Способ комбинированной подачи газа в жидкую ванну Советский патент 1979 года по МПК C22B5/12 

1

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 .

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 массои теплопереиоса 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

формуле

90.у /Р2-У о1 V

|/zr/(l,6 Ао) --:- , g xdoi/

где I - расстояние от фурменной сливки ванны до оси верхней фурмы, мм;

/ - дальнобойность боковой струи, мм; doi - диаметр проходного сечения боковой фурмы, мм;

р2 - плотность газов дутья, 01 - скорость истечения газа, м/сек; g - ускорение силы тяжести, м/сек ; РЖ - 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-реагент или газ, инертный по отношенню 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

/:.:/ :.(1,8-2,8)й,

ЧЙРжДо /

где / - расстояние от фурменной стенки; I -длина боковой струи;

doi - диаметр проходного сечения боковой фурмы; Р2 - плотность расплава;

f01 - скорость истечения газа из боковой фурмы, м/сек;

РЖ-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 /, достигаемые соответственно при пульсационном режиме ( м/сек) и струйном (, 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. предел величины давления дополнительного дутья отношение 2:1 ограничен минимальным значением импульса верхней струи, достаточным для реализации эффектов торможения барботируюш,их 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 попадаюш:ий 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 суш,ественной 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%.

Принциппальпое отличие предлагаемого способа комбинированной подачи газа в жидкую ванну состоит в том, что ввод основного и дополнительного газов осуш,еств5 ляется при оптимальной по геометрическим и расходным характеристикам комбинации боковой и верхней фурм.

На фиг. 1 схематично изображен плавильный агрегат (ванна), разрез; на фиг. 2 JO дан график зависимости объемного коэффициента массообмена в ванне (Коб) от давления верхнего дутья (Poz) при расположении верхней фурмы на различном расстоянии от фурменной стенки; на фиг. 3 - 15 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, 20 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 (/(об) от величины верхнего дутья (Ро2) при оптимальном (рекомендуемом) расположении фурм и различных соотношениях давления верхнего Яо2 и бокового POI дутья; на фиг. 6 график зависимости степени усвоения газов 0 дутья ванной (Ь) от суммарного расхода газов (G) из боковой и верхней фурм при различном взаимном расположении фурм и различных соотношениях давления верхнего и бокового дутья.

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

при подаче дутья в ванну 1 через боковую фурму газовый поток истекает в виде 0 неустойчивой струи или пульсирующих газовых массивов. Струя газа разрушается и в виде газовых пузырей и двухфазных образований всплывает к поверхности, образуя барботажную зону. Через верхнюю фур5 му в раснлав подается дополнительное дутье в виде газовой струи. Область Б-внутренняя относительно фурменной стенки область барботажа газов бокового дутья, область А - внешняя относительно фурмен0 ной стенки область барботажа; область В- область циркуляционного течения жидкости.

При подаче верхнего дутья во внешнюю область А зоны барботажа, т. е. при / (рас5 стояние от оси верхней фурмы до фурменной стенки), равном / (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. Одновременно верхняя струя индуцирует в ванне дополнительную циркуляцию, направление

5

которой способствует разносу газовых образований по объему ванны.

При подаче верхнего дутья во внутреннюю область б зоны барботажа, т. е. при верхняя струя эжектируется боковой струей, попадая в газовый поток из боковой фурмы, барботирует вместе с ним. Увеличение количества барботирующего газа, эквивалентное увеличению расхода дутья через боковую фурму усиливает отрицательные эффекты «пробоя. В этом случае не только не интенсифицируются процессы массо- и теплоиереноса по отношению к сумме эффектов бокового и верхнего дутья, но и может быть понижена эффективность продувки даже по сравнению с отдельными составляющими комбинацию фурмами, работающими в тех же режимах. В случае подачи верхнего газа в область циркуляции ванмы В, т. е. нрн , 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 X Х0,.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 Jo, 2, 4 и 5 мм, размещенную от дна ванны на 140 мм. Дополнительное дутье воздуха или инертного газа (азота) подают через верхнюю фурму диаметром мм, вынесенную над начальным уровнем жидкогти на (2,-4.0) doz, т. е. на 40 и 80 мм.

Пример 1. Условия испытания: doi 5 мм, da- - 2 мм, удаление среза верхней cbvpMbi от начального уровня жидкости 80 мм, боковое и верхнее дутье - воздух; OTHOHieriHe величины давления верхнего дутья РОЗ к величине давления бокового ДУТЬЯ Р|и равно 6:1; расстояние от оси верхней фурмы до фурменной стенки равно

Р(„ Ы05 Н/М2,Ро2 6-105 н/м2,

ро,534 кг/мз, рн(103кг/мЗ, Uoi 313м/сек; dn, 5-10-3 м, jcr 9,8 м/сек2, / 248 мм На фиг. 2 кривая 1 характеризует зависимость обт емного коэффициента массопереноса /С,.г, от давления верхнего дутья POZОбъемный коэффициент массопереноса определяется по формуле

А- - ° 252-0,21Рт

где ЛС - изменение концентрации продуваемого раствора NasSOs (окисляется при дутье до Na2SO4); V - объем жидкости в ванне, л; 0,21 Р - движущая сила массопереноса

кислорода в воздухе.

