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

сталеразливочных ковшей на выпуске плавки и непосредственным измерением толщины шлакового покрова в период доводки с по­ мощью описанного устройства для отбора шлака. Для получения более достоверных данных и коррекции расчетных методов коли­ чество шлака на большинстве плавок определяли параллельно двумя или тремя указанными способами.

НЕПРЕРЫВНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИДКОЙ СТАЛИ В ПЕРИОД ДОВОДКИ

Методика непрерывного измерения температуры жидкой стали в период доводки рассмотрена в работах [12, 13]. Описание кон­ структивных особенностей установки для непрерывного измерения температуры, хорошо зарекомендовавшей себя на различных стале­ плавильных агрегатах, имеется в специальной литературе [14, 15].

В период проведения производственных исследований запись показаний термопары производилась на самопишущих потенцио­ метрах с пределами шкалы 1400—1700° С. Были испытаны различ­ ные термоэлектроды, защитные наконечники, а также способы за­ мены вышедших из строя спаев термоэлектродов, это позволило высказать следующие соображения по проблеме непрерывного из­ мерения температуры стали в сталеплавильных агрегатах.

Использование термоэлектродов ПР 30/6 (платина-платиноро- диевых) в комплекте с трехслойным наконечником, внешний из ко­ торых выполнен из диборида циркония, позволяет производить на­ дежное измерение температуры в течение 2,0—2,5 ч. Применение защитных наконечников из диборида циркония с добавкой молиб­ дена, отличающихся большей газоплотностью, позволяет произво­ дить измерение в течение 3,0—3,5 ч (в наших исследованиях в ос­ новном применялся последний вариант замера температуры жид­ кой стали).

Применение трехслойных защитных наконечников, внешний из которых выполнен из кварца, позволяет достаточно надежно изме­ рять температуры металла в течение 2,0—2,5 ч на плавках с не­ большим количеством шлака в период доводки (толщина шлако­ вого покрова 70—60 мм) и температурами металла во время выпуска около 1600° С. При больших количествах шлака и темпе­ ратурах, значительно выше 1600° С, кварцевый наконечник разру­ шается под действием шлакометаллической эмульсии раньше, чем спекается засыпка из порошка окиси алюминия. Вследствие срав­ нительно высокой стоимости диборид-циркониевых наконечников применение дешевых кварцевых наконечников для непрерывного замера температуры стали является более рациональным.

Еще более экономичной следует признать замену дорогостоящих платиновых термоэлектродов вольфрам-рениевыми ВР5/20, обеспе­ чивающими, как установлено исследованиями, высокую точность и удовлетворительную продолжительность замера температуры стали (2,0—2,5 ч). В связи с этим наиболее экономичным следует признать замер температуры жидкой стали вольфрам-рениевыми

10

термоэлектродами с защитой спая трехслойным наконечником (алунд — засыпка из порошка окиси алюминия — кварц).

Что касается обслуживания установки непрерывного замера (обновление термоспая и замена защитного наконечника), то наи­ более удачное решение предложено сотрудниками Киевского инсти­ тута автоматики [16]. Разработанное ими устройство представляет собой медную капсулу с заранее подготовленными спаем и за­ щитным наконечником, имеющую внутри запас термоэлектродов, которую на время замера вставляют в клеммный разъемник на торце водоохлаждаемой фурмы. Это позволяет резко сократить расход термоэлектродов (вследствие отсутствия обрыва термо­ электродов и возможности применения термоэлектродов малого диаметра) и затрачивать на подготовку замера 30—40 с (время замены одной капсулы другой, каждая из которых после очеред­ ной подготовки спая и установки нового наконечника используется многократно).

КИНОСЪЕМКА ПОВЕРХНОСТИ КИПЯЩЕЙ ВАННЫ МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ

Для изучения процесса кипения ванны 600-т мартеновской печи (площадь пода на уровне металлических порогов завалочных окон 125 м2) была произведена киносъемка ее поверхности в период рудного и чистого кипения. Киносъемку проводили с помощью се­ рийного съемочного аппарата Конвас-автомат и специального теле­ объектива, линза которого имела диаметр 200 мм и фокусное рас­ стояние 500 мм. Экспозиция производилась на черно-белую пленку АМ-1 (размер кадра 22X16 мм). Темно-синий светофильтр был установлен непосредственно у столика съемочной камеры. На плен­ ку снималась поверхность ванны в районе среднего окна печи. Съемка производилась со стороны рабочей площадки при подня­ той крышке среднего завалочного окна.

