Расчет основных размеров конвертера и кислородной фурмы. Методические указания для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Конструкция сталепл

2110

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра металлургии

Расчет основных размеров конвертера и кислородной фурмы

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ для самостоятельной работы студентов

по дисциплине «Конструкция сталеплавильных агрегатов»

А.Н. РОГОТОВСКИЙ А.А. ШИПЕЛЬНИКОВ Т.В. КРАВЧЕНКО

Липецк Липецкий государственный технический университет

2013

УДК 669.184 (07)

Р 598

Рецензент - канд. техн. наук, доцент В.Г. Михайлов

Роготовский, А.Н.

Р 598 Расчет основных размеров конвертера и кислородной фурмы [Текст]:

методические указания для самостоятельной работы студентов по дисциплине

«Конструкция сталеплавильных агрегатов» / сост. А.Н. Роготовский,

А.А. Шипельников, Т.В. Кравченко. – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2013. – 55 с.

Рассмотрены методики расчета основных размеров конвертера и кислородной фурмы, а также истечения кислорода из сопла. Главное внимание уделено особенностям конструкций конвертеров с подводом кислородного дутья через дно и при использовании верхней подачи кислорода.

Предназначены для студентов 4 курса металлургического института специальности 150101.65 «Металлургия чёрных металлов» направления 150400 «Металлургия», изучающих дисциплину «Конструкция сталеплавильных агрегатов».

Табл. 5. Ил. 13. Библиогр.: 13 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2013

2

1.3.Особенности конструкции конвертеров с подводом

1.4.2.Расчет основных размеров фурмы………………………………. 16

1.4.3.Расчет основных размеров конвертера…………………………. 17

3

Тема 1. Основы расчета основных размеров конвертера и кислородной фурмы. Расчет параметров кислорода при истечении из сопла

1.1. Основные размеры рабочего пространства конвертера

При выборе формы и размеров рабочего пространства руководствуются обеспечением возможности резкого увеличения объема ванны при интенсивном газовыделении без существенных потерь металла с выбросами и выносами. При этом должны быть сведены к минимуму потери тепла как через поверхность корпуса конвертера, так и в результате излучения через горловину. Кроме того,

следует учитывать условия службы футеровки и необходимость быстрой загрузки шихты. Путем учета всех этих противоречивых требований сформировался оптимальный профиль рабочего пространства конвертера.

Геометрически его можно представить состоящим из следующих фигур:

верхнего усеченного конуса, цилиндра, нижнего усеченного конуса и шарового сегмента. Конкретные условия эксплуатации конвертеров привели к появлению многих разновидностей формы профиля, но в целом не имеющих принципиального отличия от его классической формы (рис. 1).

Рис. 1. Профиль рабочего пространства конвертера

4

Следует отметить, что пока отсутствует единая научно обоснованная методика расчета размеров профиля рабочего пространства из-за чрезвычайной сложности задачи, которая учитывала бы влияние таких факторов, как режим продувки, гидродинамика расплава, развитие физико-химических процессов, с

одной стороны, и стойкость футеровки, выход годного и в конечном итоге производительность конвертера — с другой. Этим объясняется то, что в настоящее время расчет размеров профиля производится главным образом на основании использования эмпирических уравнений, полученных путем анализа и обобщения отдельных параметров действующих конвертеров (см. табл. 1).

Таблица 1

Эмпирические уравнения для расчета отдельных параметров конвертера

Опыт показывает, что минимальные потери металла при нормальном ходе продувки (без выбросов) достигаются при объеме рабочего пространства конвертера, превышающем в 5-7 раз объем расплава в спокойном состоянии.

Установлено, что удельный объем конвертеров независимо от их емкости должен составлять 0,8-1,0 м3/т. Отношение полной высоты рабочего пространства к его диаметру должно быть в пределах 1,2-1,6.

Объем ванны кислородного конвертера и все его основные параметры определяются его емкостью с учетом интенсивности продувки. Глубина ванны должна исключить возможность контакта высокотемпературной реакционной зоны с футеровкой днища, а ее форма — обеспечить интенсивную циркуляцию металла без образования застойных участков.

Размеры цилиндрической части конвертера определяются увеличением объема расплава в процессе продувки в результате его вспенивания, а также

5

стойкостью футеровки. Повсеместный переход на работу с многосопловыми фурмами, несмотря на увеличение интенсивности продувки, привел к снижению высоты рабочего пространства при увеличении его диаметра, что в свою очередь выразилось в некотором снижении глубины ванны и высоты цилиндрической части конвертера. Высота верхней конической части рабочего пространства зависит от диаметра горловины и угла наклона стен.

С учетом снижения потерь металла с выбросами и выносами при одновременном обеспечении необходимых скоростей завалки шихты оптимальным значением диаметра горловины является 0,4-0,6 от внутреннего диаметра рабочего пространства. При этом угол наклона стен должен обеспечивать возможность устойчивой кладки кирпича без его обрушения.

Обычно этот угол составляет 27-30° к вертикали.

Использование данных табл. 1 или других подобных обобщений и известных математических выражений для расчетов объемов усеченного конуса, цилиндра и шарового сегмента позволяет уста новить с определенной степенью точности практически все необходимые размеры рабочего пространства конвертера для проектирования и его внешние габариты по кожуху. Ниже приведены основные размеры отечественных конвертеров, сооруженных в последние годы (см. табл. 2).

