PL202586B1 - Sposób doprowadzania gazu do pieca metalurgicznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób doprowadzania gazu do pieca metalurgicznego.

Znane jest stosowanie do wytwarzania stali nierdzewnych na przykład konwertorów typu AOD (Argon-Oxygen-Decarburization, Argon-Tlen-Odwęglanie) z umieszczonymi z boku dyszami, podczas gdy do innych stali jakościowych także stosowanie konwertorów z dyszami dennymi. W konwertorach obu typów dysze są zasilane różnymi mieszankami tlenu i argonu. Dysze znajdują się w pozycji dmuchu konwertora poniżej lustra kąpieli metalowej. Podczas eksploatacji konwertorów tego typu występuje zjawisko, które jest znane w literaturze pod nazwą „back-attack i zostało stwierdzone za pomocą fotografii o wysokiej prędkości.

Zjawisko „back-attack zostało opisane w artykule pt. „Characteristics of Submerged Gas Jets And A New Type Bottom Blowing Tuyere (Charakterystyki zanurzonych strumieni gazowych i nowego typu dysze powietrzne do dmuchu dolnego) T.Aoki, S. Masuda, A. Hatono i M. Taga, opublikowanym w „Injection Phenomena in Extraction and Refining, redagowanym przez A.E. Wraith, kwiecień 1982, strony A1 - 36. To zjawisko „back-attack zostało bliżej opisane za pomocą fig. 5 i fig. 6.

Na fig. 5 ukazano tu schematycznie, na podstawie 5 stadiów, następujące po sobie w czasie poszczególne fazy przy wchodzeniu strumienia gazowego do ciekłego metalu i zjawisko „back-attack.

W pierwszej fazie strumień 101 gazu wchodzi z usytuowanej poziomo dyszy 102 w przybliżeniu poziomo do ciekłego metalu 103 (fig. 5, ilustracja cząstkowa 1). Tworzy się słup 104 pęcherzy gazowych. W drugiej fazie następuje dalsze rozprężanie się pęcherza do wnętrza ciekłego metalu 103 (ilustracja cząstkowa 2). Potem występuje przewężenie (105) na „trzonku pęcherza oraz „nagłe załamanie (ilustracja cząstkowa 3), a w końcu odrywa się pęcherz 106 o dużym formacie (ilustracja cząstkowa 4). W tym momencie strumień 101 powietrza uderza w ścianę jamy utworzonej z ciekłego metalu i jest kierowany w kierunku na ścianę 107 konwertora wykonaną z materiału ognioodpornego, co stanowi właściwy „back-attack (atak nawrotny). Na ilustracji cząstkowej 5 jest wówczas uzyskany ten sam stan, jak na ilustracji cząstkowej 1 i cały przebieg powtarza się.

Ten proces o nazwie „back-attack ma pod wieloma względami negatywne następstwa. Powstaje obciążenie udarowe w pewnym miejscu na ścianie konwertora, prostopadle do osi obrotu konwertora, o typowej częstotliwości pomiędzy 2 i 12 Hz. Prowadzi to do drgań naczynia konwertora i jego pasma napędowego. Wywołane przez to mikroruchy w łożyskach konwertora (zwykle łożyskach wałeczkowo-stożkowych) i pomiędzy większym kołem zębatym i naprężonymi zębnikami przekładni konwertora wywołują, z powodu niewystarczająco wytworzonej warstewki smaru, obciążenia cierne i szybkie zużycie. Drgania mogą prowadzić do pęknięć wibracyjnych w podporze przejmującej obciążenia wywoływane momentem obrotowym przekładni konwertora oraz w podporach fundamentowych, gdy te ostatnie są wykonane w postaci konstrukcji stalowej. Zaradzić temu przy obecnym stanie techniki można jedynie przez zastosowanie mocniejszych i większych łożysk oraz za pomocą specjalnych urządzeń blokujących w przekładni konwertora. Oba te środki wiążą się jednak z wysokimi kosztami inwestycyjnymi.

Oprócz obciążeń udarowych stwierdza się także silną erozję ognioodpornej ściany konwertora w otoczeniu dysz gazowych. Zjawisko to mogło być także odtworzone w układzie modelowym (porównaj wymieniony powyżej artykuł w „Injection Phenomena in Extraction and Refining). W tym celu zastosowany został model konwertora z zaprawą w roli materiału ogniotrwałego, a jako ciekły metal zastosowano rozcieńczony kwas solny. Przez dyszę denną było wdmuchiwane powietrze. Zarówno przy ciśnieniu wdmuchiwania wynoszącym 4 kg/cm², jak i przy wynoszącym 50 kg/cm² powstała wokół dyszy mająca typowo wklęsły kształt niecka erozyjna, która jednak była większa przy mniejszym ciśnieniu dmuchu.

