Способ комбинированной подачи газа в жидкую ванну

(43) Опубликовано 30,08.79, Бюлле (45) Дата опубликования описани Государственный комит 53 69,046.4088,8) о делам изобретений открытийВ. А. Сурин, И.- , С. Григорьянц, Е. И Б, Левин, Б. ф, Верн ударственный проект Ф. Гинзбург, Ежов, Л. Б, , Е, М. Вигд й и научно-и Гипроникель динов,А РыжовЛебединскаякий институтованной подалючающий по- заглубленные 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 медно- никелевого производства, а также для производства ферроникеля.Известен способ комбинирчи газа в жидкую ванну, вкдачу газов через верхнюю ибоковые 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 величи 5 не давления бокового дутья поддерживаютравным от. 2: 1 до 6: 1 при расходе верхнего дутья, равном 15% - 85% от расходагаза, вдуваемого через боковую фурму, аместо ввода верхнего дутья определяют по0 форму неД,1 = 1 = (1 з 8 - 2 з 8) Иод (КРжо 1 /где 1 - расстояние от фурменной сливкиванны до оси верхней фурмы, мм;1 ж - дальнобойность боковой струи, мм;А - диаметр проходного сечения боковой фурмы, мм;рз - плотность газов дутья, кг/м;0 о - скорость истечения газа, м/сек;д - ускорение силы тяжести, м/сек,ря, - плотность расплава, кг/мз.Способ осуществляется следующим образом,Основной газ-реагент вдувают, по крайней мере, через одну боковую фурму. Покрайней мере, через одну верхнюю фурму подают дополнительный слабо ассимилируемый расплавом газ, например газ-реагент 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 зависимостиэ (1 8 2 8) (2 ю 1ар Фю 1/ где 1 - расстояние от фурменной стенки;Р в дли боковой струи;4 - диаметр проходного сечения боковой фурмы;р 2 - плотность расплава;ею - скорость истечения газа из боковойфурмы, м/сек;р - плотность газов бокового дутья;д = 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(оы(150 м/сек) и струйном (о)а, гдеа - скорость звука, например для воздуха320 м/сек) режиме истечения газа из боковой фурмы.Величину давления подачи верхнего дутья поддерживают в отношении от 2: 1 до6: 1 к величине давления основного бокового дутья и обеспечивают расход дополнительного газа в количестве, не меньшем15 ю/ю - 25 ю/ю от расхода основного газа-реагента и не более 85/ю, что обусловлено возникновением пробоя для вертикальнойструи. Нижний предел величины давлениядополнительного дутья отношение 2: 1 ограничен минимальным значением импульсаверхней струи, достаточным для реализации эффектов торможения барботирующихпузырей, их дробления и возбуждения дополнительной циркуляции жидкости.Верхний предел величины давления (отношение 6: 1) обусловлен ограничениямипо максимально допустимым значениямрасхода и импульса верхней струи, при повышении которых верхняя струя простопронизывает боковой. поток, а попадающий в боковую струю из верхней фурмыгаз начинает способствовать наступлениюпробоя ванны (боковая фурма начинаетработать как фурма с большим расходомгаза, при котором пробой наступает раньше), При подаче дополнительного газа налюбых 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 определяетсярежимами бокового дутья. При величинедавления дутья, меньшей 2 10 н/м, значения расхода достигают 15%, а при величине давления большей - 25 ю/ю. Принцигшальпое отличие предлагаемогоспособа комбинированной подачи газа в жидкую ванну состоит в том, что ввод основного и дополнительного газов осуществЗ 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 О дан график зависимости объемного коэффициента массообмена в ванне (Кюб) от давления верхнего дутья (Рюг) при расположении верхней фурмы на различном расстоянии от фурменной стенки; на фиг. 3 - ц схема взаимодействия верхней и боковойгазовых 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 (Кюю) от вели 2 з чины верхнего дутья (Рю 2) при оптимальном (рекомендуемом) расположении фурм и различных соотношениях давления верхнего Рю 2 и бокового Рю дутья; на фиг. 6 график зависимости степени усвоения газов 30 дутья ванной (Ь) от суммарного расходагазов (6) из боковой и верхней фурм при различном взаимном расположении фурм и различных соотношениях давления верхнего и бокового дутья.