MODEL FIZYCZNY KONWERTORA TLENOWEGO Z DMUCHEM KOMBINOWANYM. Jacek Pieprzyca, Grzegorz Perzyński

Transkrypt

1 MODEL FIZYCZNY KONWERTORA TLENOWEGO Z DMUCHEM KOMBINOWANYM. Jacek Pieprzyca, Grzegorz Perzyński Katedra Metalurgii Politechniki Śląskiej, Katowice, Poland Abstrakt W pracy przedstawiono przeprowadzoną w Katedrze Metalurgii Politechniki Śląskiej modernizację konstrukcji modelu fizycznego konwertora tlenowego wykonanego w skali liniowej S L = 1:10 oraz wstępne rezultaty przeprowadzonych badań pilotażowych. Prace konstrukcyjne polegały na zaprojektowaniu i wykonaniu systemu aplikacji gazu obojętnego przez dennicę modelu konwertora. Do regulacji przepływu strumienia gazu wykorzystano panel sterowniczy wyposażony w precyzyjną aparaturę kontrolno pomiarową. Badania pilotażowe miały na celu stwierdzenie poprawności działania wszystkich układów modelu fizycznego i miały charakter wizualizacji. Klíčová slova: modelowanie fizyczne, konwertor tlenowy, stal. 1. WPROWADZENIE W przemyśle zastosowane są różne metody tlenowego procesu konwertorowego z dmuchem kombinowanym. W reaktorach tego typu dmuch tlenu odbywa sie pionowo z góry przez lancę tlenową, a przez kształtki w dennicy przedmuchuje się wytapianą stal gazami obojętnymi, takimi jak argon czy azot. Dzięki zastosowaniu dmuchu dolnego uzyskuje się [1]: - szybsze utworzenie się żużla aktywnego w porównaniu z metodą konwencjonalną, - mniejszą ilość utlenionego żelaza w kąpieli metalu podczas świeżenia, - zmniejszenie ilości tlenu potrzebnego do procesu świeżenia, - obniżenie ilości tlenu aktywnego w wytapianej stali, - wzrost żywotności wyłożenia ogniotrwałego konwertora poprzez zmniejszenie erozyjnego działania na nie tlenków, - ograniczenie ilość potrzebnych do wytopu żelazostopów i odtleniaczy. Jedną z najbardziej rozpowszechnionych metod prowadzenia tlenowego procesu konwertorowego z dmuchem kombinowanym jest metoda TBM. Podstawowe elementy konstrukcyjne instalacji TBM to: zbiorniki z gazem obojętnym, rurociągi stalowe, stacja pomiarowa i regulująca natężenie przepływów gazu, a także informatyczna jednostka zarządzająca procesem dmuchu przez kształtki gazoprzepuszczalne zainstalowane w dennicy konwertora. Proces TBM pozwala na zwiększenie wydajności wytapiania stali dzięki [1, 2],: - ograniczeniu stopnia przetlenienia wytapianej stali i żużla, - podniesieniu wydajności proces odfosforowania, - obniżeniu temperatury kąpieli ciekłego metalu, a co za tym idzie, ograniczenie procesu parowania żelaza i jego strat, - proces świeżenia gwarantuje roztopienie się całego złomu, a zawartość azotu w stali utrzymuje się na poziomie ppm [1], - zmniejszeniu zużycia odtleniaczy, w wyniku mniejszej zawartości tlenu rozpuszczonego w kąpieli metalu, - obniżeniu zawartości wtrąceń niemetalicznych w stali.

2 2. KONMSTRUKCJA MODELU FIZYCZNEGO KONWERTORA TBM Model fizyczny konwertora tlenowego ma charakter modelu zimnego w którym ciekłą stal reprezentuje woda. Wykonany on jest z materiałów przeźroczystych umożliwiających prowadzenie doświadczeń mających na celu wizualizację sposobu mieszania się cieczy modelowej w przestrzeni roboczej modelu pod wpływem wdmuchiwanego gazu. Gaz w modelu może być wprowadzany od góry przez lancę o średnicy zewnętrznej Ø 22 mm, zakończoną układem 4 dysz (o średnicy Ø 1 mm każda, rozmieszczonych na okręgu o średnicy Ø 35 mm oraz przez zestaw dysz zainstalowanych w dennicy modelu konwertora. Do badań jako gaz modelowy wykorzystuje się powietrze. Skala liniowa modelu wynosi 1 : 10. Widok modelu fizycznego konwertora tlenowego i jego podstawowe wymiary przedstawiono na rys. 1. Rys.1. Podstawowe wymiary modelu konwertora tlenowego. Prace modernizacyjne w przedstawionym modelu konwertora tlenowego polegały na rekonstrukcji układu aplikacji gazu obojętnego przez dysze zainstalowane w jego dennicy. W celu właściwego odwzorowania modelu w stosunku do obiektu rzeczywistego zaprojektowano i wykonano dwa układy dostarczania powietrza do przestrzeni roboczej modelu. Każdy układ posiada osobny system zasilania powietrzem. Układ I znajdujący się w osi dennicy zaopatrzony został w 13 otworów w których można instalować dysze i zaślepki. W trakcie eksperymentu powietrze wprowadzane jest przez trzy dysze, a pozostałe otwory są zaślepiane. Takie rozwiązanie umożliwia różną konfigurację sposobu wprowadzania gazu do przestrzeni roboczej modelu konwertora. Układ II, składający się z trzech zestawów dysz (po trzy dysze w każdym zestawie) rozlokowany jest na okręgu zewnętrznym współosiowo z układem I. Na rys.2. przedstawiono lokalizację układów dysz w dennicy modelu konwertora tlenowego. Rozprowadzenie powietrza do poszczególnych Rys.2. Rozmieszczenie układów aplikacji gazu zestawów dysz w układzie II realizowane jest przez specjalnie w tym celu skonstruowany trójnik. Podstawowe parametry konstrukcyjne trójnika przedstawiono na rys. 3.

