Актуальність роботи. Отримання якісної конвертерної сталі з мінімальними витратами матеріальних і енергетичних ресурсів, підвищення конкурентоспроможності продукції чорної металургії України в умовах світових кризових явищ в економіці і промисловості вимагають усвідомленого впровадження науково-технічних засобів, націлених на подальше удосконалення і підвищення ефективності існуючих технологій конвертерного процесу. Найбільш перспективним напрямком удосконалення киснево-конвертерного процесу, залишається оптимізація дуттєвих режимів за рахунок модернізації дуттьових пристроїв і їх обґрунтованого, доцільного розміщення в агрегатах з існуючими способами продувки конвертерної ванни.

Вирішити ці задачі можливо подальшим вивченням комплексу взаємопов'язаних фізико-хімічних процесів і явищ у конвертерній ванні, уточненням закономірностей і механізмів перемішування ванни, сплескоутворення рідкої фази і їх залежності від основних технологічних і дуттєвих параметрів процесу.

Тема роботи є актуальною для вітчизняної металургії, оскільки спрямована на подальший розвиток теоретичних основ киснево-конвертерного процесу, з'ясування і уточнення закономірностей і механізмів перемішування ванни і сплескоутворення під час конвертерної плавки та удосконалення, з визначенням найбільш оптимальних, дуттєвих режимів і конструктивного розміщення продувальних пристроїв в конвертерах комбінованого дуття. Актуальним завданням сьогодення є також запровадження розробок нових енергоресурсозберігаючих технічних рішень і технологій з використанням техногенних виробничих відходів. Вказані завдання, а також вивчення деяких загальних питань по процесу взаємодії дуття з рідкою ванною, відповідальних за ефективність киснево-конвертерного процесу, покладені в основу дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки і техніки України "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі". Робота відповідає одному з основних напрямків наукової діяльності кафедри теорії металургійних процесів і фізичної хімії Національної металургійної академії України. Результати науково-дослідних робіт госпдоговірної та держбюджетної тематики Національної металургійної академії України: "Дослідження взаємодії газових струменів з металевою ванною для розробки параметрів плавки в конвертерах при комбінованій подачі дуття", № державної реєстрації 0182U6009001, "Розвиток теорії будови металевих і оксидних розплавів і дослідження механізму їх взаємодії з метою отримання високоефективних рафінуючи реагентів и виробництво принципово нових сталей і композиційних матеріалів", № державної реєстрації 0103U003214 були базовими для підготовки дисертації.

Мета і завдання дослідження. На основі комплексу проведених теоретичних і експериментальних досліджень гідродинаміки, перемішування і сплескоутворення в конвертерній ванні, знайти шляхи підвищення ефективності дуттьових режимів для конвертерів комбінованої продувки в напрямі зниження ресурсо- і енергозатрат процесу.

Відповідно до зазначеної мети були поставлені наступні завдання, які необхідно розв'язати для її досягнення:

аналіз умов і критеріїв холодного і високотемпературного моделювання процесів взаємодії газових струменів з конвертерною ванною;

виявлення закономірностей впливу на основні технологічні показники процесу комбінованого дуття режимів вдування, співвідношень витрат основного верхнього і допоміжного донного дуття і варіантів розташування пристроїв для вдування газоподібного кисню;

аналітичне обґрунтування і практичне підтвердження можливості суттєвого збільшення інтенсивності дуття в AOD - конвертері без підвищення викидів металу з конвертеру на моделі розробленої конструкції агрегату;

уточнення на основі теоретичного аналізу і експериментальних досліджень механізму утворення сплесків рідкої фази з урахуванням способів і режимів вдування газів і схем розміщення дуттєвих пристроїв;

уточнення схеми перемішування конвертерної ванни і розробка критерію змішування, що вимірює ефективність конвертерних процесів;

обґрунтування і розробка раціональних способів підводу газів, режимів дуття і варіантів його розташування, які забезпечують максимальні швидкості перемішування ванни і зменшення втрат металу з викидами через горловину конвертеру;

експериментальне підтвердження ефективності удосконаленої технологічної схеми комбінованого дуття і дослідження її впливу на хід процесів видалення з металу сірки і фосфору і стійкість біляфурменної зони дна конвертеру.