ж Плавильный агрегат содержит ванну, заполненную расплавом, боковую и верхнюю фурмы.Г 1 ри подаче дутья в ванну 1 через боковую фурму газовый поток истекает в виде 10 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 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 фурмен ной стенки область барботажа; областьВ - область циркуляционного течения жидкости.При подаче верхнего дутья во внешнююобласть А зоны барботажа, т. е. при 1 (расстояние от оси верхней фурмы до фурменной стенки), равном Р (рекомендуемое расстояние от оси верхней фурмы до фурменной стенки), верхняя струя, внедряясь в барботажную зону бокового дутья, тормо зит всплывающие газовые и двухфазные образования и дробит их, что существенно увеличивает межфазную поверхность, определяющую массо- и теплоперенос. Одновременно верхняя струя индуцирует в ванне 65 дополнительную циркуляцию, направлениекоторой способствует разносу газовых образований по объему ванны.При подаче верхнего дутья во внутреннюю область Б зоны барботажа, т, е. при 1(Р верхняя струя эгкектируется боковой струей, попадая в газовый поток из боковой фурмы, барботирует вместе с ним. Увеличение количества барботируюшего газа, эквивалентное увеличению расхода дутья через боковую фурму чсиливает отрицательные эффекты пробоя. В этом случае пе только не интенсифицируются процессы массо- и теплопеосноса по отношению к сумме эффектов бокового и верхнего дутья, но и может быть понижена эффективность продувки даже по сравнению с отдельными составляющими комбинацию фуомами, работающими в тех же режимах. В случае подачи верхнего газа в область циркуляции ванны 8, т. е. при 1(Р, 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 Х )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 А=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) с(ог, т, е. на 40 и 80 мм.П р и м е р 1, Условия испытания: А= 5 мм, Аг=-2 мм, удаление среза верхней др, рмы от начальногоровня жидкости 80 мм, боковое и верхнее дутье - воздух; отношение величины давления верхнего дутья Рог и величине давления бокового дутья Ро равно 6: 1; расстояние от оси верхней фурмы до фрменной стенки равно 1=Р; Ро,=1 10 имг Рог=6 10 н 1 мг, о.=1,534 кг/м р, -- 10 кг/мг ощ=313 мсек; А=5 10 - г м д=9,8 м/секг Р=248 мм, На фпг. 2 кривая 1 характеризует зависимость объемного коэфбициента массопереноса Ко от давлю ния верхнего дутья РогОбъемнь 1 й коэффициент массопереноса определяется по формулеЬС.1 Г252 0,21 Р-. где ЛС - изменение концентрации продуваемого раствора ИагВОг (окисляется при дутье до Хаг 04); о - объем жидкости в ванне, л;0,21 Р - движущая сила массопереноса кислорода в воздухе,где Р - гидростатическое давление в жидкости на срезе сопла, атм: 10 15 20 25 30 35 -10 45 50 55 60 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 Коо (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 - Ро (см. фиг. 2).Другой вариант: А=4 мм, Ьг=2 мм, удаление фурмы 80 мм, боковое и верхнее дутье - возд. х, отношение Рог . Ро = 2: 1, =Р, Ро=0,8 ати. При отношении Р,; Ро, =2: 1 эффективность комбинации еще больше, чем эффективность отдельно боковой или верхней фурм (см. фиг. 2, кривая 1) Р=248 мм.