Przyspieszone w tej strefie zużycie ogranicza czas trwania kampanii konwertorowej do zwykle 80-100 topień. Potem ścieralne obmurowanie konwertora musi zostać wymienione, chociażby miało ono poza obszarem dysz jeszcze rezerwy do wykorzystania. Ta okoliczność wywiera znaczny wpływ na ekonomiczność procesu konwertorowego.

Poza tym duża objętość uwalniającego się pęcherza gazowego prowadzi do niekorzystnego, to znaczy małego stosunku powierzchnia - objętość. Reakcje pomiędzy gazem i ciekłym metalem przebiegają dlatego wolniej, wykorzystanie zwłaszcza tlenu jest gorsze, a rezultat wymieszania pomiędzy ciekłym metalem i pływającym na nim żużlem jest zły. Wskutek tego rosną wymagane do procesu ilości gazu i niekorzystniejsze stają się koszty eksploatacyjne.

PL 202 586 B1

Z literatury znane są różne metody osłabiania zjawiska „back-attack lub możliwie najlepiej eliminowania go, i w ten sposób usuwania przedstawionych uprzednio negatywnych skutków zjawiska „back-attack. Jedna tego rodzaju metoda (porównaj wymieniony powyżej artykuł w „Injection Phenomena in Extraction and Refining) polega na odejściu od dysz o okrągłym przekroju i zastosowaniu zamiast nich dysz o przekroju szczelinowym. Są one jednak trudniejsze do wykonania niż dysze okrągłe, i są one dlatego droższe, a także trudniejsze do zamontowania. Ponadto, jest praktycznie niemożliwe wykonanie niezawodnych dysz szczelinowych ze szczeliną pierścieniową. Zależnie od różnicy ciśnień pomiędzy rurą wewnętrzną i szczeliną pierścieniową różnie rozszerza się rura wewnętrzna, a przekrój szczeliny pierś cieniowej zmienia się w sposób niezamierzony i nierównomierny. Metoda ta nie zdobyła z tych powodów uznania.

Przy tym wymienionym powyżej badaniu modelowym ciśnienie dmuchu zostało podniesione ponad typowe 15 barów (przy których obciążenie udarowe jest przypadkiem największe) do wartości 80 kg/cm² (porównaj także wymieniony powyżej artykuł w „Injection Phenomena in Extraction and Refining). Wynikające z tego proporcje są przedstawione za pomocą fig. 6. Ukazany został wpływ wzrastającego ciśnienia dmuchu na zjawisko back-attack przy dyszy kołowej o średnicy wewnętrznej 1,7 mm, przy czym modelowo wdmuchiwany był azot w wodzie. Wraz ze wzrostem ciśnienia dmuchu spada wyraźnie częstotliwość zjawiska „back-attack, ponieważ pęcherz gazu rozciąga się na większej odległości. Skumulowany impuls strumieniowy najpierw rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia dmuchu, aby potem opaść również przy ciśnieniu dmuchu wynoszącym około 15 kg/cm².

Inny sposób uzyskania wpływu na zjawisko „back-attack polega na zastosowaniu dyszy pierścieniowej ze spiralną wkładką wirową (porównaj „Back-attack Action of Gas Jets with Submerged Horizontally Blowing and Its Effects on Erosion and Wear of Refractory Lining (Oddziaływanie typu „back-attack strumienia gazu przy zanurzonym poziomo dmuchu i jego wpływ na erozję i zużycie ogniotrwałego wyłożenia), J.-H. Wei, J.-C. Ma, Y.-Y. Fan, N.-W. Yu, S.-L. Yang i S.-H Xiang, 2000 Ironmaking Conference Proceedings, str. 559-569). Jest tu wywoł ywany przez wkładkę spiralną ruch obrotowy strumienia gazu, który ma prowadzić do lepszego przemieszania z kąpielą i tym samym zmniejszenia zjawiska „back-attack oraz do mniejszego zuż ycia wył o żenia ogniotrwałego i lepszego wykorzystania gazu. Wadę stanowi większy spadek ciśnienia w dyszach z wkł adką spiralną . Spadek ten wymaga podwyż szenia ciś nienia począ tkowego gazu, co nie we wszystkich przypadkach jest możliwe.

Celem wynalazku przy takim punkcie wyjścia jest złagodzenie lub wyeliminowanie zjawiska „back-attack w piecu metalurgicznym, przy czym nie powinny występować wymienione powyżej wady.

