Содержание
Задание. 2
Содержание. 3
Введение. 4
Производство стали в конвертерах на кислородном дутье. 5
Кислородно-конвертерный процесс. 5
Конструкция кислородного конвертера. 6
Примерный расчет кислородного конвертора. 7
Материальный баланс. 8
Определение основных размеров конвертера. 11
Расчет кислородной фурмы… 12
Тепловой баланс. 13
Список использованной литературы… 18
Введение
Вконвертерах получают сталь из жидкого чугуна путем окисления C, Si, Mn, P и S до заданных пределов,соответствующих составу стали. Окислителем является кислород, содержащийся ввоздухе, или технический чистый кислород. Реакции окисления примесейэкзотермичны, сопровождаются выделением большого количества тепла, достаточногодля нагрева стали до заданной температуры. Таким образом, в конвертерныхпроцессах тепло необходимое для нагрева шихтовых материалов, выделяется в самомматериале за счет химических реакций, т. е. за счет эффекта теплогенерации.
Выплавкастали в конвертерах является самым высокопроизводительным способом переделачугуна в сталь. Сущность конвертерного производство стали заключается впродувке жидкого чугуна воздухом (бессемеровский и томасовский процессы) иликислородом (кислородно-конвертерный процесс). Несмотря на высокуюпроизводительность конвертеров с воздушным дутьем, не находят широкогораспространения главным образом вследствие низкого качества выплавляемогометала и особых требований к составу чугуна. Поэтому конвертеры воздушнымдутьем практически вытеснены кислородными.
Кислородно-конвертерныйспособ производства стали заключается в том, что технически чистый кислородчерез водоохлаждаемую фурму в виде струи вводят в жидкий чугун сверху. В месте соприкосновенияструи кислорода и металла происходит бурное окисление примесей чугуна, чтоприводит к значительному повышению температуры металла. Значительный избытоктепла дает возможность перерабатывать обычные чугуны с добавкой скрапа железнойруды и извести.
Производствостали в конвертерах на кислородном дутье
Обогащение дутья кислородом увеличивает производительностьконвертеров и улучшает качество стали. Ускоренное окисление примесей сокращаетдлительность продувки и улучшает тепловой баланс конвертера: потери теплазависят от продолжительности передела и количества газов, которое при обогащенномдутье уменьшается. В результате этого выявляются резервы тепла, позволяющиевводить охлаждающие добавки — скрап или железную руду и этим резко увеличитьпроизводительность по стали.
Полная замена воздушного дутья техническим кислородом могла быполностью исключить азот из газов и резко снизить содержание его в стали.Однако при продувке чугуна через днище конвертера техническим кислородом илидутьем высокого обогащения окислительные процессы развиваются с такой высокойинтенсивностью и с таким большим выделением тепла, что из-за местного перегревау входа дутья фурмы и днище быстро прогорают и требуют частой замены. В связи сэтим обогащение дутья кислородом возможно не более чем до 35%. Продувая чугунвоздухом, обогащенным до 30% О2, удается получить сталь сконцентрацией азота 0,008—0,005%, близкую по качеству к мартеновской. Полноеисключение азота из дутья возможно путем применения кислорода в смесях сводяным паром или двуокисью углерода. Диссоциация Н2О и СО2способствует поглощению избытка тепла и предупреждает местный перегрев, сохраняяфурмы и днище от преждевременного износа. Азот в стали таким путем снижается досодержания ~0,002%. Хорошо удаляются фосфор и сера. Продувка чугуна газовымисмесями распространена на ряде европейских заводов.
Кислородно-конвертерный процесс
Идея окисления чугуна кислородом сверху возникла при обдувеметалла в ковше в 1934 г. А. И. Мозговым. В промышленном масштабе она былаосуществлена на заводах Австрии в Линце и Донавице в 1952—1953 гг. С тех пордоля стали, выплавленной в кислородных конвертерах, непрерывно возрастает.Способ заключается в обработке жидкого чугуна в глуходонных конверторахкислородом, подаваемым при высоком давлении (800—1200 кН/м2)вертикальной фурмой, введенной через горловину (рис.1).
