Все о металле, его обработке и переработке

8. КОНСТРУКЦИИ КОНВЕРТЕРОВ

8.1. параметры конструкций конвертеров

(8.1)

Основной характеристикой конвертера является его садка Т, т. е. масса металлических шихтовых материалов (чугуна и лома), загружаемых в конвертер на плавку. Тоннаж плавки (масса жид­кой стали, получаемой после продувки) Mct равен произведению, садки конвертера на выход жидкой стали Рсл:

М„ = TPjm.

В зависимости от типа конвертерного процесса и технологии про­дувки выход жидкой стали, чаще называемый выходом годного, составляет 85—92 %.

(8.2)

Существует также показатель — выход годных слитков Pcл для определения массы слитков Mcn, поставляемых конвертерным це­хом прокатным цехам:

Л*сл-Рсл 77100.

Выход годных слитков несколько меньше выхода жидкой стали (потери металла при разливке), он равен 84—91 %.

В промышленности садка конвертера в зависимости от типа процесса колеблется в пределах, приведенных в табл. 8.1. В оте­чественной практике используются типовые конвертеры садкой 100—130; 250 и 350 т. Соответственно типизируется и все оборудо-

Таблица 8.1. Садка промышленных конвертеров


Тип процесса

Садка, т

Садка типовых конвертеров в СССР, т


Бессемеровский

Томасовский

Малое бессемерование

Боковое кислородное дутье

Верхнее кислородное дутье

10- 50

11— 80 1-3

0,6-3

1.5; 2,5 0,8; 1,5; 2,5

(кислородно-конвертерный

30-380

130 (до 150); 250 (до 300); 350 (до 400)

30-250 30—250 (до 300)

Процесс):

Передельный чугун

Высокофосфористый чугуи Донное кислородное дутье


Вание, обеспечивающее работу конвертера, в результате чего уни­фицируются основные виды оснащения, что облегчает его изготов­ление.

Проекты разрабатываются таким образом, чтобы в результате небольшой реконструкции могла быть увеличена садка конверте­ров с целью повышения производительности цеха. Так, в типовых конвертерах верхнего кислородного дутья, имеющих по проекту садки 100—130, 250 и 350 т, в настоящее время масса завалки со­ставляет 150—170, 300 и 400 т соответственно.

Садка конвертера определяется в первую очередь производи­тельностью проектируемого конвертерного цеха Яцех, которую вы­бирают в зависимости от баланса металла на металлургическом за­воде, потребности в нем прокатных цехов. Производительность кон­вертерного цеха

^Тцех = ^раб^коив! (8-3)

Где Nраб — число одновременно работающих конвертеров; Яконв производительность одного непрерывно работающего конвертера.

Если конвертер ремонтируют непосредственно на его рабочем месте, то А^раб на один агрегат меньше числа конвертеров в цехе Wkohb- Это делается для обеспечения ритмичности потребления жид­кого чугуна, поступающего из доменного цеха, и поставки стальных слитков прокатным цехам.

Продолжительность ремонта конвертера (двое-трое суток) зна­чительно меньше длительности кампании агрегата. Поэтому су­ществуют периоды, когда в цехе могут работать все конвертеры. В этом случае производительность цеха возрастает, а при ремонте одного из них падает, что создает неритмичность в организационной увязке работы с доменным и прокатными цехами.

В типовых отечественных кислородно-конвертерных цехах обыч­но устанавливают три конвертера, два из которых постоянно нахо­дятся в работе, в некоторых случаях (Запсиб, «Азовсталь» и др.) цехи имеют два конвертера. В зарубежной практике в цехах уста­навливают два, три и четыре конвертера при постоянной работе со­ответственно одного, двух и трех агрегатов.

Годовая производительность непрерывно работающего конвер­тера, входящая в выражение (8.3), исчисляется массой выпускае­мых слитков

_ 8760(100 — Пр) Рсл т 4v

" конв— 100хпл 100 » IO.1*;

Где 8760 — число часов в году; TIp — простои конвертера; тПл — продолжительность цикла плавки. Последнее складывается из дли­тельности продувки и вспомогательных операций: завалки лома, заливки чугуна, отбора проб, измерения температуры, выпуска плавки.

Если удельный расход кислорода на 1 т стали составляет Vo2, а удельная интенсивность продувки в пересчете на вдуваемый реак — ционноспособный кислород t"o2, то продолжительность продувки

Тпрод = vO2 Iioi. (8.5)

Ш

Таблица 8.2. Показатели работы конвертеров для различных типов процесса


/о2, м3/т

МО.- м’/т

Тпрод ‘ мии

Тип процесса


Бессемеровский Томасовский Малое бессемерование Верхнее кислородное ду­тье:

Передельный чугун

Высокофосфористый

Чугун

60-70 65-75 140-160

4-6 4-6 6-10

12—15 12-20

15-25

2-5

1.5-4,0 2,5-5

50-60

50-65 45-65

12—25

16—30 11—22

Дойное кислородное дутье


В табл. 8.2 сопоставлены показатели, характеризующие темп ра­боты конвертеров. Для бессемеровского, томасовского и процесса малого бессемерования произведен пересчет воздушного дутья на содержащийся в нем кислород.

При хорошей организации работы продолжительность простоев сводится практически к нулю. В случае внеплановых простоев (ре­монт механизмов или в связи с отсутствием шихты) их продолжи­тельность может достигать 10 %. Некоторые виды простоев, связан­ные с неполадками конвертера, не сказываются на производитель­ности цеха, если вместо вышедшего из строя агрегата используется резервный. Таким образом, желая обеспечить заданную производи­тельность цеха, проектанты комбинируют параметры, определяю­щие ее: количество постоянно работающих конвертеров, их садку, продолжительность продувки и цикла плавки. В особых случаях возможны небольшие отклонения садки конвертера от типового зна­чения, при которых остальное типовое оборудование не меняется.

