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

Размеры: длину шланга для подвода кислорода к фурме, длину фурмы и высоту конической части ванны выбрать конструктивно, в соответствии с емкостью конвертера.

21

Тема 2. Расчет сопла и основных параметров конвертеров с донной продувкой и комбинированной продувкой

2.1.Особенности конвертерных процессов с донной

икомбинированной продувкой

Существует всего более 50 вариантов конвертерного процесса (табл. 4),

В предполагаемой классификации принята следующая система индексации:

О – кислород;

А – воздух;

N – нейтральные газы (азот, аргон);

22

Н – водяной пар;

С – СО или СО2;

L – порошкообразная известь;

F – различное топливо;

D – раскислители;

Р – предварительный подогрев лома;

В, Т, К – бессемеровский, томасовский и калдо-процессы соответственно;

(;) – независимый тракт подачи;

(+) – подача по одному тракту;

(,) – реагенты применяют совместно;

[ ] – фурменное устройство «труба в трубе»;

F[O] – по зазору фурменного устройства «труба в трубе» проходит топливо, а внутри трубы подается кислород;

{ } – меры по дожиганию СО до СО2.

2.1.1. Процесс с вдуванием кислорода через днище конвертора

Особенности:

1)большое число реакционных зон;

2)большая межфазная поверхность контакта кислородных струй с металлом;

3)интенсивное окисление углерода с первых минут продувки;

4)низкое содержание окислов железа в шлаке практически в ходе всей

плавки.

Накопленный опыт эксплуатации конвертеров с донной продувкой позволяет отметить следующие особенности этой технологии [3]:

1. Рассредоточенная подача кислорода и хорошее перемешивание ванны дают возможность проводить продувку очень интенсивно. Продолжительность собственно продувки при использовании для охлаждения железной руды и извести составляет обычно 7—8 мин, а при использовании металлического

23

лома и руды— 10—12 мин. Поскольку плавка в конвертере с донной продувкой идет быстрее, соответственно производительность конвертера может быть увеличена (по расчетам, на > 5%); вместе с тем высокая производительность может быть достигнута лишь при высокой стойкости днищ (при равной стойкости футеровки). При низкой стойкости днищ неизбежны существенные затраты времени на их ремонт и замену.

2. Выход жидкой стали при донной продувке несколько выше, чем при продувке сверху (в результате уменьшения выноса плавильной пыли и снижения содержания железа в шлаке), в случае правильно организованной технологии.

3. Существенно различие тепловых балансов плавок с продувкой снизу и сверху. При продувке сверху определенное количество тепла теряется с водой,

которой охлаждается фурма. Вместе с тем в отходящих газах в конвертере с верхней продувкой много СО2, т.е. заметное количество СО догорает непосредственно в полости конвертера, увеличивая приход тепла. При продувке сверху большее, чем при продувке снизу, количество тепла поступает от окисления железа. При продувке снизу меньше продолжительность продувки, меньше удельный объем конвертера, соответственно ниже холостые потери тепла (т. е. потери тепла на поддержание футеровки в рабочем нагретом состоянии). Вместе с тем при донной продувке больше тепла теряется с отходящими газами, увеличиваются потери тепла, связанные с нагревом и разложением углеводородов защитного газа. В целом оказывается, что потери тепла при донной продувке несколько выше, чем при верхней, поэтому количество лома, которое можно переработать в конвертере донной продувкой,

несколько меньше, чем в конвертере с верхней продувкой.

4. В связи с более интенсивной продувкой, а также с вводом смеси кислорода с углеводородами при продувке снизу объем отходящих газов в единицу времени примерно на 20% больше, чем при верхней продувке; в

отходящих газах при донной продувке содержится примерно в 5 раз меньше плавильной пыли; средний размер частиц этой пыли существенно меньше (из

24

ванны с пузырями газа уходят мельчайшие частички, которые «витают» в

пузырях). Существенным отличием состава отходящих газов из конвертера является высокое содержание в них СО и Н2. При таком составе газов предъявляются очень высокие требования к работе улавливающих установок,

прежде всего с точки зрения охраны труда и техники безопасности.

