку в объеме ГШЭ находили:
= I / SВ = I / 
, (8)
где I - расход О2 на дожигание СО, м3/с.
При определении «α» использовали [1,5] критериальную зависимость для системы газовых струй:
Nu = 0,0435 Re0,8 · Pr0,33, (9)
где Nu = α · LC / λ, Re = W · LC/ ν и Pr = ν · ρ · c‾ / λ - критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля; λ, v - коэффициенты теплопроводности (Вт/(м · К)) и вязкость (м2/с); c‾ и ρ - теплоемкость (кДж/кг·· К)) и плотность расплава (кг/м3).
Особенностью расчета «α» является использование «W» в критерии Re и уровня газонасыщенности (φ) в ГШЭ:
W = / φ = (I / SВ) / (ΔΗ/Η0), (10)
где Н0 и ΔΗ - уровень спокойной ванны и ее приращение при продувке.
Математической обработкой данных работы 250 т конвертеров [1,4] с учетом свойств шлакового расплава ( λ, v, ρ и с ) при различной газонасыщенности ( φ) и газовой нагрузки ( ) в условиях двухъярусной продувки ванны установили зависимости:
11,5 102 (I / IО2) + 46,3 · 104 · φ - 31,9 · 104., R = 0,46
q = { 69,5 · 103 + 2 · Re - 21,98 · 104 · , R = 0,51 (11)
130 · α + 31,23 · 102 · tC - 54,65 · 105, R = 0,98
Из анализа данных уравнения (11) следует вывод о том, что эффективность теплообмена в системе шлак - струи дожигания возрастает при повышении (I / I O2) и φ, т.е. от уровня газонасыщенности шлаковой ванны. Кроме того, по мере увеличения скорости движения струй (W и Re → max) и повышения их температуры (tС) возрастает значение конвективной теплоотдачи в ГШЭ и эффективность теплообмена (q→max) в целом.
Таким образом, увеличение факторов (α, q) за счет интенсификации режимов барботажа шлаковой ванны и дожигания СО в ГШЭ позволяет улучшить показатели технологического режима конвертерной плавки и повысить эффективность тепловой работы агрегата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. // Известия вузов «Черная металлургия» №4, 2000 г., с. 12.
- Протопопов Е.В., Лаврик Д.А., Чернятевич А.Г. и др.// Известия вузов «Черная металлургия» №6, 2001 г., с. 13-17.
- Чернятевич А.Г., Протопопов Е.В. // Известия вузов «Черная металлургия» №2, 1996 г., с. 1-5.
- Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. // Известия вузов «Черная металлургия» №5, 2001 г., с. 12-16.
- Кожухов А.А., Меркер Э.Э. // Известия вузов «Черная металлургия» №11, 200 г. с. 18-20 и №1, 2001 г., с. 20-22.
Работа представлена на общероссийскую научную конференцию «Современные проблемы науки и образования», Москва, 16-18 февраля 2010 г. Поступила в редакцию 11.01.2010.