Видимые размеры всплывающих пузырей окиси углерода опре­ деляли расчетным путем, исходя из параметров оптической системы

(рис. 6).

Оптическая система, представленная на рис. 6, описывается уравнениями [17]:

х— расстояние от фокальной плоскости объектива до ви­ зируемого предмета, мм;

/= /' — фокусное расстояние телеобъектива, мм;

х' — расстояние от фокальной плоскости объектива до изоб­ ражения предмета (до столика съемочной камеры), мм.

11

Искомой величиной является I, которую можно определить из уравнений (1) и (2). Из условий эксперимента нельзя было вос­ пользоваться формулой (1) ввиду невозможности измерения рас­ стояния между съемочной камерой и всплывающими пузырями (величина х), поэтому / определяли из уравнения (2)

Значение V получали непосредственным измерением изображе­ ния на проявленной пленке, а значение х' — измерением расстоя­ ния между фокальной плоскостью телеобъектива и столиком съе-

Рис. 6. Оптическая система киносъемки предмета при помощи телеобъек­ тива:

/ — плоскость столика съемочной камеры; // — линза телеобъектива;

/// — плоскость визируемого предмета

мочной камеры в момент получения наилучшей резкости изобра­ жения.

Частоту v появления пузырей окиси углерода на поверхности ванны определяли по формуле:

v = Фсо число пузырей/с,

где Ф — величина фазы появления одного пузыря окиси углерода, один пузырь/число кадров;

со — скорость съемки, число кадров/с.

Скорость съемки составляла 32 кадра/с, продолжительность цикла съемки 4—6 с.

Экспериментальную обработку данных производили на эпидиа­

определяли по формуле, вытекающей из уравнения (3):

(5)

где /* — размеры изображения на экране эпидиаскопа, мм.

12

Площадь экспонируемой поверхности ванны 0,26 м2, т. е. в про­ цессе киносъемки наблюдали

КОНТРОЛЬ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВКИ

Во время исследований производили запись показаний щита для контроля расхода топлива, кислородоносителей, давления в ра­ бочем пространстве, температур верха насадок и отходящих про­ дуктов горения (в общем борове).

Один раз за период между перекидками клапанов производили

Обработку теплотехнической информации для определения те­ кущих значений теплопоглощения ванны, термического к. п.д., ко­ эффициента расхода кислорода в рабочем пространстве печи и окислительной способности факела проводили по известным мето­ дикам [8, 18].

ГЛАВА 2

ПРОЦЕСС ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ

Интерес к процессу обезуглероживания вызван главным обра­ зом его благотворным влиянием на свойства готового металла и на протекание различных сопутствующих процессов (нагрева металла, дегазации и выравнивания химического состава его, удаления не­ металлических включений и т. п.).

Для управления процессом обезуглероживания необходимо знать некоторые особенности процесса, например зависимость ско­ рости от перегрева ванны, содержания окислов железа в шлаке, абсолютного содержания углерода в ванне, окислительной способ­ ности печи, интенсивности продувки ванны кислородом и т. д.

Основной вопрос процесса обезуглероживания заключается в определении зоны зарождения пузырей окиси углерода в ванне мартеновской печи, поскольку от геометрического расположения этой зоны зависит гидродинамический режим кипения ванны и связанные с этим процессы тепло- и массообмена [19]. Непосред­ ственное наблюдение и изучение реакционной зоны окисления углерода в ванне мартеновской печи невозможно. В связи с этим исследователи обращаются к косвенным показателям процесса, характеризующим расположение этой зоны. К таким показателям относят химическую и температурную неоднородность ванны, ана­ лизируя которые, можно сделать вывод о преимущественном месте зарождения пузырей окиси углерода.

13

Кратко сообщим лишь о двух основных точках зрения на преи­ мущественное окисление углерода в ванне мартеновской печи 1.

Одни авторы [9, 20, 21] утверждают, что основная масса угле­ рода окисляется в подшлаковом слое металла. Сторонники теории подшлакового кипения удовлетворительно объясняют возможность протекания реакции на границе шлак—металл, но не могут вскрыть механизм перемешивания металла.

