Расчет парамертров кислородного конвертора

      Вторая  стадия – основное (окислительное) рафинирование, которое при производстве стали массового потребления обычно является единственным видом рафинирования. При его использованию поддаются управлению, прежде всего, обезуглероживание, дефосфорация и десульфурация. Кроме того, основная цель в управлении плавкой стоит в обеспечении синхронного протекания процессов окислительного рафинирования и нагрева металла, т.е. оба эти процесса должны заканчиваться одновременно.

      Процесс обезуглероживания металла регулируется изменением расхода кислорода, поступающего в ванну. При этом характерно, что реакция окисления углерода может быть как явно экзотермической, если она протекает за счет газообразного кислорода, так и резко эндотермической, если она протекает за счет кислорода твердых окислителей.

      Этот  факт используется для регулирования температуры ванны при синхронизации процессов обезуглероживания и нагрева ванны.

      Процессы  дефосфорации и десульфурации осуществляются регулированием шлакового режима плавки, т.е. изменением химического состава и количества шлака.

      Химический  состав и количество шлака зависят, в основном, от количества кремния в чугуне и от расхода шлакообразующих материалов.

      Поэтому расчеты, связанные с управлением  шлаковым режимом (десульфурация и дефосфорация) сводятся к определению количества шлака и соответственного расхода флюсов.

      Раскисление - легирование металла является обязательным и заключительным этапом плавки, обеспечивающим получение заданного содержания примесей в готовой стали. Поэтому этот этап является весьма ответственным, поскольку определяет качество литого и готового металла. 
 

     2.2 Описание конвертора 

     Конвертор представляет собой сосуд грушевидной  формы. Верхнюю часть называют козырьком  или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и сливают сталь и шлак.

     Средняя часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище, которое по мере износа заменяют новым. 
К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух.

     Емкость современных конвекторов равна 60 – 100 т и более, а давление воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

     Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального положения, при  котором отверстия фурм оказываются  выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.

     При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.

     Бессемеровский  процесс протекает следующим  образом. В конвертор заливают жидкий чугун с достаточно высоким содержанием кремния (до 2,25 % и выше), марганца (0,6-0,9 %), и минимальным количеством серы и фосфора.

     По  характеру происходящей реакции  бессемеровский процесс можно разбить  на три периода. Первый период начинается после пуска дутья в конвертор и продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр. В этот период окисляются кремний, марганец и частично железа по реакциям: 

     

 

     

 

     

 

     Образующаяся  закись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшему  окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак получается кислым (40-50% SiO2).

     Второй  период начинается после почти полного  выгорания кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются благоприятные условия для окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает с поглощением тепла. Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора появляется яркое пламя.

     По  мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается и начинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает, что из чугуна почти полностью выгорели кремний, марганец и углерод и началось очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не более 2 – 3 мин, после чего конвектор переворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или алюминий) для понижения содержания кислорода в металле. В металле происходят реакции

     

 

      

 

      

 

     Готовую сталь выливают из конвектора в ковш, а затем направляют на разливку.

     Чтобы получить сталь с заранее заданным количеством углерода (например, 0,4 – 0,7% С), продувку металла прекращают в тот момент, когда из него углерод еще не выгорел, или можно допустить полное выгорание углерода, а затем добавить определенное количество чугуна или содержащих углерод определенное количество ферросплавов.

     Томасовский процесс осуществляется так. В конвертор с основной футеровкой сначала загружают свежеобожженную известь, а затем заливают чугун, содержащий 1,6-2,0% Р, до 0,6% Si и до 0,8% S. В томасовском конверторе образуется известковый шлак, необходимый для извлечения и связывания фосфора. Заполнение конвертора жидким чугуном, подъем конвертора, и пуск дутья происходят также как и в бессемеровском процессе.

     В первый период продувки в конвекторе окисляется железо, кремний, марганец и формируется известковый шлак. В этот период температура металла несколько повышается.

     Во  второй период продувки выгорает углерод, что сопровождается некоторым понижением температуры металла. Когда содержание углерода в металле достигнет менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет. Наступает третий период, вовремя которого интенсивно окисляется фосфор

     В результате окисления фосфор переходит  из металла в шлак, поскольку тетрафосфат кальция может раствориться только в нем. Томасовские шлаки содержат 16 – 24% .

     Данная реакция сопровождается выделением значительного количества тепла, за счет которого происходит более резкое повышение температуры металла.

