книги из ГПНТБ / Кочо, В. С. Физико-химические и теплофизические особенности современного мартеновского процесса

Г Л А В А 7

НАГРЕВ КИПЯЩЕЙ ВАННЫ МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ

Несмотря на существенные успехи, достигнутые в изучении про­ цесса нагрева ванны мартеновской печи1 [44, 45, 119, 157, 205— 208], качественное и количественное описание особенностей тепло­ передачи в жидкой ванне нельзя считать завершенным.

Основная трудность заключается в том, что в кипящей ванне идет сложный массотеплообмен, зависящий от многих, пока не кон­ тролируемых параметров. Исследованиями [157, 207, 208] установ­ лено, что решающая роль в процессе теплопередачи в ванне при­ надлежит механическому перемешиванию ванны, а виртуальный коэффициент теплопроводности ванны [206] зависит непосредст­ венно от мощности процесса кипения ванны. Мощность процесса кипения определяется скоростью обезуглероживания, глубиной за­ легания основного фронта реакций окисления и температурой ме­ талла. Как показали лабораторные исследования на холодной мо­ дели [209], при значительном увеличении скорости окисления пропорциональное увеличение мощности перемешивания не дости­ гается, поэтому рост скорости нагрева металла в результате сопри­ косновения его с более нагретыми шлаком и факелом мартеновской печи при увеличении скорости обезуглероживания носит ограничен­ ный характер [206].

Поскольку передача тепла от более нагретых участков ванны к менее нагретым осуществляется в основном в результате массообмена между элементарными объемами ванны, оценим скорость движения элементарных объемов ванны в зависимости от мощности кипения ванны.

СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ОБЪЕМОВ КИПЯЩЕЙ ВАННЫ

Проведенная киносъемка процесса кипения мартеновской ванны показала возможность определения глубины основного (наиболее вероятного) фронта реакции окисления углерода. Зная глубину фронта реакции окисления углерода, можно достаточно точно рас­ считать мощность процесса кипения ванны, например, по уточнен­ ной формуле Кочо [210]. Зная мощность кипения всего объема ванны, можно рассчитать скорость движения элементарных объемов кипящей ванны.

Запишем в несколько измененной форме первое начало Даламбера для объема ванны.

F Tpd h - ^ - m ^ - d h ~ W d z = 0 ,

■ К а п у с т и н Е. А. Исследование тепло- и массообмена в мартеновских печах. Автореф. докт. дис. М., 1966.

158

где ■FTp dh — работа по определению сил трения на пути dh, эрг; FTp — сила трения, дин;

d2h

т 2 dh — работа по определению сил инерции на пути dh;

т — масса ванны, г;

Wdx — энергия, подведенная за время dx, эрг;

W — мощность процесса кипения ванны, эрг/с.

г)тр— коэффициент внутреннего трения,

дин • с см

FTp — поверхность трения, см2; ю — скорость движения, см/с.

Запишем уравнение (126) после подстановки в него уравнения

Скорость движения элементарного объема ванны (x>= dh/dx опре­ делим из условия устойчивого процесса кипения, т. е. когда в урав­

^тр^уд

159

Из уравнения (131) следует, что скорость движения элементар­ ного объема ванны зависит, кроме мощности процесса кипения, от температуры ванны (изменяется k' ) и от геометрии элементарного

объема (шар, цилиндр, куб и т. д.), которая учитывается через £уд. Мощность всплывающих пузырей окиси углерода затрачивается на перемещения элементарных объемов ванны в вертикальном и го­ ризонтальном направлениях. Например, по результатам производ­ ственных исследований процесса массообмена в ванне большегруз­ ной мартеновской печи с применением изотопа Со60 средние значе­ ния соответственно для вертикальной составляющей скорости ыу равны 9 см/с, а горизонтальной сож 5,7 см/с, т. е. результирующее

рость всплывания пузырей окиси углерода в сталеплавильной ванне равна 20 см/с).

Поскольку формула (131) дает результирующее значение ско­ рости движения элементарных объемов со, а в процессах передачи тепла от греющего факела в глубь металлической ванны решающая роль принадлежит вертикальной составляющей скорости соу, то в дальнейших расчетах и выводах будем оперировать понятием вер­ тикальной составляющей со у, величину которой можно определить из выражения (131)

(132)

где k y — вероятностный коэффициент, учитывающий соотношение вертикальной и результирующей скоростей движения эле­ ментарных объемов (ky~0,9).

Расчеты, основанные на сопоставительном анализе процесса ки­ пения на холодной модели сталеплавильной ванны и в реальных ус­ ловиях выплавки стали в большегрузной мартеновской печи, пока­

[ 211].

В дальнейших выводах значение W1Vi [см. формулу (132)] будем рассматривать как отношение общей мощности кипения к тому объ­ ему ванны (массы), в котором происходит основной процесс окис­ ления углерода (например, при донном характере кипения берется во внимание весь объем ванны, а при поверхностном кипении — лишь ее верхние слои).

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ВАННЫ

СУЧЕТОМ ПЕРЕХОДНОГО СЛОЯ ШЛАК—МЕТАЛЛ

Врезультате движения элементарных объемов ванны обра­ зуется слой шлак—металл, роль которого для протекания физико­ химических процессов сталеплавильной ванны очень велика (см. гл. 2). Здесь рассматривается влияние переходного слоя шлак—

160

металл на процесс теплопередачи в жидкой ванне, когда основное количество тепла в ванну поступает от греющего факела, а не от экзотермических реакций окисления примесей расплава, как это имеет место при интенсивной продувке металла кислородом. Таким образом, будут рассмотрены закономерности процесса нагрева ванны в условиях интенсификации плавки подачей кислорода в фа­ кел или в ванну, но в умеренных количествах.

