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

Как видно из табл. 5, различия между многими процессами незначительны, а некоторые даже аналогичны. Наличие же большого количества названий связано в основном с патентными соображениями и другими интересами фирм.

Процессы с комбинированной продувкой по виду вдуваемого снизу газа можно разделить на две группы:

I – процессы, в которых снизу подают кислород ( [OO]F ). Они в свою

очередь подразделяются на:

Iа – процессы, в которых доля подаваемого через днище кислорода более

20% от общего расхода кислорода; интенсивность подачи дутья снизу составляет 0,7-1,5 м3/(мин*т);

Iб - – процессы, в которых доля подаваемого через днище кислорода соствляет 2-10% от общего расхода кислорода; интенсивность подачи дутья снизу составляет 0,08-0,5 м3/(мин*т).

II – процессы, в которых снизу подают нейтральные газы, оксид и

диоксид углерода, воздух ( ON ).

31

Задачи:

1) Процессы Iа дают возможность увеличения доли лома и снижения расхода чугуна (для этого используют дожигание СО в полости конвертера;

введение внешних теплоносителей, включая порошкообразные углеродсодержащие материалы).

2) Процессы Iб и II дают возможность повысить качественные характеристики стали, увеличить выход годного, осуществлять выплавку стали с низким и особо низким содержанием углерода.

Самыми распространенными являются процессы второй группы ON . По

такой технологии работает около 80% конвертеров, оборудованных для комбинированной продувки. Интенсивность донного дутья в этих процессах не превышает, как правило, 0,30 м3/(мин*т).

В отечественных конвертерах, работающих с продувкой кислородом сверху и снизу, интенсивность подачи донного дутья составляет 0,4-1,0

м3/(мин*т), с продувкой нейтральным газом снизу – 0,03-0,15 м3/(мин*т).

Преимущества:

1)более высокая по сравнению с верхней продувкой стабильность результатов от плавки к плавке;

2)спокойный ход продувки;

3)меньшие потери железа со шлаком и пылью;

4)меньший угар ферросплавов в связи с более низкой окисленностью металла (расход ферромарганца снижается на 0,05-1,0 кг/т; алюминия – на 0,12-

0,35 кг/т);

5)обеспечение в сравнении с верхней продувкой более высокого выхода годной стали (0,5-1,0%);

6)ускорение массообменных процессов способствует снижению расхода флюсующих материалов (извести на 4-6 кг/т и плавикового шпата на

0,5-1,0 кг/т);

7)сокращение длительности продувки на 1-2 минуты;

32

8)возможность организации дожигания СО до СО2 в полости конвертера, что дает возможность компенсировать тепловые потери на нагрев нейтральных газов и ограниченность экзотермических реакций от окисления железа в шлак;

9)способствует повышению остаточного содержания марганца на 0,02-

0,2%, так как меньшая окисленность системы металл-шлак при комбинированной продувке снижает коэффициент распределения марганца по сравнению с верхней продувкой;

10) увеличение стойкости футеровки с 860 до 1280 плавок, так как происходит снижение жесткости продувки кислородом сверху.

Интенсивность донного дутья увеличивают при производстве низкоуглеродистой стали. Так, например, средняя интенсивность подачи инертных газов при выплавке высокоуглеродистых (0,4% С) сталей составляет порядка 0,01 м3/(мин*т), для среднеуглеродистых – 0,05 м3/(мин*т) и для низкоуглеродистых – 0,10 м3/(мин*т).

2.2. Конструкции верхних кислородных фурм

Технологические и технико-экономические показатели кислородно-

конвертерного процесса существенным образом зависят от конструкции дутьевых устройств и условий их работы.

Применяемые в современных кислородных конверторах многосопловые фурмы выполняют из трех концентрично расположенных стальных труб,

снабженных внизу головкой (наконечником) с соплами. Полости, образованные трубами, служат для подачи к головке кислорода, подвода и отвода охлаждающей воды. Для конверторов вместимостью от 150 до 350 т длина фурм находится в пределах от 16 до 26 м [6].

