Материальный баланс конвертерной плавки

 

3.2.5. Теплота, теряемая  с выбросами и выносами металла

 

Теплота выбросов и выносов металла при  средней за плавку температуре металлической  ванны 1773 К (1500°С) определяется по формуле для теплосодержания чугуна:

ΔН_вм = 1,00 ∙ [(1423 - 273) ∙ 0,74 + 217 + 0,87 ∙ (1773 - 1423)] = 1372,5 кДж (см. 3.1.1)

 

3.2.6. Теплота, теряемая  с Fe₂O₃, которая уносится с газами

 

Среднюю удельную теплоемкость Fe₂O₃ можно определить по формуле_:

С_Р273 = 0,6323 + 0,5191 ∙ (Т - 293) ∙ 10^-3 - 0,2418 ∙ (Т - 293)² ∙ 10^-6 кДж/(кгּК).

1,43 кг Fe₂O₃ при температуре 1893К (1620°С) (температура отходящих газов) содержит:

ΔН  Fe₂O₃ = 1.43 ∙ (Т - 273) ∙ [0,6323 + 0,5191∙ (1893 - 293) ∙ 10^-3 -

- 0,2418 ∙ (1893-293)² ∙ 10^-6] ∙ (N - 273) = 1956  кДж.

 

3.2.7. Теплота, затраченная  на восстановление Fe₂O₃ до FeO

 

ΔН  FeO = 1,825 ∙1812 = 3306 кДж,

где 1,52 – масса Fe₂O₃

 

3.2.8. Теплота, затраченная  на восстановление Fe из FeO

 

ΔН_Fe = 1,0525 ∙ 4750 = 4999 кДж,

где – 1,0525 масса Fe, кг

 

3.2.9. Теплота, затраченная  на разложение карбонатов

 

ΔН_карб = 4034 ∙ [(3.04 ∙ 0.093)/100] = 11 кДж,

где 3,04 расход извести в кг, 0.093 – содержание СО₂ в извести, %; 4034 – теплота разложения карбоната кальция в кДж на кг СО₂.

 

3.2.10. Теплота, расходуемая  на нагрев технического кислорода

 

Указанная статья расхода тепла  составляет примерно 0,4-0,5% от приходной  части баланса. Приняв ее равной 0,4% получим расход тепла на нагрев кислорода:

= 195161 ∙ 0,004 = 721 кДж.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.3

Тепловой баланс плавки без теплопотерь

Приход  тепла			Расход тепла
Теплота	в кДж	%	Теплота	в кДж	%
Жидкого чугуна	118980	60.09	Стали	129 972	66.5
Окисления примесей	76 476	37.65	Шлака	11 370	5.82
Шлакообразования	2 704	2.26	Газов	21 480	11.00
Итого:	195 161	100	Корольков металла в шлаке	636	0.32
			Выбросов и выноса металла	1 373	0.7
			Пыли (Fe2O3 в газе)	1 956	1.00
			Затраты тепла на восстановление Fe2O3  до FeO	3 306	1.69
			Затраты тепла на восстановление FeO  до Fe	4 999	2.56
			Затраты тепла на разложение карбонатов	11	0.00005
			На нагрев кислорода	721	0.36
			Итого:	175 827	90.99

 

Избыток тепла 195161 – 175 827 = 19 833 кДж (10,1 %) частично расходуется на покрытие теплопотерь (через стенки конвертора; его горловину; с водой, охлаждающей кислородные фурмы). Остающийся за вычетом теплопотерь избыток тепла используется для нагрева (и расплавления) скрапа или руды, которые вводятся в конвертер для регулирования температуры (охлаждения) стали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ КОНВЕРТЕРА

 

4.1.  Расчет размеров внутренней полости конвертера

 

Исходные  данные для расчета служат: емкость  конвертера G (T), удельная интенсивность продувки  ванны кислородом i (м³/(Т.мин), содержание кремния Si (%) и марганца Mn (%) в чугуне. При Mn < 0,5% в расчетных формулах используется коэффициент С_Mn = 0,06, при Mn 0,5 – С_Mn = 0,1.

i = 5 м³/(Тּмин), Si = 0,7%, Mn = 0,8 %.

Расчет начинается с определения  числа n сопел в фурме. С увеличением емкости конвертера и удельной интенсивности продувки число сопел в фурме должно расти. Это необходимо для того, чтобы рассредоточить реакционную зону по объему конвертерной ванны. При расчете n удобно исходить из базового, оптимального варианта продувки. В качестве базового принимается конвертер емкостью G_o = 250 т, работающий при удельной интенсивности продувки i_o = 2 м³/(тּмин) с числом сопел в фурме n_o = 3.

n = 3∙ (5/2)^1,2 ∙ (200/250)^{0,15+4ּ10 200} = 5.1

Найденное  значение n округляем до целого числа, n = 6.