П р и м е р 2. Условия испытания: 4= 5 мм, Аг= 2 мм, удаление фурмы 80 мм, боковое и верхнее бутье - воздух, отношение Ро . Рм=б: 1, Р=248 мм, 1= 180, т. е.1(Р.На фиг. 2 дана зависимость Ков=(Рог) - 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 Коо становится во всем диапазоне изменения Рог не только меньше с.ммы коэффициентов К,о для отдельных боковой и верхней фурм (кривые 3 и 4), но и снижается по сравнению с оптимальными условиями работы боковой фрмы (максимальные значения Ко для кривой 3, соответствующие режимам продувки, непосредственно перед поступлением пробоя ванны при дутье через одну боковчю фурми),Пример 3. Условия испытания: со= 4 мм, Аг = 2 мм, удаление верхней фурмы 40 мм, боковое и верхнее дутье - воздух, 1=Р, Р=0,8 ати (сопз).Кривая 5 (см. фиг. 5), выражающая зависимость К= (Рог), характеризует то, что при отношении Рог.Ро)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%.П р и м е р 4. Условия испытания: А = 4 мм, Ног=2 мм, удаление верхней фурмы 40 мм, боковое и верхнее дутье - воздух, 1 = Р, Ро, = 0,8 ати (сопз) .Кривая 6 (см. фиг. 5) характеризует то, что меньшение отношения РогРо(2, .следствие снижение импульса верхней7струи, резко уменьшает интенсивность массопереноса в ванне.Существенно меньшие значения Км (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 - 4=4 мм, кривая 10 - да=2 мм,Степень усвоения газов дутья ванной определяется по формуле:ЬС 1 О-ьо,где ЛС - изменение концентрации раствора;о,н - объем жидкости в ванне, л;био, = 0,21 Х 3600 Х 6. (полный расходдутья воздуха, кг/час) - суммарный расход кислорода в ванну, кг/час;т - время подувки, час.При оптимальном расположении верхней и боковой фурм (1= - Р) (см. фиг, 6, кривая 14) степень усвоения газов не только в 5 раз и более превышает значение Ь для отдельных фурм, но и существенно выше, чем сумма значений коэффициентов о для отдельно продуваемых верхней и боковой фурм.Кривые 11 и 12 характеризуют снижение степени усвоения газов дутья ванной. Зна 40 чение О становится меньше не только суммы бокового и верхнего дутья, но и меньше соответствующих значений для индивидуально продуваемых боковой (см. кри,э вую 9) и верхней (см. кривую 10) фурм.Использование предлагаемого способа,например при автогенных процессах плавки сульфидного сырья, позволит снизитьрасход кислорода на 10% при одновремен 1 О ном значительном увеличении удельнойпроизводительности плавильных агрегатов.Формула изобретенияСпособ комбинированной подачи газа в15 жидкую ванну, включаюгций подачу газовчерез верхнюю и заглубленную боковыефурмы, отличающийся тем, что, с целью гидродинамической интенсификациипроцессов массо- и теплопереноса в ванне20 при повышении степени полезного использования газов дутья, отношение величиныдавления верхнего дутья к величине давления бокового дутья поддерживают равнымот 2: 1 до 6: 1, при расходе верхнего дутья,25 равным 15% - 85% от расхода газа вдуваемого через боковую фурму, а место вводаверхнего дутья определяют по формуле:1 = Р = (1,8 - 2,8) Шф30КРи 4где 1 - расстояние от фурменной стенкиванны до оси верхней фурмы, мм;Р - дальнобойность боковой струи, мм;4 - диаметр проходного сечения боковой фурмы, мм;р - плотность газов дутья, кг/м;оо, - скорость истечения газа, м/сек;д - ускорение силы тяжести, м/сек;р; - плотность расплава, кг/м.и Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР194316, МКИ С 22 В 15/00, 1967,682576 юю 3 г гв гп Й 7, лг/сгл г.б Составитель Г. Кричевский едактор Н. Данилович ор Л Брахнина Тираж 727 ССР по делам изобретенаушская наб., д. 45 Изд.531 сударственного комитет 113035, Москва, Ж.35