Тепловая работа сталеплавильных ванн

Глинков М.А. Тепловая работа сталеплавильных ванн

Глинков М.А.

Металлургия, 1970 г.

Условия  на поверхности зеркала сталеплавильной ванны

Зеркалом сталеплавильной ванны называют границу раздела между жидкой фазой (металл и шлак) и газом, заполняющим рабочее пространство печи над ванной. Через эту границу происходит перенос тепла и массы. Интенсивность переноса при прочих равных условиях определяется толщиной, составом и физическими свойствами шлакового покрова.

Промежуточной является граница между шлаком и металлом. Через эту границу также происходит перенос тепла и массы, а интенсивность этого процесса, в свою очередь, зависит от состава и физических свойств обеих жидких сред. Граница между шлаком и металлом может быть или ярко выражена, например, в конце сталеплавильного процесса или может отсутствовать как таковая, когда при интенсивной продувке образуется шлако-металлическая эмульсия. Даже если шлако-металлическая эмульсия не образуется, все же в металлическом слое ванны в активной фазе процесса имеется множество неметаллических образований и газовых пузырей, а в шлаке — корольков и пленок металла. Детальное исследование механизма всех процессов переноса, протекающих в сталеплавильной ванне, выходит за рамки данной книги, к тому же приходится констатировать отсутствие достаточно установившихся представлений по данному вопросу. С позиций энергетики три процесса переноса играют определяющую роль: перенос тепла, кислорода и окиси углерода, а применительно к этим процессам переноса особенно важное значение имеют результирующие эффекты.

 

Перенос тепла через зеркало ванны

 

В практическом отношении этот процесс наиболее важен для сталеплавильных печей с открытым подом, а

именно для мартеновских, двухванных, электродуговых и тому подобных печей. Для печей с закрытым подом (конвертеров) процесс переноса тепла через зеркало ванны чаще всего не имеет существенного значения вследствие малой относительной поверхности зеркала ванны (Kсв~0,5) и резкого вспучивания ванны при продувке. Так, в конвертерах с нижним дутьем ванна через зеркало теряет тепло, но незначительно. В конвертерах с верхним дутьем (кислородных) ванна получает тепло через зеркало, но также, по-видимому, в незначительном количестве. Некоторым исключением являются конвертеры Кал-До, где более развитая поверхность зеркала ванны в сочетании с дожиганием окиси углерода над ванной создает более благоприятные условия для получения тепла ванной через зеркало. Еще в большей степени это относится к роторным сталеплавильным печам.

Как следует из общей теории печей [2], в пламенных печах, к которым относятся все топливные печи с открытым подом, поверхность кладки является весьма важным посредником в передаче тепла от пламени (газов) к зеркалу ванны. Методом приближенного расчета можно показать, что интенсивность теплоотдачи при наличии кладки возрастает в среднем в несколько раз по сравнению с теплоотдачей только от пламени непосредственно. Разумеется, роль поверхности кладки как посредника в теплообмене снижается по мере увеличения степени черноты пламени и при создании у поверхности ванны зоны максимальных температур пламени.

Роль поверхности кладки как посредника в теплообмене между пламенем и зеркалом ванны различна в различные периоды плавки и, будучи особенно большой при наличии в печи твердой, относительно холодной шихты, снижается к концу плавки, когда реальные температуры поверхности кладки и зеркала ванны сближаются.

Из общей теории печей известно, что только применение принципа прямого направленного теплообмена, т. е. создание зоны наивысших температур пламени вблизи зеркала ванны позволяет эффективно закончить плавку, особенно если свод выложен из динасового кирпича, для которого предельная допустимая температура ниже, чем для хромомагнезитового (1670 и 1780° С соответственно). Это справедливо, конечно, для плавок без продувки кислородом. Наличие в рабочем пространстве недиатермической среды с переменной по объему температурой исключает возможность сколько-нибудь точного аналитического расчета лучистой теплоотдачи ванне со стороны раскаленных поверхностей кладки и пламени.

Величина конвективной теплоотдачи также практически не поддается расчету. Дело в том, что на границе раздела металл —шлак возникает пограничный газовый слой, толщина которого не одинакова по поверхности ванны. В местах настильного движения пламени толщина пограничного слоя меньше, чем в слабо обтекаемых местах зеркала ванны. По-видимому, этот слой оказывает влияние и на лучистую теплоотдачу от пламени вследствие ухудшения эффекта прямого направленного теплообмена, но слабо влияет на нагрев в результате радиации кладки. Главное влияние этот пограничный слой оказывает на теплоотдачу конвекцией, поскольку она зависит от теплопроводности пограничного слоя и переноса тепла с массой, диффундирующей через этот слой. Вероятно, теплоотдача конвекцией играет наибольшую роль при нагреве твердой шихты, особенно вертикально расположенными факелами и в период преимущественного окисления Si, Μn и Ρ из жидкой ванны вследствие того, что окисление этих элементов не связано с наличием в пограничном слое встречного потока окиси углерода.

Так как окиси углерода образуется по объему в 2 раза больше объема затраченного кислорода, то можно предполагать, что в период окисления углерода теплоотдача конвекцией относительно мала. Возможно, преувеличение роли конвекции связано с тем, что при исследовании сталеплавильных печей к этому виду теплоотдачи ошибочно присоединяют эффект нагрева ванны от генерации тепла в результате использования кислорода атмосферы печи. Толщина пограничного слоя зависит от характера турбулентности факела и уменьшается по мере увеличения масштаба турбулентности. Увеличение скорости в слоях пламени, прилегающих к ванне, за счет увеличения количества движения и в результате выбора направления результирующего потока при выходе из головки имеет в этом отношении решающее значение [204].