Об'єкт дослідження: процеси взаємодії газових струменів з конвертерною ванною при різних способах підвода дуття і розташування дуттєвих пристроїв.

Предмет дослідження: механізм і особливості перемішування рідкої ванни і сплескоутворення, їх залежність від способів підводу дуття, режимів продувки і схем розміщення дуттєвих пристроїв.

Методи дослідження. В роботі при вирішенні поставлених задач використані методи моделювання існуючих киснево-конвертерних процесів на холодних та високотемпературних моделях конвертерів. Застосовані методи аналітичних розрахунків режимів дуття і розміщення дуттєвих пристроїв, теоретичних досліджень процесів перемішування ванни і сплескоутворення. При визначенні технологічних характеристик конвертерного процесу використовувалися стандартні методи термометрії, хімічного аналізу та хроматографії. Також використано модернізовані методи електрохімічного визначення часу повного змішування ванни і візуалізації процесу взаємодії кисневого струменю з залізовуглецевим розплавом через прозорі стінку і днище високотемпературної моделі.

Наукова новизна отриманих результатів: Наукову новизну мають наступні результати теоретичних та експериментальних досліджень, отриманих у дисертаційній роботі особисто автором:

запропоновані обґрунтовані і достатні для якісного й напівкількісного аналізу, умови холодного й високотемпературного моделювання конвертерних процесів з різними способами підведення дуття, що включають обов'язкове збереження постійним відношення довжини проникнення газового струменя до глибини або діаметру ванни дотримання режимів витікання струменів на зразку й моделі і їх геометричну подобу;

обґрунтована теоретично й підтверджена експериментально можливість регулювання плину металургійних реакцій конвертерного процесу за рахунок зміни положення в об'ємі ванни загальної реакційної зони взаємодії індивідуальних газових струменів основного й додаткового дуття. Встановлена залежність її розташування від співвідношень визначених витрат дуття;

уперше з використанням високотемпературної моделі з прозорим днищем отримані уточнені данні про основні параметри зони реактивної пульсації кисневого струменя для донного і верхньодонного комбінованого дуття, а саме: при зміні режиму витікання кисневого потоку зменшується з ~ с 50 до 30 мин^-1 частота пульсації і приблизно у два рази - максимальне значення диаметру зони реактивної пульсації; При цьому середня швидкість зносу вогнетривів склала 12·10^-3 мм/хв., діаметр зони руйнування вогнетривів біляфурменої зони склав близько 16d_{с внутр}.

вперше для визначення ефективності способу продувки ванни і розташування продувальних пристроїв отримано критерій перемішування для розрахунку часу повного перемішування, загальне вираження якого має вигляд Т = 2 k_ц k_d (x/D) / [1+k_J² (x/D) ²], де k_{J -} постійна турбулентного змішування, для турбулентних затоплених струменів, k_J ? 0,3; k_ц - кратність циркуляції, необхідна для повного змішування ванни, k_ц ? 3; k_D - коефіцієнт пропорційності, k_D = 1,28; приведена величина відстані в калібрах діаметра міхура.

для умов донної продувки ванни з урахуванням злиття газорідких потоків у ванні конвертера, отримані аналітичні залежності: Н = (0,408ч0,575) q^0,4, м - для розрахунку величини сплесків рідкої фази і - Н₁ = k· q_сл^0,4, м - для висоти вільного простору конвертера над рівнем ванни, які дозволяють досягти кращого кількісного збігу коефіцієнта пропорційності k у вираженнях для донної і бокової глибинної кисневої продувок.