     Перед раскислением металла из конвертора необходимо удалить шлак, т.к. содержащиеся в раскислителях углерод, кремний, марганец будут восстанавливать фосфор из шлака, и переводить его в металл. Томасовскую сталь применяют для изготовления кровельного железа, проволоки и сортового проката.

       Для интенсификации бессемеровского и томасовского процессов в последние годы начали применять обогащенное кислородом дутье.

     При бессемеровском процессе обогащения дутья  кислородом позволяет сократить  продолжительность продувки и увеличить  производительность конвертора и долю стального скрапа, подаваемого в  металлическую ванну в процессе плавки.

     Главным достоинством кислородного дутья является снижение содержания азота в стали с 0,012-0,025 %(при воздушном дутье) до 0,008- 
0,004 %(при кислородном дутье). Введение в состав дутья смеси кислорода с водяным паром или углекислым газом позволяет повысить качество бессемеровской стали, до качества стали, выплавляемой в мартеновских и электрических печах.

     Большой интерес представляет использование  чистого кислорода для выплавки чугуна в глуходонных конверторах  сверху с помощью водоохлаждаемых фурм.

     Производство  стали кислородно-конверторным способом с каждым годом увеличивается. 
 

      2.3 Конверторный пролет 

      В конверторной пролете размещены конвертора, бункера для приема, хранения и завалки в конвертора сыпучих материалов и устройства для удаления конверторных газов.

      Для хранения текущего запаса сыпучих шихтовых материалов каждый конвертор имеет 4-8 расходных бункеров. Их ёмкости должны обеспечивать необходимый запас соответствующих материалов на 15-40 часов работы конвертора.

      Комплекс  подачи и завалки сыпучих материалов в конвертора состоит из трех узлов:

      а) узел подачи сыпучих материалов в  расходные бункера;

      б) узел подачи сыпучих материалов из расходных бункеров в промежуточный бункер;

      в) узел подачи сыпучих из промежуточного бункера в конвертор.

      В цехах с крупнотоннажными конверторами бункера запаса сыпучих устанавливаются в отдельном пролете шириной 12 м.

      В одной из торцов конверторного пролета устанавливаются промежуточные бункера для ферросплавов. Длина участка ферросплавов 60-108 м. Загрузка ферросплавов в бункера осуществляется с помощью тележки или мостового крана. Передача ферросплавов к конверторам в большинстве цехов осуществляется автопогрузчиками.

      С другой стороны конверторного пролета делается участок для хранения оборудования и огнеупоров длиной 36-72 м.

      Обслуживание  конверторов и агрегатов, связанных с их работой, производится с рабочих площадок, расположенных на различных отметках от уровня пола цеха.

     Главная рабочая площадка, на которой производятся основные работы по обслуживанию конверторов, является продолжением площадки загрузочного пролета. 

      3 Расчёт параметров кислородного конвертора 

      Для проектируемого конвертора основными  данными для расчёта геометрических размеров являются садка конвертора и его удельный объём , который выбирается в пределах 0,8-1 . Остальные размеры конвертора выбираются на основании накопленного опыта эксплуатации действующих агрегатов, либо рассчитываются по известным эмпирическим или функциональным зависимостям.

      В расчёте принимаем, что профиль  конвертора состоит из центральной  цилиндрической части, верхней и  нижней конической частей и донной части в виде шарового сегмента.  

      3.1 Расчёт размеров кислородного конвертора   

      Основные  исходные данные для расчёта: 

      

      

 

      Кроме того, конструктивно принимаются:

1. Угол наклона образующей горловины конвертора к горизонтали
2. Угол укоса нижней конической части
3. Конвертор рассчитывается на удельную интенсивность продувки
4. Глубина жидкого металла в спокойном состоянии

      При этом предполагается, что весь металл в спокойном состоянии помещается в нижней части конвертора, состоящей из шарового сегмента и усечённого конуса.

      Для того, чтобы исключить контакт  футеровки днища с высокотемпературной реакционной зоной и тем самым предотвратить его быстрое разрушение, необходимо, чтобы толщина слоя металла была больше, чем глубина проникновения кислородной струи в металл.

      Глубину проникновения струи в металл определяем по формуле: 

                                                            (1)   

где:  - глубина лунки, образованной при внедрении струи кислорода в металл, м;

         - расстояние от среза головки фурмы до металлической ванны, м;

         - плотность жидкого металла (7000 );

         - общий расход кислорода, ;