Далее рассчитаем основные размеры  конвертера:

0,36 ∙ (200 ∙ 3.2/6)^0,3 = 1,46 м

= 0,501 ∙ (200/1,46)^0,5 = 5,715 м

= 5,715/ = 4,14 м

Диаметр горловины конвертера d₁, выбирается как большая величина из результатов расчета по формулам, учитывающим условия загрузки лома и выхода из горловины конвертерных газов:

= 0,22 ∙ 200^0,5 = 3,111 м

= 0,12 ∙ (5 ∙ 200)^0,5 = 3,035 м

Принимаем d₁ = 4,65 м.

Угол α находим с учетом конструктивных соображений:

= 60 - 0,03 ∙ 200 = 50 град

Находим высоту h₁

= (5,715 – 3,111) / 2 tg (50/2) = 2,947 м.

Высота внутренней  полости конвертера над уровнем спокойного металла (h₁ + h₂) должна быть  такой, чтобы не допустить выбросов. Подъем вспененного металла при продувке зависит от емкости конвертера, параметров дутья, состава чугуна и других менее значимых факторов.

При Mn = 0,8% значение С_Mn= 0,1

 м

Определив сумму высот h₁ и h₂ и, используя уже найденное значение h₁, находим высоту цилиндрической части конвертера h₂.

h₂ = 7,83 – 2,947 = 4,883 м

Статистическая отработка размеров работающих конвертеров дает примерно следующую зависимость общей  толщины футеровки цилиндрической части от емкости конвертера

= 0,142 ∙ 200^0,33 = 0,816 м

Соотношения отдельных размеров конвертера должны удовлетворять требованиям технологии, экономики и конструктивных решений. Отношение общей высоты h_S внутренней полости конвертера к диаметру d₂ цилиндрической части рекомендуется выдерживать в пределах 1,2-1,5

h / d₂ = (1,46 + 4,853 + 2,947) / 5,86 = 1,49

а удельный объем V_S / G – 0,8-1,0 м³/т (ГОСТ 20067-74)

V /G = 199.83/200 = 0,999

Суммарную площадь теплоотдающей  поверхности кладки  конвертера S_Σ можно определять по контурам профиля, проведенного по середине футеровки конвертера. Соответствующим высотам и диаметрам фигур профиля присвоим индекс “ср” (средний).

b = 2 arctg (0,146 d₂ / h₃) = 1,06 рад

d_1ср = d₁ + b cos (a/2) = 4,072 м

d_2ср = d₂ + b = 6,92 м

d_3ср = d₃ + b tg [(p-b)/4] = 4,746 м

h_1ср = h₁ - d [tg (a / 4) - sin (b/2)] / 2 = 3,06м

h_2ср = h₂ + d [tg (a / 4) + tg (b/4)] / 2 = 5,07 м

h_3ср = h₃ + d /2 - d tg (b/4) / 2 = 1,76 м

где S₁, S ₂, S ₃ – боковые поверхности фигур, составляющих средний профиль конвертера, а S _дн – расчетная теплоотдающая поверхность днища.

S = 31,38 + 25,6 + 37,59 + 17,64 = 113,21 м²

 

 

 

4.2.   Конструирование огнеупорной футеровки цилиндрической части конвертера

 

Футеровку конвертера выполняют из нескольких слоев огнеупорных материалов. В настоящее время получили наибольшее распространение трехслойные футеровки.  Она состоит из наружного –  арматурного, промежуточного и рабочего слоев.

Арматурный  слой выкладывается  из обожженных кирпичей (магнезитового, хромомагнезитового, периклазошпинелидного). Он эксплуатируется. Несколько кампаний: толщина этого слоя 115-230 мм; кладка «всухую» (без использования раствора).

Следующий – промежуточный слой набивается огнеупорной массой обычно того же состава, что и рабочий  или арматурный слой, но с несколько  большим содержанием смолы. Толщина  набивки обычно 50-100 мм.

Далее идет рабочий слой, материал которого участвует в технологическом  процессе (разъедается и приходит в шлак). Он, как правило, изготовляется  из безобжиговых огнеупорных материалов (доломит, магнезит, периклазошпинелид) на смоляной связке. Кампания конвертера исчисляется по числу плавок, в течение которых сохраняется рабочий слой (или уменьшается до толщины 50-100 мм). Толщина рабочего слоя в типовых конвертерах колеблется от 550 до 800 мм.

