Физико-химические процессы внепечного рафинирования металла

Министерство образования  и науки Украины

Приазовский государственный  технический университет

Кафедра «Металлургия стали» им. И.Г. Казанцева

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине:

«Физико-химические  процессы  внепечного  рафинирования  металла»

 

 

 

 

 

Выполнила: студ. гр.  И-08-МС-

 

Рецензент: профессор, д.т.н.  Назюта Л.Ю.

 

 

 

 

 

 

 

 

Мариуполь,  2010

 

Содержание

 

1. Теория  пограничного  слоя  Нернста.  Толщина пограничного  слоя.  Расчет  уравнений в критериальной форме

 

2. Мощность перемешивания ванны кислородной  струей.  Сравнительная  оценка  при  продувке  сверху  и  через днище.

 

3. Энергия активации.  Физический смысл значения энергии  активации  для  различных типов процессов  массообмена.

Перечень  использованных  источников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Теория  пограничного  слоя  Нернста.  Толщина  пограничного  слоя. РАСЧЕТНЫЕ  УРАВНЕНИЯ  В  КРИТЕРИАЛЬНОЙ  ФОРМЕ

В случае обтекания пластины ламинарным потоком толщина пограничного слоя определяется по уравнению:

где D − коэффициент диффузии, м²/с; v − кинематическая вязкость жидкости, м²/с; x − расстояние от точки набегания потока жидкости на тело, м; U₀ − скорость набегающего потока, м/с.

     Из уравнений видно, что δ увеличивается с ростом D и расстояние от точки набегания потока жидкости на тело х. По этой причине коэффициент массопереноса β = D/δ и величина диффузионного потока на единицу поверхности i = βΔC пропорциональны коэффициенту диффузии не первой степени, как предполагал Нернст, а в степени, меньшей единицы. Так, при обтекании пластины ламинарным потоком жидкости:

Основное содержание теории конвективной диффузии выражает уравнение  скорости диффузионного растворения  твердого тела в жидкости:

        (1)

где − количество растворившегося твердого тела в жидкости в единицу времени, кг/с; D − коэффициент диффузии, м²/с; − толщина неперемешиваемого пограничного слоя, м; С_нас и С₀ − концентрации растворяющегося вещества вблизи поверхности твердого тела (концентрация насыщения) и в объеме жидкости соответственно, кг/м³; S − поверхность контакта твердого тела с жидкостью, м². Уравнение типа (1) впервые было получено А.Н. Щукаревым на основе результатов проведенных им экспериментов.

    Нернст распространил закон Щукарева на все протекающие по законам диффузионной гетерогенные реакции, скорость которых определяется диффузией в неподвижном пограничном слое небольшой толщины (δ ≈ 10⁻² − 10⁻⁴ см). Диффузионный поток в этом слое обусловлен разностью концентраций диффундирующего вещества в жидкости вблизи поверхности другой фазы С_нас до С₀. Движение жидкости обеспечивает постоянство концентраций растворенных веществ во всем ее объеме за исключением границы раздела фаз. Концентрации изменяются от С_нас до С₀ по линейному закону лишь в пределах слоя толщиной δ. Этот слоя назвали диффузионном слоем Нернста.

   Даже на незначительном расстоянии (10⁻⁵) от твердой стенки наблюдается движение жидкости, в связи с чем линейным законом распределения концентраций в пределах слоя δ и предложение Нернста о неподвижности жидкости в нем потеряли свое обоснование.    Поэтому теория конвективной диффузии Нернста  является лишь  удобной полуэмпирической математической моделью. Толщина неподвижного диффузионного слоя   δ − чисто условная величина.

Скорость диффузионных стадий процессов значительно зависит  от скорости движения жидких и газообразных фаз. В абсолютно спокойной среде скорость так называемой молекулярной диффузии вещества определяется первым законно Фика:

                   (2)

а скорость изменения концентрации вещества i − вторым законом Фика

     (3)

где m − масса вещества i, кг; С − концентрация вещества i, кг/м³; t − время диффузии в направлении х, с; D − коэффициент молекулярной диффузии, м²/с; х − расстояние, м; S − поверхность, перпендикулярная направлению диффузионного потока, м²; dC/dx − градиент концентраций, кг/м⁴.

Конвективные потоки в  ванне резко увеличивают скорость диффузии, которая лимитирует скорость гетерогенного процесса в целом. В этом случае диффузионный поток:

(4)

а скорость изменения концентрации вещества i:

  (5)

где − скорость конвективного потока в направлении x, м/с. При значительных первыми слагаемыми правых частей уравнений можно пренебречь.