Применение технического кислорода делает процесс независимым отсостава чугуна; даже при малом содержании одного или нескольких элементов,дающих наибольший приход тепла (Si, Мn, Р), можно конвертировать чугун в сталь. Основная футеровкаи основные шлаки позволяют успешно перерабатывать чугун с повышеннымсодержанием фосфора и серы. Кислородно-конвертерным способом перерабатываютчугун любого состава, однако наиболее выгодно следующее содержание примесей:3,7—4,4% С; 0,3—1,7% Si; 0,4—2,5% Мп; 0,3% Р; 0,03—0,08% 5. Возможностьконвертерного передела мартеновского чугуна позволяет упростить доменное производстводанного завода выплавкой одного вида чугуна для двух передельных цехов. Чугунс содержанием 0,2—0,3% фосфора продувают с промежуточным сливом и наводкойнового шлака. Количество добавляемого скрапа определяется содержанием кремнияи марганца в чугуне и его температурой; оно достигает 25—30% от массы чугуна.Железная руда, применяемая как охладитель, должна содержать менее 8 % Si. Расход известисоставляет до 9 % от массы металлической шихты.
Конвертерыновой конструкции имеют так называемую «тигельную» форму, т. е. делаются безразъемов. Цапфами, закрепленными на корпусе секторами или кольцом, конверторопирается на станины. Для поворачивания 100-тонного конвертора ставят дваэлектродвигателя. Мощность каждого электродвигателя равна 95 кВт. Футеровкакислородного конвертора — двухслойная: слой, примыкающий к кожуху, изготовлениз магнезитового кирпича и служит несколько лет, внутренний слой, рабочий,заменяемый при каждом ремонте, выполнен из смолодоломитового илисмолодоломитомагнезитового кирпича и выдерживает до 600 плавок.
Кислородное дутье подают вертикальной водоохлаждаемой фурмой,которую можно перемещать по высоте. Она состоит из трех коаксиально сваренныхтруб. По внутренней трубе подается кислород, по наружным — подводится и отводитсяохлаждающая вода. Формирование кислородной струи производится медной головкойс одним или несколькими соплами. Сопло Ла-валя позволяет подавать кислород соскоростью более 500 м/с.
Изменяя расстояние от фурмы до поверхности ванны, управляют глубинойвнедрения струи и образования зоны контакта ее со шлаком и металлом.Окислительные процессы в шлаке и на границе шлак — металл регулируютизменением расхода кислорода. В реакционной зоне возникают высокиетемпературы, достигающие 2200—2400° С. Они вызывают испарение железа и егоокисление в газах с выделением из конвертера бурого дыма. По этой причине из газов кислородныхконвертеров необходимо улавливать пыль, состоящую из окислов железа.
Кислородно-конвертерный цех состоит из четырех пролетов — загрузочного,конвертерного и двух разливочных. Разливочные пролеты современных цехов имеютмашины литья заготовок (МНЛЗ).
Кислородно-конвертерный процесс по химизму не отличается отбессемеровского и томасовского. Здесь также сначала окисляется железо, образующаясязакись железа растворяется в металле, переходит в шлак, образуя железистыйшлак, и окисляет примеси чугуна. Высокое давление дутья [(9,8—11,7)∙105кН/м2] и его сильное окислительное воздействие в малой по объемуреакционной зоне с высокими температурами создают условия для одновременногоили практически одновременного окисления примесей, чугуна (51, Мп, С). Периодыокисления отдельных элементов, типичные для донной продувки чугуна воздухом,здесь выражены слабо (рис. 226). Окисление кремния заканчивается за первые 3—5мин. Марганец окисляется одновременно, однако с меньшей полнотой, а затемчастично вновь восстанавливается из шлака.
Важная особенность кислородно-конвертерного процесса —возможность окисления фосфора вскоре после подачи кислорода и дальнейшееусиление дефосфорации. Это объясняется быстрым образованием необходимогоизвестково-железистого шлака. Окисление углерода также начинается сразу посленачала подачи дутья. Средняя скорость выгорания углерода составляет 0,4—0,5%с/мин. Интенсивное выделение газовых пузырей поднимает уровень расплавов исоздает режим заглубленной струи. Десульфурация происходит в менееблагоприятных условиях, чем дефосфорация, но успешнее, чем при донномвоздушном дутье, достигая 40%, причем до />серыпереходит в газы в виде SО2.
