Modelne raziskave razogljičenja talin
Model Investigations of the Melt Decarburization Process
Godicelj T.,1 J. Lamut, FNT, Odsek za metalurgijo in materiale, Ljubljana K. Koch, TU Clausthal
J. Falkus, University of Mining and Metallurgy (AGH) Cracovv
Na modelih smo prikazali študij procesa razogljičenja čistih Fe-C talin z vpihavanjem kisika na površino taline in brez sodelovanja žlindrine faze. Raziskave se nanašajo na diskontinuirano delovanje reaktorja. Na modelu reaktorja smo z uporabo C02 in KOH raziskovali vpliv dovoda plina na talino s kopjem in skozi dno na hitrost reakcije. Premešavanje kopeli naj bo takšno, da bo ta homogena. Na hitrost kemijske reakcije pri treh ekscentrično postavljenih dovodih plinske mešanice C02 + N2 in pri razmerju H:D = 0.5 vpliva povečan pretok plinske mešanice linearno. Pri tem razmerju je tudi homogenejša. Na hitrost reakcije in homogenost ima največji vpliv kombinirano premešavanje. Z vrha smo dovajali C02 + N2, z dna pa premešavali z dušikom. \/ delu so podani grafični prikazi spremembe hitrosti reakcije pri različnih načinih dodajanja reagenta v kopel.
Ključne besede: modelne reziskave, razogljičenje, piin/tekočina-medfazna površina, hitrost reakcije, kopje, ustje kopja, delilni krog pihalic.
Most of steel is made from pig iron vvhich has high carbon content. The intention of the project vvas to find hovv model investigations can help in studying the decarburization process. In the reactor model the decarburization reaction vvas simulated by using 0.1 M KOH solution and blovving of C02 and N2. Such model investigations enable the understanding of the effects of the gas being blovvn on and through the melt, on the formation of interfase surfaces. The investigations consisted of tvvo stages. In the first stage, gas mixture vvas introduced through three tuyeres, being placed in the reactor bottom in a row vvhich did not coincide vvith the central line. The influences of the number of tuyeres and their arraying, and on the height/diameter ratio of the bath on the flovv patterens vvas studied. In the second stage, the decarburization process vvith double-blovving vvas studied. By top blovving through a lance at a constant distance of the lance mouth from the melt surface, a constant amount of C02+N2 gas mixture vvas introducted, vvhiie N2 for melt stirring vvas blovvn through eight nozzles in three different concentric circles on the reactor bottom. Measurements of electrical conductivity enabled the determination of variations of initial concentrations. The described results shovv the possibility for model investigations of the process, enabling its optimization tovvards a reduced duration of the process and an increased throughput of the reactor.
Key vvords: model experiments, decarburization, gas/liquid interfacial area, rate of reaction, lance operation, distribution of nozzles.
1. Uvod
Razogljičenje je pomemben proces pri izdelavi jekla. Kisik potreben za oksidacijo ogljika dovajamo v talino kot plin ali pa preko žlindre. Pri izdelavi jekla v kisikovih konvertotjih oksidi-ramo okrog 49c ogljika. Na sliki 1 je shematični prikaz poteka oksidacije ogljika. Krivulja je razdeljena na tri dele1
romaž C.ODICELJ. dipl. inž. mcl Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo Odsek za metalurgiio in materiale Aškerčeva 12. 61000 Ljubljana
-	zalet
-	linearna strmina
-	iztek
V področju linearne strmine poteče 80 - 90 '/< razogljičenja in sicer po reakciji (C| + 1/2 (O, j = (CO} na zgorevalnem mestu pri čemer so hitrosti razogljičenja v primerjavi z iztekom 100-krat večje. Ker je hitrost reakci je razogljičenja dC/dt v tem območju neodvisna od koncentraci je C. gre za reakcijo nultega reda. V območju izteka je difuzija C na zgorevalno mesto premajhna, zato prične oksidacija Fe, pri čemer poteče razogljičenje po fazni meji talina žlindra [C|+ (FeO)= (CO:| + |Fe|
-u O
rt

00 O
V)
o C x> i) (/)
čas pihanja
Slika I: Shematična predstava krivulje odgorevanja: pcr'
a)	zalet
b)	linearna strmina ci iztek
Figure 1: The carbon burn-off curve2'
a)	run-up
b)	linear decrease e) tail-off
Proces razogljičenja v področju linearne strmine po reakciji:
[C]+ 1/2 |O, | = jCO|
smo simulirali z uvajanjem CO, v raztopino KOH. Ker so bili poskusi izvedeni pri sobni temperaturi, gre za hladne modelne raziskave.