Для условий турбулентной среды, где большая скорость диффузии обеспечивается сочетанием турбулентных пульсаций и конвективных потоков, в уравнения первого и второго законов Фика вводится коэффициент турбулентной диффузии или эффективный коэффициент диффузии D_эф. В турбулентной среде концентрации вещества в объеме каждой из жидких (газообразных) фаз примерно постоянна. В этих условиях роль молекулярной диффузии все же остается значительной, так как на границе раздела фаз имеются тонкие неподвижные (не перемешиваемые) пограничные слои, в которых массоперенос осуществляется посредством молекулярной диффузии.  По порядку величины толщину пограничного слоя δ можно определить из выражения:

          (6)

где U − скорость потока жидкости, газа вблизи данного тела (скорость набегающего потока), м/с; r − радиус (или половина толщины) тела, омываемого потоком газа или жидкости, м.

Отношение

              (7)

называется коэффициентом массопереноса (массопередачи). Пользуясь уравнение , можно вычислить порядок величины этого коэффициента:

(8)

Так как в турбулентной жидкой среде  см, то  в зависимости от интенсивности перемешивания, влияющего на скорость набегающего потока жидкости, величина колеблется в пределах 10⁻² − 10⁻¹ см/с. Для газов, в которых значение коэффициента диффузии намного больше, чем в жидкостях, величина см/с. Резкое увеличение D, и S при перемешивании ванны по сравнению со значениями этих величин в малоподвижной среде обеспечивает ускорение сталеплавильных  процессов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Мощность  перемешивания ванны кислородной струей.  Сравнительная оценка  при продувке  сверху и через днище.

   Выходящие  из  сопл  фурмы  кислородные   струи  внедряются  в  ванну   и  вызывают  в её нижней части направленную циркуляцию, а верхние слои металла и шлака вспениваются пузырями СО, выделяющимися при окислении углерода.  Характер взаимодействия кислородных струй с ванной и возникающей при этом циркуляцией металла показан на рис. 2.1

Рисунок 2.1 Структура  ванны  при  продувке кислородом сверху:

1 – зона продувки (прямого  окисления); 2 – зона циркуляции  металла;  3 – пузыри СО;  4 –  крупные газовые полости; 5 – металл; 6 – шлак.

 Под соплами фурмы  расположены направленные вниз  высокоскоростные потоки кислорода  с увлекаемыми в них каплями  металла; это первичные реакционные  зоны или зоны продувки, где  весь кислород расходуется на  окисление железа.  По границам  первичной зоны вследствие высокой концентрации кислорода окисляется много углерода с образованием СО и формируется мощный поток всплывающих пузырей СО, увлекающих за собой металл,  поэтому циркуляционные потоки направлены вверх.

Поскольку контур циркуляции  должен быть замкнутым, у стенок конвертера металл движется вниз.

Циркуляция, т.е. перемешивание  ванны, интенсифицирует  массо- и теплообмен,  ускоряя процессы  окисления,  рафинирования и нагрева металла и расплавление стального лома.  В начале и конце продувки, когда скорость окисления углерода и выделение пузырей СО не  велика, циркуляционные потоки ослаблены и интенсивность  перемешивания ванны недостаточна. 

Под  первичными  реакционными  зонами,  где  всплывание пузырей  СО затруднено,  периодически  формируются крупные газовые полости,  их объем при движении  вверх возрастает,  в результате поглощения пузырей СО и при выходе крупных газовых объемов из ванны  образуются всплески металла и шлака.  При этом могут возникать выбросы через горловину конвертера. 

Параметры дутья  и положение фурмы

Давление  кислорода.  Кислород  вводят в конвертер через фурму с выходными соплами Лаваля, преобразующими энергию давления газа в кинетическую и обеспечивающими скорость струй на выходе из сопла 500-550 м/с при статическом давлении,  близком к атмосферному. Такая скорость необходима для внедрения струй в ванную и полного усвоения кислорода. Размеры сопл,  обеспечивающие такой режим, определяют расчетом.

Изменение  давления кислорода  перед соплом по сравнению с расчетным  ведет к нарушению расчетного режима работы сопла.  При повышении давления возрастают скорость и давление на выходе из сопла (недорасширение струи), что вызывает пульсацию струи, передающуюся ванне; при снижении давления возникает разрежение на выходе из сопла (перерасширение струи),  что вызывает подсасывание капель металла и шлака и быстрый износ сопл.   Как следует из данных рис. 2.2,  при давлении  кислорода перед соплом менее 1,0-1,2 МПа, небольшие его изменения вызывают существенное изменение в скорости кислородной струи,  т.е. расчетного режима работы сопла. При больших давлениях эти колебания не значительны, поэтому давление кислорода перед соплом должно быть      >1,2 МПа.  