Иногда конвертеры имеют съемный корпус, что позволяет ремон­тировать футеровку не на рабочем стенде, а на специальном. На рабочий же стенд устанавливается агрегат с новой футеровкой. Операция по замене агрегатов занимает 1—2 ч, поэтому количество постоянно работающих конвертеров в цехе равно числу рабочих стендов. Так как масса корпуса с футеровкой составляет 300— 1000 т, необходимо оборудовать конвертерный пролет краном соот­ветствующей грузоподъемности. Садка конвертера со сменным кор­пусом ограничивается 50—160 т.

Увеличение садки конвертера в целесообразных пределах сопро­вождается улучшением почти всех технико-экономических показа­телей работы цеха (в первую очередь ростом производительности на одного трудящегося, снижением удельных капитальных затрат). Однако при этом необходимо изменять грузоподъемность кранов, параметры оборудования системы использования тепла и очистки отходящих газов, остального вспомогательного и механического оснащения.

При превышении определенного предела садки перед машино­строителями возникают сложные задачи, что может привести к ро­сту затрат на производство указанного оборудования. Это является

Рис. 8.1. Профиль и параметры конвертера с эксцентрической (а, б) и концент­рической (в) горловинами

Сдерживающим фактором в дальнейшем увеличении садки конвер­теров, которая в настоящее время достигает 350—400 т. В ближай­шем будущем возможно ее повышение до 500 т.

На рис. 8.1 показан профиль конвертера для донного (а) и бо­кового (б) воздушного, а также верхнего и донного кислородно­го (в) дутья, нанесены главные параметры конструкции конвертера. Конвертер состоит из конусной (шлемовой) I, цилиндрической II части и днища III.

Основным параметром конструкции конвертера является его удельный объем

Где Кконв — внутренний объем (полости) конвертера при новой фу­теровке. Удельный объем конвертера должен быть достаточным для того, чтобы в процессе продувки металл и шлак, с учетом их вспе­нивания и всплесков, не выбрасывались из рабочего пространства. Это обусловлено требованиями техники безопасности, а также необ­ходимостью уменьшения потерь металла с выбросами и выносами, поддержания чистоты и порядка на рабочей площадке и под кон­вертером. При чрезмерно больших объеме и высоте конвертера уве­личиваются высота здания цеха и капитальные затраты. В табл. 8.3 приведены параметры конструкций конвертеров для различных про­цессов.

При повышении содержания в чугуне таких элементов, как крем­ний и фосфор, окисляющихся в основных агрегатах, для ошлакова — ния кремнезема и пятиокиси фосфора добавляют известь, что при­водит к увеличению количества образующегося шлака. Так, при переработке в основных конвертерах полупродукта, лишенного крем­ния, количество шлака составляет 5—6 %, при продувке передель­ного чугуна 10—12, а высокофосфористого 30%. Соответственно возрастает опасность выбросов, что требует увеличения удельного объема. Для кислых процессов без добавок извести количество шла­ка не превышает 5—6 %. Поэтому при прочих равных условиях


Таблица 8.3. Параметры конструкций конвертеров


Vy д, м’/т

H/D

УД’

Тип процесса


1,1 — 1,4

1,3-1,7 0,5-0,8

1,3-1,6 1.6-2,4 2,5-3,0

0,7-1,0

1,2-1,8

1,3-1,8 (2,3) 1,2-1,3

0,8-1,2

0,7-0,9

Бессемеровский Томасовский Малое бессемерование Верхнее кислородное дутье:

Передельный чугун

Высокофосфористый чугун Донное кислородное дутье


(данном типе дутья, методе его ввода) кислые конвертеры имеют меньший удельный объем, чем основные.

Донная продувка, как уже отмечалось, отличается более спокой­ным ходом плавок, малым количеством выбросов, так как содержа­ние окислов железа в шлаке низкое. Поэтому при одном и том же составе дутья, например технически чистом кислороде, удельный объем конвертеров донного дутья несколько меньше, чем верхнего. В конвертерах донного воздушного дутья при одинаковой с кисло­родными процессами удельной интенсивности продувки в пересчете на кислород Io2 через ванну проходит, наряду с продуктами окисле­ния углерода, и неусваивающийся азот воздуха, т. е. значительно большее количество газов. Это способствует более интенсивным вы­бросам из ванны жидких фаз, чем при продувке технически чистым кислородом, и обусловливает необходимость увеличения удельного объема конвертера.

(8.7)

(8.8)

В ходе кампании по мере износа футеровки удельный объем кон­вертера увеличивается, поэтому при постоянной садке уменьшается интенсивность выбросов. Величина Ууд связана с основными пара­метрами конвертера: внутренним диаметром по футеровке D вн, ВЫ­СОТОЙ полости конвертера Явп и глубиной ванны hB (см. рис. 8.1). Если аппроксимировать внутреннюю полость конвертера и ванну металла цилиндрическими телами, то

^kohb =zVyiT- tcDIh H0. п/4; Уы=Т/Ры~кП2ви/1в/4,

Где Vm — объем металла; рм — плотность металла. Существуют определенные технологические, конструктивные и экономические предпосылки, позволяющие находить оптимальное значение каждо­го из этих параметров.

Рост внутренней высоты конвертера благоприятствует уменьше­нию выбросов и выноса, но сопровождается увеличением общей вы­соты здания цеха и соответственно капитальных затрат на его строительство. При большем диаметре ванны уменьшается агрес­сивное воздействие высокотемпературных фаз реакционной зоны на футеровку агрегата. Однако в этом случае увеличиваются размеры периферийных, плохо промешиваемых участков ванны, что вызыва­ет целый ряд технологических осложнений. Кроме того, если увели­чение Dbh сопровождается уменьшением высоты конвертера (при данном удельном его объеме), то повышаются механические потери металла. Все это в комплексе определяет оптимальное соотношение Явн/jDbh для данного агрегата или типа конвертера.

