3.2. 3 Режим дуття

Взаємодія струменя з ванною і її перемішування. Вихідні із сопел фурми кисневі струмені проникають у ванну й викликають у її нижній частині направлену циркуляцію, а верхні шари металу й шлаку спінюються пузирями СО, що виділяються при окислюванні вуглецю. Характер взаємодії кисневих струменів з ванною й виникаючої при цьому циркуляції металу показаний на рис. 3.2. Під соплами фурми розташовані спрямовані вниз високошвидкісні потоки кисню із краплями металу, що захоплюються ними; це первинні реакційні зони або зони продувки, де весь кисень витрачається на окислювання заліза. По межах первинної зони внаслідок високої концентрації кисню окисляється багато вуглецю з утворенням СО і формується потужний потік спливаючих пузирів СО, що захоплюють за собою метал, тому циркуляційні потоки спрямовані вгору. Оскільки контур циркуляції повинен бути замкнутим, біля стінок конвертера метал рухається вниз.

1 - зона продувки (прямого окислювання); 2 - зона циркуляції металу; 3 - пузирі СО, 4 - великі газові порожнини, 5 - метал, 6 – шлак

Рисунок 3.2 - Структура ванни при продувці киснем зверху

Циркуляція, тобто перемішування ванни, інтенсифікує масо- і теплообмін, прискорюючи процеси окислювання, рафінування й нагрівання металу й розплавлювання сталевого брухту. На початку й кінці продувки, коли швидкість окислювання вуглецю й виділення пузирів СО невелика, циркуляційні потоки ослаблені й інтенсивність перемішування ванни недостатня.

Під первинними реакційними зонами, де спливання пузирів СО ускладнене, періодично формуються великі газові порожнини. Їхній обсяг при русі нагору зростає в результаті поглинання пузирів СО і при виході великих газових об'ємів з ванни утворяться сплески металу й шлаку. При цьому можуть виникати викиди через горловину конвертера.

3.2.3.1 Параметри дуття й положення фурми

Тиск кисню. Кисень уводять у конвертер через фурму з вихідними соплами Лаваля, що перетворюють енергію тиску газу в кінетичну, і забезпечують швидкість струменів на виході із сопла 500-550 м/с при статичному тиску, близькому до атмосферного. Така швидкість необхідна для проникнення струменів у ванну й повного засвоєння кисню. Розміри сопел, що забезпечують такий режим, визначають розрахунком.

Зміна тиску кисню перед соплом у порівнянні з розрахунковим веде до порушення розрахункового режиму роботи сопла. При підвищенні тиску зростають швидкість і тиск на виході із сопла (недорозширення струменя), що викликає пульсацію струменя, що передається ванні; при зниженні тиску виникає розрідження на виході із сопла (перерозширення струменя), що викликає підсмоктування крапель металу та шлаку і швидке зношення сопел. Як видно з даних рис. 3.3, при тиску кисню перед соплом менше 1,0 - 1,2 МПа, невеликі його зміни викликають істотну зміну швидкості кисневого струменя, тобто розрахункового режиму роботи сопла. При більших тисках ці коливання незначні, тому тиск кисню перед соплом повинен бути >1,2 МПа. Оскільки втрати напору (тиску) у киснепідводному шлангу й фурмі, як правило, становлять 0,4 - 0,7 МПа, тиск у киснепроводі повинен бути >1,6 МПа (частіше становить 1,6 - 2,0 МПа).

Рисунок 3.3 - Залежність швидкості витікання кисню  сопла від тиску дуття перед соплом Р_д

Питома витрата кисню, тобто витрата на 1 т виплавленої сталі (м³/т), визначається кількістю складових чавуну, що окислюються за час продувки, і сталевого брухту. Він змінюється в межах 47 - 60 м³/т сталі, зростаючи при збільшенні вмісту домішок, що окислюються і знижується при збільшенні частки сталевого брухту в шихті, оскільки брухт містить менше елементів, що окислюються, ніж чавун.

Витрата кисню в одиницю часу (м³/хв.) звичайно тим вище, чим більше місткість конвертера й для великовантажних конвертерів досягає 1500 - 2000 м³/хв. Збільшення витрати кисню досягають шляхом збільшення у фурмі числа й діаметра сопел Лаваля.

Інтенсивність продувки J [м³/ (тхв)] не залежить від місткості конвертера й, як правило, є постійною в умовах того або іншого конвертерного цеху. Вона перебуває в межах від 2,5 до 5 - 6 м³ /(тхв).

Величина  визначає тривалість продувки (, хв), що так само, як і інтенсивність продувки, не залежить від місткості конвертера. Зв'язок між величинами  і J приблизно наступний:  = Q / J, де Q-питома витрата кисню, рівна, як зазначалося, 47 - 60 м³/т. Для зменшення тривалості плавки інтенсивність продувки прагнуть збільшити. Однак досвід показав, що після перевищення деякого припустимого рівня інтенсивності продувки починаються викиди металу й шлаку з конвертера. Пояснюється це тим, що при збільшенні витрати кисню зростає швидкість окислювання вуглецю й, отже, кількість пузирів СО, що спінюють ванну. При підйомі ванни, яка спінилася, до рівня горловини можуть з'явитися викиди.