Практичне значення отриманих результатів

Отримані в роботі результати мають практичне значення для конвертерних цехів металургійних підприємств України при удосконаленні існуючих і розробці нових способів і дуттєвих режимів киснево-конвертерних процесів. Одержані дані використовуються також при викладанні спеціальних дисциплін для студентів спеціальності "Металургія чорних металів". Результати виконаних досліджень дозволили автору:

збільшити інтенсивність перемішування і зменшити втрати металевої фази з викидами за рахунок впровадження зустрічної продувки кисневими струменями, що забезпечує отримання зони загальної взаємодії індивідуальних реакційних зон у ванні, що продувається кисневими струменями комбіновано;

розробити модель конструкції AOD агрегату, що забезпечує суттєве підвищення інтенсивності продувки, ефективне перемішування ванни без збільшення втрат металу з викидами. Конструкція передбачає розташування фурм для продувки перпендикулярно площини поздовжнього перетину конвертеру, що проходить через осі цапф, а відстань між осями сусідніх фурм визначається із співвідношення, знайденого з масиву експериментальних даних: l = (0,08 ч 0,1) q_г^0,4, м, де l - відстань між осями сусідніх фурм, м; q_г - інтенсивність подачі дуття на одну фурму, м³/хв;

забезпечити більш ефективне видалення з металу сірки й фосфору, завдяки розробленим рекомендаціям по удосконалюванню дуттєвого режиму процесу комбінованої продувки та використанню дослідного реагенту на основі техногенних відходів, який вводиться в загальну реакційну зону.

матеріали дисертації використані НВО "Тулачермет" при розробці раціональної схеми подачі дуття при впровадженні комбінованої продувки на 10 - т конвертері цеха № 4;

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора, яка заснована на результатах опублікованих досліджень.

В приведених роботах автору належить наступне: обґрунтування [1,2,3] доцільності використання комбінованого верхньо-донного дуття з подачею частини додаткового донного дуття назустріч основному верхньому, що забезпечує мінімальні втрати металу з викидами через горловину конвертеру; аналіз результатів дослідження процесів всплескоутворення в кисневому конвертері; уточнення механізму перемішування конвертерної ванни при донному, верхньому, боковому і комбінованому дутті [2]; обґрунтування можливості використання результатів дослідження процесів всплескоутворення при проектуванні донних і комбінованих кисневих конвертерів [4]; результати дослідження і висновки про вплив загальної зони реагування струменів основного і допоміжного дуття на ефективність перемішування конвертерної ванни, дефосфорацію і десульфурацію сталі при газопорошковій продувці ванни дослідними сумішами [5-10,12-14]; висновок про закономірне утворення локалізованої зони з підвищеним вмістом кисню при взаємодії кисневих струменів і її вплив на хід основних фізико-хімічних процесів в ванні кисневого конвертеру [5,11]; результати розробки енергозберігаючого способу отримання суміші з заданими властивостями і її використання для раннього шлакоутворення і більш повного видалення сірки і фосфору під час конвертерної плавки [9,10,13]; обґрунтування можливості суттєвого підвищення інтенсивності дуття в AOD - агрегатах без збільшення втрат металу [15,17]; результати уточнення параметрів зони реакційної пульсації донного кисневого струменю і визначення її впливу на стійкість вогнетривів біляфурменної зони днища конвертеру [16].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень, узагальнені в дисертації, доповідалися, обговорювалися і одержали позитивну оцінку на міжнародних і регіональних науково-технічних конгресах, конференціях і симпозіумах: III й IV Всесоюзні конференції "Тепло-масообмінні процеси у ваннах сталеплавильних агрегатів" (м. Маріуполь, 1981р., 1986 р.), VII Всесоюзна науково-технічна конференція "Теорія і практика киснево-конвертерних процесів" (м. Дніпропетровськ, 1987р.), Республіканська науково-технічна конференція "Проблеми науково-технічного прогресу електрохімії неорганічних матеріалів", (м. Дніпропетровськ, 1989р.), науково-технічна конференція "Інтенсифікація теплових, масообмінних і фізико-хімічних процесів у металургійних агрегатах" (Свердловськ, 1989р.), XII Міжнародна науково-технічна конференція "Теорія і практика сталеплавильних процесів", (м. Дніпропетровськ, 2006 р.), Міжнародний науково-технічний конгрес "Сучасні матеріали і технології в металургії і машинобудуванні", (Київ, 2007 р.), 8^th International Symposium "Materials and Metallurgy" (Croatia, Sibenic, 2008), Міжнародна науково-технічна конференція "Університетська наука - 2009" (м. Маріуполь).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 9 статтях в спеціалізованих наукових журналах, у тому числі: 3 статті у виданнях, які входять в перелік ВАК України, 6 тезах доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях, конгресах, симпозіумах, 1 авторському свідоцтві і 1 патенті України на винахід. Список опублікованих праць в спеціалізованих наукових журналах наведений у авторефераті.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел з 197 найменувань. Викладена на 187 сторінках друкованого тексту, що включають 35 рисунків, 1 таблиці і додатку. Робота виконана у Національній металургійній академії України.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи і визначені основні задачі досліджень, розглянуті об'єкт, предмет і методи досліджень, визначені новизна і практична цінність отриманих результатів, відмічено особистий внесок здобувача, представлені відомості про публікацію і апробацію основних результатів роботи.