При переходе от воздушного к кислородному дутью в результате отсутствия в последнем азота объем выходящих из конвертера га­зов уменьшается. Это ослабляет интенсивность выбросов и выносов и позволяет уменьшить Куд и отношение HbhJDbh для однотипных по составу чугуна процессов (например, томасовского и верхней кис­лородной продувки высокофосфористых чугунов, табл. 8.3). Интен­сивность выбросов и выносов несколько снижается с ростом садки конвертера, так как при этом увеличивается число сопел фурмы и высота подъема жидких фаз ванны изменяется пропорционально интенсивности продувки на одно сопло в степени, меньшей единицы. Поэтому при более или менее постоянной удельной интенсивности продувки с увеличением садки агрегата отмечается и тенденция к уменьшению отношения HbbIDbh и удельного объема конвертера.

С углублением ванны при верхней продувке снижается опас­ность ее пробивания струей кислорода (реакционной зоной) и, сле­довательно, износа днища, а при донной устраняются «прострел» ванны и повышенный вынос металла. В то же время, если в конвер­терах с верхним дутьем ванна слишком глубока, придонные слои ее будут плохо перемешиваться.

Иногда на выбор соотношения Нва и D вн влияют конструктивные соображения. Так, в случае донного кислородного дутья в агрегате с концентрической горловиной (см. рис. 8.1, е) ванну необходимо располагать ниже уровня сопел при повалке конвертера в обе сто­роны для взятия пробы и выпуска. В связи с этим увеличивают Dbh или уменьшают диаметр зоны дутья. При донном воздушном дутье конвертер по технологическим соображениям можно наклонять только в одну сторону для обеих операций. Так как в этом случае горловина расположена эксцентрично (см. рис. 8.1,а), то Dbji мож­но не менять.

Тепловые потери будут минимальны при Явн/-Овн-И. Однако при выполнении этого условия наблюдаются повышенные потери метал­ла с выбросами и выносами, особенно в конвертерах небольшой и средней садки.

Выбирая параметры конвертера, учитывают их влияние на ка­чество металла. Так, в конвертерах с донной продувкой воздухом углубление ванны приводит к росту содержания азота в стали, что обусловливает необходимость ограничения hB. При донной кисло­родной продувке с увеличением hB повышается содержание в стали водорода, вносимого в металл из защитной среды.

Выбирая диаметр горловины, необходимо также принимать во внимание ряд моментов. С увеличением dT растут потери металла с выбросами и теплопотери конвертера во время продувки в результа­те более интенсивного охлаждения в межпродувочные периоды; в конвертерах с верхним кислородным дутьем усиливается вероят­ность подсосов воздуха в полость агрегата и повышения содержа­ния азота в стали. Уменьшение же диаметра горловины затрудняет отбор проб, замер температуры, торкретирование, завалку всего ло­

Профиль ванны имеет вид усеченно­го конуса (см. рис. 8.1, а ив), что по­зволяет уменьшить длину линии разъ­ема цилиндрической части и днища, снизить опасность затекания металла в зазоры и вероятность образования за­стойных участков в дальних углах ван­ны, обеспечить одинаковое расстояние между периферийными объемами ванны и реакционными зонами. В некоторых случаях в кислородных конвертерах верхнего дутья (см. рис. 8.1, в) с этой же целью днище делают сферическим. Таки­ми путями стремятся приблизить форму ванны к профилю износа футеровки.

8.2. методика расчета основных параметров

Конвертеров

Из изложенного в подразд. 8.1 следует, что размеры и форма конвертера, отдельных его элементов сильно влияют на ход плавки и показатели процесса. Выбрать параметры агрегата, которые по­зволили бы создать оптимальные условия протекания всех физико — химических явлений в нем и обеспечили бы достижение наилучших технико-экономических показателей, очень трудно. Решению задачи в значительной степени мешает недостаточность наших знаний в области закономерностей и взаимосвязи явлений, протекающих в конвертере. Поэтому ограничиваются решением задачи оптимиза­ции параметров с целью обеспечения хороших показателей работы конвертеров, определяющих экономичность процесса (капитальные затраты, производительность, выход годного и др.).

Существуют два метода расчета размеров проектируемого кон­вертера: эмпирический и аналитический. При использовании перво­го обобщают закономерности взаимозависимости размеров действу­ющих конвертеров данного типа, разрабатывают формулы опреде­ления параметров для новых строящихся агрегатов, полагая, что величины, полученные методом проб и ошибок, близки к оптималь­ным с точки зрения ряда основных показателей процесса.

Таблица 8.4. Удельный объем конвертера донного воздушного дутья

Садка, т

Удельный объем кон­вертера, м*/т

Бессеме­ровского

Томасов­ского

4

1,38

6

1,25

1,83

8

1,18

1,60

10

1,06

1,59

12

1,04

1,42

15

1,02

1,30

18

1,25

Эмпирический метод использовали в свое время для определения параметров конвертеров донного воздушного дутья. Удельный объ­ем конвертера выбирали в зависимости от садки проектируемого конвертера (табл. 8.4), а отношение высоты к диаметру Hm/Dnn по следующим данным:

TOC \o "1-3" \h \z Садка бессемеровского конвертера 10 15 20 25 30 35

Лвп/0Вн 1,62 1,57 1,51 1,46 1,40 1,35

Садка томасовского конвертера 12 40 — — — —

Haa/DBS 2,3 1,6 — — — —

Параметр

Была разработана методика определения остальных параметров конвертеров донного воздушного дутья. Выражения для расчета этих параметров и их значения приведены ниже.