Возможность быстрого образования основного шлака в началепродувки позволяет успешно перерабатывать фосфористые чугуны, получая годныедля удобрения шлаки, богатые Р2Оз. Один из способов состоит вприменении кусковой извести. В конверторе оставляют конечный шлак предыдущейплавки, добавляют к нему до 1/5 общего расхода извести,продувают, вводя постепенно еще 20—25% СаО и железную руду. В слитом послеэтого шлаке оказывается не менее 20%Р2О5. Продолжая продувку, добавляют скрап, остальное количество извести и железнуюруду. По другому способу (ОLP) известь в виде порошка вдувают черезкислородную фурму. Железную руду загружают перед продувкой и после сливапромежуточного шлака. Во втором периоде добавляют скрап (охладитель),остальную известь и необходимое количество железной руды.
Применение технического кислорода резко улучшает качествоконвертерной стали, прежде всего по азоту, концентрация которого снижается до0,007—0,002%. Механические свойства кислородно-конвертерной стали приближаютсяк свойствам мартеновской стали и даже превышают их.
В настоящее время освоена выплавка кислородным конвертированиеммалоуглеродистой (кипящей и спокойной), рельсовой, низколегированной,динамной, трансформаторной, судостроительной, электротехнической и другихсталей.
Тепловой баланс передела позволяет перерабатывать большиеколичества скрапа и использовать железную руду, что повышает технико-экономическуюэффективность кислородно-конвертерного производства. С увеличением емкостиконвертеров до 300—350 т эффективность производства увеличивается. Расход напередел кислородно-конвертерным процессом — низкий, основная доля всебестоимости стали — стоимость материалов; строительство и ввод в действиеконвертеров и конвертерных цехов осуществляется в более короткие сроки изначительно дешевле мартеновских. Эти особенности определили на ближайшеевремя кислородно-конвертерное производство — основным направлением развитиясталеварения.Примерный расчеткислородного конвертора
Рассчитать конвертер емкостью G= 150 т при продувкеметалла техническим кислородом (99,5 % О2+0,5 % N2) сверху. Шихтасодержит 77 % чугуна и 23 % скрапа, состав которых и стали перед раскислениемследующий: C Si Mn P S чугун (77%) 3,8 1,0 0,9 0,2 0,05 скрап (23%) 0,1 - 0,5 0,04 0,04 средний состав шихты 2,759 0,72 0,763 0,033 0,045 сталь перед раскислением 0,1 - 0,04 0,01 0,025
Расход футеровки (периклазошпинелидный кирпич) примем равным 0,25% массы садки.
Расчет конвертера включает:
1) расчетматериального баланса;
2) расчетосновных размеров конвертера;
3) расчеткислородной фурмы;
4) расчеттеплового балансаМатериальный баланс
Угар примесей определим как разность между средним содержаниемэлемента в шихте и в стали перед раскислением (расчет проводим на 100 кгшихты).
Теперьопределяем конечный состав шлака.
Всоответствии с практическими данными примем, что содержание FeO и Fe2 O3 в конечном шлаке соответственноравно 15 и 5%.Тогда масса шлака без оксидов железа равна 80 % или согласнопредыдущей таблице 10,379, а общая масса шлака Lшл = 10,379/0,8=12,974 кг.
Массаоксидов железа в шлаке равна 12,974 — 10,379 = 2,595 кг, из которых 0,649 кг Fe2O3 b 1.946 или FeO.
Такимобразом, состав конечного шлака следующий:
SiO2 CaO MgO
Al2O3
Cr2O3 S MnO
P2O5
Fe2O3 FeO кг 1,8865 6,623 0,446 0,3705 0,03 0,0286 0,933 0,0613 0,649 1,946 % 14,54 51,05 3,44 2,86 0,23 0,22 7,19 0,47 5,00 15,00
Окислится железа, кг:
До Fe2O3…0.649-0.197=0.452
До FeO…1,946
Здесь 0,197 кг –количество Fe2O3, поступающее из различных источников.
Поступит железа изметалла в шлак
1,946∙56:72+0,452∙112:160=1,514+0,319=1,833кг.
Выход годного составит
100-5,645-0,5-1,0-1,833=91,022кг
где 5,645 – угарпримесей, кг;
0,5 – количество железа,уносимого со шлаком, кг;
1,0 – потери железа свыбросами, кг;
1,833 – потери железа наобразование окислов железа в шлаке, кг.