У першому розділі дисертаційної роботи "Сучасний стан теоретичних, експериментальних і промислових досліджень гідрогазодинаміки і перемішування конвертерної ванни" на основі критично проаналізованої інформації по сучасному стану досліджень визначені основні найбільш перспективні напрями теоретичних і прикладних досліджень, спрямованих на підвищення ефективності конвертерних процесів. Актуальними при вирішенні поставлених у дисертаційній роботі завдань по удосконаленню дуттєвих режимів у конвертерах комбінованого дуття залишаються оптимізація дуттєвих режимів за рахунок модернізації дуттєвих пристроїв і їх обґрунтованого розміщення, розробка способів підводу дуття з максимальним розподілом кисневих струменів у ванні конвертера, що забезпечують підвищення інтенсивності дуття. Показана перспективність розвитку енергоресурсо-зберігаючих технологій з залученням до конвертерного виробництва техногенних відходів

В другому розділі "Холодне моделювання верхнього, донного, бокового і комбінованого способів продувки конвертерної ванни" відображені результати: лабораторних досліджень особливостей гідродинамічного стану, інтенсивності перемішування, структури циркуляційних контурів у конвертерній ванні найбільш поширених сучасних способів продувки конвертерної ванни, що є передумовою для проведення досліджень по підвищенню ефективності дуттєвих режимів комбінованої продувки на високотемпературних моделях системи Fe - C.

Експерименти проведені на комплексній установці холодного моделювання конвертерних процесів (рис.1), що дозволяє досліджувати гідродинамічні особливості та перемішування конвертерної ванни при різних способах підведення дуття зі зміною в широких діапазонах параметрів дуття, виду газів і схем розміщення продувальних пристроїв. Умовами, що забезпечують подобу моделі і зразку, визначили подобу геометричних параметрів продуваємої ванни, забезпечення відношення довжини проникнення реакційного струменя до глибини ванни при донній або верхній подачі дуття і до діаметра ванни при боковій - L_рз/Н_в = idem. Обов'язковою умовою подоби при моделюванні прийняли забезпечення струменевого режиму витікання газу із сопла і збереження динамічного напору струменя.

Основними показниками, що визначають інтенсивність перемішування рідкої ванни, обрані час її повного перемішування, тривалість одного циклу переміщення рідини по основному циркуляційному контуру і висота сплеску рідкої фази над рівнем спокійної ванни. Тривалість повного перемішування визначалася за відомою методикою електрохімічних вимірів, шляхом імпульсного введення електроліту в зону продувки. Оскільки всі процеси в конвертерній ванні розвиваються із процесів у зоні продувки, введення електроліту в цю зону є логічно вірним і найбільш обґрунтованим.

Зіставлення результатів вивчення одиночних варіантів продувки показує і підтвеждує, що найбільш ефективне перемішування ванни досягається при донній продувці. Бокова глибинна продувка дає близьку по величині інтенсивність перемішування. Характер експериментальних залежностей, свідчить про значний вплив на час повного перемішування швидкості циркуляції рідини. Встановлено, що зниження ефективності донної продувки при підвищенні витрати дуття є результатом наближення умов продувки до режиму каналоутворення, при якому використання енергії струменя й газових бульбашок для залучення основної маси рідини в циркуляцію знижується.