Выражение для расчета параметра, его значение


Глубина ванны hB, м: бессемеровский конвертер томасовский конвертер Диаметр ванны DBh, м: бессемеровский конвертер гомаговский конвертер Высота Hi, м Диаметр горловины dr, м Диаметр днища D1, м Площадь циркуляционного сечения Fa, см2

Диаметр круга сопел D0, м Толщина футеровки цилиндрической части tст, м:

Бессемеровский конвертер томасовский конвертер Толщина днища tдн, м*. бессемеровский конвертер томасовский конвертер

Целесообразный угол наклона

-0,4 -0,55

0,67 VT 0,57 VT

(1,1—1,2) Dbb (0,25—0,50) Obh 0,9 DBU

(1800—2000) T (0,58—0,63) Daa

-0,3- -0,5-

-0,4 -0,75

-0,5—0,7 0,7—1,3 илн 0,4+0,07 Dbh

Град:

25—30 45—50

(8—15) T (15—18) T

Оси горловины к вертикальной осн а, с точки зрения стойкости футеровки с точки зрения уменьшения выбросов Площадь сечения сопел Fc, см2: бессемеровский конвертер томасовский конвертер


Для кислородных конвертеров верхнего дутья эмпирические за­висимости построены путем обобщения данных по значительному количеству агрегатов садкой от 20 до 370 т. В этом случае выявлено определяющее влияние садки агрегата на основные его параметры (табл. 8.5). Зависимость большинства конструктивных размеров конвертера от садки (кривая 1) выглядит как проходящая через начало координат парабола типа y = kTm, где у — размер; k и m —

_ — —

1 2

J

J S^

/ J

E

Постоянные (рис. 8.2). В опре­деленном диапазоне T (области II и III) допустима линейная аппроксимация зависимости выражением у = а+ЬТ (линия 2). В области / небольших ве­личин T значения у, рассчитан — T ные по линейному уравнению, Рис. 8.2. Характер зависимости пара — существенно превышают фак — метров конвертера от его садки гические. Такой же характер

Таблица 8.5. Параметры конвертеров верхнего н донного кислородного дутья


Донное кнс — Верхнее кислородное дутье лородное

Дутье

По данным По данным авторов авторов

Параметр


Диаметр ванны Dbh, м Высота полости конвертера Hвв> м Диаметр горловины dT, м Глубина спокойной ванны hB, м

Радиус сферического дннща Rдн> м

Угол наклона конусной части а, град. Толщина футеровки в цилиндрической части tст, м 2,62+0,0147 Г 0,83 Г0-36

6,00+0,0128 Г 3,00 Т°.20

1,10+0,0089 Г 0,40 7"0’37

0,922+ 0,22 T0& +0,00353 T

3,55+ +0,0064 T 52+0,055 T

0,142 Г°.33


Отклонения, но выраженный в меньшей степени, наблюдается в об­ласти III.

Э. Фридлем и Г. Шмидтом предложены зависимости линейного типа (табл. 8.5). Здесь же приведены и полученные авторами кни­ги выражения большей частью в степенной форме зависимости.

Полученные по формулам Э. Фридля и Г. Шмидта значения па­раметров удовлетворительно совпадают с фактическими параметра­ми только в диапазоне садок 60—250 т. Большая часть параметров конвертеров верхнего кислородного дутья (?>вн, dr, hB) изменяется в зависимости от величины садки в степени, близкой к кубическому корню, что соответствует изменению линейных размеров пропорцио­нально друг другу. Однако высота полости конвертера Явн с увели­чением садки растет медленнее, чем остальные параметры.

Для конвертеров донного кислородного дутья (см. табл. 8.5) при­веденные зависимости имеют весьма приближенный характер, так как определены на основе небольшого количества исходных данных. Здесь оптимальные параметры еще не установлены. Следует отме­тить, что глубина ванны при повышении садки изменяется незначи­тельно в результате опережающего нарастания диаметра ванны. Высота конвертера донного кислородного дутья меньше, чем при продувке сверху, что позволяет сохранить постоянным удельный объем конвертера с увеличенным диаметром.

Приведенные эмпирические зависимости не отражают сущности физико-химических процессов в конвертерной ванне и не учитывают такие важные показатели, как интенсивность продувки, степень рас­средоточения дутья и другие.

В последнее время появились работы, в которых сделана попытка создать аналитические методики расчета, основанные на некото­рых изученных физико-химических закономерностях явлений в кон­вертере, но с использованием эмпирических коэффициентов, полу­ченных путем анализа данных практики. При этом в качестве ос­новных ставятся задачи достижения максимальных выхода годного и стойкости футеровки. Так, Э. Фридль и Г. Шмидт предложили определять минимально допустимый удельный объем конвертера верхнего кислородного дутья, обеспечивающий предотвращение вы­носа металла,

Ууд. вы„ = 0,0265DL/o,’n (8.9)

И выбросов шлакометаллической эмульсии

Куд — выбр = I, SDbhVI0Jn, (8.10)

Где /O2 — интенсивность продувки, м3/мин; и — количество сопел. Чтобы предотвратить выбросы и выносы, необходимо выбирать большую из двух величин Vya.

Диаметр ванны Э. Фридль и Г. Шмидт рассчитывают по фор­муле

DBH= 1,07[(/ОгТ)3%Л0Д82. (8.11)

А внутреннюю высоту конвертера — по уравнению

Если внутренний диаметр конвертера и диаметр зеркала ванны близки между собой. Следует отметить, что ряд теоретических пред­посылок, лежащих в основе данной методики, вызывает сомнения. Например, известно, что выбросы и выносы зависят непосредствен­но не от диаметра конвертера, а от его высоты и отношения HBU/hB.

Баптизманский В. И. с соавторами разработал методику расче­та параметров конвертеров с верхним кислородным дутьем, в основу которой положены задачи обеспечения оптимальных капиталь­ных затрат, минимальных механических потерь металла при продув­ке и высокой стойкости днищ. Для достижения последней необходи­мо, чтобы глубина спокойной ванны /гв превышала максимальную глубину реакционной зоны

KB = (8.13)

Которую можно определить по формуле

?тах = 2,1Аг°Хых, (8.14)

Где k\ — коэффициент, превышающий единицу; "вых — диаметр соп­ла, м. Подставляя уравнение (8.14) в (8.13) и используя выражение для определения критерия Ar, получаем

К = k3 Ущ^P«°L!X Ti0Jn)0'3, (8.15)

Где wBblx, qbux — соответственно скорость, м/с и плотность, кг/м3 кислорода в выходном сечении сопла; &3=0,016.

