Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и технология металлургии стали. Производство стали. Практикум
.pdf
2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КИСЛОРОДНОЙ
ФУРМЫ ПРИ ПРОДУВКЕ РАСПЛАВА
КИСЛОРОДОМ СВЕРХУ
Цель работы. Выработать у студентов навыки расчета основных
параметров сопел кислородной фурмы, обеспечивающих возможность продувки расплава с высокой интенсивностью подачи дутья.
2.1. Основные понятия и требования к расчету
Кислородная фурма – устройство дл подачи кислорода в конвертер. Наконечник фурмы – медная часть кислородной фурмы с размещенными в ней соплами Лаваля.
Сопло Лаваля – это сопло, обеспечивающее получение на выходе
высокоскоростной кислородной струи.
Современная водоохлаждаемая кислородная фурма состоит из
трех сооснорасположенных стальных труб, две из которых обеспечивают подвод и отвод охлаждающей фурму воды, а одна – подвод кислорода ко второй части фурмы – наконечнику. Именно конструкция
наконечника и размещение в нем сопел обеспечивают рассредоточенную подачу кислорода в расплав, форму кислородных струй, их
жесткость, целостность, высокую скорость, отсутствие пульсаций и
разбрызгивания. Эти факторы оказывают существенное влияние на
такие технико-экономические и технологические показатели, как:
•
организация шлакового режима;
выход жидкого металла;
•
пылеобразование;
•
•
стойкость футеровки;
получение заданного состава и температуры металла на выпуске.
•
В конечном счете все это сказывается на производительности агрегата и себестоимости выплавляемой стали.
Основные параметры многосопловых фурм, определяющие высокую эффективность их применения:
количество сопел;
•
•
угол наклона оси сопел к оси фурмы;
угол раскрытия сопел;
•
диаметры входного, выходного и критического сечений сопел;
•
•
длины докритической и закритической частей сопел.
В табл. 2.1 приводятся исходные данные для расчета параметров
кислородной фурмы.
31
Таблица 2.1
2
O
i
’
а
Параметр Единица измерения Обозначение
Номинальная емкость конвертера т G
Удельная интенсивность продувки
3
/(т ⋅ мин)
м
Давление кислорода в цеховой магистрали кгс/см2* p
маг
2.2. Методика расчета
Методика расчета основана на «Типовой технологической инструкции по выплавке стали в конвертерах продувкой сверху техническим кислородом».
На рис. 2.1 представлена схема сопла кислородной фурмы и приведены обозначения основных параметров.
dвх
dкр
2α
1
l
2
l
d
вых
Ось фурмы
dц
Ось сопл
Рис. 2.1. Схема сопла кислородной фурмы:
α – угол наклона оси сопла к вертикальной оси фурмы, град; dкр – диаметр
критического сечения сопла, мм; dвх и d
выходного сечений сопла, мм; dц – диаметр окружности, на которой расположены
центры выходных сечений сопел, мм; l1 и l2 – длины соответственно докритической
и закритической части сопла, мм; 2α’ – угол раскрытия сопла, град
–––––––––
*
На металлургических заводах, в конвертерных цехах, давление измеряется в
кгс/см2. Для максимального приближения расчетов к производственным условиям в
практике используется эта единица.
32
– диаметры, соответственно, входного и
вых
Количество сопел m для многосопловой фурмы выбирается в за-
1168 9 42 10 1
⎡
⎣
2
O
GiVm
p,p
0
11 8 /
d,Vp
232
(0,936 0,0334 0,0011 0,00002 )
dd p p p
232
(0,765 0,268 0,0152 0,00031 )
pp p
()/(2tg)
(0,5...1,0)
ld
(1,1...1,3)
dd
висимости от номинальной емкости конвертера и интенсивности
продувки:
4
−
mi/, , G
=−⋅+
()
O
2
⎤
.
⎦
При расчете от выражения, полученного в квадратных скобках,
берется целая часть.
