Способ комбинированной подачи газа в жидкую ванну

Способ комбинированной подачи газа в жидкую ванну

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

.ттлй о и и "|:"-Х Н-"М-Ф

ИЗОБРЕТЕНИЯ (>ц682576

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 20.06.77 (21) 2498302/22-02 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.08.79. Бюллетень № 32 (45) Дата опубликования описания 30.08.79 (51) М. К .

С 22В 5/12

Государственный комитет (53) УДК 669 046 464 (088.8) ло делам изобретений открытий (72) Авторы изобретения

В. А. Сурин, И.-Г. Ф. Гинзбург, А. А. Багаутдинов, А. С. Григорьянц, Е. И. Ежов, Л. Б. Бейлинсон, О. А. Рыжов, H. Б. Левин, Б. Ф. Вернер, Е. М. Вигдорчик и Н. А. Лебединская

Государственный проектный и научно-исследовательский институт

«Гипроникель» (71) Заявитель (54) СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ПОДАЧИ ГАЗА

В )КИДКУЮ ВАННУ

Изобретение относится к процессам металлургической и химической технологии, основой которой является взаимодействие между расплавами (растворами) и газовым дутьем, и может быть использовано в цветной металлургии для медного и медноникелевого производства, а также для производства ферроникеля.

Известен способ комбинированной подачи газа в жидкую ванну, включающий подачу газов через верхнюю и заглубленные боковые фурмы (1).

Однако при таком способе интенсивность процессов массо- и теплопереноса относительно низка.

Исследования показали, что произвольная комбинация верхней вынесенной и боковой заглубленной фурм в большинстве случаев не только не способствует интенсификации плавки, но в ряде случаев приводит к ухудшению работы составляющих комбинацию фурм. Их успешная взаимная работа возможна лишь при определенных оптимальных геометрических и режимных параметрах, определяющих комбинацию.

Целью изобретения является гидродинамическая интенсификация процессов массон теплопереноса в жидкой ванне при повышении степени полезного использования (усвоения) газов дутья.

Это достигается тем, что отношение величины давления верхнего дутья к величине давления бокового дутья поддерживают равным от. 2: 1 до 6: 1 при расходе верхнего дутья, равном 15% — 85% от расхода газа, вдуваемого через боковую фурму, а место ввода верхнего дутья определяют по

10 формуле где — расстояние от фурменной сливки

15 ванны до оси верхней фурмы, мм;

1" — дальнобойность боковой струи, мм;

do< — диаметр проходного сечения боковой фурмы, мм; рз — плотность газов дутья, кг/мз;

20 Ос скоРость истечениЯ газа, м/сек;

g — ускорение силы тяжести, м/сек, р — плотность расплава, кг/м .

Способ осуществляется следующим образом, Основной газ-реагент вдувают, по крайней мере, через одну боковую фурму. По крайней мере, через одну верхнюю фурму подают дополнительный слабо ассимилируемый расплавом газ, например газ-ре682576

2,8) (P " }

1ар Фо1/

25

65 агент или газ, инертный по отношению к расплаву, который вводят во внешнюю относительно боковой фурменной стенки область выхода на поверхность ванны газов бокового дутья. Место ввода верхней струи в расплав определяют с помощью эмпирической зависимости где l — расстояние от фурменной стенки;

Р— длина боковой струи;

do> — диаметр проходного сечения боковой фурмы; р — плотность расплава; он — скорость истечения газа из боковой фурмы, м/сек; р — плотность газов бокового дутья;

g = 9,9 м/сек — ускорение силы тяжести, Значения коэффициентов 1,8 и 2,8 формулы определяют предельные размеры длины боковой струи Р, достигаемые соответственно при пульсационном режиме (vp<(150 м/сек) и струйном (v„)a, где а — скорость звука, например для воздуха

320 м/сек) режиме истечения газа из боковой фурмы.

Величину давления подачи верхнего дутья поддерживают в отношении от 2: 1 до

6: 1 к величине давления основного бокового дутья и обеспечивают расход дополнительного газа в количестве, не меньшем

15% — 25% от расхода основного газа-реагента и не более 85%, что обусловлено возникновением пробоя для вертикальной струи. Нижний предел величины давления дополнительного дутья отношение 2: 1 ограничен минимальным значением импульса верхней струи, достаточным для реализации эффектов торможения барботирующих пузырей, их дробления и возбуждения дополнительной циркуляции жидкости.

