Введение к работе
Актуальность работы. Кислородно-конвертерный процесс по-прежнему является ведущим сталеплавильным процессом в мировом производстве высококачественной стали благодаря своим ресурсо- и энергосберегающим возможностям. К числу особо важных последних достижений кислородно-конвертерной плавки следует отнести внедрение технологий нанесения шлакового гарнисажа на футеровку агрегата посредством раздувки азотными струями подготовленного конечного шлака с высоким содержанием (8-14 %) оксида магния. Это позволило на ряде зарубежных металлургических предприятий достичь стойкости футеровки конвертеров до 20-30 тыс. плавок и значительно сократить потребление дорогостоящих периклазоуглеродистых огнеупоров.
Разработанная и внедренная в России технология выплавки стали под конвертерными шлаками, имеющими повышенное содержание MgO, с нанесением шлакового гарнисажа, дополнительным факельным торкретированием и подваркой футеровки обеспечивает в настоящее время стойкость конвертеров за компанию только 2500-3500 плавок. В этой связи для кислородно-конвертерного производства России актуальными задачами сегодняшнего дня являются:
развитие теории, совершенствование существующих и изыскание новых вариантов повышения стойкости футеровки конвертеров путем нанесения шлакового гарнисажа с использованием специальных гарнисажных фурм, чтобы достигнутые показатели соответствовали достижениям зарубежной металлургической практики;
развитие теоретических основ и прикладных аспектов разработки новой ресурсо- и энергосберегающей технологии ошлакования футеровки конвертеров с использованием специальных фурм, совмещающих операции раздувки подготовленного конечного шлака азотными струями и вертикального факельного торкретирования с подачей торкрет-масс на основе обожженных магнезита или доломита.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами хоздоговорных и госбюджетных НИР университета в рамках научно-технической программы «Производственные технологии», утвержденной Федеральным агентством по образованию РФ.
Цель работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований в новых направлениях гидрогазодинамических и тепломассообменных закономерностей процесса нанесения шлакового гарнисажа и факельного торкретирования футеровки конвертеров найти эффективные пути совершенствования известных и разработки новых энерго- и ресурсосберегающих технологических вариантов продления срока службы футеровки конвертеров и фурменных устройств для их реализации.
Научная новизна. С использованием усовершенствованных вариантов установок и методик низкотемпературного моделирования впервые получена достоверная информация об особенностях структуры и поведения зон взаимо-
действия многоструйного дутья с шлаковой ванной малой высоты, в диапазоне управляющих воздействий (расход азота и высота фурмы при выбранной конструкции наконечника с одно- и двухрядным расположением сопел) при обеспечении пробоя газовыми струями ванны жидкого шлака с образованием отраженных от днища обратных газошлаковых потоков и направленным брызговы-носом на различные горизонты футеровки конвертера.
На основе низкотемпературных экспериментов и численного моделирования гидрогазодинамических и тепломассообменных процессов, сопровождающих ошлакование и факельное торкретирование футеровки большегрузных конвертеров, разработаны новые технологические варианты продления срока службы футеровки, в том числе:
вариант раздувки шлака азотными струями через специальную фурму с двухрядным расположением сопел в наконечнике, когда центральной группой направленных вниз основных струй, формирующихся соплами Лаваля, осуществляется раздувка подготовленного конечного шлака, а периферийной группой направленных вверх струй, истекающих из цилиндрических сопел в сторону футеровки верхнего конуса конвертера, обеспечивается отражение брызг шлака от ствола фурмы с направлением последних на верхние горизонты футеровки агрегата;
вариант ремонта футеровки с использованием специальной фурмы, совмещающей операции раздувки конечного шлака сверхзвуковыми азотными струями и факельного торкретирования с нанесением на стены конвертера дешевых торкрет-масс, принимающих участие в процессе формирования шлака последующей плавки.
Разработана методика проектирования новых конструкций фурм исключительно для раздувки шлака, а также комбинированных торкрет-фурм, совмещающих операции нанесения шлакового гарнисажа и факельного торкретирования футеровки конвертера.
Практическая значимость и реализация результатов. Полученные в работе научные результаты использованы для совершенствования технологии горячих ремонтов футеровки 160 и 350-т конвертеров ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» посредством нанесения шлакового гарнисажа и факельного торкретирования.
Разработанные технологические рекомендации, конструкции фурменных устройств для раздувки шлака и факельного торкретирования внедрены в промышленную эксплуатацию, что позволило повысить стойкость футеровки 160-т до 4500 плавок и 350-т конвертеров до 3260 плавок и получить годовой экономический эффект 22070,8 тыс. руб., в том числе с долевым участием автора 5517,7 тыс. руб.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся основные положения, представляющие научную новизну и практическую значимость:
- результаты теоретического обоснования технологии нанесения шлако
вого гарнисажа на поверхность футеровки конвертера;
результаты низкотемпературного моделирования различных режимов ошлакования футеровки конвертеров путем направленной раздувки шлакового расплава азотом через фурмы с одно- и двухрядным расположением сопел;
теоретические и технологические положения новых способов горячего ремонта футеровки большегрузных конвертеров с использованием фурм, приспособленных исключительно для нанесения шлакового гарнисажа, а также комбинированных торкрет-фурм, выполняющих операции раздувки шлака и факельного торкретирования;
результаты численного моделирования гидрогазодинамических и теп-ломассообменных процессов, сопровождающих ошлакование и факельное торкретирование футеровки конвертера;
методика проектирования новых конструкций фурменных устройств для раздувки шлака с двухрядным расположением сопел в наконечнике, а также комбинированных торкрет-фурм, предназначенных для раздувки шлака и факельного торкретирования;
результаты отработки технологии нанесения шлакового гарнисажа и торкретирования футеровки 160-т и 350-т конвертеров.
Автору принадлежит: разработка технологических вариантов горячих ремонтов футеровки конвертеров с использованием фурм с двухрядным расположением сопел для нанесения шлакового гарнисажа и комбинированной торкрет-фурмы, выполняющей функции раздувки конечного шлака и факельного торкретирования футеровки; разработка методики проектирования фурм для раздувки шлака и факельного торкретирования; результаты обработки и обобщения данных экспериментов и численного моделирования технологии нанесения шлакового гарнисажа и торкретирования футеровки большегрузных конвертеров.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на: VI-IX Международных конгрессах сталеплавильщиков (Россия, 2000-2007 гг.); X, XI Международной конференции «Теория и практика сталеплавильных процессов (г. Днепропетровск, Украина, 2002, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Металлургия России на рубеже XXI века» (г. Новокузнецк, Россия, 2005 г.); научно-методической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения ученого-металлурга Меджибожского М.Я. «Современные проблемы производства стали и управление качеством подготовки специалистов» (г. Мариуполь, Украина, 2002 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 75 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций. Получено 4 патента России на способы нанесения шлакового гарнисажа на футеровку конвертеров и устройства для их осуществления.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованных источников из 148 наименований, приложения и содержит 149 страниц текста, 43 рисунка, 12 таблиц.