Припустимий рівень інтенсивності продувки тим вище, чим більше питомий обсяг конвертера, відношення H/D (висоти робочого обсягу до діаметра), число сопел у фурмі n залежить також від особливостей технології процесу. При існуючій у цеху технології й розмірах конвертера збільшення інтенсивності продувки без виникнення при цьому викидів можна досягти, збільшуючи число сопел у кисневій фурмі. Щоб при збільшенні інтенсивності продувки (наприклад від J₁ до J₂) рівень спінювання ванни, а отже, імовірність виникнення викидів, залишалися на попередньому рівні, між величинами J і числом сопел у фурмі n повинне дотримуватися наступне співвідношення:

J₁/J₂=(n₁/n₂)^b , (3.3)

де b = 0,7 - 1,0

Число кисневих струменів (число сопел у фурмі) прагнуть збільшити, тому що це дозволяє збільшити витрату кисню (інтенсивність продувки) без появи викидів і забезпечує більш м'яку продувку з більш швидким збагаченням шлаку оксидами заліза, що прискорює шлакоутворення. Разом з тим при збільшенні числа сопел, щоб уникнути злиття кисневих струменів, доводиться збільшувати кут нахилу струменів (осі сопел) до вертикалі. При такім збільшенні кисневі струмені наближаються до футерівки стін і в конвертерах малої місткості (з малим діаметром робочого обсягу) це викликає підвищене зношення футерівки. У зв'язку із цим у невеликих конвертерах число сопел фурми менше ніж у великовантажних й воно, як правило, зростає в міру збільшення місткості конвертерів (чотирисоплові фурми для 100 т конвертерів і шестисоплові для 350 т конвертерів).

Висота розташування фурми має оптимальні межі. При надмірно високому положенні фурми кисневі струмені не проникають в метал («поверхневий обдув») і ступінь засвоєння кисню низка; при надмірно низькому положенні («тверда продувка») підсилюється винос крапель металу газами, що відходять, і абразивне зношування головки фурми краплями металу, істотно вповільнюється шлакоутворення й ін. З урахуванням цього в конвертерах різної місткості фурму встановлюють на висоті, що відповідає відстані до рівня ванни в спокійному стані від 0,8 до 4,8 м. У цих межах висота, як правило, зростає при збільшенні місткості конвертера.

Дійсна відстань від фурми до ванни по ходу продувки змінюється внаслідок спінювання металу й шлаку. На початку й наприкінці продувки, коли швидкість окислювання вуглецю невелика і метал спінюється незначно, фурма перебуває над ванною. У середині продувки, коли інтенсивність окислювання вуглецю сильно зростає, велика кількість пузирів монооксида вуглецю спінює верхню частину ванни й фурма виявляється зануреної в утворену газошлакометалічну емульсію (продувка в режимі заглибленого струменя, рис. 3.2); при цьому рівень ванни може досягати горловини конвертера.

Зміну висоти положення фурми під час продувки використовують для регулювання окисленості шлаку і прискорення його формування. При цьому враховують, що в підфурменій зоні кисень, який вдувається, витрачається переважно на пряме окислювання заліза, а оксиди, що утворяться, можуть розчинятися як у металі, так і в шлаку. При великому заглибленні кисневих струменів у металеву ванну весь кисень засвоюється металом. Зменшення заглиблення струменів наближає зону прямого окислювання до шлаку і в шлак переходить більше оксидів заліза, що утворюються в цій зоні. Збагачення шлаку оксидами заліза, як відомо, істотно прискорює розчинення вапна, тобто шлакоутворення (при цьому трохи зменшується надходження кисню в метал і, отже, швидкість окислювання вуглецю).

Підвищення висоти фурми на початку продувки. Як правило, для прискорення шлакоутворення продувку починають при підвищеному положенні фурми (4,8 - 2,5 м від рівня ванни в спокійному стані), а потім через 2 - 4 хв. цю відстань знижують в один або кілька прийомів до оптимального (0,8 - 2,1 м для конвертерів різної місткості).

Короткочасний підйом фурми використовують у ряді цехів для запобігання згортання шлаку. У період можливого згортання (затвердіння) шлаку фурму піднімають на 0,2 - 0,3 м, що приводить до збагачення шлаку оксидами заліза й розрідженню шлаку.

Опускання фурми на 0,2 - 0,5 м в останні хвилини продувки застосовують при виплавці низьковуглецевої сталі для того, щоб зменшити окисленість шлаку, тобто втрати заліза зі шлаком. При цьому зростає ймовірність прогару головки фурми.

Зменшення тиску й витрати кисню так само, як і підйом фурми викликає зменшення заглиблення кисневих струменів у ванну й у результаті цього шлак збагачується оксидами заліза. Подібний прийом регулювання окисленості шлаку також іноді застосовують у деяких цехах.

Циклічна зміна витрати кисню. На ряді заводів освоєний режим продувки, при якому через певні проміжки часу по черзі збільшують і зменшують витрату кисню в межах 10 - 20% від його максимальної витрати; періодичність циклічних змін становить від 20 с до 1 хв. На рис. 3.4 показаний один із застосовуваних на НЛМК режимів циклічної продувки, при якому на початку продувки витрату кисню змінюють із періодом 20 с, поступово збільшуючи його до кінця продувки до 90 с. Циклічну зміну витрати кисню припиняють при вмісті в металі 0,1 - 0,2% С, тому що після зниження швидкості окислювання вуглецю при циклічній продувці відбувається збільшення вмісту азоту в металі (у результаті розчинення потрапляючого в конвертер азоту).

Рисунок 3.4 - Графік зміни витрати кисню при циклічній продувці ( - тривалість продувки)

Циклічна продувка стабілізує процес окислювання вуглецю, крім коливань швидкості окислювання й у зв'язку із цим зменшує ймовірність

викидів, веде до зниження окисленості металу й шлаку, трохи підвищує вихід рідкої сталі й викликає підвищення стійкості футерівки конвертера.