2. Eksperimentalna tehnika
Reakcija razogljičenja poteka po medfazni površini plin tekočina, hkrati pa medfazna površina določa hitrost procesa (-dC/dt = k(;- a ■ p,,,). Za simulacijo te reakcije moramo najprej izbrati sistem, kjer bo prav tako medfazna površina med plinom in tekočino določala hitrost reakcije procesa. Za model razogljičenja lahko uporabimo nastanek K,CO, pri uvajanju CO, v raztopino KOH. Za simulacijo reakcije razogljičenja smo uporabljali sistem CO,/KOH pri naslednjih pogojih.
-	temperatura 2()°C
-	koncentacija KOH 0.1 mol/l
-	parcialni tlak CO, v mešanici z N, 0.05 atm (tlak mešanice CO, + N, je 1 atm)
3. Meritve in rezultati
Modelna naprava je bila zgrajena po zgledu 200-tonskega konvertorja (slika 2). Na dnu je možna poljubna izbira dovoda plina, kjer se pihalice napajajo ločeno.
Modelne raziskave smo razdelili na dva dela. V prvem smo dovajali mešanico 95 '/, N, + 5 % CO, skozi dno reaktorja, pri čemer CO, in KOH reagirata po reakciji:
CO, + 20H = CO;: + H,O
zato se je zmanjševala koncentracija [OH ] ionov v raztopini.
Zmanjševanje koncentracije [OH ] ionov se odraža v padcu električne prevodnosti raztopine, kar spremljamo preko merilne celice električne napetosti in konduktometra na računalniku kot spremembo električne prevodnosti v (S)-Siemens s časom (s).
3-Je delilni krogi na katerih je 8 pthallc pri r/R = 0.3,0.5,0.7 ( r-premer delilnega kroga pihalic, R-pre-mer reaktorja) in ena pihalica v središču
Slika 2: Shema modelne naprave v narisu in tlorisu Figure 2: Schematic vievv of the model installation in cross and long section
Hitrost reakcije izračunamo kot: A G(S)
A «s)
Smerni koeficienti posameznih krivulj (premic) so hitrosti reakcij in so reda 10"4. Na diagramih so vrednosti označene brez koeficienta 104 in so dejansko za 104 manjše.
J. I Prva skupina poskusov
V prvi seriji poskusov smo dovajali mešanico 5 % CO, + 95 % N, (V = 7.35 l/min) skozi tri ekscentrično v vrsti izbrane pihalice (d = 0.5 mm) na dnu reaktorja kot prikazuje slika 3. Pri tem tokovi v kopeli ustvarjajo tri značilna področja (slika 4):
-	mali vrtinec
-	velik vrtinec
-	mrtvo cono
Zanimalo nas je kako razporeditev tokov v kopeli, pretok mešanice CO, + N, in razmerje višina kopeli : premer reaktorja (H:D) vpliva na hitrost reakcije in homogenost kopeli. Merilno celico smo postavili vedno v središče malega in velikega vrtinca.
Kot je razvidno na sliki 5, znašajo razlike med hitrostmi reakcije za mali in veliki vrtinec pri razmerju H/D = 0.5 6%. pri razmerju H/D = 0.7 pa 8c/c. kar pomeni, da je kopel pri razmerju H/D = 0.5 homogenejša. Hitrosti reakcije so pri razmerju H/D = 0.5 višje. To lahko razložimo z dejstvom, da vrtinec pri razmerju H/D = 0.7 ne zajame celotnega volumna kopeli, saj ostaja pod vrtincem del kopeli, ki se ne premešava tako intenzivno z okolico.
Slika 3: Ekscentrična razporeditev pihalic na dnu reaktorja pri dovajanju plina skozi dno reaktorja Figure 3: Excentric nozzle placement at the reactor bottom for the experiments with gas flow through the bottom of the reactor
A-malt vrtinec B-vellk vrtinec C-mrtva cona
Slika 4: Razporeditev u>km , ki .peli pri dovajanju plina skozi dno reaktorja
Figure 4: Circulation in the bath during the experiments vvith gas flow through the bottom of the reactor
Vpliv pretoka mešanice na hitrost reakcije srno izvedli samo za veliki vrtinec, saj smo prvotno ugotovili, da razporeditev tokov pri treh ekscentrično izbranih pihalicah nima bistvenega vpliva na hitrost reakcije.