Поскольку потери напора (давления) в кислородоподводящем шланге и фурме обычно составляют 0,4-0,7 МПа, давление в кислородопроводе должно быть ≥1,6 МПа (чаще  составляет 1,6-2,0 МПа).

Удельный  расход кислорода, т.е. расход на 1 тонну  выплавляемой  стали (м³/т), определяется количеством окисляющихся  за  время  продувки составляющих чугуна и стального лома. Он изменяется в пределах 47-60 м³/т стали, возрастая  при увеличении  содержания окисляющихся примесей в шихте и снижается при увеличении  доли стального лома в шихте, поскольку лом содержит меньше окисляющихся элементов, чем чугун.

 Расход кислорода в единицу времени (м³/мин)  обычно тем выше,  чем больше вместимость конвертера и для большегрузных конвертеров достигает 1500-2000 м³/мин. Увеличения расхода кислорода достигают путем увеличения в фурме числа и диаметра сопл Лаваля.

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 2.2  Зависимость  скорости истечения  кислорода  υ из  сопла Лаваля от давления дутья перед соплом  Р_д

 

 

Интенсивность продувки J  [м³/(т*мин)] не зависит от вместимости конвертера и обычно является постоянной  в условиях того или иного конвертерного цеха. Она находится в пределах от 2,5 до 5-6 м³/(т*мин).

Величина J определяет длительность продувки  (τ, мин), которая  также, как интенсивность продувки  не зависит от вместимости конвертера.  Связь между величинами τ  и J  примерно следующая:  τ = Q/ J,  где   Q – удельный расход кислорода, равный  47-60 м³/т.  Для уменьшения продолжительности плавки интенсивность продувки стремятся увеличить. Однако опыт показал, что после превышения некоторого допустимого уровня интенсивности продувки начинаются выбросы металла и шлака из конвертера. Объясняется это тем, что при  росте расхода кислорода возрастает скорость окисления углерода и, следовательно, количество выделяющихся пузырей СО, вспенивающих ванну.  При подъеме вспенившейся ванны до  уровня горловины  могут появиться выбросы.

Допустимый уровень интенсивности  продувки тем выше, чем больше удельный объем конвертера,  отношение H/D (высоты рабочего объема к диаметру), число сопл в фурме n и зависит также от особенностей технологии  процесса.

При существующей в цехе технологии и размерах конвертера увеличение интенсивности продувки без возникновения при этом выбросов можно достичь, увеличивая число сопл в кислородной фурме. Чтобы при увеличении интенсивности продувки (например,  от J₁ до J₂)  уровень вспенивания ванны, а,  следовательно, вероятность возникновения выбросов, оставались на прежнем уровне, между величинами  J и числом сопл в фурме n должно соблюдаться следующее  соотношение: 

J₁/ J₂ = (n₁/ n₂)^b, где b = 0,7…1,0.

Число кислородных струй (число сопл в фурме) стремятся  увеличить, т.к. это позволяет увеличить расход кислорода (интенсивность продувки) без появления выбросов и обеспечивает более мягкую продувку с более быстрым обогащением шлака оксидами железа, что ускоряет шлакообразование.

Вместе  с  тем, при увеличении  числа сопл, чтобы избежать слияния  кислородных струй приходится увеличивать  угол наклона струй (оси сопл) к  вертикали. При таком увеличении кислородные струи приближаются к футеровке стен и в конвертерах малой вместимости (с малым диаметром рабочего объема)  это вызывает повышенный износ футеровки. В связи с этим в небольших конвертерах число сопл фурмы меньше,  чем в большегрузных, и оно обычно возрастает по мере увеличения вместимости конвертеров (четырехсопловые фурмы для 100-т конвертеров и шестисопловые для 350-т конвертеров).

Высота расположения фурмы  имеет оптимальные пределы. При  чрезмерно высоком положении  фурмы кислородные струи не внедряются в металл («поверхностный обдув»)  и степень усвоения кислорода  низка;  при  чрезмерно низком положении («жесткая продувка») усиливается вынос капель металла  отходящими газами и абразивный износ головки фурмы каплями металла, существенно замедляется шлакообразование и др.