Значение п зависит от Zib и io2. Уравнение (8.15) легко приводит­ся к виду, более удобному для обычных и машинных расчетов, пос­ле подстановки в него п из выражения (8.21):

HB = (0,016 K^Tpb0Jx Уу°д5 )7У0,23)°-3]°.57. (8.16)

В производственных условиях W3ых, рВых изменяются мало и по­этому, как видно из уравнения (8.16), определяющим является вли­яние на глубину ванны садки конвертера и расхода кислорода на одно сопло в единицу времени:

H3~k{Ti0jtiy . (8.17)

В расчетах hB следует учитывать возможность наиболее неблагопри­ятных условий службы днища, когда происходит значительное сли­яние струй, выходящих из сопел фурмы, и реакционных зоч (рабо­та сопел в нерасчетном режиме, недостаточный угол расхождения струй, быстрый износ фурмы и сопел), глубина проникновения ко­торых в ванну близка к значению L для односопловой фурмы (я= = 1). В этом случае глубина ванны должна быть максимальной, ее с учетом данных практики можно рассчитать по выражению

Лвтах~0,36(77о2)0’25. (8.18)

При удачной конструкции фурм, высокой их стойкости и работе со­пел в режиме, близком к расчетному, отмеченные явления отсутст­вуют и /гв следует рассчитывать по формулам (8.15) и (8.16).

Очень важно определить целесообразные значения Vry3 и высоты конвертера. Учитывая закономерности вспучивания ванны и данные практики, выбросы могут быть устранены при параметрах, рассчи­танных по приближенным уравнениям

HbhiTzb ^ AH1K = 2.9Й1 ^V’6; (8.19)

Vyl ^ 0,42iol Ag’5/я0’6. (8-20)

Из уравнения (8.20) находим

Для предотвращения выноса металла из конвертера необходимо, чтобы

AH = (Нвп — Ав) > OM(TioJn)0’42. (8.22)

После выполнения расчетов по формулам (8.19) и (8.22) выби­рают наибольшую Нвн. Значение Vyn следует определять путем со­вместного решения уравнений (8.20) и "(8.16), обеспечивая равенст­во величин Ууд и hB в обоих выражениях. С повышением интенсив­ности продувки следует соответственно увеличивать и число сопел в фурме. Однако возможности практики в этом отношении пока ограничены.

Желательно проектировать конвертеры и газоотводящий тракт с резервом допустимой интенсивности продувки 4—6 м3/(т-мин). Превышение указанного предела слабо сказывается на сокращении длительности цикла плавки и производительности агрегата.

Рассчитывая параметры конвертеров по приведенным выше фор­мулам для случая высокой интенсивности продувки (особенно для больших агрегатов) и ограниченной возможности увеличения п, можно получить завышенные значения Ууд, Hbн, что приведет к не­обходимости резкого повышения капитальных затрат на строитель­ство цехов. Этого можно избежать, ограничивая указанными пре­делами интенсивности продувки, а удельный объем значениями

Куд—0,7—0,9 и Куд—0,9—1,1 соответственно для случаев перера­ботки обычного передельного и высокофосфористого чугуна. Необ­ходимо также учитывать современную тенденцию к сокращению и оптимизации капитальных затрат, некоторому уменьшению удель­ного объема конвертеров с ростом их садки (для передельного чу­гуна) :

Vrya = 1/(1 + 10-37). (8.23)

Внутренний диаметр полости конвертера, т. е. диаметр зеркала ванны, можно определить по выражению

Где — коэффициент, зависящий от садки и формы нижней части конвертера. На основе обобщения данных практики найдено

Dbh = (0,599 -3,2 -IO-4 7") V TJhi. (8.25)

После определения главных параметров остальные размеры рассчитываются (или уточняются) по эмпирическим уравнениям с учетом известных геометрических соотношений. Диаметр горло­вины

Jr = О. ЗЗГ0’4, (8.26)

Внутренний объем конвертера

Принимая соотношение высоты верхней конической Якон и цилин­дрической Яцил частей конвертера

ЯК0Н/ЯЦНЛ = 0,45 + IO-3 Г, (8.28)

Находят Якон по уравнению

Уу _____________________________ У Vm_________________ ____________ ^Q 29)

К0Н_ + 4 +Amdr)/12+D2EH/4(0,45 + 10-3T)]’ ‘

Которое выводится из выражений

FIЦия FIкон = Нва Afl,

Величину Яцил определяют из выражении (8.28), а общую внутрен­нюю высоту из формулы

Толщина футеровки в цилиндрической части

В конической

*кон=’«Ия-0,15, (8.32)

А днища

*ли = *ш«я +0,125. (8.33),

Толщина металлического кожуха в цилиндрической части опре­деляется по формуле

8ЦИЛ = 0,015 V T. (8.34)

Диаметр выпускного отверстия

Dote = 0,1 + 3,3- IO-4Г. (8.35)

Для конвертеров донного кислородного дутья основные парамет­ры рассчитывают на основании эмпирических данных. Глубина кон­вертерной ванны определяется по выражению

Ha ss 0,35T0-23 (8.36)

Или более точному уравнению

/zB 0,3(ПО,/Яс)0’307 , (8.37)

А внутренний диаметр по формуле

Dbh = 0,475 VTJh^. (8.38)

Диаметр днища D\ находится по известным садке конвертера, Dbh и /гв (см. рис. 8.1). При заданном удельном объеме конвертера (Ууд=0,7—0,8 м3/т)

Hm = ^цил + j^KOH + К = H1 4- Hkok. (8.39)

Высота цилиндрической и конической частей конвертера может быть рассчитана по выражениям

Яцил = ЯкОИ/( 0,45 + 10-ЗГ); (8.40)

Уу __ ^R Ум __________________________________________ (841)

+ *? + Яви<*Г)/12 + D2mIHOt 45+ IO-3T)]’

Диаметр горловины

Jr =0,33 P’4. (8.42)

8.3. устройство конвертерного агрегата

Конвертерный агрегат (рис. 8.3) состоит из собственно конвер­тера 1, опорного кольца 2, цапф 3, подшипников 4, станин 5, меха­низма поворота 6.

