Процессы, возникающие при подаче дутья в штейновый расплав, пока недоступны для непосредственных наблюдений и изменений. Теория движения газового потока в тяжелой жидкой среде так же еще не разработана. Поэтому единственным средством качественной и количественной оценки условий взаимодействия дутья с расплавом явился метод физического моделирования.
Опыты, выполненные на прозрачных моделях с прозрачными жидкостями и с использованием фото- и киносъемки, позволили установить, что при скорости более 50 м/с газ поступает в слой жидкости в виде струи. По ходу этой струи возникает газожидкостный факел, в котором жидкость находится в виде мелкодисперсных частиц, имеющих большую реакционную поверхность. Факельная структура взаимодействия газообразного окислителя с сульфидным расплавом обуславливает своеобразный характер процессов окисления. Эти процессы в условиях факела, протекают при местном избытке кислорода, а не при его недостатке, как это предполагалось ранее (на том основании, что поступление воздуха в расплав представлялось в виде цепочки отдельных пузырьков). Следовательно, можно утверждать, что окисление железа и его сульфида в факеле должно происходить с образованием магнетита. Образовавшийся в факеле магнетит силами динамического напора струи и всплытия газового потока выбрасывается в зону реакций обменного взаимодействия. Поскольку восстановление магнетита сульфидом железа возможно лишь при наличии кремнекислоты, целесообразно создавать условия, при которых магнетит, как первичное образование факельного окисления, преимущественно будет выбрасываться в передние слои расплава, в зону восстановления и шлакообразования, где находится необходимый для его восстановления кварцевый флюс. С этой точки зрения целесообразно, во-первых, пространственное сближение зоны первичного окисления с зоной восстановления и шлакообразования за счет уменьшения глубины погружения фурм; во вторых, установка фурм с наклоном не вниз, а вверх относительно горизонта.
Однако противопоказанием этому могут служить возможность снижения степени усвоения кислорода и ухудшение массообмена в отдаленных от фурм зонах конвертера, а также увеличение выбросов массы из конвертера.
На медном и никелевом заводах установлен угол наклона фурм соответственно от 0° до +2° и от +6° до +8°, что привело к увеличению пропускной способности фурм за счет уменьшения высоты расплава над фурмами и повышению производительности конвертера. При этом четко установлено, что производительность возросла в большей степени, чем увеличилась подача воздуха через фурмы. Это может быть объяснено лишь улучшением условий восстановления магнетита, т.е. увеличением доли сульфида железа, окисляющегося до FeO, что эквивалентно уменьшению потребного расхода воздуха на переработку штейна.
Таким образом, отчетливо выявляется взаимосвязь между динамикой дутьевой струи и условиями протекания физико-химических процессов. Это обстоятельство свидетельствует о необходимости дальнейших поисков в этом направлении. На Надеждинском металлургическом заводе угол наклона фурм составляет 0°.
Условия механического, а, следовательно, и физико-химического, взаимодействия дутьевой струи с расплавом в решающей степени определяются формой и размерами ее траектории.
Увеличение подачи воздуха в конвертер может быть достигнуто при обеспечении оптимальных физических свойств расплава, позволяющих увеличить предельное количество дутья, принимаемого ванной, без возникновения чрезмерных выбросов. Установлено что главным физическим свойством расплава, обусловливающим уровень его предельного состояния по отношению к дутью, является вязкость. Снижение вязкости приводит к повышению стабильности ванны, уменьшает выбросы и заметно увеличивает предельное количество дутья. Способами снижения вязкости являются повышенная температура процесса и минимальное содержание кремнезема в шлаках (в тех пределах, которые не противоречат задаче восстановления магнетита, т.е. 18-20 % SiO2). Отметим, что работа на шлаках с минимальным содержанием кремнекислоты отвечает так же и лучшей сохранности футеровки и уменьшению выхода шлака.
В пределах того расхода, который приемлем по условиям нормальной работы ванны, увеличение подачи воздуха достигается повышением давления дутья, степени частоты фурм, подбором их оптимального диаметра, числа и параметров установки.
Количество рабочих суток конвертера в течение года определяется, главным образом, затратами времени на ремонты (текущие, капитальные). Все мероприятия, направленные на улучшение условий службы огнеупорной кладки – как за счет оптимизации технологического процесса, температурного режима, так и за счет улучшения гидроаэродинамических условий, в конечном счете, приводят к увеличению компании конвертера.