1.1 Расчет профиля доменной печи

Профиль доменной печи - это очертание ее рабочего пространст­ва в вертикальном сечении, проходящем через ось печи. Профиль печи характеризуется тремя диаметрами (диаметром горна - d_г, распара - D , колошника - d_к ), двумя углами (угол наклона стен заплечи­ков - б₃ и шахты –б_ш ), полезной высотой - Н₀ , которая счита­ется от уровня чугунной летки до кромки большого конуса в опущен­ном состоянии, а также высотными размерами всех остальных элементов профиля (горна - h_г, заплечиков – h_з, распара – h_р, шахты – h_ш, колошника - h_к ).

Расчет профиля доменной печи заключается в определении разме­ров всех указанных элементов.

Диаметр распара и полезная высота печи определяется из следу­ющих двух выражений:

а • D² • Н_о = V_о, (2.1)

Н_о ^: D = в. (2.2)

Здесь коэффициент "а" определяет отклонение профиля печи от ци­линдра, а коэффициент "в" представляет собой отношение полезной высоты печи к диаметру распара. Численные значения коэффициентов "а" и "в" для печей различного полезного объема представлены в табл.2.1.

Таблица 2.1

Значение коэффициентов "а" и "в" для доменных печей

Полезный объем печи, м3	1719	2002	2700	3200	5000	5580
Коэффициент "а"	0,58	057	0,57	0,58	0,58	0,58
Коэффициент "в"	2,79	2,70	2,64	2,47	2,08	2,11

Для приводимого численного примера выражения 2.1 и 2.2 за­пишутся в виде:

0,58 • D² • Н_о = 1719

Н_о: D = 2,79

Подставив в первое выражение Н_о = 2,79 * D, в окончательном виде по­лучим:

D = ³√1719 : (0,58 * 2,79) =10,2 м

Принимаем диаметр распара равным 10,2 м.

В этом случае полезная высота доменной печи будет равна:

Н_о = 2,79 * 10,2 = 28,458 м.

Принимаем полезную высоту доменной печи – 28,46 м.

Высота заплечиков доменной печи не подлежит в настоящее время четкому аналитическому расчету и поэтому принимается равной для печей указанного полезного объема (см. табл. 2.1) в пределах 3,0 - 3,7 м.

Угол наклона стен заплечиков имеет значение 79 - 81 град; при строительстве доменных печей большого объема имеется тенден­ция к уменьшению этого угла.

Принимаем h_з равной 3,0 м, а угол наклона стен заплечиков (б_з) равным 80 градусам. В этом случае мож­но определить диаметр горн.

tg (90^о–б_з) = (D - d_г) : (2*h_з) (2.3)

Отсюда диаметр горна будет равен:

d_г = D – 2*h_з*tg(90^о- б_з) (2.4)

В численном выражении

d_г = 10,2 – 2*3,0*tg (90^о - 80°) = 9,082 м.

Принимаем диаметр горна равным 9,10 м.

Далее необходимо уточнить угол наклона стен заплечиков по выражению (2.3):

(90^о – б_з ) = (10,2-9,1) / (2*3,0) = 0,1834.

Отсюда уточненное значение б_з составит 79 °35’12”.

Необходимо проверить отношение (D: d_г), значение которого не должно выходить за пределы 1,10 - 1,15.

В нашем случае численное значение этого отношения равно:

10,2:9,1 = 1,12

т.е. не выходит за допустимые пределы.

Высота горна ( h_г ) может быть определена следующим образом.

Удельная производительность печи до частичной замены кокса пылеугольным топливом будет равна:

Pv=1,0 : 0,48=2,08 т/м3.

Тогда суточная производительность доменной печи объемом 1719 м³ составит:

1719 * 2,08 = 3575,5 т/сут.

При удельном выходе шлака 0,336 т/т чугуна его суточный выход

3575,5 • 0,336 =1201,4 т/сут.

Принимая 18- разовый выпуск чугуна и шлака в сутки (при условии, что шлак выпускается из печи через чугунную летку) и имея в виду, что плотность чугуна равна 6,9 т/м³, а шлака 2,4 т/м³, в объемном отношении за один выпуск доменная печь дает:

чугуна – 3575,5 : (18 *6,9) = 28,8 м³ ,

шлака - 1201,4 : (18* 2,4) = 27,8 м³.