Na sliki 6 vidimo, da hitrost reakcije z naraščajočim pretokom od 3 l/min do 9.45 l/min narašča linearno in naraste za 70%. Pretok plina torej pospešuje kinetiko metalurških reakcij in tako posredno vpliva na čas procesa.
3.2 Druga skupina poskusov
V drugem delu smo proces razogljičenja izvajali kombinirano (slika 7). Princip meritve hitrosti reakcij je ostal enak kot pri prvi skupini raziskav. Z vrha smo skozi kopje dovajali konstantno količino (60 l/min) mešanice 5% CO, + 95% N, skozi tri različna ustja kopja kot prikazuje slika 8.
1 48: 1.45=
1.42:
1.393 1.36= 1.33; 1.3; 1 27 1.24; 1.21: 1.1 S: 115i 1 12 1.095
1.06;
1 03: 1:
O + N 2 ;
%CO = 5 / V ! Bad - kope! j = O.f-52
Veliki vrtinec	Mali vrtinec
Merilno mesto
H/D = 0.5 ♦ H/D = 07
Slika 5: Vpliv razmerja H/D na hitrost reakcije Figure 5: Impact of the H/D ratio on the reaction rate
	15.
	1.454
	1 42
	1.351
	1.3:
	1 25^
	1.23
' 11	1 153
(1)	1 1 3
0 Y	1.05:
m	
o>	1
fn	0.95^
O	0 93
T	0.853
	0.8=
	0.753
	0.7i
	0653
	O.63
	0.55^
	0 53
H/D=0.5 %CO =5 Merilno mestcvelik vrtinec
7 35	9.45
Pretok p!lna[!/minj
Slika 6: Vpliv količine plina na hitrost reakcije Figure 6: Impact of the gas quantity on the reaction rate
Konstantni parametri so bili: V (CO: + N,) = 60 l/min, oddaljenost ustja kopja od površine = 110 mm, št. pihalic za dovod N, skozi dno reaktorja = 8.
Spreminjali smo: ustje kopja z različnim številom odprtin (1. 3, 6) - (slika 8), razporeditev dovoda N: na dnu reaktorja (notranji, srednji, zunanji delilni krog pihalic - (slika 2). pretok N, skozi dno reaktorja za premešavanje kopeli (0. 3. 7 l/min).
Kombinirano pihanje na in skozi talino je ustvarilo v kopeli tokove, kot prikazuje slika 9.
Vsak poskus pri enakih pogojih (ustje kopja, delilni krog pihalic za dovod N,, pretok N,) smo izvajali 2-krat, tako da smo enkrat merili hitrost reakcije na notranjem, drugič pa na zunanjem merilnem mestu. Iz razlik med obema vrednostima sklepamo na homogenost kopeli.
Raziskovali smo kako premešavanje kopeli z N, skozi dno reaktorja pri različnem ustju kopja in pri različni razporeditvi pihalic za dovod N, na dnu reaktorja vpliva na povečanje hitrosti reakci je in homogenost kopeli.
