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 25-27 ppm [1], - zmniejszeniu zużycia odtleniaczy, w wyniku mniejszej zawartości tlenu rozpuszczonego w kąpieli metalu, - obniżeniu zawartości wtrąceń niemetalicznych w stali.
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. 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 -1. 2 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 90-100% 4000 5000 7000 7000 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
wodnego roztworu KMnO 4. Barwnik wprowadzano przez wężyk na lustro cieczy modelowej w osi modelu. Wybrane rezultaty badań pilotażowych przedstawiono na rys. 3. 0 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
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, 1986. [2] LIS T. : Współczesne metody otrzymywana stal, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2000. [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, 22.-24.5.2007.