СПОСОБ ДЕФОСФОРАЦИИ РАСПЛАВЛЕННОГО ЧУГУНА
METHOD FOR DEPHOSFORATION OF MOLTEN CAST IRON

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу дефосфорации расплавленного чугуна путём использования конвертера с верхним и нижним дутьём, загруженного расплавленным чугуном и шлаком, и вдувания кислородсодержащего газа из фурмы верхнего дутья.
Предшествующий уровень техники
2
С точки зрения повышения эффективности каждой реакции окисления в процессе окислительного рафинирования расплавленного чугуна, важно разработать сопло, которое позволяет одновременно регулировать скорость истечения струи и скорость потока кислородсодержащего газа, впрыскиваемого из фурмы верхнего дутья на поверхность ванны, в соответствии с высотой шлака. Между тем, с точки зрения предотвращения глобального потепления посредством сбережения энергии и уменьшения образования CO, обычной практикой при выполнении операции рафинирования в конвертере является снижение коэффициента смешения расплавленного чугуна и введение источника железа, такого как металлический лом. Для ускорения науглероживания металлического лома и пр. и активирования его расплавления дополнительно используют перемешивание вдуваемым снизу газом.
Один из примеров можно обнаружить в процессе рафинирования путём дефосфорации расплавленного чугуна в конвертере. Известно, что реакция дефосфорации протекает по уравнению (1), приведённому ниже, на границе раздела шлак-металл:
2
5
2[P] + 2(FeO) + 3 (CaO ⋅ FeO) (I) → (3CaO ⋅ PO) (s) + 5[Fe] … (1)
В данном случае [M] представляет элемент M в составе расплавленного чугуна, а (S) представляет химическое вещество S в составе шлака.
2
5
2
5
Как можно видеть из уравнения реакции (1), реакция дефосфорации представляет собой реакцию окисления, для которой существенным является присутствие оксида железа (FeO). Поскольку образующийся оксид фосфора (PO) является нестабильным, необходимо подвергать его взаимодействию с известью (CaO) для образования 3CaO ⋅ PO и стабилизации в виде шлака. С учётом вышесказанного, известь также является существенной для рафинирования путём удаления фосфора. FeO образуется в составе шлака по мере того, как кислородсодержащий газ, выбрасываемый струёй из фурмы верхнего дутья, поглощается расплавленным железом в горячей зоне и окисляет железо. Известь, которая реагирует с оксидом фосфора, при подаче имеет температуру плавления не ниже 2500°C, которая намного выше внутренней температуры печи, составляющей от 1300 до 1500°C, что делает эффективность реакции заметно низкой. Однако при взаимодействии с оксидом железа известь превращается в шлак с образованием феррита кальция (CaO ⋅ FeO), имеющего низкую температуру плавления, содействуя таким путём реакции дефосфорации. Таким образом, можно видеть, что оксид железа не только непосредственно окисляет P, но также и способствует повышению эффективности реакции дефосфорации путём превращения извести в шлак. На начальной стадии, где концентрация P в расплавленном железе является высокой, скорость реакции дефосфорации определяется поступлением кислорода или феррита кальция. С другой стороны, на конечной стадии, где концентрация P стала низкой, скорость реакции определяется поступлением P на границу раздела шлак-металл, и, следовательно, для снижения концентрации P, достигаемой в конце процесса, дополнительно используют перемешивание вдуваемым снизу газом.
В этой связи сообщалось о способе, в котором истечение струи вдуваемого сверху кислорода регулируют так, чтобы блокировать шлаком непосредственное приведение его в контакт с расплавленным чугуном, так что повышается активность кислорода на границе раздела шлак-металл и активируется образование оксида железа (FeO) с резким повышением эффективности дефосфорации. Например, в Патентном документе 1 предлагается способ, в котором скорость потока вдуваемого сверху кислорода, высоту фурмы верхнего дутья, диаметр отверстия и число сопел фурмы, а также объём добавляемого потока регулируют таким образом, чтобы приведение струйного потока вдуваемого сверху кислорода в прямой контакт с расплавленным железом блокировалось шлаком.
В Патентном документе 2, в котором принимается во внимание явление, заключающееся в том, что концентрация пыли является низкой, когда вдуваемый сверху кислород не находится в контакте с расплавленным чугуном, и что концентрация пыли чрезмерно повышается, когда вдуваемый сверху кислород вступает в контакт с расплавленным чугуном, предлагается способ надёжного осуществления бесконтактного вдувания посредством определения того, находятся ли вдуваемый сверху кислород и расплавленный чугун в контакте друг с другом, при использовании измерителя концентрации пыли, установленного в газоотводе, и путём регулирования скорости потока вдуваемого сверху кислорода и/или высоты расположения фурмы верхнего дутья.
Список цитируемой литературы
Патентные документы
Патентный документ 1: Выложенный японский патент № 2002-322507
Патентный документ 2: Выложенный японский патент № 2003-113412
Сущность изобретения
Техническая проблема
Однако в вышеописанных традиционных технологиях имеются следующие проблемы.