Таблица 2

Основные размеры отечественных конвертеров

1.2.Особенности конструкции конвертера с верхней продувкой

Вкислородном конвертере продувку ванны осуществляют кислородом через фурму, которую вводят сверху по оси конвертера. Управление процессом

6

плавки ведут в основном посредством изменения положения фурмы и давления кислорода. Емкость (вместимость) конвертеров изменяется в широких пределах. В нашей стране эксплуатируют конвертеры емкостью от 160 до 400 т.

В устройстве современного конвертера (рис. 2) можно выделить цилиндрическую среднюю часть, концентрическую горловину (в виде усеченного конуса) и сферическое днище.

Рис. 2. Кислородный конвертер:

1 - корпус с футеровкой; 2 - кислородная фурма; 3 - рабочее пространство;

4 - опорные узлы; 5- механизм поворота; 6 - опорное кольцо

На рис. 3, а показаны основные размеры, принимаемые при конструировании рабочего пространства агрегата. Эти размеры обычно принимаются на основе опыта действующих агрегатов и результатов моделирования. На рис. 3, б показаны разновидности профилей и размеры действующих агрегатов. При проектировании учитывают состав шихты,

принятую технологию продувки, вероятность выбросов, массу образующегося

7

шлака и необходимость вместить всю массу металла и шлака и иметь оптимальные размеры ванны (диаметр и глубину), строительную прочность огнеупоров и др.

Рис. 3. Профиль рабочего пространства конвертера:

а – основные размеры (D1 , D2 , D3 – диаметры соответственно горловины,

цилиндрической части и днища, R – радиус шаровой части днища; hВ.К, hН.К, hЦ, hВ и hШ – высота соответственно верхней и нижней конической частей,

цилиндрической части, ванны и шаровой части; H и H1 — полная высота и высота свободного пространства соответственно); б– разновидности профилей действующих кислородных конвертеров

В современных конвертерах глубина ванны 1,6-1,9 м, удельная площадь поверхности ванны 0,12-0,18 м2/т. Пока еще нет четких теоретических рекомендаций относительно правильного выбора интенсивности продувки,

числа сопел в фурме и расхода кислорода на одно сопло. В практике современного кислородно-конвертерного процесса интенсивность продувки обычно составляет i = 3-5 м3/(т ∙ мин).

8

Корпус конвертера обычно глуходонный, сварной конструкции, днища могут быть как глухие, так и отъемные (приставные или вставные). Конвертеры с отъемными днищами легче ремонтировать, так как при отъеме днища футеровка охлаждается быстрее. Кроме того, возможна замена только футеровки отъемного днища (без корпуса). Корпус конвертера помещается в опорное кольцо и крепится в нем. Узлы крепления и опорное кольцо закрыты от попаданий металла и шлака защитным кожухом, приваренным к корпусу.

При разработке конструкции конвертера учитывается основное требование, предъявляемое к сосудам с жидким металлом, — обеспечение их устойчивости при любых углах наклона, т.е. возможность возврата в исходное положение при неполадках в работе двигателей. Для этого необходимо, чтобы опрокидывающий момент при повороте конвертера на любой угол был положительным. Одновременно нужно стремиться по возможности к уменьшению максимального опрокидывающего момента, с тем чтобы была минимальной мощность двигателей поворотного привода. При расчетах опрокидывающих моментов учитывают возможную степень разгара футеровки конвертера. Масса конвертера емкостью 300-350 т с комплектующим оборудованием равна 1200 т. Корпус конвертера имеет жесткую съемную горловину и приварную летку (или «сталевыпускное отверстие») со сменным обрамляющим фланцем.

1.3. Особенности конструкции конвертеров с подводом кислородного дутья

через дно

Конструктивно конвертеры с донной кислородной продувкой состоят из тех же основных узлов и элементов, что и конвертеры с верхней продувкой кислородом, за исключением устройств, связанных с подачей дутья (рис. 4). При этом, как показывает практика, их удельный объем должен оставаться таким же, как и для конвер теров с верхней продувкой. Однако параметры рабочего пространства и их соотношения

9

должны иметь другие значения. Это объясняется особенностями гидродинамики расплава, более спокойным ходом продувки, а также необходимостью организации загрузки металлического лома без повреждения фурм, расположенных в днище конвертера.

Рис. 4. Кислородный конвертер с донной продувкой

Так, глубина ванны должна быть такой, чтобы при выходных скоростях кислородного и топливного потоков не возникал каналь ный ход продувки. В то же время необходимо стремиться к рассредо точению дутья, а следовательно, к увеличению числа фурм, что обес печивает более спокойный ход продувки. Для предотвращения слияния газовых струй и нарушения гидродинамики фурмы следует размещать на некотором расстоянии друг от друга, что приводит к уве личению площади днища. Опыт эксплуатации показывает, что при давлениях кислорода для продувки 0,8—1 МПа число фурм в зависимости от емкости конвертера колеблется в пределах 10—22. В этих условиях оптимальная глубина ванны составляет 0,7—0,8 от глубины ванны для

10