Известны две разновидности конструкции кислородных фурм: с

центральной подачей кислорода (см. рис. 7, а) и с центральной подачей воды

(см. рис. 7, б). Чтобы избежать разрушения фурмы в результате напряжений,

33

вызываемых различным тепловым расширением труб (наружная труба удлиняется сильнее, чем более холодные внутренние), в фурме предусматривают компенсирующие устройства. В фурмах с центральным подводом кислорода на внутренней трубе устанавливают сильфонный компенсатор (обычно металлорукав) в сочетании с телескопическим соединением на средней трубе либо предусматривают сальниковое уплотнение вверху наружной трубы в сочетании с сильфонным компенсатором на внутренней трубе.

В фурмах с центральным подводом воды устанавливают сильфонные компенсаторы на внутренних и средних трубах [6].

Воду для охлаждения фурм подают под давлением 0,8 – 1,2 МПа. Расход воды рассчитывают таким образом, чтобы перепад температур воды на входе и выходе не превышал 30ºС, для предотвращения выпадения из воды солей жесткости. По этой причине карбонатная жесткость применяемой воды не должна превышать 70 мг*экв/кг. Скорость воды во внешней трубе фурмы должна быть ≥ 5 м/с для предотвращения образования паровых пузырей [7].

Рис. 7. Многосопловые кислородные фурмы с центральной подачей кислорода (а) и воды (б):

1-3 – стальные трубы; 4 – сальниковое уплотнение; 5 – патрубки для подачи кислорода; 6 – компенсатор; 7 – сменная часть наружной трубы; 8 – головка фурмы; 9 – сопло; 10 – выемка

34

Технологические показатели процесса во многом зависят от конструкции наконечника - числа сопел, их расположения и угла наклона их к оси вертикали

[7].

Современные фурмы имеют в головке от четырех до шести выходных сопел Лаваля, которые преобразуют энергию давления кислорода в кинетическую и обеспечивают сверхзвуковую скорость кислорода (~ 500 м/с)

на выходе из сопла. Следует отметить, что при числе наконечников более шести резко ухудшаются условия охлаждения наконечников из-за уменьшения суммарной площади зазоров между соплами [6,7].

Головка является сменной. Головки выполняют сварными из медных или стальных элементов и в некоторых случаях литыми из меди. Большое значение для стойкости наконечников имеет качество меди и прежде всего ее чистота.

Увеличение содержание фосфора от 0,01 до 0,10 % или олова от 0,1 до 1,0% в

меди приводит к уменьшению ее теплопроводности вдвое [7].

Для продувки кислородом при необходимости повышения степени дожигания СО и СО2 применяют двухъярусные фурмы (сопла для дожигания расположены на 1- 2,5 м выше торца) или двухрядные (сопла для дожигания располагаются на одном уровне с продувочными) фурмы. По способу подачи кислорода эти фурмы могут быть двухконтурными (с двумя независимыми потоками кислорода) или одноконтурными (с одним общим подводом кислорода) [7].

Двухъярусная двухконтурная фурма (см. рис. 8) позволяет менять соотношение расхода кислорода на продувку и дожигания по ходу процесса,

также способствует повышению эффективности дожигания отходящих газов в полости конвертера [8].

35

Рис. 8. Двухъярусная двухконтурная фурма:

1 – подвод кислорода; 1а – второй независимый подвод кислорода;

2 – подвод воды; 3 – отвод воды; 4 – телескопическое соединение;

5 - сильфонный компенсатор

При подаче дополнительных кислородных струй целесообразно с помощью последних, с одной стороны, сформировать для более эффективного дожигания отходящего газа дозвуковую кислородную завесу с расширением в ней областей кислородных потоков со скоростью 5...12 м/с, сопоставимой со скоростью перемещения фронта пламени в смеси СО – О2. С другой стороны,

необходимо предотвратить возможность локального перегрева футеровки конвертера факелами дожигания и обеспечить подавление выноса мелких капель металла и шлака из реакционной зоны на ствол фурмы с образованием металлошлаковой настыли [9].

36

2.3. Влияние расположения донных устройств в днище на эффективность

комбинированной продувки

В настоящее время в мире насчитывается более 20 вариантов процессов с комбинированной продувкой. Общим для них является подача в ванну, кроме кислорода сверху, различных технологических газов (в разных комбинациях и количественных соотношениях) через дутьевые устройства, установленные в днище конвертера [7].

Наибольшее распространение получила технология конвертирования стали с комбинированной продувкой кислородом сверху и нейтральным газом снизу, по такой технологии в мире работают более 80% всех конвертеров.