где Р - гидростатическое давление в жидкости на срезе сопла, атм:

6

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 /Соб (до 10 раз и более) по сравнению с суммой отдельных составляющих комбинации боКОБОЙ фурмы - кривая 3 и верхней фурмы - кривая 4; для боковой фурмы по оси абсцисс отложено давление бокового дутья - Pflt (см. фиг. 2).

Другой вариант: do 4 мм, мм, удаление фурмы 80 мм, боковое и верхнее дутье - ВОЗДУХ, отношение Po2:Poi 2:l, 1 1, Ро, 0,8 ати. При отношении Poi:Po2 2:l эффективность комбинации еще больше, чем эффективность отдельно боковой или верхней фурм (см. фиг. 2, кривая 1) / 248 мм.

Пример 2. Условия испытания:

5 мм, 02 2 мм, удаление фурмы 80 мм,

боковое и верхнее бутье - воздух, отношение , 6: 1, / 248 мм, 1 180, т. е.

Kt.

На фиг. 2 дана зависимость Ko6 f(Po2) - кривая 2.

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

Кривая 2 (см. фиг. 2) характеризует резкое снижение эффективности комбинации. Коэффициент Коб становится во всем диапазоне изменения Рог не только меньше СУММЫ коэффициентов Для отдельных боковой и верхней фурм (кривые 3 и 4), но и снижается по сравнению с оптимальными словиями работы боковой фурмы (максимальные значения /(„о для кривой 3, соответствуюпше режимам продувки, непосредственно перед поступлением «пробоя ванны при дутье через одну боковую фурму). Пример 3. Условия испытания: doi 4 мм, ifflf, 2 мм, удаление верхней фурмы 40 мм, боковое и верхнее дутье - воздух, . Ро| 0,8 ати (const).

Кривая 5 (см. фиг. 5), выражающая зависимость (Р(й), характеризует то, что при отношении Po2.Poil 6 наступает резкий спад значений коэффициента массопереноса /С, 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: rfoi 4 мм, мм, удаление верхней фурмы 40 мм, боковое и верхнее дутье - воздух, , Ро1 0,8 ати (const).

Кривая 6 (см. фиг. 5) характеризует то,

что уменьшение отношения Po2:Poi 2,

-следствие снижение импульса верхней

струи, резко уменьшает интенсивность массопереноса в ванне.

Существенно меньшие значения /(об (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 - doi 4 мм, кривая 10 - doz 2 мм.

Степень усвоения газов дутья ванной определяется по формуле:

,-3

АСУж-Ю Ош,

где АС - изменение концентрации раствора;

УЖ - объем жидкости в ванне, л; Gzo, 0,21X3600XGs (полный расход дутья воздуха, кг/час) - суммарный расход кислорода в ванну, кг/час;

т - время подувки, час. При оптимальном расположении верхней и боковой фурм () (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 b для отдельно продуваемых верхней и боковой фурм.

Кривые И и 12 характеризуют снижение степени усвоения газов дутья ванной. Значение b становится меньше не только суммы бокового и верхнего дутья, но и меньше соответствующих значений для индивидуально продуваемых боковой (см. кривую 9) и верхней (см. кривую 10) фурм. Использование предлагаемого способа, например при автогенных процессах плавки сульфидного сырья, позволит снизить расход кислорода на 10% при одновременном значительном увеличении удельной производительности плавильных агрегатов.

Формула изобретения

Способ комбинированной подачи газа в жидкую ванну, включающий подачу газов через верхнюю и заглубленную боковые фурмы, отличающийся тем, что, с целью гидродинамической интенсификации процессов массо- и теплопереноса в ванне при повыщении степени полезного использования газов дутья, отношение величины давления верхнего дутья к величине давлепия бокового дутья поддерживают равным от 2:1 до 6: 1, при расходе верхнего дутья, равным 15%-85% от расхода газа вдуваемого через боковую фурму, а место ввода верхнего дутья определяют по формуле:

/ .. (1,8- 2,8)rf., , РЖЙО /

где / - расстояние от ф)фменной стенки

ванны до оси верхней фурмы, мм; / - дальнобойность боковой струи, мм; dot - диаметр проходного сечения боковой фурмы, мм;

р2 - плотность газов дутья, voi - скорость истечения газа, м/сек; g - ускорение силы тяжести, м/сек ; РЖ - плотность расплава, кг/м. Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 194316, МКИ С 22В 15/00, 1967.

KQ MajVoiiiac amn

Pp M/iJ

aff, MOflbliiacФиг,3

ш.

. .a.-nu

го

r 0, кг/Сек

fan