1 Выбор и расчет кислородного конвертера номинальной емкостью 80 т

Общие замечания

При проектировании конвертеров в Украине предпочитают форму ванны в виде усеченного конуса со сферическим днищем. Этот профиль учитывает контур износа футеровки конвертера при работе с многосопловыми кислородными фурмами [2]

При расчете приняты следующие условные обозначения:

а) исходных данных

Q – номинальная емкость конвертера, равная 80 т;

q – удельная интенсивность продувки, равная 3,0

Т – температура кислорода перед соплами кислородной фурмы, равная 298 К;

Р – давление кислорода на срезе сопел кислородной фурмы, равная 140000 Н/м².

б) промежуточных данных

V_уд – удельный объем конвертера, м³/т;

W_кр – критическая скорость истечения кислорода, м/с;

Р_н – давление кислорода перед соплами кислородной фурмы, Н/м²;

ρ_н – начальная плотность кислорода, кг/м²;

λ – критерий скорости истечения кислорода;

W_г – скорость истечения кислорода на срезе сопла кислородной фурмы, м/с;

Ρ_г – плотность кислорода на срезе сопла кислородной фурмы, кг/м³;

V_м- объем металлической ванны, м³;

V- рабочий объем конвертера, м³.

Условные обозначения остальных выходных данных приведены на рисунке 1.1.

Расчет основных геометрических размеров кислородного конвертера

Удельный объем кислородного конвертера, м³/т

Критическая скорость истечения кислорода, м/с

где К – показатель адиабаты, равный для двухатомных газов 1.4;

R – газовая постоянная, равная 8319/ μ (μ – молекулярная масса газа)

Давление кислорода перед соплами кислородной фурмы, Н/м²

Критерий скорости истечения кислорода

Скорость истечения кислорода на срезе сопла кислородной фурмы, м/c

Начальная плотность кислорода, кг/м³

Плотность кислорода на срезе сопел кислородной фурмы, кг/м³

Глубина спокойной ванны, м

Внутренний диаметр конвертера, м

Объем металлической ванны, м³

Внутренний диаметр днища, м

Диаметр горловины конвертера, м

Рабочий объем конвертера, м³

Высота конической части конвертера, м

Высота цилиндрической части конвертера, м

Внутренняя высота конвертера, м

Толщина футеровки конвертера в цилиндрической части, м

Толщина днища конвертера, м

Толщина футеровки конвертера в конической части, м

Толщина металлического кожуха конвертера, м

Наружный диаметр конвертера, м

Полная высота конвертера, м

Диаметр сталевыпускного отверстия, м

Чертеж кислородного конвертера в масштабе 1:50 приведен на рисунке 1.2.

Рисунок1.1 – Основные размеры кислородного конвертера

Рисунок 1.2 – Основные геометрические размеры кислородного конвертора емкостью 80 т.

2 Материальный и тепловой балансы конвертерной

плавки на сталь марки 30

Химический состав исходных и конечных материалов. Химический состав готовой стали, получаемой в результате плавки, берется из марочника сталей. Химический состав скрапа принимается равным среднему химическому составу выплавляемой в цехе стали.

Химический состав чугуна, извести, разжижителей и футеровки выбраны в соответствии с заданием и приложением 1.[3].

Дутьевой режим плавки. При верхней продувке она ведется через водоохлаждаемую фурму технически чистым кислородом, обычно содержащим 99,5 % кислорода и 1 % азота.

Шлаковый режим плавки. Для успешного ведения плавки и расчетов шлакового режима необходимо знать ориентировочное содержание оксидов железа в шлаке в конце плавки. Их количество можно рассчитать по формулам

где С- содержание углерода в стали перед раскислением.

Для улучшения жидкоподвижности шлака по ходу плавки в конвертер присаживают разжижитель в виде плавикового шпата. Расход плавикового шпата принимаю 2 кг/т шихты.

Исходные данные

Химический состав заданной марки стали, металлической и неметаллической шихты приведен в табл. 2.1 – 2.3.

Химический состав извести, плавикового шпата и футеровки приведен в таблице 2.4.