В конвертеры верхнего кислородного дутья через горловину вво­дится водоохлаждаемая фурма для подачи кислорода 7 (рис. 8.3, а),

В конвертерах донного воздушного дутья воздух подводится — че­рез полую цапфу, воздухопровод, воздушную коробку 9 и сопла в днище 8 (рис. 8.3, б). При боковом дутье окислительный газ через полую цапфу и полое опорное кольцо 2 попадает в патрубок IOt а затем в воздушную коробку 9, из которой через сопла в стенке конвертера подается на поверхность (или в поверхностные слои) ванны (рис. 8.3, в).

При донной кислородной продувке (рис. 8.3, г) кислород, защит­ная среда и инертный газ подаются через систему трубопроводов U из полой цапфы 3 к фурмам, установленным в днище. Кожух кон-

Рис. 8.3. Устройство конвертерных агрегатов различных типов

Вертера выполняют из стали, что обеспечивает прочность всего кор­пуса и футеровки. Так как масса футеровки и садки в современных конвертерах достигает 1000 т и более, кожух испытывает значитель­ные статические напряжения. При повороте конвертера величина напряжений и их знак изменяются, возникают также динамические нагрузки переменного знака вследствие передачи крутящего момен­та на корпус.

В результате теплопереноса через футеровку в процессе работы кожух конвертера нагревается. Температура его у горловины может превышать 300 °С, в цилиндрической части составляет 200—300 и в области днища 200 °С. Все это необходимо учитывать при расчете кожуха на прочность. Для изготовления последнего надо использо­вать нестареющие стали. Стальные листы в зависимости от садки агрегата имеют толщину 15—100 мм и более. Кожух старых конвер­теров донного и бокового воздушного дутья был клепаным или свар­ным. Кожух современных конвертеров монтируется из отдельных гнутых или штампованных элементов путем их сварки непосредст­венно в конвертерном цехе.

Несмотря на меры предосторожно­сти, кожух в процессе работы деформи­руется, в нем появляются трещины, устраняемые при ремонте. Наиболее интенсивно кожух изнашивается в об­ласти горловины, где выходящие из конвертера газы непосредственно воз­действуют на стальной лист, в резуль­тате чего последний окисляется и сго­рает. Эту часть можно защитить мас­сивными стальными накладками 1 (рис. 8.4), которые болтами (ось бол­тов 2) крепятся к кожуху 3 в области футеровки горловины 4. Такие накладки изготавливают в виде трех — четырех сегментов по периметру горловины, заменяемых в случае необходимости. Иногда вместо накладок применяют водоохлаж — даемое кольцо, охватывающее весь периметр горловины. Вода под­водится и отводится по трубопроводам, проходящим через полую цапфу, и по кожуху от опорного кольца к горловине.

Корпус конвертера состоит из цилиндрической, верхней конус­ной (шлемовой) части и днища. Внизу цилиндрическая часть может заканчиваться конусным или сферическим участком (см. рис. 8.3, в), если конвертерная ванна имеет форму усеченного конуса (см. рис. 8.1, в). Шлемовая часть по кожуху и футеровке чаще всего пред­ставляет собой единое целое с цилиндрической. В настоящее время верхнюю конусную часть иногда делают съемной для облегчения ре­монта футеровки в том случае, когда днище конвертера неотъемное. Конусная и цилиндрическая части при этом имеют массивные флан­цы и крепятся болтовыми соединениями. В процессе работы при раз­личной температуре соединяемых частей их размеры изменяются неодинаково, что вызывает перекосы и затрудняет замену. Иногда на конвертерах донного воздушного дутья съемным является только верхний участок конусной части.

Днище конвертера во всех конвертерных агрегатах чаще всего делают отъемным. При донном воздушном и кислородном дутье это обусловлено тем, что футеровка днища изнашивается быстрее ци­линдрической части и его необходимо заменять в ходе кампании конвертера. При верхнем кислородном дутье отъемное днище по­зволяет облегчить и ускорить ремонт футеровки.

Если плоскость разъема днища близка к горизонтальной (рис. 8.5, а), днище называется приставным, а если к вертикаль­ной — вставным (рис. 8.5, б). Преимущество последнего заключает­ся в небольшой длине линии сочленения цилиндрической части и днища и более надежном уплотнении места разъема, что уменьшает опасность прорыва металла.

Рис. 8.4. Защита кожуха в районе горловины стальны­ми накладками

В конвертерах донного воздушного дутья приставные днища 2 отделяются от корпуса 1 вместе с воздушной коробкой 4 и частью воздухопровода 3 (рис. 8.5, а). Днище крепится к корпусу болтовы­ми соединениями (ось болтов 5) с помощью клиньев (чек). Встав­ные днища 2 (рис. 8.5,6), применяемые в томасовских конвертерах,

Рис. 8.5. Устройство приставного (а) и вставного (б) днищ конвертеров донного воздушного дутья

Вынимаются через воздушную коробку 4 после съема с нее крыш­ки 5 и выбивания брусков 3, поддерживающих днище со стальной плитой 6. Приставные днища заменяются быстрее, чем вставные.

Футеровку днищ конвертеров воздушного дутья делают набив­ной из сыпучей огнеупорной массы, уплотняемой вручную, вибро­трамбовками или на вибростолах. Если огнеупорная масса исполь­зуется в жидком состоянии, она наливается в кожух днища или форму. Наборные днища выкладываются из фасонных огнеупорных кирпичей. При донном воздушном дутье наиболее распространены набивные днища благодаря простоте изготовления.

На рис. 8.5, а показано днище с гнездами для фурм. Последние имеют форму усеченного конуса, высота которых равна толщине днища. Фурмы изготавливаются отдельно от днища из шамота или магнезита (для основных конвертеров) и имеют несколько сопел. В наиболее изнашиваемых местах можно заменять отдельные фур­мы, что несколько увеличивает срок службы днища. При изготовле­нии игольчатого днища (рис. 8,5, б) в форме перед засыпкой огне­упорной массы устанавливаются извлекаемые после набивки ме­таллические стержни толщиной, равной диаметру сопел.

В конвертерах бокового дутья днище и цилиндрическая часть представляют единое целое.