Другие авторы [22, 23] считают, что окисление углерода в под­ шлаковом слое невозможно и протекает только на подине печи. Теория донного кипения неудовлетворительно объясняет причины недостаточного использования кислорода в верхних объемах ванны, хотя и указывает, что после зарождения пузыря СО на подине дальнейшее окисление углерода происходит уже на поверхности всплывающих пузырей. Андреев [24] определил условия, при ко­ торых возникает как донное, так и подшлаковое окисление угле­ рода.

Экспериментальные работы, подтверждающие указанные точки зрения, основаны на анализе концентрационного и температурного градиентов в объеме ванны. Например, отсутствие такого гради­ ента по высоте ванны свидетельствует об интенсивном переме­ шивании, что возможно лишь при донном зарождении пузырей СО. Наоборот, возникновение значительных градиентов концентра­ ции и температур в ванне указывает на переход основной зоны окисления углерода в верхние слои ванны (подшлаковое окисле­ ние).

Необходимо отметить, что вопросы кипения жидкостей пред­ ставляют большой интерес для многих областей техники. Меха­ низму кинетики образования, например, пузырей пара при кипе­ нии воды посвящены работы [25—27]. Возможность прямого экспериментирования позволила глубоко изучить механизм обра­ зования пузырей пара на твердых поверхностях. При помощи ско­ ростной киносъемки было, например, установлено, что скорость подъема пузырей газа диаметром 1—5 мм в воде составляет 0,26 м/с, а время роста пузыря до момента его отрыва от твердой поверхности составляет 0,02 с [26].

Эти цифры представляют интерес при сравнении их с анало­ гичными параметрами, характерными для пузырей окиси углерода в ванне мартеновской печи (сравнение будет сделано ниже). В од­ ной из ранних работ Якоба и Фритца [25] было показано, что для данной поверхности образования пузырей пара может существо­ вать гиперболическая зависимость между частотой отрыва пузыря п и его диаметром в момент отрыва d. Причем произведение nd является постоянной величиной для данной поверхности и зависит от фазового угла смачивания поверхности жидкостью. Именно эта работа позволила Андрееву [24] предположить, что в условиях мартеновской плавки, оперируя произведением частоты появления пузыря на поверхности ванны на его диаметр, можно судить о ме-

Подробный анализ можно найти в монографии В. И. Явойского [19].

14

сте зарождения пузырей окиси углерода в ванне, поскольку значе­ ние этого произведения различно для поверхностной и донной ре­ акции окисления углерода вследствие различающихся условий смачивания металлом жидкой и твердой поверхностей (шлак и огнеупорная подина). В дальнейшем появилась работа по физике кипения воды [27], где была подтверждена зависимость, обнару­ женная Якобом и Фритцем.

РЕЗУЛЬТАТЫ КИНОСЪЕМКИ ПОВЕРХНОСТИ КИПЯЩЕЙ ВАННЫ

Была исследована зависимость, обнаруженная Якобом и Фрит­ цем для процесса кипения воды, в практике сталеварения для воз­ можного обнаружения зоны зарождения пузырей окиси углерода в ванне мартеновской печи. Оперировали не частотой отрыва пу­ зыря от подины (она неизвестна и подлежит определению), а час­ тотой появления пузыря на поверхности ванны. Вместо диаметра отрыва пузыря в расчетах использовали наблюдаемый диаметр пу­ зырей dB на поверхности ванны. Известно [29], что всплывающие пузыри имеют форму эллипсоида, укороченная ось которых направ­ лена в сторону движения пузыря (чем больше размер пузыря, тем больше его асимметрия). Поскольку истинные размеры этих эллип­ соидов неизвестны, при расчетах пользовались понятием условного пузыря шарообразной формы с наблюдаемым диаметром da. Отме­ тим, что величина наблюдаемого диаметра пузыря зависит от условий «раздевания» его в шлаковой фазе и не может быть рас­ считана в связи с недостаточной изученностью явления «раздева­ ния» [29]. В дальнейших выводах будем считать влияние шла­ ковой фазы на da постоянным для данных условий доводки плавки.

На рис. 7 представлен технологический и теплотехнический ход доводки одной плавки, на которой проводилась киносъемка по­ верхности ванны. Моменты экспонирования поверхности ванны на рис. 7 показаны стрелками. Необходимо отметить, что киносъемку в период чистого кипения (в начале и в конце) проводили при одних и тех же значениях параметров оптической системы (рас­ стояние, угол места и азимут). В период рудного кипения значе­

среднего завалочного окна в точности достичь прежних значений параметров оптической системы не удалось.