5. Особенности ведения плавки при донной продувке и характер

состава отходящих газов требуют очень тщательного уплотнения между кожухом горловины конвертера и нижней частью устройства для отсоса и улавливания газов. При такой работе затрудняется организация контроля за ходом операции во время продувки обычными методами (отбор проб металла,

замер температуры).

6. При переходе на донную продувку изменяются требования к конструкции конвертера и к зданию. Отношение массы садки к объему конвертера может быть увеличено, т. е. в конвертере того же объема можно продувать большую порцию металла. Отношение высоты к диаметру конвертера может быть уменьшено. Изменяются условия проектирования здания: отпадает необходимость в размещении поднимающейся продувочной фурмы и механизмов для ее подъема; при вдувании флюсов в порошкообразном виде снизу вместе с кислородом отпадает необходимость размещения вверху цеха транспорта для подачи к конвертерам добавочных материалов. Все это позволяет уменьшить высоту цеха.

25

Рис. 6. Сравнительная оценка работы конвертеров с верхней, донной и комбинированной продувкой:

а - продувка сверху; б — донная продувка; в — комбинированная продувка; 1 — хороший контроль шлака; 2 — выбросы; 3 — неоднородный состав ванны; 4 — высокая температура шлака; 5—слабое развитие реакций

шлак-металл; б—недостаточное перемешивание ванны; 7—ускорение реакций шлак-металл; 8 — хорошее перемешивание ванны; 9— введение углеводородов;

10— введение смеси О2 + порошок СаО; 11 — низкая температура шлака; 12 —

затрудненный контроль шлака; 13 — относительно невысокая температура шлака; 14 — дополнительное перемешивание ванны; 15— введение инертного и охлаждающего газа, а также порошка СаО

Однако при этом необходимы новые решения по конструированию пылеулавливающих устройств, так как они лимитируют высоту цеха в целом.

При донной продувке требуются соответствующие конструктивные решения по организации размола и подачи к конвертерам порошкообразных флюсов,

подачи природного газа или мазута для охлаждения фурм, подачи инертного газа и т. д. и т. п. Как видно из рис. 6, недостатки, присущие конвертерам с верхней продувкой и донной продувкой, исчезают при использовании комбинированной (верхней и донной одновременно) продувки.

26

Положительные черты:

1)возможность переплавлять крупногабаритный лом, так как донная подача кислорода обеспечивает интенсивное перемешивание и дает режущий эффект кислородных струй;

2)спокойный ход продувки обеспечивается повышением температуры чугуна, увеличением содержания в нем элементов, снижающих вязкость;

3)большая мощность перемешивания и развитая поверхность контакта металла с газом обуславливают низкий уровень парциального давления СО2 в

газовой фазе, а следовательно, невысокую окисленность шлака, так как

4)увеличение интенсивности продувки и числа фурм уменьшает содержание оксидов железа в шлаке;

5)при донной продувке в сравнении с верхней усвоение кислорода ванной вследствие меньшего использования его на окисление железа в шлак и

на дожигание СО на 6-10% происходит снижение удельного расхода на 4-6 м3/т;

6)термодинамические и кинетические особенности донной кислородной продувки обуславливают более низкие концентрации растворенного в металле кислорода, чем при верхней;

7)более плавное обезуглероживание по ходу продувки, то есть вначале окисляется всего 30-40% марганца от общего количества (при верхней продувке 70%) и устанавливается более высокий уровень его содержания в металле (что ведет к снижению расхода ферромарганца);

8)условия десульфурации благоприятнее, так как высокая скорость массообменных процессов и пониженное содержание оксидов железа при высокой основности;

9)азота вносится меньше, если он не используется для продувки с целью удаления водорода.

27

Отрицательные черты:

1)уменьшение приходной части теплового баланса, то есть увеличение расхода чугуна;

2)усложнение оборудования;

3)недостаточная гибкость управления процессами шлакообразования и рафинирования;

4)увеличение содержания водорода в металле;

5)большие затраты при реконструкции действующих цехов.