Объемный расход кислорода на одно сопло, м
3
/мин, рассчитыва-
ется по формуле
= .
соп
Для проектируемых цехов давление кислорода перед соплом оп-
ределяется расчетом. Ориентировочно можно принять:
где p
08
=
0 маг
– давление кислорода в цеховой магистрали, кгс/см2,
маг
p
= 16...20 кгс/см2.
маг
,
Критический диаметр сопла определяется по формуле
=⋅ .
кр соп
По эмпирическим зависимостям определяют диаметр выходного
сечения сопла
=+−+
вых кр 00 0
и величину полуугла раскрытия сопла
α
=+ − +
00 0
.
Длина закритической части сопла вычисляется по формуле
′
ld d
=− α
2 вых кр
.
Длину докритической части сопла и диаметр входного сечения
сопла по конструктивным соображениям принимают соответвенно
равными:
=
1 кр
=
вх кр
,
.
33
Диаметр окружности, на которой расположены оси выходных се-
50
180
m
1
⎡
⎢
⎢
⎢⎥⎣
чений сопел, рассчитывается по формуле
d
ц
.
+
d
вых
=
sin
Угол наклона оси сопел к вертикальной оси фурмы должен обеспечить раздельное истечение струй из фурмы. В этой связи, по конструктивным соображениям, его рекомендуется принимать по данным табл. 2.2.
Таблица 2.2
Рекомендуемый угол наклона оси сопел к вертикальной оси фурмы
m 3 4 5 6 7
α
9 11 14 16 19
Скорость истечения газа из сопла может быть определена по формуле Сен-Венана
k
−
⎤
k
p
2
w
kp
=−
ρ
−
1
kp
⎛⎞
0
1
⎜⎟
00
⎝⎠
⎥
⎥
⎦
,
где p
– давление кислорода перед соплом, Па (1кгс/см2 = 9,81·104 Па);
0
ρ
– плотность кислорода перед соплом при p0 и t0 (принимается
0
равной 293 К), кг/м
ρ – плотность кислорода при p = 101 325 Па, t = 273 К, равная
1,47
p
– давление окружающей среды, в которую истекает газ, Па
1
(1
показатель адиабаты, k = 1,4 для двухатомных газов.
k –
34
кг/м
кгс/см
3
;
2
= 9,8·104 Па);
3
;
3. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
2
O
i
ПРОФИЛЯ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА
КОНВЕРТЕРА И ДОННЫХ ФУРМ
ПРИ ПРОДУВКЕ КИСЛОРОДОМ СНИЗУ
Цель работы. Выработать у студентов навыки расчета основных
параметров рабочего пространства конвертера с донной продувкой
расплава кислородом и донных кислородных фурм.
3.1. Основные понятия и требования к расчету
Реализация возможностей донной продувки металла кислородом,
особенности гидродинамики расплава добавили ряд требований к
форме профиля рабочего пространства перечисленными в разделе 1:
•
площадь днища должна обеспечить размещение как можно
большего количества фурм, что приведет к более спокойному ходу
плавки и, следовательно, позволит уменьшить высоту рабочего пространства, снизить потери металла с выбросами и выносами;
•
глубина ванны должна быть больше высоты реакционных зон,
чтобы предотвратить канальный ход продувки и привести к более
полному усвоению кислорода;
•
диаметр рабочего пространства должен иметь такой размер,
чтобы завалка металлического лома происходила без разрушения
донных фурм и чтобы размещение металла и шлака при повалке конвертера было ниже уровня донных фурм для предотвращения их заметалливания;
•
расстояние между фурмами должно быть достаточным для то-
го, чтобы предотвратить слияние реакционных зон.
В табл. 3.1 приведены исходные данные для расчета.