При дефосфорации в конвертере широко используются конвертеры с верхним и нижним дутьём, включающие в себя перемешивание расплавленного чугуна вдуваемым снизу газом, как описано выше. Однако в способах вдувания, описанных в Патентном документе 1 и Патентном документе 2, не упоминаются условия нижнего дутья, и указанные способы представляют собой технологии, в которых принимается во внимание только вдувание в конвертерах с верхним дутьём. С учётом вышесказанного, применительно к конвертерам с верхним и нижним дутьём в том виде, как они существуют, указанные технологии будут создавать препятствия для работы. Например, общеизвестно, что шлак в конвертере с верхним и нижним дутьём содержит гранулированный чугун, порождаемый вдуваемым снизу газом. Когда дутьё выполняют таким образом, чтобы предотвращать проникновение вдуваемого сверху струйного потока через шлак, содержащий такой гранулированный чугун, кислород, диспергированный в шлаке, может быть не в состоянии достигать поверхности ванны расплавленного чугуна в результате абсорбирования суспендированным гранулированным чугуном. Далее, в результате того, что гранулированный чугун поглощает кислород, гранулированный чугун в шлаке требует более длительного периода времени осаждения по отношению к времени вдувания. Таким образом, оксид железа (FeO), даже при его образовании, вносит меньший вклад на границе раздела шлак-металл, что может значительно замедлять протекание реакции дефосфорации.
Кроме того, избыточное накопление в шлаке оксида железа (FeO), который не содействует данной реакции, может стать серьезным препятствием для работы, поскольку он активирует образование пузырей в шлаке и порождает явление, называемое выплёскиванием, при котором шлак аномально вспучивается, пузырится и разбрызгивается через отверстие печи. Таким образом, применительно к конвертерам с верхним и нижним дутьём, способы дефосфорации с вдуванием, описанные в Патентном документе 1 и Патентном документе 2, не только значительно тормозят протекание реакции дефосфорации, но и могут делать невозможным само функционирование конвертера вследствие выплёскивания.
Для решения указанных проблем следует поддерживать условия окружающей среды, в которых струйный поток кислорода для вдувания проникает через шлак. Традиционная фурменная технология, использованная в Патентном документе 2, в ходе продувки не может обеспечить для этой цели никаких мер, отличных от уменьшения высоты расположения фурмы до такой высоты, пока струйный поток кислорода не будет проникать через шлак. Однако с точки зрения площади границы раздела реакции, обеспечение большой области (площадь горячей зоны), в которой струйный поток попадает на поверхность ванны расплавленного чугуна, является результативным для эффективной подачи оксида железа (FeO), который способствует протеканию реакции дефосфорации на границе раздела шлак-металл. Уменьшение высоты расположения фурмы приводит к сокращению площади горячей зоны, а вследствие этого, к снижению эффективности реакции дефосфорации, и с учётом вышесказанного, является нежелательным.
Настоящее изобретение направлено на решение упомянутых выше проблем, и в нём предлагается способ дефосфорации расплавленного чугуна, который применяет в ходе дефосфорации использование конвертера с верхним и нижним дутьём и который приводит к стабильному поступлению оксида железа (FeO), содействующего реакции дефосфорации, на границу раздела шлак-металл, а также предотвращает выплёскивание, являющееся фактором, затрудняющим работу.
Решение проблемы
Во-первых, способ дефосфорации расплавленного чугуна настоящего изобретения, в котором предпочтительно решаются вышеописанные проблемы, представляет собой способ дефосфорации расплавленного чугуна, в котором используют конвертер с верхним и нижним дутьём, загруженный расплавленным чугуном и шлаком, и в котором для осуществления дефосфорации расплавленного чугуна путём вдувания кислородсодержащего газа из фурмы верхнего дутья
в качестве основного газа подают кислородсодержащий газ через выпускное отверстие одного или нескольких основных каналов для вдувания, которые расположены таким образом, что проходят через внешнюю оболочку фурмы верхнего дутья, и
подают контрольный газ через отверстие, размещённое на внутренней поверхности стенки основного канала для вдувания, в направлении осевого центра основного канала для вдувания через канал подачи контрольного газа.
Способ дефосфорации расплавленного чугуна отличается тем, что он включает в себя:
стадию измерения положения верхней поверхности шлака путем непрерывного или периодического измерения в произвольном положении верхней поверхности шлака, присутствующего на расплавленном чугуне, при этом положение верхней поверхности расплавленного чугуна было измерено заранее;
стадию расчёта разницы верхней поверхности шлака, предназначенную для вычисления толщины слоя шлака, которая представляет собой разность между измеренными положениями верхних поверхностей расплавленного чугуна и шлака; и
стадию регулировки условий струйного впрыскивания с использованием полученной величины толщины слоя шлака, предназначенную для регулирования условий струйного впрыскивания кислородсодержащего газа, впрыскиваемого струёй из фурмы верхнего дутья, в надлежащем диапазоне.
Во-вторых, способ дефосфорации расплавленного чугуна настоящего изобретения, в котором предпочтительно решаются вышеописанные проблемы, представляет собой способ дефосфорации расплавленного чугуна, в котором используют конвертер с верхним и нижним дутьём, загруженный расплавленным чугуном и шлаком, и в котором для осуществления дефосфорации расплавленного чугуна путём вдувания кислородсодержащего газа из фурмы верхнего дутья
в качестве основного газа подают кислородсодержащий газ через выпускное отверстие одного или нескольких основных каналов для вдувания, которые расположены таким образом, что протянуты через внешнюю оболочку фурмы верхнего дутья, и
подают контрольный газ через отверстие, размещённое на внутренней поверхности стенки основного канала для вдувания, в направлении осевого центра основного канала для вдувания через канал подачи контрольного газа.