3 3. PILOTAŻOWE BADANIA MODELOWE W celu sprawdzenia poprawności działania poszczególnych elementów konstrukcyjnych modelu fizycznego konwertora tlenowego przeprowadzono serię badań pilotażowych. Aby spełnić warunki podobieństwa dynamicznego modelu do obiektu rzeczywistego posłużono się zmodyfikowanym kryterium podobieństwa Froud`a, wyrażoną wzorem [2, 3]: gdzie: g - gęstość gazu, g cm -3, 1 - gęstość cieczy, g cm -3, N' g - przyspieszenie ziemskie, m s -2, L - wymiar charakterystyczny, m, - prędkość, m s gv Fr (1) 1gL Na tej podstawie, metodą skal określono podobieństwo kinetyczne przepływu powietrza przez model konwertora tlenowego. Polegało to na wyznaczeniu strumienia przepływu przez dysze rozmieszczone w dennicy według równania: Q 1 C 2 5 ( mw) ( mw) SL 2 Q ( kt) C ( kt) gdzie: Q (mw) - strumień przepływu gazu dla modelu wodnego, m 3 s -1, Q (kt) - strumień przepływu gazu dla konwertora tlenowego m 3 s -1, C (mw) C (kt) S L - stała dla modelu wodnego, - stała dla konwertora tlenowego, - skala liniowa. Tabela 1. Przepływ gazu podczas dmuchu głównego. Czynność Strumień objętościowy gazu dm 3 min -1 Dmuch 0-20% 4000 (2) W warunkach przemysłowych stosuje się różne przepływy gazu w trakcie dmuchu głównego przez dennicę w zależności od wykonywanej operacji w konwertorze tlenowym. Ich wartości przedstawiono w tabeli 1. Dla przeprowadzenia badań pilotażowych wybrano najwyższą wartość strumienia objętościowego gazu t.zn. Dmuch 20-70% Dmuch 70-90% Dmuch % dm 3 min -1 który przeliczono zgodnie z równaniem (2) uzyskując wartość strumienia objętościowego powietrza w modelu konwertora tlenowego o wartości 9,71 dm 3 min -1. Ten wybór Przerwanie dmuchu 4000 miał na celu sprawdzenie możliwości precyzyjnego sterowania przepływem powietrza w modelu w Koniec dmuchu 3000 skrajnych jego wartościach. Do regulacji przepływu powietrza wykorzystano uniwersalny moduł sterujący wyposażony w zautomatyzowany system kontroli przepływu gazu umożliwiający precyzyjne jego dozowanie do poszczególnych układów dysz oraz rejestrację w czasie rzeczywistym jego zmian. Ze względu na to, że model fizyczny konwertora tlenowego przeznaczony jest między innymi do wizualizacji sposobu mieszania się w nim cieczy modelowej, badania pilotażowe miały również na celu rozwiązanie problemu iniekcji do cieczy modelowej znacznika w postaci

4 wodnego roztworu KMnO 4. Barwnik wprowadzano przez wężyk na lustro cieczy modelowej w osi modelu. Wybrane rezultaty badań pilotażowych przedstawiono na rys s 2 s 4 s 6 s 8 s 10 s 12 s 14 s 16 s Rys. 3. Wybrane rezultaty pilotażowych badań o charakterze wizualizacji 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Badania modelowe z wykorzystaniem fizycznych modeli wodnych, dotyczące procesów hydrodynamicznych zachodzących w konwertorze tlenowym, a szczególnie w konwertorze z dmuchem kombinowanym mają bardzo istotne znaczenie w procesie optymalizacji prowadzonych technologii wytapiania stali. Konsekwencją

5 tego rodzaju badań jest zwiększenie jakości produkowanej stali przy ograniczeniu kosztów jej wytwarzania. Mają również wpływ na ograniczenie negatywnego wpływu tego procesu na środowisko. W związku z tym są często stosowane w różnych ośrodkach badawczych. W takim też celu został zbudowany wodny model konwertora tlenowego w Katedrze Metalurgii Politechniki Śląskiej. Przedstawiona w artykule rekonstrukcja tego modelu znacznie poszerzyła jego funkcjonalność oraz możliwości badawcze. Na podstawie przeprowadzonych prac rekonstrukcyjnych oraz przeprowadzonych badań pilotażowych można wyciągnąć następujące wnioski: a) model fizyczny konwertora tlenowego działa prawidłowo to znaczy jest w pełni funkcjonalny z punktu widzenia założonych wobec niego wymagań, b) wykorzystanie modułu regulacji przepływu gazu spełnia oczekiwania i umożliwia precyzyjne sterowanie przepływem gazu, c) zakresy możliwe do regulacji w tym module odpowiadają wyliczonym zakresom przepływu gazu w modelu konwertora tlenowego, d) zaprojektowane, wykonane i zainstalowane w modelu układy dysz działają poprawnie oraz umożliwiają prowadzenie zróżnicowanych wariantów badań. LITERATURA [1] Kruciński M. : Metalurgia Stali tom1 część 2. Tlenowy proces konwertorowy, AGH Kraków, [2] LIS T. : Współczesne metody otrzymywana stal, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, [3] CHAU-JENG S., JAW-MIN C., SHIH-HSIEN L. : Effect of Gas Bottom Blowing Condition on Mixing Molten Iron and Slag inside Ironmaking Smelter, Materials Transactions, [4] Michalek K., Gryc K., Morávka J. : Studium přenosových dějů v licí pánvi při dmýchání argonu pomocí fyzikálního modelováni, Metal 2007, Hradec nad Moravicí,