Виходячи з теоретично й експериментально підтверджених даних вітчизняних і закордонних дослідників про значне підвищення ефективності верхньої продувки при додатковому підведенні газу знизу, вивчено вплив схем розсередження донного дуття на інтенсивність перемішування ванни.

Враховуючи ефективність перемішування донної і глибинної продувки, перспективи їхнього розвитку і для одержання порівнянних з іншими способами результатів, вивчені особливості продувки з використанням розроблених конструкцій дослідних фурм і агрегату для глибинної продувки.

Конструкція дослідної фурми дозволяє за рахунок максимального розведення струменів верхнього й нижнього ярусів сопел забезпечити швидке перемішування ванни і мінімальні втрати рідини з конвертеру при підвищенні загальної інтенсивності дуття.

Розроблена й випробувана при холодному моделюванні конструкція конвертера з боковим підведенням дуття забезпечує істотне до 40% збільшення інтенсивності продувки при зменшенні майже у два рази часу повного перемішування ванни без істотної зміни інтенсивності викидів.

1. Визначені основні умови, достатні для моделювання гідродинаміки і перемішування конвертерної ванни під час продувки газовими струменями: дотримання геометрійної подоби моделі і зразка, збереження відповідних режимів витікання газових струменів у рідину і виконання умови idem для відношення глибини проникнення реакційної зони (струменевої ділянки газового потоку) до глибини ванни при донній, верхній продувці і до діаметру ванни - при боковій.

2. Показано, що ефективне використання двох'ярусних багатоцільових заглибних фурм можливо за рахунок розведення реакційних зон індивідуального дуття, що виключає їхнє злиття й взаємодію, забезпечуючи підвищення ступеню використання кисню і збільшення інтенсивності дуття без значних втрат з викидами металу.

3. На основі результатів досліджень і аналітичних розрахунків розроблена, виходячи з розглянутих недоліків й обмежень конструкцій діючих конвертерів бокового дуття, удосконалена конструкція AOD-агрегату, що забезпечує підвищення інтенсивності продувки, ефективне перемішування ванни без збільшення викидів металу.

4. Методами високотемпературного моделювання встановлено, що ефективність перемішування ванни при верхньо-донній продувці визначається утворенням загальної зони взаємодії верхнього і додаткового донного зустрічного дуття. Показана можливість впливу на інтенсивність перемішування, величину викидів металевої фази, ступінь використання кисню і плин металургійних реакцій. Це досягається шляхом регулювання розмірів і розташування в об'ємі ванни загальної зони реагування зміною співвідношень витрат основного і допоміжного дуття. Показано, регулююче розвиток процесів на розділі метал-шлак, значення додаткового приповерхового контуру циркуляції рідкого металу, інтенсивність якого визначається взаємодією зустрічних струменів.

5. Обробка матеріалів кіноз'йомки процесів взаємодії донного кисневого струменю з Fe - C розплавом через прозоре днище дозволила отримати уточнені данні основних параметрів реактивної пульсації донного кисневого струменю при зміні режимів течії і встановити їх вплив на швидкість зносу вогнетривів біляфурменої зони днища конвертеру.

6. Аналіз даних, проведених у лабораторному конвертері плавок, свідчить про ефективність використання дослідного "чорного вапна", про що свідчить раннє утворення активного високоосновного шлаку і більш повне видалення з металу сірки і фосфору.

7. На основі виконаних досліджень розроблені рекомендації по організації дуттєвого режиму конвертерів, що використані НПО "Тулачермет" при розробці раціональної схем подачі дуття при впровадженні комбінованої продувки на 10 - т конвертері цеха № 4.

8. На основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень уточнені механізми процесів перемішування конвертерної ванни і сплескоутворення. Розроблений безрозмірний критерій перемішування для оцінки ефективності дуттєвих режимів, способів підводу дуття і розташування продувальних пристроїв.

9. З використанням аналітичних залежностей для визначення еквівалентного діаметру газових об'ємів, урахуванням злиття струменів при витіканні в рідину з винесених або занурених фурм, явища пробою ванни режимів і способів дуття отримані рівняння для розрахунку величин сплесків рідкої фази і висоти вільного робочого простору конвертера над рівнем ванни.

Основний зміст дисертації опубліковано в наступних роботах