Способ дефосфорации расплавленного чугуна отличается тем, что он включает в себя:
стадию расчёта начальной толщины слоя шлака, предназначенную для вычисления толщины слоя шлака, при этом положение верхней поверхности расплавленного чугуна и положение верхней поверхности шлака измерено заранее;
стадию расчёта изменения толщины слоя шлака, измеренную путем непрерывного измерения положения верхней поверхности шлака при вдувании и вычисления изменений толщины слоя шлака; и
стадию регулировки условий струйного впрыскивания с использованием полученных величин начальной толщины шлака и её изменений, предназначенную для регулирования условий струйного впрыскивания кислородсодержащего газа, подаваемого из фурмы верхнего дутья, в надлежащем диапазоне.
Способы дефосфорации расплавленного металла, согласно настоящему изобретению, могут представлять собой более предпочтительные решения в случае, если:
a. Кислородсодержащий газ, подаваемый струёй из фурмы верхнего дутья, проникает через шлак, находящийся на расплавленном чугуне, и достигает верхней поверхности расплавленного чугуна;
b. Глубина впадины в расплавленном чугуне, формируемой кислородсодержащим газом, проникшим через шлак, составляет меньше 10% от толщины слоя шлака;
c. Регулирование условий нагнетания струи из фурмы верхнего дутья представляет собой регулировку соотношения между давлением подачи контрольного газа и давлением подачи основного газа; и
d. Регулирование условий нагнетания струи из фурмы верхнего дутья представляет собой регулировку соотношения между скоростью потока контрольного газа и скоростью потока основного газа.
Полезные эффекты изобретения
В соответствии с настоящим изобретением при дефосфорации расплавленного чугуна путём использования конвертера с верхним и нижним дутьём, вдувание осуществляют при поддержании надлежащих условий струйного впрыскивания кислородсодержащего газа в виде струи из фурмы верхнего дутья, в частности, поддерживают условия окружающей среды, в которых вдуваемый сверху струйный поток кислорода находится в контакте с расплавленным чугуном. Это делает возможным стабильное поступление оксида железа (FeO) на границу раздела шлак-металл, а также предотвращение выплёскивания путём заблаговременного исключения избыточного накопления в шлаке оксида железа (FeO), который не вносит вклада в данную реакцию.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой вид в разрезе переднего конца фурмы верхнего дутья, которую используют в способе дефосфорации расплавленного чугуна согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе устройства, демонстрирующего концепцию способа дефосфорации расплавленного чугуна согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Описание вариантов осуществления
Способ дефосфорации расплавленного чугуна настоящего изобретения будет описан подробно ниже на основе предпочтительного примера, показанного на чертежах.
Фиг. 1 представляет собой схематичный вид, отображающий вертикальное сечение переднего конца фурмы 1 верхнего дутья в случае конвертера, который используют соответствующим образом для воплощения способа дефосфорации расплавленного чугуна согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. На фиг. 1 показана нижняя концевая часть фурмы 1 верхнего дутья. Фурма 1 верхнего дутья заключает в себе один или несколько основных каналов 3 для вдувания, через которые кислородсодержащий газ, находящийся внутри резервуара 34 для газа, впрыскивают струёй в направлении поверхности ванны, находящейся внутри реакционного сосуда, и она заключает в себе канал 4 подачи контрольного газа, имеющий отверстие 41, которое расположено на внутренней поверхности стенки каждого основного канала 3 для вдувания и предназначено для выпускания контрольного газа в виде струи в основной канал 3 для вдувания. Отверстие 41 выполнено с возможностью выпускания контрольного газа в виде струи в направлении осевого центра основного канала 3 для вдувания. Фурма 1 верхнего дутья имеет каналы 2 циркуляции охлаждающей воды. В примере фиг. 1 основной канал 3 для вдувания имеет форму песочных часов, образуемую путём сочетания двух усечённых конусов. Отверстие 41 сформировано на внутренней поверхности стенки горловины 32 основного канала 3 для вдувания, где площадь сечения является наименьшей. Форма указанного основного канала 3 для вдувания представляет собой форму так называемого сопла Лаваля. В качестве кислородсодержащего газа, подаваемого в основной канал 3 для вдувания, можно использовать, например, газообразный кислород, а контрольный газ может быть тем же газом, что и кислородсодержащий газ, или может быть инертным газом, таким как азот.
В фурме верхнего дутья, используемой в настоящем изобретении, внутри её сопла (основной канал 3 для вдувания), как показано на фиг. 1, контрольный газ сталкивается с основным потоком, в направлении, отличном от направления движения основного потока, в результате чего изменяется маршрут протекания основного потока и регулируется его скорость протекания. Первоначальным проточным каналом, по которому протекает основной поток, является всё сечение сопла. При введении контрольного газа основной поток протекает так, чтобы избегать потока контрольного газа, и, таким образом, площадь сечения канала протекания основного потока ограничивается.