Рис. 4.2. Конструкция цмлиндрической части стенок конвертера: а – стальной кожух; б – огнеупорная футеровка; 1 – арматурный слой; 2 – промежуточный  
                слой; 3 – рабочий слой

Материалы для устройства цилиндрической части конвертера и толщины отдельных  слоев его выбраны по аналогии с конструкциями работающих конвертеров: арматурный слой – обожженный магнезитовый кирпич (уплотненный), толщина кладки 180 мм (115 + 65): размеры кладки арматурного слоя должны быть кратными размеру какой-либо стороны стандартного кирпича; промежуточный слой – набивка из огнеупорной массы (магнезитовый порошок на смоляной связке), толщина – 65 мм; рабочий слой – безобжиговый доломитовый кирпич на смоляной связке, толщина кладки 665 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.  Расчет теплопотерь конвертера и уточнение теплового баланса

 

5.1.  Теплопотери через стенки конвертера

 

Тепловой поток через стенки конвертера представляет собой поток  через стенку трубы, диаметр которой  меняется по длине трубы. Расчетные  формулы теплопередачи для такой  трубы довольно громоздки, поэтому  при практических расчетах применяются  некоторые упрощения. Если толщина  стенки трубы по сравнению с диаметром  мала, то влиянием кривизны стенки трубы  можно пренебречь. Тогда расчет теплопередачи  через стенки трубы можно производить  по формулам для плоской стенки.

Тепловой поток на 1 м²  расчетной поверхности равен:

q = К (Т_внутр.- Т_возд), Вт/м²,

где К- коэффициент теплопередачи в Вт/(м² К); Т_возд.- температура окружающего воздуха вдали от стенки, К; Т_внутр.- температура внутренней поверхности стенки, К.

Коэффициент теплопередачи через  плоскую стенку определяется по формуле:

К= ,   Вт/(м²ּК),

где a₁ – коэффициент теплоотдачи от внутренней полости к внутренней поверхности стенки конвертера в Вт/(м²ּК); a₂- суммарный коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стенки окружающему воздуху в Вт/(м²ּК); l_i -  теплопроводность каждого слоя материала стенки в Вт/(м²ּК); d_i -  толщина отдельного слоя материала стенки конвертера в м.

Среднюю за плавку температуру тепловоспринимающей (внутренней) поверхности стенок конвертера считаем равной 1773 К (1500°С). Температуру окружающего воздуха (вдали от стенок конвертера) – равной 303К (30°С).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сначала задаемся величиной суммарного коэффициента теплоотдачи наружной поверхности стенки конвертера окружающему воздуху a₂. Примем a₂ = 21,5 Вт/(м²ּК). Этому коэффициенту теплоотдачи соответствует температура наружной стенки конвертера, равная 508 К (235°С). Для определения средних значений теплопроводности отдельных слоев футеровки нужно знать температуры на стыках слоев. Этими температурами приходится задаваться, а затем уточнять (после определения значений средней теплопроводности слоев). Задавшись температурами стыков слоев, мы получили средние температуры слоев Т(t), и для них рассчитали теплопроводности :

для арматурного слоя

l_а = 12,1 - 12,4ּ10^-3 (Т-273) + 4,37ּ10^-6 (Т-273)² = 8,97 Вт/(мּК);

для промежуточного слоя

l_п  = 4,07-3,42ּ10^-3(Т-273) + 1,26ּ10^-6 (Т-273)² = 2,98 Вт/(мּК);

для рабочего слоя

l_р = 3,33-1,07ּ10^-3(Т-273) + 0,293ּ10^-6 (Т-273)² = 2,62 Вт/(мּК).

При расчете общего теплового сопротивления  стенки, мы не учитывали тепловое сопротивление  железного кожуха ввиду того, что  оно чрезвычайно мало.

Отсюда:

К= = 3,03 Вт/(м²ּК).

 

q₁ = 3,03 ∙ (1773-303) = 4455 Вт/м².

Т_внеш = Т_внутр - q = 506 К (233°С)

Обозначим продолжительность плавки в минутах t_пл , величину садки конвертера по чугуну в тоннах Т_О. Тогда теплопотери через стенки конвертера при расчете на 100 кг чугуна составят:

Q₁ = 6 q S_S кДж на 100 кг чугуна.

В настоящем расчете

Q₁ = (6 ∙ 4455 ∙ (113,21 / 1000) (40/200)) = 605 кДж,

где 217,84 – общая теплоотдающая поверхность стенок конвертера в м².

 

5.2.   Теплопотери излучением через горловину конвертера

 

Излучение внутренней полости конвертера имеет место  не весь период плавки. В период продувки внутренняя полость экранируется заполняющей  горловину пылью. Теплопотери с пылью уносимой газами, мы уже учли. В период завалки твердых материалов и заливки чугуна излучение чрезвычайно ослаблено. Поэтому при определении времени излучения из общей продолжительности плавки следует вычесть время продувки, завалки и заливки.

Тепловой поток в атмосферу  из внутренней поверхности конвертера через 1м² площади горловины можно определить по формуле:

q_Z = 5,75 ∙ Е[(Т_в.п/100)⁴ - (Т_возд / 100)⁴] Вт/м²,