.1 - jeklenka s olinom
2	- manometer
3	- rotameter
4	- posoda :a mežanje CO in N
2 2
5	- izenačevalec tlaka sa 1-12 pihalic
6	- kopje za mešanico CO in N
2 2
7	- merilna celica elektične prevodnosti
8	- konduktometer
9	- računalnik LO - reaktor
Slika 9: Prikaz razporeditve tokov pri kombiniranem pihanju na in skozi kopel
Figure 9: Circulation during combined blovving, on and through the bath
Slika 7: Shema preiskovalne naprave za merjenje spremembe električne prevodnosti pri kombiniranem pihanju Figure 7: Schematic view of the model installation for measuring of the electrical conductivity change during combined blovving
višina kopja 560 mm
zamenljiva glava ustja kopja
>1
1
šl
kopje z navojem
glava ustja kopja
ustje kopja z 1 odprtino
ustje kopja z 3 odprtinami
ustje kopja z 6 odprtinami
Slika 8: Kopje za pihanje na kopel v M 1:5 in prikaz glave ustja kopja v M 1:1
Figure 8: The lance for blovving on the bath (scale 1:5) and schematic vievv of head of the lance mouth (scale 1:1)
2.3f
2.1 -K
Ustje Kopja i
'Merilno mesto : notranje
m
8 UtteJ PretoK p|ina za
B mi pfemesavanie lilP"
> 1IV H mir,] = 7
V [I min] = 0 notranji	srednji	zunanji
Delilni krog pihalic
Slika 11: Vpliv pretoka plina za premešavanje kopeli pri ustju kopja 3 na hitrost reakcije pri različnih merilnih mestih Figure 11: Impact of the concentric circle of nozzles at the lance mouth 3 on the rate of reaction at different measuring points
0.9-	j} ■	|, P^savani«
0 5^--"	KL v [l/minl = 0
notranji	srednji	zunanji
Delilni krog pihalic
Slika 10: Vpliv pretoka plina za premešavanje kopeli pri ustju kopja I na hitrost reakcije pri različnih merilnih mestih Figure 10: Impact of the concentric circle of nozzles at the lance mouth I on the rate of reaction at different measuring points
Ustje kopja
Merilno mesto notranje
Slika 12: Vpliv pretoka plina za premešavanje kopeli pri ustju kopja 6 na hitrost reakcije pri različnih merilnih mestih figure 12: Impact of the concentric circle of nozzles at the lance mouth 6 on the rate of reaction at different measuring points
Rezultati drugega dela raziskav so:
a)	Hitrosti reakcije so največje pri ustju kopja z eno odprtino. Dodatno premešavanje kopeli z N, izraziteje zmanjšuje hitrosti reakcije pri dovajanju N, skozi srednji in zunanji delilni krog pihalic ter pri pretoku N2 7 l/min (za 30 '/t). (slika 10)
b)	Hitrosti reakcije so pri pihanju skozi ustje kopja s tremi odprtinami znatno nižje kot pri ustju kopja z eno odprtino. Dodatno premešavanje z N, povečuje hitrost reakcije. Izrazito povečanje hitrosti reakcije (za 30 %) nastopa pri dovajanju N, skozi delilni krog pihalic, ki je bližji središču reaktorja in pretoku N, 7 l/min. (slika 11)
c)	Hitrost reakcije je pri pihanju skozi ustje kopja s 6-imi odprtinami najnižja, če kopeli ne premešavamo z N,. Dodatno uvajanje N, skozi dno reaktorja ima v tem primeru najbolj pozitiven vpliv na povečanje hitrosti reakcije. Najbolj izrazito je to pri notranjem delilnem krogu pihalic in pretoku N, 7 l/min, kjer se hitrost reakcije poveča za 100 %. Vrednosti hitrosti reakcije pri uporabi ustja kopja z 6-timi odprtinami so višje kot pri uporabi ustja kopja s tremi in nižja kot pri uporabi ustja kopja z eno odprtino, (slika 12)
d)	Najbolj homogeno kopel smo dobili pri naslednjih pogojih: ustje kopja z 6-imi odprtinami, pretok N, 7 l/min, dovod N, skozi notranji delilni krog pihalic (slika 13).
Ustje kopja b
Delilni Krog pihalk
notranje	notranje
Merilno mesto
Slika 13: Homogenost kopeli pri ustju kopja 6 Figure 13: Homo«eneity of the bath at the lance mouth 6
4. Sklepi
Z opisanimi poskusi smo modelirali proces razogljičenja talin. Na vodnem modelu smo prikazali kako vpliva na hitrost reakcije razogljičenja oblika kopja za dovod plina, mesto dovoda plina v reaktor in količina plina. Količina in način dovoda plina v reaktor vplivata na oblikovanje tokov in premešavanje taline, kar je povezano s hitrostjo reakcije.
Literatura
1 Koch K., Sittard J., Valentin P.: Entkohlung von Eisenschmelzen bei Sauerstoffangebot iiber Schlacken und Gasphase, Air h. Eisenhiitenwes., 47. 1976, 583-588 : Koch K.. Fix W., Valentin P.: Kennzeichnende Teilabschnitte der Entkohlungsreaktion beim O, Aufblasen auf Fe-C Schmel/.en, Anli. Eisenhutenwes„ 49, 1978. 109-114
Zong J.H., Park H.K.. Yoon J.K.: The cold model on the decarburiza-tion rate in oxygen steelmaking by CO,/KOH svstcm. ISI.I International, 30, 'l990. 748-755
notranji	srednji	zunanji
Delilni krog pihalic
Ustje kopja 6
Merilno mesto notranje
Pretok plina za premešavanje
V [i min) = 7 V jI min] = 3 V [i min] = 0