Таблица 3.1
Исходные данные для расчета
Параметр Единица измерения Обозначение
Номинальная емкость конвертера т G
Удельная интенсивность продувки
Скорость истечения газа м/с W
3
/(т ⋅ мин)
м
35
3.2. Методика расчета
023
,
3
G
h
На рис. 3.1 приведена схема профиля рабочего пространства конвертера с донной продувкой. Основным параметром рабочего пространства является глубина ванны, которая составляет 0,7…0,8 глубины ванны конвертеров с верхней продувкой и может быть определена по формуле:
h,G=
3
035
.
Диапазон изменения глубины ванны составляет 0,8…1,2 м.
Диаметр рабочего пространства конвертера с донной продувкой с
достаточной для практики точностью можно определить по статистическому уравнению
0 475
d,
H
= .
2
d
1
d
2
d
3
1
h
2
h
3
h
Рис. 3.1. Схема профиля рабочего пространства конвертера с донной
продувкой:
h1 – высота верхней части конвертера (верхнего усеченного конуса), м;
h2 – высота цилиндрической части конвертера, м; h3 – высота нижней
части конвертера (нижнего усеченного конуса), м; d1 – диаметр
горловины конвертера, м; d2 – диаметр цилиндрической части, м;
d3 – диаметр днища, м; Н – высота конвертора, м; S – площадь
внутренней поверхности конвертора, м2
36
Для конвертеров донного дутья полная высота профиля рабочего
2
H,...,d
32
0855
d,d
12
d , ... , d
tg60
2
231
h
h
/ 1,15...1,25
2
112211
,
Srrrrh
2
Sdh.
пространства определяется по формуле
115 1 25
=
()
.
Исходя из необходимости устранения образования застойных зон
в нижней части агрегата, целесообразно принять диаметр нижней
конической части конвертера
=
.
С учетом снижения потерь металла с выбросами и выносами при
одновременном обеспечении необходимых скоростей завалки шихты
диаметр горловины
04 06
=
()
.
Угол наклона кладки конусных частей конвертора следует принимать с учетом обеспечения ее строительной прочности, т.е. устойчивости кладки без ее обрушения. Обычно этот угол составляет 60° к
горизонтали. Тогда высоту верхней конической части конвертера
можно вычислить по следующему соотношению:
dd
−°
()
1
=
21
.
h
Высота цилиндрической части конвертера
Hh
=−−
.
Правильность расчета проверяется соотношением
3.3.1. Расчет площади внутренней поверхности
Площадь
где r
– радиус горловины конвертера, r1 = d1/2, м;
1
r
2
внутренней поверхности верхней конической части
=π + − +
– радиус цилиндрической части, r2 = d2/2, м.
Площадь внутренней поверхности цилиндрической части
Hd=
2
()
.
конвертера
22
2
()()
π
=
37
Площадь внутренней поверхности нижней конической части
2
332233
,
S
2
2
1234
SS S S S
2
0166
,G
где r
– радиус днища конвертера, r1 = d3/2, м;
3
r
– радиус цилиндрической части, r2 = d2/2, м.
2
rr rr h=π + − +
()()
2
Площадь днища
d
⎛⎞
S
4
=π
3
.
⎜⎟
⎝⎠
Площадь внутренней поверхности конвертера
=+++.
3.3.2. Расчет размеров донных фурм
Фурмы
конвертеров с донной продувкой состоят из двух соосно
расположенных цилиндрических трубок. По центральной трубке подается кислород. По кольцевому каналу между трубками подается
защитный газ.
Целью расчета является определение внутреннего диаметра центральной трубки, давления технологического газа, абсолютного давления на уровне днища.
Число донных фурм n выбирается произвольно (по литературным
данным не рекомендуется выбирать число донных фурм меньше 8,
так как меньшее число фурм снижает скорость циркуляции при одновременном образовании стоячих волн), а скорость истечения газа
принимается W = 300 м/с (это максимальная скорость истечения газа
из цилиндрического сопла).
При угрозе возникновения «прострела» ванны струями следует
выбрать скорость истечения газа из интервала 195…300 м/с.