Тем не менее, развитие процесса донной кислородной продувки в конвертерах дало толчок разработке и распространению большого числа вариантов комбинированных процессов, лишенных ряда недостатков,

присущих процессам с верхней и донной продувками кислородом.

2.1.2. Преимущества комбинированной продувки

Технология с комбинированной продувкой начала широко распространяться в 1977-1978 гг., т. е. примерно через десять лет после начала распространения процессов с донным дутьем. При создании технологии комбинированного дутья стремились сохранить преимущества как верхней продувки (возможность регулирования процесса шлакообразования путем изменения режима продувки, быстрое формирование известково-железистого шлака; дожигание некоторой части выделяющегося из ванны СО до СО2, что несколько увеличивает приход тепла), так и продувки снизу (интенсивное перемешивание ванны и ускорение процесса; уменьшение окисленности ванны;

уменьшение количества выбросов и угара; возможность глубокого обезуглероживания металла без чрезмерного его окисления; возможность продувки ванны инертным газом) [3].

В технической литературе используются многочисленные названия используемых в разных странах технологий комбинированных процессов. Чаще всего встречаются обозначения LD-OB (LD + Oxygen-Bottom-Blowing), LD-AB

28

(LD + ArgonBottom -Blowing), LD-CB (LD + Counter-Blowing), BAP (Bath- Agitation-Process), STB (Sumitomo-Teem-Bubbling), OTB (Oxygen-Top-and- Bottom), LBE или LEB (Lance-Equilibrium-Bubbling) [3].

В настоящее время в мире применяется и разрабатывается много различных методов комбинированной продувки расплавленной ванны,

рационально сочетающих верхнюю и донную продувку, причем в последней используется как кислород, так и инертные газы (аргон, азот). В кислородно-

конвертерном процессе с верхней продувкой достаточно интенсивное перемешивание достигается только в середине плавки при интенсивном окислении углерода. В начале и в конце плавки перемешивание недостаточно,

что затрудняет глубокое рафинирование металла от серы и фосфора Комбинированная подача кислорода через верхнюю и донные фурмы еще более, чем при одной донной продувке, ускоряет процесс окисления углерода и повышает производительность конвертера. По сравнению с чисто донной продувкой в случае комбинированного процесса в сопоставимых условиях температура металла выше. Кроме того, при комбинированной продувке уменьшение расхода кислорода через верхнюю фурму снижает пылеобразование и разбрызгивание.

Выбор вариантов комбинированного процесса зависит от многих факторов и определяется, прежде всего, сортаментом выплавляемой стали,

наличием достаточного количества чугуна и требованиями экономического и конъюнктурного характера. Так, например, весомо влияют на долю жидкого чугуна и лома в шихте соотношение цен на эти материалы и, в конечном счете,

экономика процесса. Вместе с тем, наибольшее распространение в мире получила комбинированная продувка кислородом сверху и нейтральным газом снизу. По такой технологии в мире работает около 80% от общего числа конвертеров. Через донные фурмы могут вдуваться не только аргон или азот, но и CO2 с интенсивностью до 0,1 м3/(т*мин) и даже СО. Все шире в мировой практике применяют вдувание снизу нейтрального газа после завершения кислородной продувки сверху. В целом же комбинированная продувка

29

обеспечивает: снижение окисленности конечного шлака на 10…20% и

повышение выхода годного на 0,2…0,3%; высокую гомогенизацию металла в конвертере по составу и температуре; повышение точности попадания в анализ на выпуске (сокращается средняя продолжительность продувки на 0,5…1,5

мин.); уменьшение содержания углерода в конце продувки; сокращение расхода раскислителей и пр.

В настоящее время в мире насчитывается более 20 вариантов процессов с комбинированной продувкой, некоторые из вариантов представлены в табл. 5.

Общим для них является подача в ванну, кроме кислорода сверху, различных технологических газов снизу (в различных комбинациях и количественных соотношениях) через дутьевые устройства, установленные в днище конвертера

[4].