Расход кислорода наокисление железа (определяем как разность между массами окисла и исходногоэлемента):
(1,946-1,514)+(0,649-0,319)=0,762кг
Расход кислорода наокисление всех примесей
5,607+0,762=6,369 кг.
Принимая коэффициентусвоения подаваемого в ванну кислорода равным 0,9, определим необходимоеколичество технического кислорода на 100 кг садки
6,369∙22,4/(0,995∙0,9∙32)=4,98м3.
Расход кислорода на 1 тсадки равен 49,8 м3/т.
Количество подаваемогоазота равно
4,98∙0,005=0,025 м3 или 0,031 кг.
Количество неусвоенногокислорода
(4,98-0,025)∙0,05=0,248м3 или 0,354 кг.
Масса техническогокислорода равна
6,369+0,031+0,354=6,754кг.Определениеосновных размеров конвертера
Внутренний диаметр Dвн конвертера и глубина жидкой ванны вспокойном состоянии hиобщая высота H1зависят от его садки (рис. 2):Садка, т 50 100 150 200 250 300
Dвн 3,3 4,2 4,93 5,5 6,2 6,9
h 1,1 1,4 1,5 1,6 1,7 2,0
H1 1,55 1,47 1,4 1,3 1,22 1,25
Толщинуфутеровки конвертера обычно принимают: конусной части 508-888 мм;цилиндрической части 711-990 мм; днища 748-1120 мм.
В соответствии сприведенными рекомендациями выбираем Dвн=4,93 м и Н1/Dвн=1,4. Тогда высота рабочегопространства равна
Н1=4,93∙1,4=6,9 м.
Диаметр горловиныпринимаем равным
Dr=0,55Dвн=0,55∙4,93=2,7 м
Высота горловины при углеее наклона а=60° равна
Нr=(Dвн-Dr)tg60°=0,5(4,93-2,7)1,732=1,93 м.
Объем конвертера находимпо упрощенной формуле
/> м3.
Принимая толщинуфутеровки днища равной δф=1 м и толщину кожуха δкож=0,03м, определим общую высоту конвертера
Н=6,9+1,0+0,03=7,93 м.
Наружный диаметрконвертера при средней толщине футеровки стен δф.ст=0,85 м итолщине кожуха δкож=0,03 м равен
Dнар=4,93+2∙0,85+2∙0,03=6,69м Расчет кислородной фурмы
При расчете материальногобаланса было найдено, что расход технического кислорода на 1т садки должен бытьравен 49,8м3.общий расход кислорода на садку 150т должен быть равен
49,8∙150=7470 м3.
Принимая интенсивностьпродувки равной 8,38∙10-5 м3 /(кг∙с) найдем,что расход кислорода равен
8,33∙10-5∙150∙103=12,5м3/с.
Тогда продолжительностьпродувки равна
7470:12,5=597,6 с (9,96мин).
Длительность паузы междупродувками примем равной 1080 с (18 мин).Тогда общая продолжительность цикларавна
597,6+1080=1678 с (27,96мин).
Массовый расходтехнического кислорода на садку 150т равен
6,754:100∙150∙103=10131кг
здесь 6,754 кг-массатехнического кислорода, расходуемого на 100кг садки, заимствована изматериального баланса, а его секундный расход
10131:9,96:60=16,95кг/с.
Далее, задаваясьвеличиной давления технического кислорода в цехе, определяем давление кислородаперед фурмой. Затем производим расчет сопла. При многосопельной фурме расходкислорода делим на число сопел.
Для упрощенных расчетовдиаметра цилиндрического сопла шестисопельной фурмы можно воспользоватьсяформулой Б. Л. Маркова
d=7.13∙103/> мм,
где vф – расход кислорода на фурму, м3/сТепловой баланс
Приход тепла:
1. Тепло, вносимоечугунами (tч=1300°С):
Qч=GDч[счтвtпл.ч+Lч+счж∙(tч-tпл.ч)]
Qч =150∙103∙0,77∙[0,745∙1200+217,22+0,837∙(1300-1200)]=138,013ГДж/,
где Dч=0,77– доля чугуна в шихте; чтв=0,745 кДж – средняя удельнаятеплоемкость твердого чугуна в интервале температур 0 /> 1200°С; счж=0,837кДж – средняя удельная теплоемкость жидкого чугуна в интервале температур 1200 /> 1300°С; Lч=217,72кДж/кг – скрытая теплота плавления чугуна; tч= 1300°С –температура заливаемого чугуна; tпл. ч=1200 – температураплавления чугуна; G=150∙103 — емкость конвертера.