Данный принцип применяется во флюидном устройстве, представляющем собой одно из устройств, в котором используются флюидные явления. Термин «флюидное устройство» является общим термином для устройств, в которых используют функции, обеспечиваемые за счёт эффекта столкновения струйного потока с боковой стенкой, эффекта столкновения между двумя струйными потоками, флюидного явления, порождаемого завихрением, и за счёт флуктуаций скорости самого струйного потока, и оно изучается в области гидродинамики. Например, флюидное устройство принимает форму, в которой канал подачи контрольной текучей среды расположен вблизи выпускного отверстия проточного канала струйного потока, в направлении, находящемся под прямым углом к струйному потоку. При введении текучей среды в струйный поток через канал подачи контрольной текучей среды струйный поток сжимается под действием контрольной текучей среды, так что площадь сечения струйного потока отчасти уменьшается, и даже в случае проточного канала, имеющего прямолинейную форму (являющегося соплом с прямолинейной образующей), струйный поток ведёт себя так, как если бы оно являлось соплом Лаваля. Таким образом, газ, впрыскиваемый струёй из основного канала 3 для вдувания (смешанный газ, состоящий из основного кислородсодержащего газа и контрольного газа), имеет более высокую скорость потока в выпускном отверстии 31 основного канала 3 для вдувания. Флюидные устройства обладают тем преимуществом, что им не требуется подвижная механическая часть. В случае, когда сопло Лаваля образуется при помощи горловины 32 в основном канале для вдувания, как показано на фиг. 1, предпочтительно, чтобы отверстие 41 располагалось вблизи горловины 32. Кроме того, в случае, когда основной канал 3 для вдувания сформирован в виде прямолинейного цилиндрического сопла с постоянным диаметром трубы, предпочтительно, чтобы отверстие 41 располагалось на внутренней стенке удаленном от выпускного отверстия 31 основного канала 3 для вдувания на расстояние, составляющее 0,5 - 2,5-кратную величину диаметра трубы.
AVE
Касательно формы отверстия 41 канала 4 подачи контрольного газа, используемой в настоящем изобретении, отметим, что в случае, когда внутренняя поверхность стенки основного канала 3 для вдувания превращается в плоскость, соответствующим образом можно использовать, например, круглое отверстие, эллиптическое отверстие или многоугольное отверстие, которые имеют круглую форму, эллиптическую форму и многоугольную форму, соответственно, либо можно использовать круговую или частичную прорезь. Предпочтительно, чтобы отверстия 41 канала 4 подачи контрольного газа были предусмотрены практически с равными интервалами по окружности или имели форму прорези. Предпочтительно, чтобы общая длина отверстий 41 канала 4 подачи контрольного газа составляла не менее 25% от длины внутренней поверхности стенки основного канала 3 для вдувания в направлении окружности. Термин «практически равные интервалы по окружности» означает, что величина расстояния S между положениями центров каждой пары соседних отверстий 41 в направлении окружности находится в пределах ±20% от средней величины S расстояний между положениями центров всех пар соседних отверстий 41 в направлении окружности. Когда общая длина, которая приходится на долю отверстий 41, составляет меньше 25%, воздействие сжатия потока на кислородсодержащий газ как основной поток может становиться столь малым, что влияние увеличения скорости потока на струйный газ может оказываться недостаточным.
Фиг. 2 представляет собой вид конвертера в разрезе, демонстрирующий концепцию воплощения способа дефосфорации расплавленного чугуна согласно настоящему изобретению с использованием фурмы 1 верхнего дутья. Расплавленный чугун 6 и шлак 7 загружают в сосуд 5 конвертера и в ходе продувки вводят кислородсодержащий газ в виде вдуваемого сверху струйного потока 8 из фурмы 1 верхнего дутья, при этом одновременно вдувают газ для перемешивания через фурму 11 нижнего дутья. Фурма 1 верхнего дутья снабжена трубой 9 основного газа, предназначенной для подачи основного газа в основной канал 3 для вдувания, и трубой 10 контрольного газа, предназначенной для подачи контрольного газа из отверстий 41, находящихся внутри основного канала 3 для вдувания, по каналу 4 подачи контрольного газа. При вдувании шлак 7 вспенивается.
В настоящем изобретении определяют высоту вспенивания шлака 7, т.е. толщину слоя шлака, и без изменения расстояния от верхней поверхности расплавленного чугуна до переднего конца фурмы 1 верхнего дутья (высота расположения фурмы) регулируют скорость потока или давление подачи контрольного газа с целью обеспечения скорости вдуваемого сверху струйного потока 8 в надлежащем диапазоне. В результате, вдуваемый сверху струйный поток 8 проникает через слой шлака и вступает в контакт с расплавленным чугуном, что позволяет осуществлять эффективную дефосфорацию расплавленного чугуна.
S0
M0
S
M0
S0
S
S
S
В настоящем документе для измерения высоты H вспенивания шлака 7 можно использовать микроволновый уровнемер. Высоту Hслоя расплавленного чугуна 6 можно измерять при помощи вспомогательной фурмы. В качестве толщины слоя шлака D используют значение, полученное в результате вычитания измеренной величины высоты H слоя расплавленного чугуна из измеренной величины высоты H вспенивания шлака. В ходе продувки толщина D слоя шлака динамически изменяется по мере добавления реагента для дефосфорации. При необходимости можно использовать способ измерения высоты H верхней поверхности шлака или способ оценки толщины D слоя шлака на основе материального баланса и насыпной плотности шлака, определённой заранее.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения при продувке постоянно или периодически измеряют положение в произвольном месте на верхней поверхности шлака, присутствующего на расплавленном железе, например, при помощи микроволнового уровнемера (стадия измерения положения верхней поверхности). Затем измеряют положение верхней поверхности расплавленного чугуна с использованием зонда на основе вспомогательной фурмы, и в результате численного расчёта или эксперимента получают данные о форме описываемой ниже поверхности, характеризующейся глубиной впадины на верхней поверхности шлака, формируемой под действием кислородсодержащего газа, впрыскиваемого струёй из фурмы верхнего дутья. После этого, исходя из положения верхней поверхности шлака, полученного путём усреднения, с использованием положения верхней поверхности шлака, измеренного ранее реальным образом, вычисляют их разность как толщину слоя шлака (стадия расчёта разности положений верхней поверхности шлака). С использованием полученной толщины слоя шлака, без изменения высоты расположения фурмы верхнего дутья, регулируют давление или скорость потока контрольного газа внутри основного канала для вдувания с целью обеспечения условий струйного впрыскивания кислородсодержащего газа в надлежащем диапазоне и достижения таким образом идеальной формы поверхности (стадия регулировки условий струйного впрыскивания).