Верхний предел величины давления (отношение 6: 1) обусловлен ограничениями по максимально допустимым значениям расхода и импульса верхней струи, при повышении которых верхняя струя просто

«пронизывает» боковой, поток, а попадающий в боковую струю из верхней фурмы газ начинает способствовать наступлению

«пробоя» ванны (боковая фурма начинает работать как фурма с большим расходом газа, при котором «пробой» наступает раньше). При подаче дополнительного газа на любых режимах дутья в количествах, меньших 15 — 25% от расхода основного дутья, импульс верхней струи становится недостаточным для существенной гидродинамической интенсификации ванны. Диапазон разброса минимальных значений определяется режимами бокового дутья. При величине давления дутья, меньшей 2 10 н/м, значения расхода достигают 15%, а при величине давления большей — 25%.

30 35

Принцигшальное отличие предлагаемого способа комбинированной подачи газа в жидкую ванну состоит в том, что ввод основного и дополнительного газов осуществляется при оптимальной по геометрическим и расходным характеристикам комбинации боковой и верхней фурм.

На фиг. 1 схематично изображен плавильный агрегат (ванна), разрез; на фиг. 2 дан график зависимости объемного коэффициента массообмена в ванне (К г) от давления верхнего дутья (Ppz) при расположении верхней фурмы на различном расстоянии от фурменной стенки; на фиг. 3— схема взаимодействия верхней и боковой газовых струй при подаче верхней струи газа во внешнюю относительно фурменной стенки область А всплытия — барботажа, газов бокового дутья; на фиг. 4 — то же, при подаче верхней струи газа во внутреннюю относительно фурменной стенки область Б всплытия газов бокового дутья; на фиг. 5 дан график зависимости объемного коэффициента массообмена (К,б) от величины верхнего дутья (Ро ) при оптимальНоМ (рекомендуемом) расположении фурм и различных соотношениях давления верхнего Ро и бокового Ро дутья; на фиг. 6 график зависимости степени усвоения газов дутья ванной (b) от суммарного расхода газов (6) из боковой и верхней фурм при различном взаимном расположении фурм и различных соотношениях давления верхнего и бокового дутья.

Плавильный агрегат содержит ванну, заполненную расплавом, боковую и верхнюю фурмы.

Г1ри подаче дутья в ванну 1 через боковую фурму газовый поток истекает в виде неустойчивой струи нли пульсирующих газовых массивов. Струя газа разрушается и в виде газовых пузырей и двухфазных образований всплывает к поверхности, образуя барботажную зону, Через верхнюю фурму в расплав подается дополнительное дутье в виде газовой струи. Область Б — внутренняя относительно фурменной стенки область барботажа газов бокового дутья, область А — внешняя относительно фурменной стенки область барботажа; область

 — область циркуляционного течения жидкости.

При подаче верхнего дутья во внешнюю область А зоны барботажа, т. е. при l (расстояние от оси верхней фурмы до фурменной стенки), равном I* (рекомендуемое расстояние от оси верхней фурмы до фурменной стенки), верхняя струя, внедряясь в барботажную зону бокового дутья, тормозит всплывающие газовые и двухфазные образования и дробит их, что существенно увеличивает межфазную поверхность, определяющую массо- и теплоперенос. Одновремен <о верхняя струя индуцирует в ванне дополнительную циркуляцию, направление

682576 которой способствует разносу газовых образований по объему ванны.

Нрп подаче верхнего дутья во внутреннюю область Б зоны барботажа, т. е. при

l(l* верхняя струя эжектируется боковой струей, попадая в газовый поток из боковой фурмы, барботирует вместе с ним. Увеличение количества барботируюшего газа, эквивалентное увеличению расхода дутья через боковую фурму vcH„lHBBpT отрицательные эффекты «пробоя». В этом случае пе только не интенсифицируются процессы массо- и теплоперсноса по отношению к сумме эффектов бокового и верхнего дутья, но и может быть понижена эффективность продувки даже по сравнению с отдельными составляюшими комбинацию фурмами, работаюшими в тех же режимах. В случае подачи верхнего газа в область циркуляции ванны 8, т. е. при l(l", незначительно интенсифицируется продувка, что обусловленно лишь дополнительной циркуляцией жидкости, возбуждаемой верхней струей.