В конвертерах верхнего кислородного дутья футеровка днища и цилиндрическая часть выкладываются из огнеупорного кирпича одинакового состава. В конвертерах садкой 150—200 т днище часто делают приставным (рис. 8.6, а) и соединяют его с корпусом конвер­тера болтами (ось болта 1) с чеками, проходящими через отверстие в кронштейнах 2. При больших садке конвертера и диаметре ванны увеличивается периметр линии разъема и возрастает опасность про­текания металла в стык между днищем и цилиндрической частью. Поэтому для конвертеров садкой 250 т и больше днище делают вставным (рис. 8.6, б).

В современных конвертерах донного кислородного дутья днище также вставное (см. рис. 8.3, г). Однако в связи с тем, что та часть днища, в которой установлены фурмы (пробка), изнашивается наи­более интенсивно, ее делают сменяемой вместе с фурмами.

6

Рис. 8.6. Устройство приставного (а) и вставного (б) днищ конвертеров верхнего кислородного дутья

Для упрочнения осободеформируемой части корпуса конвертера, к которой крепятся цапфы, и соединения кожуха с последними ис­пользуются специальные конструкции несъемного и съемного типа. Иногда эту часть упрочняют с помощью усилительного пояса 1 швеллерного типа, изготовленного из стального листа толщиной 50—100 мм. Пояс, к которому приваривают или жестко присоеди­няют с помощью специальных болтов цапфы, приваривают к кожу­ху 2 конвертера (рис. 8.7, а). Вся конструкция несъемного типа. Несъемным является также и усиление в виде опорного кольца 3 коробчатого сечения, если последнее приваривается к кожуху конвертера 4 (рис. 8.7,6), с которым жестко соединяются цапфы.

Рассматриваемые несъемные конструкции просты в устройстве, компактны и дешевы, но имеют существенные недостатки. Нагрев кожуха и опорного кольца до разных температур, отсутствие усло­вий для беспрепятственного расширения способствуют возникнове­нию значительных напряжений в кожухе, его растрескиванию, пере­косу цапф и деформации подшипников. Поэтому опорное кольцо ча­ще делают съемным. Зазор между опорным кольцом и кожухом обеспечивает свободное расширение последнего, что снимает напря­жения, свойственные несъемному типу усиления.

Для конвертеров небольшой садки (бокового и донного воздуш­ного дутья) опорное кольцо может быть цельным литым (заодно с цапфами) со швеллерным сечением. Обычно же оно сварное (из стального листа толщиной 100—150 мм) и имеет коробчатое се­чение.

При использовании опорного коль­ца съемной конструкции возникает не­обходимость в специальных устройст­вах для так называемого «плавающего» соединения (крепления) опорного коль­ца с корпусом конвертера. Эти устрой­ства должны быть достаточно прочны­ми, надежно крепить корпус в опорном кольце при любом положении конвер­тера и обеспечивать расширение кожу — D 0, „

Г „ Рис. 8.7. Несъемные типы

А

Ха, не допуская ударов при повороте усиления кожуха в районе агрегата. цапф

Рис. 8.8. Типы крепления опорного кольца к корпусу конвертера донного воз­душного дутья

На рис. 8.8 показаны типы крепления опорного кольца к корпу­су конвертера донного воздушного дутья. Внутри кожуха 6 выкла­дываются футеровка 7 и изоляционный слой 1. При болтовом креп­лении (рис. 8.8, а) опорное кольцо соединяется с конвертером с по­мощью 8—12 кронштейнов 2, приваренных к кожуху 6, и болтов 5, входящих в отверстия в кронштейнах и опорном кольце 4. В этом случае последнее отделено от кожуха зазором 3, что уменьшает его нагрев. Для безболтового крепления опорного кольца 9 (рис. 8.8,6) служат 6—12 литых уголков 10, расположенных равномерно по пе­риметру кожуха 8. Уголки крепятся к кожуху и входят в пазы опор­ного кольца. При креплении показанного на рис. 8.8, в типа корпус конвертера можно достаточно быстро отсоединить, удаляя чеки 12 из болтов 11, клинья 13 и бруски 15 из проушин в кольцах 14. Это крепление применяется при ремонтах конвертеров на специальном стенде.

Некоторые используемые в конвертерах верхнего кислородного дутья типы крепления опорного кольца к корпусу показаны на рис. 8.9. В ряде случаев к кожуху 1 приваривается кольцо 2, кото­рое входит в лаз на кронштейне 3 (рис. 8.9, а). В упрощенном ва­рианте оба кронштейна (верхний и нижний) привариваются к кор­пусу конвертера. Опорное кольцо 4 зажато между шестью парами равномерно расположенных по периметру кожуха кронштейнов 3 и 5, две пары из которых находятся в плоскости цапф. На опорном кольце 4 приварены полки 6, подходящие вплотную к кронштейнам, что исключает возможность продвижения опорного кольца. Иногда к кожуху 1 привариваются верхний 7 и нижний 9 фланцы с ребрами жесткости 8 между ними (рис. 8.9,6). Между фланцем 9 и крон­штейнами 12 находится опорное кольцо 4, которое с помощью бол­тов 10 (8—10 штук по периметру), проходящих через овальные про­рези во фланце 9 и опорном кольце 4, крепится к фланцу 9. На конец болта навинчивается гайка 11 через специальные окна в наруж­ной стенке опорного кольца. В каждый из кронштейнов 12 с обеих

Родного дутья

Сторон упираются полки (рис. 8.9, а), что ограничивает движение корпуса и опорного кольца в тангенциальном направлении.

В других случаях по периметру кожуха 1 приваривают 16 ста­канов 13 (рис. 8.9, в). Болт 16 своей головкой 15 ввинчивается во фланец 14, приваренный на опорном кольце 4, и проходит через от­верстие в опорном кольце 4 и стакане 13.

Опорное кольцо в процессе работы конвертера нагревается до 150—250 0C, что обусловливает возникновение деформаций. Для уменьшения воздействия на опорное кольцо выбросов металла и шлака его защищают экраном из стального листа, приваренного к ко­жуху и нависающего над опорным кольцом (рис. 8.9, б). Для увели­чения прочности опорного кольца на внутренней его поверхности в районе цапф приваривают ребра жесткости. Для создания водяного охлаждения внутри опорного кольца на его стенке, обращенной к корпусу, укладывают трубы, по которым циркулирует вода.