S
Глубину L впадины на поверхности, образующейся при продувке, можно вычислять, например, при помощи объединения следующей ниже формулы (2) с формулой (3). Впадина на поверхности образуется по мере того, как шлак и расплавленное железо оттесняются вдуваемым сверху струйным потоком 8. Указанная впадина формируется как углубление в шлаке, пока вдуваемый сверху струйный поток 8 проходит через шлак 7. После того, как вдуваемый сверху струйный поток 8 проникнет через шлак 7, упомянутая впадина образуется как углубление в расплавленном чугуне.
S
h
h
L = L ⋅ exp ( -0,78 h/L) … (2)
h
S
M
O2
t
-1/3
2/3
L = 63 × ( ρ/ρ) × ( F/n/d) … (3)
S
Здесь L: глубина впадины, формирующейся при воздействии струйного потока кислорода, которая представляет собой расстояние по вертикали от верхней поверхности шлака перед началом рафинирования до дна впадины на поверхности (м);
h: расстояние по вертикали от переднего конца фурмы до верхней поверхности шлака перед началом рафинирования (м);
h
L: глубина впадины на поверхности при h = 0 (м);
S
3
ρ: насыпная плотность пенистого шлака (например, 200 кг/м);
M
3
ρ: плотность расплавленного чугуна (расплавленных чушек чугуна) (например, 6900 кг/м);
O2
3
F: общая скорость потока вдуваемого сверху кислорода (сумма скорости потока основного газа и скорости потока контрольного газа) (нм/ч);
n: число отверстий сопел фурмы 1 верхнего дутья (-); и
t
d: диаметр горловины сопла (горловины 32 основного канала для вдувания) фурмы 1 верхнего дутья (м).
S
S
Если глубина L впадины на поверхности в формуле (2) является величиной, не меньше толщины D слоя шлака, можно заключить, что вдуваемый сверху струйный поток 8 проник через шлак 7 и достиг расплавленного чугуна 6.
S
Касательно метода расчёта глубины L впадины на поверхности отметим, что существуют и разные другие методы, включая следующую ниже формулу (4), о которой сообщалось в выложенном японском патенте № 2015-101734, а из приведённых формул следует выбирать и использовать метод, подходящий для конкретного применения.
t
S
S
1/2
Vd = 0,73 (L + h) L … (4)
здесь V: вертикальная составляющая скорости истечения струи в переднем конце сопла (м/с).
S
M0
S0
L
S
S
S
S
S
M
t
S
S
M
S
S
В данном варианте осуществления, для вычисления глубины L впадины, образующейся на поверхности в ходе продувки, по приведённой выше формуле (2), вначале определяют, например, положение точки 12 измерения, находящейся в произвольном положении на верхней поверхности шлака, при помощи микроволнового уровнемера или тому подобного устройства. Затем, исходя из рабочих условий, как например, высоты Hслоя расплавленного чугуна, измеренной перед началом процесса, высоты Hслоя шлака, измеренной в ходе продувки, высоты H расположения переднего конца фурмы верхнего дутья, количества шлака, полученного на основе материального баланса, состава и температуры шлака, а также насыпной плотности шлака, оцененной исходя из данного состава, температуры и количества шлака, в дополнение к расчёту толщины D слоя шлака, вычисляют глубину L впадины на верхней поверхности шлака, формируемой при воздействии кислородсодержащего газа, подаваемого струёй из фурмы верхнего дутья. Если в результате расчёта глубина L впадины на верхней поверхности шлака превышает 110% от толщины D слоя шлака, соотношение между давлениями или скоростями потоков основного газа, который является кислородсодержащим газом, и контрольного газа, впрыскиваемых струёй из фурмы верхнего дутья, регулируют таким образом, чтобы глубина L впадины на верхней поверхности шлака, вычисленная по указанным выше формулам (2) и (3), характеризовалась значением, не меньше того, при котором кислородсодержащий газ проникает через слой шлака и достигает расплавленного чугуна, и чтобы глубина Lвпадины в расплавленном чугуне, формируемой при воздействии кислородсодержащего газа, проникшего через шлак, не превышала 10% от толщины слоя шлака. В данном случае диаметр d горловины сопла фурмы 1 верхнего дутья в приведённой выше формуле (3) представляет собой кажущийся диаметр окружности, эквивалентной горловине 32 основного канала для вдувания, который определяется контрольным газом. Если L> D, то L вычисляют путём вычитания L - D.
M
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения, если измерены заранее положение верхней поверхности расплавленного чугуна и положение верхней поверхности шлака вышеописанным методом или ему подобным, прежде всего, вычисляют начальную толщину слоя шлака (стадия расчёта толщины слоя шлака). Затем определяют изменения уровня поверхности в ходе продувки с использованием микроволнового уровнемера или ему подобного. В то же время, определяют образующееся при продувке количество оксида железа, которое рассчитывают на основе материального баланса, например, исходя из объёма потока реагента, вдуваемого для дефосфорации, и оценённого путём анализа количества отходящего газа, которые являются рабочими параметрами, и вычисляют кажущуюся насыпную удельную массу шлака. Это используется как резерв в случае, если уровень шлака трудно определять при помощи микроволнового уровнемера вследствие образования пыли или тому подобного (стадия расчёта изменения толщины слоя шлака). С использованием полученных величин начальной толщины слоя шлака и динамических изменений толщины слоя шлака, как в первом варианте осуществления, выполняют регулировку таким образом, чтобы вертикальная составляющая V скорости истечения струи кислородсодержащего газа, впрыскиваемого струёй из фурмы верхнего дутья, в переднем конце сопла характеризовалась значением, не меньше того, при котором кислородсодержащий газ проникает через слой шлака и достигает расплавленного чугуна, и чтобы глубина Lвпадины в расплавленном железе, формируемой при воздействии кислородсодержащего газа, проникшего через шлак, не превышала 10% от толщины слоя шлака (стадия регулировки условий струйного впрыскивания).