2. Тепло, вносимоескрапом (tск=20°С):
Qск=сск∙Dск∙G∙tск
Qск=0,469∙150∙103∙0,23∙20=0,342ГДж
где сск=0,469кДж – удельная теплоемкость скрапа при tск=20°С; Dск=0,23– доля скрапа в шихте;
3. Тепло экзотермическихреакций.
4. Расходшлакообразования:
SiO2→(CaO2)SiO2… 0,01543∙150∙10∙28:60∙2,32=5369,142
P2O5→(CaO)3P2O5∙CaO… 0,00053∙150∙10∙142∙4,71=372,166
здесь первая колонка –доля оксида; третья и четвертая – молекулярные массы элемента и соединениясоответственно; пятая – тепловые эффекты реакции шлакообразования, МДж/кг(табл. данные).
Расход тепла
1. Физическое теплостали:
Qст=Dст∙G[ссттв∙tплст+Lст+сстж(tст-tплст)]
Qст=0,91022∙150∙103[0,715000+272б16+0,837(1600-1500)]=191,946ГДж
Dст=0,91022 – выход стали (см мат.баланс); сстТВ=0,7 кДж/(кг∙К) – удельнаятеплоемкость твердой стали, средняя в интервале температур 0/>1500°С; сстж=0,837 кДж/(кг∙К) – удельная теплоемкость жидкой стали, средняя винтервале температур 1500/>1600°С;tпл ст=1500°С – температура плавления стали; Lст=272,16кДж/кг – скрытая теплота плавления стали.
2. Физическое теплостали, теряемое со шлаком:
Qст_шл =0,005-150-103[0,7-1500+272,16+0,837(1600-1500)]=1,054 ГДж
где 0,005 – потери металла со шлаком.
3. Физическое тепло шлака:
Qшл = 0,12974-150-103(1,25-1600+209,35)=42,996 ГДж.
где 0,12974 – получено шлака, кг (см.мат. баланс); 1,25 кДж/(кг∙К) – теплоемкость шлака, средняя в интервалетемператур 1500/>1600°С; 209,35кДж/кг – скрытая теплота плавления шлака.
4. Тепло,уносимое газообразными продуктами реакций с температурой tух=1550 °С
Qух = 0,0558∙150∙103∙2397,543=20,067ГДж
iCO/>+SO… (0,1384 + 0,0002)3545,34 = 491,384
iCO... 0,8006∙2200,26=.1761,308
iH/>O... 0,012-2758,39 = 33,107
iO/>... 0,0444·2296,78 = 101,977
iN/>… 0,0045·2170,55= 9,767
iух1550= 2397,543 кДж/м3
Энтальпия газов при tух=1550°Сопределяют по таблице
5. Тепло, теряемое суносимыми частицами Fe2O3
QFe/>O/>=0,02143·150·103(1,23·1600+209,36)= 7,0 ГДж
0.02143 — Fe2O3 в дым.
6. Потери теплаизлучением через горловину конвертера:
во время продувки:
Qизл. 1=5,7/> ГДж
во время паузы:
Qизл. 2=5,7/> ГДж
Суммарные потери теплаизлучением:
Qизл=2,4+3,48=5,88 ГДж
7. Тепло, аккумулируемоефутеровкой конвертера.
Во время паузы внутренние слои футеровки конвертера ох лаждаются, отдавая тепло излучением через горловину, а во время продувки снованагреваются, аккумулируя тепло. Расчет этой величийы проводят методом конечныхразностей.
Для упрощения расчетов принимаем, что температура внутреннейповерхности футеровки и толщина последней везде одинаковы (δнач=0,9 м для новой и δкон=0,45 м для изношенной футеровки).Поскольку наибольшие потери будут при тонкой футеровке, принимаем в расчете,что периклазошпинелидная футеровка имеет толщину δф= =0,45 м.