В табл. 1,2 помещены результаты обработки отснятого на пленку материала и основные теплотехнические и технологические параметры плавки в момент съемки. Все пузыри были сгруппиро­ ваны по величине наблюдаемого диаметра пузырей dH и частоты их появления п на поверхности ванны. Число групп пузырей, раз­

15

Число групп пузырей, объединенных единым признаком — частота появления их на поверхности ванны — для периода рудного кипения, равно 3, для начала чистого кипения 3 и для конца периода чистого кипения 2.

16

Т а б л и ц а 2

Параметры плавки

Символ i обозначает число пузырей одного признака в районе съемки.

По формуле X Осо= (0,8-ь0,9 Х ^4 8 0 определяется гипотети­ ческий объем пузырей, пересчитанный на всю поверхность ванны

сучетом ее неоднородности. По данным визуальных наблюдений

впериод рудного кипения с большим приближением можно счи­ тать однородной лишь 80% поверхности ванны, в период чистого кипения соответствующая величина равна 90%.

По данным табл. 1 можно косвенно оценить степень деформи­

венной оценкой степени деформируемости пузырей и показывает, во сколько раз объем гипотетического шара диаметром du больше реального объема пузыря, всплывающего в виде эллипсоида

Известно, что пузыри глубинного происхождения всегда имеют больший размер по сравнению с пузырями, зародившимися в верх­ них горизонтах ванны. Как видно из табл. 1, во все периоды до­ водки имеются пузыри большого диаметра dn. Причем для них ха­ рактерна наименьшая частота появления на поверхности, т. е. ма­ ловероятно, что отмеченные пузыри образовались в результате слияния более мелких и появляющихся с большой частотой пузы­ рей из подшлакового слоя, в связи с чем можно сделать предпо­ ложение о развитии донного окисления еще в период рудного ки­

большие значения произведения ndw, в связи с чем можно было бы сделать вывод, что предположение Андреева о возможности определения места зарождения пузырей окиси углерода справед­ ливо. Фазовый угол смачивания на границе металл — подина

18

больше, чем на границе металл — шлак и произведение ndu, как видим, больше для пузырей донного происхождения.

Однако для конца периода чистого кипения подмеченная зави­ симость неочевидна. Наоборот, большим значениям dn соответст­ вуют меньшие значения произведения ndH (см. табл. 1). Указанное обстоятельство не свидетельствует о наличии связи между произ­ ведением ndH и режимом кипения ванны (по крайней мере, для периода конца чистого кипения).

Если предположить, что пузыри донного происхождения появ­ ляются на поверхности с меньшей частотой (при практически по­ стоянной скорости всплывания [19, 30], пузыри донного происхож­ дения преодолевают большее расстояние), то из анализа данных табл. 1 становится очевидной более стабильная связь между час­ тотой появления пузырей на поверхности и режимом кипения ванны. Так, во все исследованные периоды доводки группы пузы­ рей большого диаметра имеют малое значение частоты появле­ ния п, а группы пузырей малого диаметра (предполагается по­ верхностное их происхождение) имеют большую частоту появления на поверхности ванны. В периоды рудного и начала чистого кипе­ ния имеются группы пузырей промежуточных значений наблюдае­ мого диаметра и частоты появления. В конце чистого кипения та­ кие пузыри отсутствуют. Интересными представляются результаты сравнения абсолютных объемов пузырей, объединенных по при­ знаку «частота», для разных периодов доводки. Так, в период руд­ ного кипения объем пузырей предполагаемого донного происхож­ дения (dn=14,4 см, п=1,26 с-1) составляет 24,4% от всего объема

В период чистого кипения картина уже иная. В начале периода на

время, как на долю подшлакового 30,8%. В конце периода чистого кипения превалирующей остается доля пузырей предполагаемого донного происхождения 52,7% против 47,3% — объем пузырей предполагаемого подшлакового происхождения. Приведенные количественные данные хорошо согласуются с современными пред­ ставлениями о возможности протекания как донного, так и под­ шлакового окисления углерода [19, 24].

Если предположить, что нам действительно удалось из всей массы пузырей выделить пузыри донного происхождения, то ве­ личина, обратная частоте их появления на поверхности, является временем зарождения пузыря окиси углерода на подине до мо­ мента его отрыва. Поскольку время зарождения пузыря на подине может определять кинетику процесса обезуглероживания, то ин­ тересным представляется сравнение экспериментальных и расчет­ ных данных о продолжительности роста пузыря на подине до мо­ мента его отрыва.