S
M
В настоящем изобретении желательно, чтобы кислородсодержащий газ, впрыскиваемый струёй из фурмы верхнего дутья, проникал через шлак на расплавленном чугуне и достигал верхней поверхности расплавленного чугуна. Это связано с тем, что, поскольку вдуваемый сверху струйный поток кислорода проникает через шлак и вступает в контакт с расплавленным чугуном, в области контакта данной струи, т.e. на границе раздела шлак-металл, образуется оксид железа (FeO), что активирует реакцию дефосфорации в соответствии с уравнением (1). Как описано выше, в случае дефосфорации при использовании конвертера с верхним и нижним дутьём, если вдувание осуществляют в условиях, когда струйный поток кислородсодержащего газа не проникает через шлак, кислород не способен достигать границы раздела шлак-металл, при этом в шлаке лишь избыточно накапливается оксид железа (FeO), который не вносит вклада в реакцию дефосфорации расплавленного чугуна, что не только снижает эффективность дефосфорации, но и также может приводить к выплёскиванию. В противном случае, когда напор вдуваемого сверху струйного потока кислорода возрастает до величины, выше требуемой для проникновения через шлак, кислород, поглощаемый со стороны поверхности расплавленного чугуна, образует оксид железа (FeO). Так как поверхность расплавленного чугуна перемешивается вдуваемым сверху струйным потоком кислорода, указанный оксид железа расходуется по реакции обезуглероживания, что может понижать эффективность дефосфорирующего кислорода. С учётом вышесказанного, желательно устанавливать глубину L впадины на поверхности, формируемой при воздействии вдуваемого сверху струйного потока кислорода, достаточную лишь для проникновения через шлак. Предпочтительно, чтобы глубина L впадины в расплавленном чугуне, формируемой при воздействии кислородсодержащего газа, проникшего через шлак, составляла меньше 10% от толщины слоя шлака.
t
O2
m
a
t
В настоящем изобретении, на основе комплекса элементов формул (2) и (3), приведённых выше, обнаружен подход к регулированию параметра d формы сопла без изменения величины h, относящейся к высоте расположения фурмы, и общей скорости Fпотока кислорода. Например, с использованием фурмы 1 верхнего дутья, имеющей форму, показанную на фиг. 1, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, формируют вышеописанное флюидное устройство за счёт вдувания контрольного газа через отверстия 41, предусмотренные в горловине 32 основного канала 3 для вдувания. Таким путём в настоящем изобретении реализуется динамическое изменение кажущейся формы горловины 32 основного канала 3 для вдувания. Экспериментально доказано, что взаимосвязь между отношением давления P подачи основного газа к давлению P подачи контрольного газа и кажущимся диаметром d окружности, эквивалентной горловине сопла, выражается следующей формулой (5):
t
t0
a
m
d = d (-0,09 (P/P) + 1) … (5)
t0
В данном случае d: диаметр основного канала для вдувания в месте расположения отверстий (мм);
a
P: давление подачи контрольного газа (избыточное давление); и
m
P: давление подачи основного газа (избыточное давление).
Рабочим параметром для фактического регулирования давления является скорость потока. Формулу (5) можно преобразовать относительно скорости потока в следующую формулу (5'):
t
t0
m0
a
a
m
d = d (-0,09 (A ⋅ Q)/(AQ) + 1) … (5')
a
Здесь Q: скорость потока контрольного газа;
m
Q: скорость потока основного газа;
m0
2
A: площадь сечения основного канала для вдувания в месте расположения отверстий (мм); и
a
2
A: площадь сечения отверстия для подачи контрольного газа (мм).
Как можно видеть из приведённых выше формул (5) и (5'), регулирование по соотношению давлений и регулирование по соотношению скоростей потока являются эквивалентными. При воплощении настоящего изобретения можно использовать любой вид регулирования: как по соотношению давлений, так и по соотношению скоростей потока.
t
a
m
a
m
S
O2
S
В данном варианте осуществления изменение кажущегося диаметра d окружности, эквивалентной горловине сопла, достигается путём управления соотношением между давлением подачи контрольного газа и давлением подачи основного газа, P/P, или соотношением между скоростью потока контрольного газа и скоростью потока основного газа, Q/Q. В результате, можно регулировать глубину L впадины на поверхности при одновременном сохранении того же самого значения h в отношении высоты расположения фурмы, без изменения общей скорости потока кислорода F. Иными словами, можно позволять вдуваемому сверху струйному потоку 8 кислорода проникать через шлак 7 путём регулирования глубины L впадины на поверхности, без уменьшения площади горячей зоны.