Sposób doprowadzania gazu do pieca metalurgicznego z bocznym i/lub dolnym dmuchem, za pomocą systemu doprowadzania gazu z co najmniej jedną dyszą, która umieszczona jest w bocznej ścianie i/lub w dnie pieca, przy czym gaz tłoczy się poprzez przewód systemu doprowadzania gazu do dyszy i poprzez dyszę do wnętrza pieca metalurgicznego, gdzie wychodzi on w postaci pęcherzy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że gaz tłoczy się do wnętrza pieca tak, że okresowo zmniejsza się lub przerywa strumień gazu do wnętrza pieca z częstotliwością ponad 5 Hz.

Proponuje się, aby w celu realizacji sposobu według wynalazku system doprowadzania gazu pieca metalurgicznego miał umieszczone przed dyszą lub jej przyporządkowane dopływowe urządzenie dławiące, które okresowo redukuje lub przerywa doprowadzenie gazu do wnętrza pieca. W ten sposób uzyskuje się to, że w dużo krótszych odstępach czasowych niż przy konwencjonalnym, nie przerywanym strumieniu gazu może uwalniać się z czubka dyszy pęcherz gazowy. W ten sposób od samego początku będą powstawać mniejsze pęcherze, i związane ze zjawiskiem „back-attack oddziaływania wsteczne na ścianę naczynia są o wiele mniejsze. Jednocześnie istnieje wysoki stosunek powierzchnie-objętości pęcherzy gazowych.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku zaproponowano, aby strumień gazu do wnętrza pieca był okresowo redukowany lub przerywany z częstotliwością około 5 Hz i w ten sposób strumień gazu był dzielony na mniejsze jednostki objętościowe. Stwierdzono, że od wartości w przybliżeniu 5 Hz częstotliwości przełączania dopływowego urządzenia dławiącego uzyskuje się wyraźne zmniejszenie maksymalnych amplitud ciśnienia, przy w przybliżeniu, takiej samej częstotliwości. To korzystne zmniejszenie amplitud ciśnienia może być wzmocnione za pomocą wzrastającej częstotliwości przełączania z korzystnymi wynikami przy częstotliwości przełączania wynoszącej na przykład 20 Hz i wyższej.

PL 202 586 B1

Dopływowe urządzenie dławiące jest umieszczone w przewodzie doprowadzającym gaz do dysz, możliwie najbliżej wylotu dysz.

W zasadzie może wchodzić tu w grę każdy rodzaj dopływowych urządzeń dławiących względnie agregatów dla strumieni gazu. W szczególności proponuje się stosowanie urządzenia typu mechanicznego, zwłaszcza zaworu elektromagnetycznego lub serwozaworu.

Rozmieszczenie dopływowych urządzeń dławiących powinno korzystnie być tak wykonane, aby mogły być one obchodzone. W tym celu system ma dające się zamykać przewody obejściowe (bypass), które są przyporządkowane danym przewodom z wbudowanym dopływowym urządzeniem dławiącym. Jest wówczas możliwe, w określonych fazach dmuchu, na przykład w fazach o mniejszej wielkości dmuchu, w których zjawisko „back-attack nie jest tak wyraźne, prowadzenie strumienia gazu tylko przez przewody obejściowe i zrezygnowanie z regulacji za pomocą dopływowych urządzeń dławiących. Jednocześnie za pomocą takiego układu można nadal prowadzić eksploatację przy awarii jednego lub kilku dopływowych urządzeń dławiących.

Ponadto, proponuje się doregulować do siebie wzajemnie sposób sterowania względnie dopasować wzajemnie takt pracy kilku dopływowych urządzeń dławiących. Kilka dopływowych urządzeń dławiących w kombinacji z odpowiednimi dyszami powinno podlegać sterowaniu w jednakowym takcie lub takcie przemiennym. W tym celu jest przewidziane odpowiednie urządzenie sterujące dla dopływowych urządzeń dławiących.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w sposób schematyczny piec metalurgiczny z systemem doprowadzania gazu, w którym jest stosowany sposób według wynalazku, fig. 2 - zmienność ciśnienia w zależności od czasu dla sposobu doprowadzania gazu za pomocą systemu z dyszą bez zaworu według dotychczasowego stanu techniki, fig. 3 - w odpowiednim ujęciu zmienność ciśnienia w zależności od czasu dla sposobu doprowadzania gazu według wynalazku z pulsacją wywoływaną przez zawór elektromagnetyczny, fig. 4 - zmienność ciśnienia w zależności od czasu dla sposobu doprowadzania gazu według wynalazku z pulsacją wywoływaną przez serwozawór, fig. 5 - w sposób schematyczny mechanizm zjawiska „back-attack, fig. 6 - zależność częstotliwości zjawiska „back-attack od ciśnienia dmuchu z „Injection Phenomena in

Extraction and Refining, redagowanego przez A.E. Wraith, kwiecień 1982, strony A1 - 36.