Широкое распространение сравнительно недавно возникшего способа продувки объясняется тем, что в рамках одной технологии одновременно реализуются основные преимущества как верхней, так и донной продувки.

Основным сохраняемым преимуществом верхней продувки является раннее формирование основного шлака; основным сохраняемым преимуществом донной продувки – интенсивное перемешивание ванны, в том числе металла и шлака, в связи с чем понижается их окисленность, улучшаются дефосфорация и десульфурация металла, уменьшается вспенивание ванны, также возможно увеличение расхода лома [10].

Сущность всех процессов с комбинированной продувкой сводится к следующему:

-при подаче определенного количества технологических газов через днище в результате интенсификации перемешивания ванны сокращается время так называемого полного смешения, т.е. продолжительность выравнивания состава и температуры ванны.

-в зависимости от интенсивности подачи донного дутья изменяется соотношение скоростей окисления углерода и железа и тем самым

металлургических процессов [7].

37

Конструкция применяемых донных дутьевых устройств достаточно разнообразные, однако влияние их на металлургические характеристики изучено мало. Более четко выявлено влияние на показатели числа фурм и размещения их в днище.

Фурмы обычно располагают по окружности, в одну или несколько линий

(см. рис. 9).

Рис. 9. Варианты расположения фурм в днище:

а – донный продувочный блок

Число продувочных устройств обычно составляет от 4 до 16 шт. Следует заметить, что размещение донных устройств влияет не только на результат процесса, но и на износ самих фурм и околофурменных огнеупоров [7].

Газ к фурменным блокам подводят через кольцевой коллектор или индивидуальным способом. В первом случае (см. рис. 10) газ через полые цапфы поступает в закрепленный на днище кольцевой коллектор, а из него к блокам. При втором способе к блокам подведены через полые цапфы трубки, на которых перед цапфой установлены клапаны, позволяющие регулировать расход газа на донный блок [6].

38

Рис. 10. Схема подвода инертных газов к фурмам в днище:

1- кольцевой трубчатый коллектор; 2 – фурма (блок); 3 – корпус днища;

4 – трубопровод подвода газа от цапфы; 5 – футеровка [6]

Обширные исследования на оценку влияния параметров продувки во время перемешивания (гомогенизации) жидкой ванны конвертера с комбинированной продувкой при различных положениях продувочных устройств в днище и разработки принципов оптимизации дутьевого режима обычно выполняют на физических моделях конвертеров. Благодаря разработке и использованию оригинальных методов физического и математического моделирования кислородно-конвертерного процесса, в мировой практике часто можно получить новые экспериментальные данные, касающиеся вопросов оптимизации гидродинамики ванны, массообменных процессов и т.д. Это позволяет развить представления о рациональных конструкциях и расположениях продувочных элементов и оптимизации дутьевого режима плавки [11].

39

2.4.Типы сопел, используемых на верхних кислородных фурмах

Сцелью повышения эффективности продувки, более полного использования потенциальной энергии давления дутья для интенсификации перемешивания ванны и расширения возможностей управления плавкой при проектировании дутьевых устройств, необходимо стремиться к максимальному использованию имеющегося в цехе давления кислорода и к минимизации диссипации его энергии в трубопроводах, фурме, соплах и истекающих струях.

На всех фурмах для продувки ванны наиболее часто применяются конические сопла Лаваля, расположенные в один ряд по окружности (см. рис. 11). Угол наклона этих сопел к оси фурмы составляет 10-15º, что обеспечивает более жесткую продувку ванны, чем при использовании обычных кислородных фурм с большим углом наклона сопел. При необходимости большего "умягчения"

дутьевых струй (при продувке низкомарганцевых чугунов, при малошлаковых технологиях и т.п.) сопла в наконечнике располагают под двойным углом наклона к оси фурмы, выполняют с различными проходными сечениями,

компонуют в виде отдельных сопловых блоков. В связи с рядом объективных причин (необходимость регулирования расхода кислорода по ходу продувки плавки, колебания давления кислорода в цеховой магистрали, изменение противодавления в полости агрегата и т.п.) сопла фурм работают в нестабильных условиях, в т.ч. в режиме "перерасширения" дутьевого потока,

при степени нерасчётности истечения n < 1. Это, как правило, приводит к явлению отрыва течения от стенок диффузора и "разгару" (эрозии) выходного участка последнего, снижению стойкости наконечников фурм и нарушению дутьевого режима плавки [12].

40