Способ комбинированной подачи газа в жидкую ванну был реализован на лабораторной установке, представляющей ванну прямоугольного сечения размерами 0,1>

) 0,5)<1.5 м. В ванну заливают 40%-ный раствор сернистокислого натрия — имитатор расплава с начальным уровнем 0,5 м, который продувался газом-реагентом— воздухом, через боковую фурму диаметром

dp> — — 2, 4 и 5 мм, размещенную от дна ванны на 140 мм. Дополнительное дутье воздуха или инертного газа (азота) подают через верхнюю фурму диаметром Аг=2 мм, вынесенную над начальным уровнем жидкости на (2,— 4,0) dp, т. е. на 40 и 80 мм.

П р и M е р 1. Условия испытания: dpi=—

5 мм, do. 2 мм, удаление среза верхней

Формы от начального ровня жидкости

80 мм, боковое и верхнее дутье — воздух; отношение величины давления верхнего дутья Р;;,. и величине давления бокового дутья Р„, равно 6: 1; расстояние от оси верхней фурмы до ф рменной стенки равно

I=/; РО,=1 10 и/мг Pgz=6 10 н/мг, 9.=1.534 кг/м р„=10 кг/м vo,=313м/сек; с4,=5.10 — м Ip =9,8 м/сек i*=248 мм. На фпг. 2 кривая 1 характериз ет зависимость объемного коэфбициента массопереноса

/(„;, от давлсния верхнего дутья Ра.

Объемнь1й коэффициент массопереноса определяется по формуле лс.v

252. О, 21Р-. где ЛС вЂ” изменение концентрации продуваемого раствора Иаг$0г (окисляется при дутье до Na>SO4);

v — объем жидкости в ванне, л;

0,21 P — движушая сила массопереноса кислорода в воздухе. где Р— гидростатическое давление в жидкости на срезе сопла, атм: э

1"".

-10

65 т — время продувки, час.

Верхнюю газовую струю подают во внешнюю относительно фурменной стенки область

А всплытия (барботажа) газов (см. фиг. 1 и 3).

Кривая 1 характеризует значительное увеличение коэффициента массообмена Км (до 10 раз и более) по сравнению с суммой отдельных составляющих комбинации боковой фурмы — кривая 3 и верхней фурмы — кривая 4; для боковой фурмы по оси абсцисс отложено давление бокового дутья — Poi (см. фиг. 2).

Другой вариант: с4 — — 4 мм, dpg — — 2 мм, удаление фурмы 80 мм, боковое и верхнее дутье — возд. х, отношение Pm .. Po< — 2: 1, l= l*, Ppi — — 0,8 ати. При отношении

Р„,; Ро, =2: 1 эффективность комбинации еше больше, чем эффективность отдельно боковой или верхней фурм (см. фиг. 2, кривая 1) =248 мм.

Пример 2. Условия испытания: doi—=

5 мм, dp= 2 мм, удаление фурмы 80 мм, боковое и верхнее бутье — воздух, отношение Ро . Р,— 6: 1, Р=248 мм, l= 180, т. е.

/(1*.

На фиг. 2 дана зависимость К,в= (Рог)— кривая 2.

Верхнюю струю подают на внутреннюю относительно фурменной стенки область Б барботажа газов (см. фиг. 1 и 4).

Кривая 2 (см. фиг. 2) характеризует резкое снижение эффективности комбинации.

Коэффициент Кор становится во всем диапазоне изменения Р г не только меньше

cvMMbl коэффициентов К,с для отдельных боковой и верхней фурм (кривые 3 и 4), но и снижается по сравнению с оптимальными условиями работы боковой ф1рмы (максимальные значения К„с для кривой 3, соответствующие режимам продувки, непосредственно перед поступлением «пробоя» ванHb1 при дутье через одну боковчю фурму).

П р и M е р 3. Условия испытания: dpi ——

4 мм, Аг = 2 мм, удаление верхней фурмы

40 мм, боковое и верхнее дутье — воздух, l= 1», Pp — — 0,8 ати (const).