Этот объем жидких расплавов нужно разместить в горне печи, имея в виду, что его объем занят кусками кокса, порозность слоя ( е ) которого составляет 0,35 - 0,40 м³/м³.

Тогда уровень чугуна ( h_ч ) и шлака ( h_ш ) в межкусковых пространствах кокса определится следующим образом:

h_ч = 4*V_ч : (р* d_г²* е) (2.4)

h_ш = 4*V_ш : (р* d_г²* е) (2.5)

где V_чиV_ш - соответственно выход чугуна и шлака за выпуск.

h_ч = 4 * 28,8 : ( 3,14 * 9,1² * 0,40 ) = 1,1 м,

h _ш = 4 * 27,8 : (3,14 * 9,1² * 0,40 ) = 1,07 м

Таким образом, уровень расплавов в горне печи будет равен:

1,1 + 1,07 = 2,17 м.

Если иметь в виду, что уровень шлака перед началом выпуска не должен подходить к оси воздушных фурм ближе 0,4 м (из-за опа­сения заливания их шлаком и нарушений технологического процесса плавки), а от оси воздушных фурм до верхней кромки горна должен быть установлен конструктивный размер, равный 0,5 м, то высота горна ( h_г ) составит величину:

h_г = 2.17+ 0,4 + 0,5 = 3,07 м.

Принимаем высоту горна печи равной 3,1 м.

Удельная производительность печи после частичной замены кокса пылеугольным топливом будет равна:

Pv=1,0 : 0,35 = 2,85 т/м3.

Тогда суточная производительность доменной печи объемом 1719 м³ составит:

1719 * 2,85 = 4900 т/сут.

При удельном выходе шлака 0,336 т/т чугуна его суточный выход

4900 • 0,336 =1646 т/сут.

Принимая 18- разовый выпуск чугуна и шлака в сутки (при условии, что шлак выпускается из печи через чугунную летку) и имея в виду, что плотность чугуна равна 6,9 т/м³, а шлака 2,4 т/м³, в объемном отношении за один выпуск доменная печь дает:

чугуна – 4900: (18 *6,9) = 39,5 м³ ,

шлака - 1646 : (18* 2,4) = 38,1 м³.

Этот объем жидких расплавов нужно разместить в горне печи, имея в виду, что его объем занят кусками кокса, порозность слоя ( е ) которого составляет 0,35 - 0,40 м³/м³.

Тогда уровень чугуна ( h_ч ) и шлака ( h_ш ) в межкусковых пространствах кокса определится следующим образом:

h_ч = 4*V_ч : (р* d_г²* е) (2.4)

h_ш = 4*V_ш : (р* d_г²* е) (2.5)

где V_чиV_ш - соответственно выход чугуна и шлака за выпуск.

h_ч = 4 * 39,5 : ( 3,14 * 9,1² * 0,40 ) = 1,5 м,

h _ш = 4 * 38,1 : (3,14 * 9,1² * 0,40 ) = 1,4 м

Таким образом, уровень расплавов в горне печи будет равен:

1,5 + 1,4 = 2,9 м.

Если иметь в виду, что уровень шлака перед началом выпуска не должен подходить к оси воздушных фурм ближе 0,4 м (из-за опа­сения заливания их шлаком и нарушений технологического процесса плавки), а от оси воздушных фурм до верхней кромки горна должен быть установлен конструктивный размер, равный 0,5 м, то высота горна ( h_г ) составит величину:

h_г = 2.9+ 0,4 + 0,5 = 3,8 м.

Принимаем высоту горна печи равной 3,8 м.

Далее, задаваясь отношением d_к : D = 0,68 (для доменных печей указанное отношение меняется от 0,65 до 0,68), опреде­ляется диаметр колошника ( d_к ):

d_к = 10,2 х 0,68 = 6,936 м.

Принимаем диаметр цилиндрической части колошника 6,9 м. Высота шахты ( h_ш ) определяется из выражения:

tg (90^о - б_ш ) = (D - d_к ):( 2 * h_ш ) (2.6)

Входящее в это выражение значение угла наклона стен шахты (б_ш) для печей объемом 1719 - 5580 м³ меняется в пределах 83-85 град.

Принимая значение б_ш для нашего примера равным 84°, нахо­дим высоту шахты проектируемой печи:

h_ш = (10,2 – 6,9) : 2 * tg (90 ° - 84 °) = 17,77 м.