Na fig. 1 ukazany jest schematycznie, na przykładzie konwertora 1 z wyłożeniem ognioodpornym 2, służący do realizacji sposobu według wynalazku system 3 doprowadzania gazu i przeznaczony do zmniejszania względnie eliminowania zjawiska „back-attack. W konwertorze z dyszami bocznymi w ścianie konwertora jest umieszczonych (zanurzonych) kilka dysz, które przy pionowym ustawieniu konwertora znajdują się pod powierzchnią 4 kąpieli. Na fig. 1 jest przykładowo ukazana tylko jedna z dysz 5. Dysza 5 rozciąga się poziomo przez wyłożenie ognioodporne 2 pieca. Dysza 5 stanowi część systemu 3 doprowadzania gazu, który to system zawiera ponadto przewody gazowe 6, w każdym z których jest zabudowane dopływowe urządzenie dławiące 7, tu zawór elektromagnetyczny lub serwozawór. To dopływowe urządzenie dławiące 7 jest umieszczone możliwie najbliżej wylotu dysz. Za pomocą dopływowego urządzenia dławiącego 7 okresowo względnie regularnie zmniejsza się lub na krótki czas całkiem przerywa doprowadzanie gazu do wnętrza pieca, względnie do wewnątrz ciekłego metalu. Równolegle do przewodów gazowych 6 system 3 doprowadzania gazu ma każdorazowo przewody obejściowe 8 (by-pass). Za pomocą urządzenia zamykającego 9 można dany przewód obejściowy 8 zamknąć lub otworzyć. W stanie otwartym dopływowe urządzenie dławiące 7 względnie urządzenie zamykające 9 jest zamknięte. Sterowanie zaworem oraz urządzeniem zamykającym 9 jest realizowane za pomocą urządzenia sterującego 10, które poprzez przewody sterujące 11 jest połączone z zaworem oraz urządzeniem zamykającym 9. Za pomocą urządzenia sterującego 10 steruje się także dostosowaniem poszczególnych zaworów sąsiadujących przewodów doprowadzających dla większej liczby dysz oraz urządzeniami zamykającymi przewodów obejściowych.

Fig. 2 do fig. 4 ukazują wyniki badań modelowych w okrągłym zbiorniku wodnym, w którym uderzenia ciśnienia (ciśnienie zmienne w barach) na ścianę naczynia są mierzone w czasie w ms specjalnym czujnikiem. We wszystkich próbach była stosowana dysza okrągła o średnicy 6 mm przy pochyleniu dyszy wynoszącym 0°. Na każdej mniejszej ilustracji cząstkowej jest przedstawiona dysza ze swymi promieniowymi obszarami oddziaływania na ścianę naczynia. Czujnik pomiarowy znajduje się w miejscu V1. Dysze bez zaworu ukazują najpierw typowy obraz zjawiska „back-attack (porównaj fig. 2). Już od częstotliwości przełączania 5 Hz uzyskuje się wyraźne zmniejszenie maksymalnych amplitud ciśnienia przy, w przybliżeniu, tej samej częstotliwości, tu częstotliwości pulsacji wynoszącej 7 Hz (fig. 3). Najlepsze wyniki zostały osiągnięte przy częstotliwości przełączania 20 Hz, która jednocześnie

PL 202 586 B1 stanowi maksymalną częstotliwość przełączania dla zastosowanego zaworu elektromagnetycznego. W sumie, przy wzrastającej częstotliwości pulsacji amplitudy ciśnienia zjawiska „back-attack maleją.

W rezultacie pulsacji strumienia gazu może więc wyraźnie zostać zmniejszone zjawisko „back-attack. Reasumując, w ten sposób dotychczasowe drgania mechaniczne konwertorów z dmuchem dolnym lub bocznym do wytwarzania stali węglowych lub stali nierdzewnych mogą być osłabiane lub przytłumione. Zużycie ognioodpornego materiału względnie obmurowania w strefie dyszy zostaje zmniejszone. Ulega przy tym poprawie wymiana masy pomiędzy fazą gazową i ciekłą w konwertorze.

Claims (1)

1. Sposób doprowadzania gazu do pieca metalurgicznego z bocznym i/lub dolnym dmuchem, za pomocą systemu (3) doprowadzania gazu z co najmniej jedną dyszą (5), która umieszczona jest w bocznej ś cianie i/lub w dnie pieca, przy czym gaz tłoczy się poprzez przewód (6) systemu (3) doprowadzania gazu do dyszy (5) i poprzez dyszę do wnętrza pieca metalurgicznego, gdzie wychodzi on w postaci pęcherzy, znamienny tym, że gaz tłoczy się do wnętrza pieca tak, że okresowo zmniejsza się lub przerywa strumień gazu do wnętrza pieca z częstotliwością ponad 5 Hz.