Кривая 5 (см. фиг. 5), выражающая зависимость K=f (Рг), характеризует то, что при отношении Pm. Pì)6 наступает резкий спад значений коэффициента массопереноса К обусловленный «прониканием» верхней струи сквозь боковую струю и дополнительным сбросом верхнего газа через барботажную область (см. кривую 1), что объясняется также увеличением расхода газа через верхнюю форму относительно боковой более чем на 85%.

Пример 4. Условия испытания: dpt ——

4 мм, do=2 мм, удаление верхней фурмы

40 мм, боковое и верхнее дутье — воздух, l=l*, Ро — — 0,8 ати (const).

Кривая 6 (см. фиг. 5) характеризует то, что уменьшение отношения Ррг. Р,(2, . следствие снижение импульса верхней

682576

7 струи, резко уменьшает интенсивность массопереноса в ванне.

Существенно меньшие значения К,q (см. кривую 6 и кривую 1) на участке эффективной работы комбинации объясняются уменьшением расхода газа, подаваемого через верхнюю фурму по сравнению с боковой (стремится к 25%), что подтверждает и это ограничение.

Зависимости степени усвоения газов дутья ванной в функции суммарного расхода дутья через боковую и верхнюю фурмы выражены графически (см. фиг. 6): кривая 7 (пример 1), кривая 8 (пример 2), кривая 11 (пример 3) и кривая 12 (пример 4).

Для сравнения на фиг. 6 построены значения коэффициента для отдельных продувок через боковую (см. кривую 9) и верхнюю (см. кривую 10) фурмы. Кривая

9 — ад=4 мм, кривая 10 — dm=2 мм.

Степень усвоения газов дутья ванной определяется по формуле:

hCV .1О-

Gzo, =где ЛС вЂ” изменение концентрации раствора; о — объем жидкости в ванне, л;

Gzo, = 0,21к .3600 ;6. (полный расход дутья воздуха, кг/час) — суммарный расход кислорода в ванну, кг/час; т — время подувки, час.

При оптимальном расположении верхней и боковой фурм (l=— Р) (см. фиг. 6, кривая 14) степень усвоения газов не только в

5 раз и более превышает значение b для отдельных фурм, но и существенно выше, чем сумма значений коэффициентов Ь для отдельно продуваемых верхней и боковой фурм.

Кривые 11 и 12 характеризуют снижение степени усвоения газов дутья ванной. Зна40 чение b становится меньше не только суммы бокового и верхнего дутья, но и меньше соответствующих значений для индивидуально продуваемых боковой (см. кри5 вую 9) и верхней (см. кривую 10) фурм.

Использование предлагаемого способа, например при автогенных процессах плавки сульфидного сырья, позволит снизить расход кислорода на 10% при одновременIO ном значительном увеличении удельной производительности плавильных агрегатов.

Формула изобретения

Способ комбинированной подачи газа в

15 жидкую ванну, включаюгций подачу газов через верхнюю и заглубленную боковые фурмы, отличающийся тем, что, с целью гидродинамической интенсификации процессов массо- и теплопереноса в ванне

20 при повышении степени полезного использования газов дутья, отношение величины давления верхнего дутья к величине давления бокового дутья поддерживают равным от 2: 1 до 6: 1, при расходе верхнего дутья, 25 равным 15% — 85% от расхода газа вдуваемого через боковую фурму, а место ввода верхнего дутья определяют по формуле:

l =- I = (1,8 — 2,8) d„ (:30

* \ КР

Р— дальнобойность боковой струи, мм;

do< — диаметр проходного сечения боковой фурмы, мм; р — плотность газов дутья, кг/м ;

Do,« — скорость истечения газа, м/сек;

g — ускорение силы тяжести, м/сек ; р„, — плотность расплава, кг/м .

)д Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 194316, МКИ С 22В 15/00, 1967.

682576

8 /в гв гп га 4o бб

Rrz. b

Составитель Г. Кричевский

Редактор Н. Данилович

Корректор Л. Брахнина

Заказ 1798/9 Изд. № 531 Тираж 727 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4 5

Типография, пр. Сапунова, 2