Разность температур на внутренней и наружной стенках опор­ного кольца вызывает различное их расширение, приводящее к воз­никновению напряжений и деформаций. Для их устранения исполь­зуют секционно изготовленное опорное кольцо с шарнирными соеди­нениями отдельных секций.

Цапфы изготавливаются из стальных поковок, в ряде случаев полых. Через последние к корпусу конвертера извне подводятся раз­личные коммуникации.

Водяное или воздушное охлаждение полой цапфы позволяет из­бежать ее деформации при нагреве и не допустить перегрева под­шипника выше 100—120 °С. Но даже при такой температуре, учиты­вая значительную запыленность атмосферы, нельзя пользоваться обычными смазками, поэтому смазкой служит дисульфид молиб­дена.

281

В случае использования отдельного опорного кольца фланец на торце цапфы и прилив на внутренней стенке опорного кольца соеди­няются с помощью болтов. Цапфу в опорном кольце можно также крепить путем запрессовки. Эту операцию выполняют непосредст-

10 193

Рис. 8.10. Схема размещения оборудования привода кислородных конвертеров

Венно в цехе, предварительно охлаждая цапфу жидким азотом.

Цапфы опираются на подшипники. Для малых конвертеров в свое время использовали подшипники скольжения с чугунными или бронзовыми вкладышами. В настоящее время применяют подшип­ники качения. Со стороны привода устанавливается сферический двухрядный роликовый подшипник, с холостой — цилиндрический роликовый. Подшипники опираются на стальные литые или сварные станины. Фундамент опоры не связан с фундаментом здания. Сталь­ную опору футеруют шамотным кирпичом для защиты от попадаю­щего на нее металла и шлака при продувке и выпуске плавки.

Конвертер приводится во вращение с помощью механизма пово­рота. На конвертерах донного воздушного дутья чаще применяли гидравлический привод, связанный с зубчатой рейкой, насаженной на цапфу конвертера. В современных конвертерах верхнего и донно­го кислородного дутья привод электромеханический. Оборудование привода может размещаться на рабочей площадке (рис. 8.10, а). В этом случае крутящий момент от электродвигателей 1 через ци­линдрический редуктор 2 и соединительную муфту или универсаль­ный шпиндель 3 передается на цапфу 5, установленную в подшипни­ке 4, для поворота конвертера 6. Конвертеры садкой до 130 т имеют односторонний привод с двумя электродвигателями. При выходе из строя одного из электродвигателей второй с небольшим перегрузом обеспечивает поворот конвертера. Если садка свыше 200 т, конвер­тер часто имеет двусторонний привод.

В последнее время широко распространены односторонние при­воды навесного типа (рис. 8.10,6). У них крутящий момент от элек­тродвигателей 1 через планетарные редукторы передается на боль­шое зубчатое колесо, насаженное на цапфу 2, благодаря чему кон­вертер 3 приводится во вращение. Привод такого типа занимает мало места в цехе, а выход одного двигателя из строя практически не влияет на его работу.

У привода, оборудование которого размещается на рабочей пло­щадке, зачастую возникает перекос валов, в частности нарушение соосности вала редуктора и цапфы, в результате чего соединитель­ная муфта 4 (рис. 8.10, а) быстро выходит из строя. Универсальный шпиндель в этих условиях работает несколько лучше, но не вполне надежен. В случае же использования навесного привода рассматри­ваемые нарушения не возникают вообще, в чем и заключается ос­новное его преимущество.

Современный привод обеспечивает полный оборот конвертера со скоростью вращения на подаче под завалку (1,7—2,5) — IO-2C-1, а на сливе 1,7-IO-3C-1. Привод должен выдерживать не только статиче­ские нагрузки опрокидывающего момента, возникающего от дейст­вия массы конвертера (определяемые наличием плеча — расстояния от оси цапф до центра тяжести, располагающегося ниже этой оси), но и динамические, появляющиеся, например, в период завалки ло­ма. При повороте конвертера они в два-три раза, а в случае обрыва настыли с горловины — в три-четыре раза превышают статические нагрузки.

8.4. дутьевые устройства

В конвертеры донного воздушного дутья воздух подается с по­мощью воздуходувной машины. Производительность ее должна обеспечивать заданную интенсивность подачи воздуха /возд, опреде­ляемую удельным расходом воздуха на 1 т садки Увозд (см. табл. 8.2) и выбранной продолжительностью продувки тпрод’-

^возд = vBOIU 77тпрод — (8.43)

Ееличина Увозд может быть также рассчитана с учетом теоретически необходимого для окисления компонентов чугуна Vrsraa и коэффици­ента усвоения кислорода дутья г|возД:

»возд = 7возд/^возд — (8.44)

На практике г|ВОзд составляет 0,6—0,8 в зависимости от характера дутьевого режима и свойств продуваемого чугуна.

Дутье от воздуходувной машины подается в магистраль с избы­точным давлением 0,2—0,3 МПа соответственно типу воздуходув­ки. Скорость выхода воздуха из сопел даВых, принимая во внимание порядок ее величины, можно рассчитать по выражению (1.6). Это позволяет определить сечение всех сопел Fc, обеспечивающее необ­ходимый расход воздуха /возд при данной шВых

/7C = /воздМ>вых. (8.45)

А затем по величине критического диаметра сопла dKр найти количе­ство сопел.

Сопла (или фурмы) равномерно размещаются в пределах круга (площади дутья), диаметр которого может быть определен, напри­мер, по соотношению (3.17) или по условию обеспечения необходи­мого циркуляционного сечения.

Ю*

283

Для конвертеров бокового воздушного дутья схема расчетов в основном аналогична, но имеются следующие отличия. Коэффици­ент усвоения кислорода воздуха на окисление элементов составляет так как она меньше 0,4, задаются не диаметром сопел, а их ко — 0,2—0,3, выходная скорость дутья рассчитывается по формуле (1.3), личеством (пять — девять, чаще шесть).