В процессе передачи тепла из рабочего пространства в объем жидкой ванны переходный слой шлак—металл играет большую роль. Во-первых, переходный слой шлак—металл как бы уменьшает шлаковый покров, экранирующий металл от греющего факела и, во-вторых, циркулирующие объемы металла пронизывают высоко­ температурный переходный слой и, нагреваясь в нем, вносят тепло

ных закономерностей и свя­ зей, на основе которых можно было бы дать практические рекомен­

и направление сложного процесса тепло- и массообмена в кипя­ щей ванне, чтобы принять во внимание некоторые качественные закономерности при необходимости управления тепловым и техно­ логическим режимами мартеновской плавки [212].

На рис. 70 показана’ физическая модель процесса и градиент температур в ванне. Температура металла /м. Индексом 0 обозна­ чены начальные условия. Теплопроводность жидкой ванны принята такой, что температура практически сразу выравнивается во всем объеме ванны, на подине всегда в большей или меньшей степени идет зарождение пузырей окиси углерода и ванна подвижна на­ столько, что вследствие тепло- и массообмена градиент температур по глубине практически отсутствует или им можно пренебречь при постановке данной задачи. Закон распределения температур в пе­ реходном слое шлак—металл принимаем линейным и температурное

состояние слоя может быть охарактеризовано tn. с (средним зна­ чением температур граничных слоев /ш_м и tM, где (ш- м температу­ ра переходного слоя на границе со спокойным слоем шлака).

Температура поверхности шлака, контактирующая с греющим факелом, принята постоянной (£ra= const). В процессе нагрева ванны изменяется лишь градиент в спокойном слое шлака. Таким образом, тепловой поток, пронизывающий спокойный слой шлака (уменьшением теплосодержания последнего пренебрегаем), обеспе­ чивает выполнение условий: tu. c= const, нагрев жидкого металла и

покрытие постоянных тепловых потерь, в статье которых учтен (для удобства математических преобразований) ре­ зультирующий эффект экзо- и эндотермичных реакций, протекающих в объ­ емах шлака и металла.

Характер распределения темпера­ тур по глубине ванны, положенный в основу физической модели, отвечает действительному распределению тем­ ператур в сталеплавильной ванне, ко­ торое удалось обнаружить в период доводки плавки при помощи установ­ ки для непрерывного измерения темпе­ ратуры стали (рис. 71).

Поясним физическую модель про­ цесса нагрева кипящей ванны (см. рис. 70). Переходный слой шлак—ме­ талл является одновременно теплооб­ менником, в котором подогреваются циркулирующие через него элементар­ ные объемы металла, и непосредствен­ ным проводником теплового потока, направленного от шлака к металлу, ве­ личина которого определяется гради­ ентом температур на границах слоя и его теплопроводностью. По указанной причине тепло интенсивно подводится

в металлическую часть ванны и температура последней быстро повышается. Подвод тепла из рабочего пространства к переход­ ному слою осуществляется через экранирующий спокойный слой шлака, толщина которого тем меньше, чем больше переходный слой шлак—металл.

РАСЧЕТ НАГРЕВА КИПЯЩЕЙ ВАННЫ

Принимаем, что в переходном слое содержится металл в коли­

162

Под переходным слоем находится металл в количестве

где G*— садка печи, т.

Продолжительность пребывания элементарного объема метал­ лической ванны в переходном слое тц (время цикла) принимаем

Коэффициент 2 означает, что элементарному объему необходимо преодолеть двойной путь в переходном слое, чтобы снова вернуться в объем металлической ванны. Не исключена возможность отклоне­ ния величины этого времени для некоторых объемов. В этом смы­ сле величина цикла носит вероятностный характер.

Расход металла, циркулирующего через переходный слой шлак—металл в единицу времени

7?РмСм

R — тепловое сопротивление элементарного объема ме­ таллической ванны, зависящее от теплопроводно­ сти металла, геометрии элементарного объема и условий теплопередачи в слое, м2°С/Вт;

см — теплоемкость металла, ккал/ (кг • °С). Особенность математического описания процесса теплообмена

согласно предложенной модели заключается в том, что после каж­ дой циркуляции объемов металла через переходный слой (продол­ жительность цикла) система характеризуется новыми начальными условиями, вследствие этого вывод уравнений, описывающих про­ цесс нагрева, будет основываться на методе математической де­ дукции.

Запишем изменения температуры металлической ванны для ряда циклов.

Цикл I. Начальные условия: ^м = ^м„; ^н-м, =Ка-м0. Необходимо

Уравнение баланса тепла для металлической ванны (под пере­ ходным слоем шлак—металл) за период одного цикла:

164

Пользуясь методом математической дедукции, для любого цикла запишем значения всех интересующих нас параметров.

Температура металла после n-го цикла tMn:

Приращение температуры металла после n-го цикла:

Температура переходного слоя шлак—металл на границе с псевдоспокойным слоем шлака после га-го цикла Ад-м :

i ==1

165

166

лена геометрическая интерпретация закона изменения температуры металла во времени), уравнение (166) запишется

где jV— постоянный коэффициент — определяется из граничных ус­

Принимая во внимание уравнение (142) для определения Д(м ,

167