В первом приближении принимаем распределение температуры потолщине футеровки в конце периода продувки линейным, причем tвн=1500°С,а tнар=400°С. Тогда при средней температуре футеровки tф=0,5(1500+400)=950°С. Коэффициент теплопроводности периклазошпинелидной футеровкиравен λФ=4,17-0,0011∙950=3,125 Вт/(м·К).
Плотность периклазошпинелидной футеровки ρф=3150кг/м3, удельная теплоемкость сф=920 Дж/(кг·К),коэффициент температуропроводности α=3,125/(3150·920)=1,0·103 м2/с.
Разобьем футеровку на 25 элементарных слоев, каждый из которыхимеет толщину:
xср=0,45/25 = 0,01 8
Продолжительность элементарного интервала времени
∆τ=(∆x)2/2α
∆τ=xф2/2αф=0,0182/2·1,0·10-6 = 162 с.
Число элементарных интервалов времени: в период продувки k1=597,6/162=3,69≈4;в период паузы k2=1080/162=6,67≈7.
В период продувки температура внутренних поверхностей футеровкинеизменна и равна 1500 °С. В течение паузы температура внутренней поверхностифутеровки уменьшается за счет потерь тепла излучением.
Находим коэффициент теплоотдачи излучением
αизл=/>Вт/(м2·К),
где площадь внутренней поверхности футеровки конверте
ра определяем по формуле
Fвн=πDвнН1+πDвн2/4=3,14·4,93·6,9+3,14·:4,932/4=125,9м2
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от наружной поверхностифутеровки конвертера находим по формуле
α=10+0,06tст
Принимаем среднюю температуру наружной поверхности равной 300 °С
αконв= 10+0,06·300 = 28 Вт/(м2·К)
Начальное распределение температуры находим в соответствии спринятым линейным распределением температуры по толщине футеровки в ло,аккконце периода продувки.
Тепло, аккумулированное футеровкой конвертера
Qакк = Vфρфсф(tфкон-tфнач)= 22,66231 50 920 (1220,3-1196,4)=1,38 ГДж
здесь Vф=Fвн·10x=125,9·10·0,018=22,662м3
t/>=/>°С
t/>°С
8. Потери теплатеплопроводностью через футеровку
Qтепл=/>
Fнар – площадьнаружной поверхности стены, м2
Qтепл=/>(3,14·6,69·7,93 + 3,14·6,692/4)·х·597,6=0,85 ГДж.
9. Потери тепла наохлаждение кислородной фурмы
Принимая внешний диаметр фурмы равным d=0,2 м, глубину ееопускания 5,8 м, а величину потока тепла на фурму q=348,9 кВт/м2,определяем потери тепла с охлаждающей водой:
QФ= 348,9·103·3,14·0,2·5,8·597,6=0,76 ГДж
Результаты расчетов теплового баланса конвертера представим в видетаблицы. Как следует из таблицы, имеется некоторый избыток прихода тепла (1,846ГДж или 0,68%). Это приведет к некоторому увеличению температур металла, шлакаи футеровки. В противном случае (недостаток тепла ) расчет следует повторить,предусматривая меры для увеличения проходной части баланса.
Тепловой балансконвертерастатья прихода ГДж (%) статья расхода ГДж (%)
Физ. тепло
чугуна
скрапа
Тепло экзотермических реакций
Тепло шлакообразования
Итого
138,013 (50,48)
0,324 (0,12)
129,300 (47,30)
5,741 (2,10)
273,378 (100,0)
Физ. тепло
стали
стали, теряемой со шлаком
шлака
Тепло, уносимое газами
Тепло, уносимое частицами Fe2O3
Потери тепла излучением
Тепло, аккумулированное кладкой
Тепло, теряемое теплопроводностью
Тепло, теряемое с охлаждающей водой
Избыток
Итого
191,946 (70,21)
1,054 (0,39)
42,996 (15,73)
20,067(7,34)
7,00 (2,56)
5,48 (2,00)
1,38 (0,50)
0,85 (0,31)
0,759 (0,28)
1,846 (0,68)
273,378 (100,0)
Список использованныхисточников
1. Металлургическаятеплотехника. В 2-х томах. 1. Тепловые устройства в черной металлургии: Учебникдля вузов/Филимонов Ю. П., Старк С. Б., Морозов В.А. – М.: Металлургия, 1974,520 с.