Абсолютное давление на уровне днища складывается из ферростатического давления (давление столба металла и шлака) и атмосферного давления.
Высота шлака
где ρ
38
– плотность шлака, т/м3.
шл
hd=
шл
ρ
,
шл 2
Давление в канале фурмы перед соплом – это давление, необхо-
/( 1)
2
O
k
4
10
W
11
kk
1
k
4/
d
димое для обеспечения заданной скорости истечения газа, определяется из уравнения Сен-Венана
p
p
=
т
⎡⎤
1
−
⎢⎥
⎣⎦
где p
– абсолютное давление на уровне днища, МПа;
д
p
– давление в канале фурмы перед соплом, МПа;
т
скорость истечения газа, м/с;
W –
k –
показатель адиабаты,
T –
абсолютная температура газа, К;
R –
газовая постоянная, Дж/(кг ⋅ К).
д
−
2
2
kRT
kW
(1)
= 1,4;
kk
,
−
Площадь сечения канала фурмы определяется по уравнению не-
разрывности потока:
ρ
vV
0
=
f
,
60
3
/мин.
3
/кг;
где v – удельный объем газа на срезе сопла, м
ρ
– плотность газа при нормальных условиях, кг/см3;
0
расход газа через одну фурму, м
V –
Удельный объем газа на срезе сопла определяется из уравнения
адиабаты
где v
– удельный объем газа в канале фурмы перед соплом, м3/кг;
т
Таким образом, площадь сечения канала фурмы
По найденному значению площади сечения канала фурмы опре-
деляется диаметр центральной трубки:
⎛⎞ ⎛⎞
pp
vv
==
тт
⎜⎟ ⎜⎟
т
⎜⎟ ⎜⎟
pp
дд
⎝⎠ ⎝⎠
RT V
=
f
6000
с
RT
p
10
т
⎛⎞
ρ
0
⎜⎟
⎜⎟
Wp p
тд
⎝⎠
f=π
p
6
т
,
.
.
39
По литературным данным диаметр трубки должен находиться в
0 1666
4
CH
42
CH O
VV
2
O
V
2
O
V
2
0,6
dd
интервале от 28 до 50 мм. Если диаметр не входит в данный интервал, то необходимо изменить исходные данные.
Принцип защиты кислородных сопел за счет контура охлаждения
особенно эффективен при применении углеводородсодержащего топлива.
Наименьшей охлаждающей способностью обладает метан, в связи
с чем его расход для охлаждения фурм наибольший. На практике
расход природного газа составляет 10…12 % от расхода кислорода,
подаваемого через донные фурмы, расход пропан-бутана – 5 % .
Зависимость расхода природного газа от расхода кислорода и
геометрических размеров применяемых фурм определяется по формуле
,
c
= , м
()
,
0,10...0,12
3
/мин;
где
V
СН
4
,
317
=⋅
VdV/n
O
22
V
– расход природного газа,
– расход кислорода, м3/мин;
n –
l –
количество фурм;
размер щели для подачи природного газа, м.
0,5
⎛⎞
l
⎜⎟
сО
⎝⎠
,
05 2,5
⎛⎞
gd
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
Подставляя в формулу
Расположение данного числа фурм в днище конвертера является
важным фактором, влияющим на перемешивание и массоперенос.
Обзор литературных данных показывает, что очень часто применяется расположение фурм по окружности. В ходе экспериментов было
найдено, что наилучшие условия для перемешивания и массопереноса обеспечивает расположение фурм под углом θ = π (асимметричное
расположение), θ = 2π (симметричное расположение). Фурмы располагаются равномерно по окружности диаметром d
Изложенная математическая модель послужила основой для разработки программы расчета параметров рабочего пространства конвертера и донных дутьевых устройств при продувке кислородом снизу, написанной на языке Visual Basic и имеющей удобный интерфейс.
40
, n, dc, g, получаем размер щели l.
:
окр.ф
окр.ф
=
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]