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
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).