Таблица 2.1 – Химический состав выплавляемой марки стали, %

Марка стали							не более	не более
30	0,27	0,35	0,50	0,80	0,17	0,37	0,040	0,035

Таблица 2.2 – Химический состав и температура передельного чугуна, %

Счуг	Mnчуг	Siчуг	Sчуг	Pчуг	Fexeu	Тем-ра
4,51	0,50	0,59	0,033	0,120	94,251	1370

Таблица 2.3 – Химический состав стального скрапа, %

Сскр	Mnскр	Siскр	Sскр	Pскр
0,31	0,65	0,27	0,035	0,030

Таблица 2.4 – Химический состав извести, плавикового шпата и футеровки конвертера, %

Материал	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3	CaF2	H2O	CO2	Сумма
Известь	2,0	86,0	2,0	2,0	-	-	2,0	6,0	100,0
Плавиковый шпат	2,0	0,3	-	0,2	2,0	95,0	-	0,5	100,0
Футеровка	4,0	3,5	90,0	1,5	1,0	-	-	-	100,0

Определение химического состава металла перед раскислением [3]

Углерод. Содержание углерода перед раскислением должно быть не более нижнего предела углерода в готовой стали, так как углерод может быть внесен в сталь во время раскисления и обработки в стальковше. В случае, если содержание углерода в стали допускается не более какой-либо величины, то его содержание перед раскислением должно быть на 0,04 - 0,06 % меньше этой величины. Содержание углерода перед раскислением

Марганец

Содержание марганца перед раскислением рассчитывается по формуле

где Mn_чуги Mn_скр– соответственно содержание марганца в чугуне и скрапе, %

(%FeO) – содержание FeO в конечном шлаке.

Кремний. В основном процессе кремний окисляется практически полностью и в конце продувки его содержание снижается до следов. Поэтому для практических расчетов содержание кремния перед раскислением может быть принято равным нулю.

Фосфор. При переделе низкофосфористых чугунов, содержащих не более 0,2 % Р, содержание фосфора перед раскислением может быть определено по формуле

где С_п.р.- содержание углерода перед раскислением.

Сера.

где и– соответственно содержание серы в чугуне и скрапе.

Химический состав металла перед раскислением, %

Материал	С	Si	Mn	P	S
Металл перед раскислением	0,28	0,00	0,11	0,033	0,017

расчет материального и теплового балансов

Расчет ведем на 100 кг металлической шихты.

Обозначим расход скрапа через Х %, тогда расход чугуна составит (100-Х) %. Вносят в шихту, кг:

чугун скрап

C (100-Х) 0,0451 = 4,506 – 0,0451X 0,0031X

Si (100-Х) 0,0059 = 0,590 – 0,0059X 0,0027X

Mn (100-Х) 0,0050 = 0,500 – 0,0050X 0,0065X

P (100-Х) 0,0012 = 0,120 – 0,0012X 0,0003X

S (100-Х) 0,00033 = 0,033 – 0,0003Х 0,0004Х

¹⁾В первом приближении принимаем расход скрапа 20 % (только при расчете серы).

Средний состав шихты, кг:

C 4,506 – 0,0451·X + 0,0031·X = 4,506 + (-0,0420) X

Si 0,590 – 0,0059·X + 0,0027·X = 0,590 + (-0,0032) X

Mn 0,500 – 0,0050·X + 0,0065·X = 0,500 + 0,0015·X

P 0,120 – 0,0012·X + 0,0003·X = 0,120 + (-0,0009)·X

S 0,03 + 0,0003·Х + 0,0004·Х = 0,033 + 0,00002·Х

Удаляется примесей (предполагается выход стали 90 %), кг

C 4,506 – 0,0420·X – 0,280 · 1 = 4,254 + (-0,0420) X

Si 0,590 – 0,0032·Х – 0,000 · 1 = 0,590 + (-0,0032)·X

Mn 0,500 + 0,0015·X – 0,115 · 1 = 0,397 + 0,0015·X

P 0,120 – 0,0009·X – 0,033 · 1 = 0,090 + (-0,0009) X

S 0,033 + 0,00002·Х – 0,017 · 1 = 0,018 + 0,00002·Х

Fe в дым 1,500