Примеры
Пример 1
3
M0
В качестве одного из примеров первого варианта осуществления, в котором дефосфорацию расплавленного чугуна эффективно осуществляют способом в соответствии с настоящим изобретением, проводили испытание в конвертере для дефосфорации, включающее в себя вдувание кислорода на расплавленный чугун с использованием фурмы верхнего дутья и удаление таким образом фосфора, содержащегося в расплавленном чугуне, с использованием действующего конвертера с верхним и нижним дутьём. Количество расплавленного чугуна составляло 283,8 тонны, а количество металлического лома составляло 36,2 тонны. Скорость потока вдуваемого снизу газа составляла 2400 нм/ч. Число основных каналов для вдувания в фурме верхнего дутья было равно пяти. Выходной диаметр составлял 0,071 м, и диаметр горловины составлял 0,071 м. Отверстие имело форму кольцевой прорези шириной 5,4 мм. Концентрация P до начала процесса составляла 0,125 мас.%. Уровень положения верхней поверхности шлака в положении 2/3 радиуса от центра измеряли из отверстия печи с использованием микроволнового уровнемера. Высоту H слоя расплавленного чугуна перед началом продувки измеряли заранее при помощи вспомогательной фурмы. В ходе продувки вводили дефосфорирующий поток со скоростью 10 кг/т в расчёте на расплавленные чушки чугуна. Это эквивалентно увеличению общего количества шлака на 10%.
S
M0
S0
Начальная толщина D слоя шлака, полученная исходя из высоты H слоя расплавленного чугуна, измеренной перед началом процесса, и высоты H слоя шлака, измеренной при помощи микроволнового уровнемера, составляла 3,40 м.
S
S
S
S
S
Дутьё для дефосфорации начинали при высоте расположения фурмы и количестве продувочного кислорода, регулируемых на основе формул (2) и (3) таким образом, чтобы глубина L впадины на поверхности составляла 3,45 м. В данном случае соотношение между глубиной L впадины на поверхности и толщиной D слоя шлака составляло L/D × 100 = 101,5%, что является условием пребывания вдуваемого сверху струйного потока в контакте с расплавленным чугуном.
В ходе дутья для дефосфорации непрерывно измеряли уровень верхней поверхности шлака с использованием микроволнового уровнемера и в качестве величины, характеризующей уровень поверхности шлака, использовали среднее значение за 10 секунд. При продувке, по мере вдувания потока для дефосфорации, увеличивалось количество шлака и поднимался уровень его поверхности.
S
S
S
S
Для того, чтобы позволить вдуваемому сверху струйному потоку проникать через шлак, коэффициент давления контрольного газа повышали от 0,00 до 0,50 в соответствии с формулой (5). В результате расстояние от поверхности расплавленного чугуна до поверхности шлака становилось эквивалентным отношению L/D глубины L впадины на поверхности к толщине D слоя шлака, которое составляло 101,5%.
S
S
Когда вдувание осуществляли при доле контрольного газа, регулируемой с целью поддержания условия L/D × 100 = 101,5% от начальной ступени до конца продувки, согласно способу настоящего изобретения, количество удалённого фосфора ΔP, которое представляет собой разность между концентрацией P [мас. %] в исходном расплавленном чугуне и концентрацией P [мас. %] в расплавленном чугуне по завершении вдувания, составляло 0,115 мас.%.
С другой стороны, когда вдувание осуществляли в таких условиях, что вдуваемый сверху струйный поток не достигал расплавленного чугуна, то, поскольку количество шлака увеличивалось, количество удалённого фосфора ΔP составляло лишь 0,068 мас. %, несмотря на тот же самый общий объём продувочного кислорода.
Пример 2
3
В качестве одного из примеров второго варианта осуществления, в котором дефосфорацию расплавленного чугуна эффективно осуществляют способом в соответствии с настоящим изобретением, проводили испытание в конвертере для дефосфорации, включающее в себя вдувание кислорода на расплавленный чугун с использованием фурмы верхнего дутья и удаление таким образом фосфора, содержащегося в расплавленном чугуне, с использованием действующего конвертера с верхним и нижним дутьём. Количество расплавленных чушек чугуна составляло 283,8 тонны, а количество металлического лома составляло 36,2 тонны. Скорость потока вдуваемого снизу газа составляла 2400 нм/ч. Число основных каналов для вдувания в фурме верхнего дутья было равно пяти. Выходной диаметр составлял 0,071 м, и диаметр горловины составлял 0,071 м. Отверстие имело форму кольцевой прорези шириной 5,4 мм. Концентрация P до начала процесса составляла от 0,120 до 0,125 мас.%.
S
S
S
S
В таблице 1 показан результат выполнения операции в действующей печи для дефосфорации. В ходе данной операции глубину L впадины на поверхности рассчитывали по формуле (2) при одновременном регулировании соотношения между давлением подачи контрольного газа и давлением подачи основного газа, и при этом вычисляли динамическую высоту D слоя шлака исходя из рабочих условий, например, начального количества шлака, объёма вдуваемого для дефосфорации потока и насыпной плотности шлака, определённой на основе состава шлака и его температуры, и наблюдали, проникал ли вдуваемый сверху струйный поток через шлак. Значения глубины L впадины на поверхности и высоты Dслоя шлака, приведённые в таблице 1, представляют собой величины, достигнутые в конце дутья.
Количество удалённого фосфора, ΔP [мас. %] в таблице 1, было то же, что и в примере 1.
S
S
S
S
S
S
Во всех процессах № 1 – 5 таблицы 1 вдувание осуществляли при давлении контрольного газа, регулируемом таким образом, что глубина L впадины на поверхности, вычисленная по формуле (2), становилась больше толщины Dслоя шлака, рассчитанной на основе фактического измерения. С другой стороны, в процессах № 6 – 8 контрольный газ не подавали. В процессе № 6 высоту расположения фурмы уменьшали таким образом, чтобы доводить глубину L впадины на поверхности и толщину D слоя шлака до аналогичных таковым в процессе № 1. В каждом из процессов № 7 и 8 вдувание осуществляли в таких условиях, что глубина L впадины на поверхности, вычисленная по формуле (2), становилась меньше толщины Dслоя шлака, рассчитанной на основе фактического измерения.