Принимаем высоту шахты равной 17,8 м.

Далее уточняем угол наклона стен шахты печи:

( 90° - б_ш ) = (10,2 – 6,9) :(2 * 17,8) = 0,0927.

Уточненный угол наклона шахты печи будет равен 84° 46’ 0”.

Высота цилиндрической части колошника определяется из усло­вия вместить сюда 2-3 подачи. Подачей называется порция матери­алов, ссыпающаяся в печь с большого конуса. Она определяется, прежде всего, полезным объемом доменной печи. Величина коксовой составляющей в подаче (V_К.П.) находится из выражения:

V_к.п. = V_о ^0,708 * 0.063: V_о ^0,727* 0,071. (2.7)

Для наших условий минимальное и максимальное значение V_к.п. сос­тавит:

V_к.п. = 1719^0,708 * 0.063: 1719^0,727 * 0.071= 12,3 : 15,97 м³

т.е. в среднем 14,1 м³.

Если иметь в виду, что рудная нагрузка (отношение массы желе­зорудной части шихты в подаче к массе кокса) составляет обычно 3,2 - 4,2 т/т (принимаем 3,2 т/т), а насыпная масса агломерата равна 1,8 т/м³, кокса-0,45 т/м³, окатышей-1,9 т/м³,то величина железорудной части пихты ( V_а.п. ) в подаче равна:

V_а.п. = (14,1 * 0,45 * 3,2 ) : 1,8 = 10,2 м³.

Таким образом, объем шихты, ссыпающийся с большого конуса, будет равен:

V_подачи = 14,1+10,2 = 24,3 м³

При диаметре колошника 6,9 м высота, занимаемая одной пода­чей (h_п), составит:

h_п = (24,3 * 4 ) : ( 3,14 * 6,9² ) = 0,51 м.

а высота двух подач составит величину примерно 1,0 м.

Наконец, необходимо учесть так называемый "уровень засыпи" - расстояние от кромки большого конуса в опущенном состоянии до уровня шихты в печи. Уровень засыпи составляет обычно 1,5-1,7 м. Высота цилиндрической части колошника будет равна:

h_к = 1,0 + 1,5 = 2,5 м.

Объем распара определяется путем суммирования объемов горна (V_г ), заплечиков (V₃ ), шахты (V_ш ), цилиндрической части колошника (V_к ) и вычитанием этой суммы из заданного полезного объема печи ( V_о ).

Находим объемы элементов профиля проектируемой печи:

V_г = (3,14 х 9,1² х 3,8) : 4 = 247 м³, V_з = 3,14 х 3,0 (9,1^{2 +} 9,1 х 10,2+10,2²) : 12 = 219,5 м³, V_ш = 3,14 х 17,8 (10,2² + 10,2х6,9 + 6,9²) : 12 = 1034 м³, V_к = (3,14 х 6,9² х 2,5) : 4 = 93,4 м³. Объем распара (V_р) будет равен:

V_р = Vо –(V_г+ V₃ + V_ш + V_к). (2.8)

Для приводимого численного примера объем распара составит:

V_р = 1719 - (247 + 219,5 + 1034 + 93,4) = 124,5 м³.

Тогда при найденном ранее диаметре распара 10,2 м его высота будет равна:

h_р = (124,5 * 4) : (3,14 * 10,2² ) = 1,5 м.

Уточним полезную высоту доменной печи (V_о) путем суммирова­ния высотных размеров горна, заплечиков, распара, шахты и колошни­ка:

Н_о = 3,8 + 3,0 + 1,5 + 17,8 + 2,5 = 28,6 м.

Высота "мертвого слоя" ( h_м._с) для печей объемом 1719 -5580 м³ обычно равна 1,1 - 1,7 м.

Результаты расчета профиля проектируемой печи представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Основные размеры доменной печи объемом 1719 м³

Размеры профиля	Значение
Высота, мм полезная горна заплечиков распара шахты колошника “мертвого слоя” Диаметр, мм горна распара колошника Углы наклона стен заплечиков наклона стен шахты Величина отношения Hо : D dк : D D : dг	28600 3800 3000 1500 17800 2500 1100 9100 10200 6900 79о 35’ 12” 84о 42’ 2,79 0,68 1,12