В процессах № 1 – 5, в которых вдуваемый сверху струйный поток кислорода регулировали таким образом, чтобы он проникал через шлак, количества удалённого фосфора ΔP являлись значительными, по сравнению с количествами в процессах № 7 и 8, в которых вдуваемый сверху струйный поток кислорода регулировали таким образом, чтобы он не проникал через шлак. Это доказывает, что проникновение вдуваемого сверху струйного потока кислорода через шлак является важным для активирования реакции дефосфорации при использовании конвертера с верхним и нижним дутьём.
S
S
S
S
S
S
M
S
M
При сравнении процессов № 1 и 6, которые эквивалентны по глубине L впадины на поверхности относительно толщины D слоя шлака, видно, что количество удалённого фосфора ΔP больше в процессе № 1. Вероятно, это имеет место вследствие того, что в основной канал для вдувания подавали контрольный газ, а глубину L впадины на поверхности регулировали при одновременном сохранении площади горячей зоны, без уменьшения высоты расположения фурмы. Кроме того, в процессах № 1, 3 и 4, которые характеризуются тем, что глубина L впадины на поверхности, отнесённая к толщине D слоя шлака, составляет менее 10% от толщины D слоя шлака, т.е. глубина L впадины в расплавленном железе составляет меньше 10% от толщины D слоя шлака, количества удалённого фосфора ΔP являются превосходными, по сравнению с таковым в процессе № 6 как эталоне. С другой стороны, в процессах № 2 и 5, в которых глубина L впадины в расплавленном железе составляет не менее 10% от толщины слоя шлака, количества удалённого фосфора эквивалентны таковому в процессе № 6 или ниже его. Данный результат указывает на то, что излишне глубокая впадина на поверхности могла ослаблять эффект промотирования реакции дефосфорации.
Пример 3
a
m
S
S
S
S
3
В таблице 2 показан результат выполнения операции с использованием того же устройства, что и в примере 2, при этом изменено соотношение Q/Q скоростей потоков контрольного газа и основного газа, подаваемых в фурму верхнего дутья. Количество расплавленного чугуна составляло 283,8 тонны, а количество металлического лома составляло 36,2 тонны. Скорость потока вдуваемого снизу газа составляла 2400 нм/ч. Число основных каналов для вдувания в фурме верхнего дутья было равно пяти. Выходной диаметр составлял 0,071 м, и диаметр горловины составлял 0,071 м. Отверстие имело форму кольцевой прорези шириной 5,4 мм. Концентрация P до начала процесса составляла от 0,120 до 0,125 мас.%. В таблице 2 показан результат выполнения операции в действующей печи для дефосфорации. В ходе данной операции глубину L впадины на поверхности рассчитывали по формулам (2) и (5') при одновременном регулировании соотношения между скоростью подачи потока контрольного газа и скоростью подачи потока основного газа, и при этом вычисляли динамическую высоту D слоя шлака исходя из рабочих условий, например, начального количества шлака, объёма вдуваемого для дефосфорации потока и насыпной плотности шлака, определённой на основе состава шлака и его температуры, и наблюдали, проникал ли вдуваемый сверху струйный поток через шлак или нет. Значения глубины L впадины на поверхности и высоты Dслоя шлака, приведённые в таблице 2, представляют собой величины, достигнутые в конце дутья.
S
S
S
S
Во всех процессах № 9 - 11 таблицы 2 вдувание осуществляли при одновременном регулировании скорости потока контрольного газа таким образом, что глубина L впадины на поверхности, вычисленная по формуле (2), становилась больше толщины Dслоя шлака, рассчитанной на основе фактического измерения. С другой стороны, в процессе № 12 вдувание осуществляли при объёме подачи контрольного газа, уменьшенном так, что глубина L впадины на поверхности становилась не больше толщины Dслоя шлака.
В процессах № 9 – 11, в которых вдуваемый сверху струйный поток кислорода регулировали таким образом, чтобы он проникал через шлак, количества удалённого фосфора ΔP являлись значительными, по сравнению с таковыми в процессе № 12, в котором вдуваемый сверху струйный поток кислорода регулировали так, что он не проникал через шлак. Это представляет собой ту же тенденцию, что и в примере 2.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение не ограничено объёмом вышеописанных примеров, и оно может изменяться соответствующим образом в пределах объёма технической идеи данного изобретения. Расплавленный чугун не ограничивается расплавленными чушками чугуна, и данное изобретение применимо также к расплавленным сплавам железа, таким как расплавленный ферромарганец и расплавленный феррохром.
Перечень позиций
1
Фурма верхнего дутья
2
Канал циркуляции охлаждающей воды
3
Основной канал для вдувания
31
Выпускное отверстие основного канала для вдувания
32
Горловина основного канала для вдувания
33
Входное отверстие основного канала для вдувания
34
Резервуар для газа
4
Канал подачи контрольного газа
41
Отверстие
5
Сосуд конвертера
6
Расплавленный чугун
7
Шлак
8
Вдуваемый сверху струйный поток
9
Труба основного газа
10
Труба контрольного газа
11
Фурма нижнего дутья
12
Точка измерения положения верхней поверхности шлака