Проектные расчеты кислородного конвертера

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1 Проектная часть

1.1 Расчет профиля рабочего пространства конвертера

Размещено на Allbest.ru

Для проектируемого конвертера основными данными для расчета геометрических параметров являются вместимость конвертера (Т) и его удельный объем (V_уд), который выбирается в пределах 0,80-1,00 м³/т. Остальные размеры конвертера выбираются на основании опыта эксплуатации действующих агрегатов, либо рассчитываются по известным эмпирическим или функциональным зависимостям.

1.2 Расчет размеров кислородного конвертера

Основные исходные данные для расчета:

Т = 250 тонн; V_уд = 0,95 м³/т.

Кроме того конструктивно принимаются:

1. Угол наклона образующей горловины конвертера, к горизонтали

б = 62⁰.

2. Угол укоса нижней конической части в = 60⁰.

3. Конвертер рассчитывается на удельную интенсивность продувки

= 5м³/т·мин.

4. Глубина жидкого металла в спокойном состоянии h_в = 1,40 метра.

При этом предполагается, что весь металл в спокойном состоянии помещается в нижней части конвертера, состоящей из шарового сегмента и усеченного 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 газа в металл определяем по формуле:

где h_л ? глубина лунки, образованной при внедрении струи кислорода в металл, м;

Н_с ? расстояние от среза головки фурмы до металлической ванны, м;

г_ж ? плотность жидкого металла (7000 кг/м³);

Q ? общий расход кислорода, м³/мин;

Q₁ ? расход кислорода через одно сопло, м³/мин;

f_кр ? критическое сечение сопла Лаваля, см²;

n ? число сопел в фурме;

m, k ? эмпирические коэффициенты, отражающие потерю напора по оси струи и неравномерности напора при выходе из сопла.

Размещено на Allbest.ru

Рисунок 1 - Внутренний профиль рабочего пространства проектируемого конвертера и принятые обозначения.

Максимальная глубина проникновения кислородной струи в металл наблюдается при расположении среза на уровне металлической ванны (то есть при Н_с = 0). Это положение, как самое неблагоприятное и следует выбирать в качестве расчетного.

При условии Н_с = 0 приведенное уравнение преобразуется к следующему виду:

Принимаем m = 30,25; к = 3,15 и n = 5, Q = J_O2·Т = 5·250 = 1250 м³/мин, Q₁ = 250 м³/мин, f_кр = 38,3 см, находим:

то есть меньше, чем глубина жидкой ванны в спокойном состоянии.

Учитывая тот факт, что на практике указанная ситуация (Н_с = 0) возможна лишь в аварийном состоянии, рассчитываем глубину проникновения струи кислорода в металл при нормальном положении головки фурмы над ванной.

Так как кислородные струи входят в металл, не строго перпендикулярно поверхности металла, а под углом 8-15⁰, можно с уверенностью полагать, что толщина слоя металла h_в = 1,40 метра вполне достаточна для хорошей защиты днища от высокотемпературной реакционной зоны.

Даже тот факт, что в процессе эксплуатации конвертера его футеровка изнашивается и рабочий объем увеличивается, а глубина ванны уменьшается, не свидетельствует об ухудшении условий службы футеровки днища к концу кампании, так как все равно толщина слоя металла остается весьма значительной. В этом убеждает и практика кислородно-конвертерного процесса, показывающая, что износ футеровки днища кислородных конвертеров примерно в два раза меньше, чем разрушение боковой поверхности.

1.3 Определение высоты верхней конической, центральной цилиндрической части и диаметра конвертера

Принимаем, что диаметр горловины конвертера D_г вдвое меньше диаметра рабочего пространства конвертера (D_г = 0,5D_ц), а наклон образующей верхней конической части конвертера, к горизонтали составляет 62⁰ (угол 62⁰ выбран исходя из условия устойчивого положения кирпича на наклонной поверхности, который для большинства огнеупоров составляет 28⁰, что особенно важно при кладе футеровки конвертера). Тогда высота конической части конвертера h_к составит:

где D_ц ? диаметр цилиндрической части конвертера, м.

Общий рабочий объем конвертера равен:

где Т ? вместимость конвертера, т;

V_уд ? удельный объем конвертера, м³.

Объем металла в конвертере

где p ? плотность жидкого металла, принятая 7 т/м³.

Свободный объем конвертера:

где V_м ? объем металла в конвертере, м³.

Свободный объем конвертера складывается из объема центральной цилиндрической части конвертера и объема его верхней конической части, то есть

V_св = V_ц + V_к,

где V_ц ? объем цилиндрической части конвертера, м³;

V_к ? объем верхней конической части конвертера, м³.

Объем цилиндрической части конвертера можно определить из предположения, что верхний уровень вспененной конвертерной ванны в период наиболее интенсивного обезуглероживания соответствует верхнему уровню цилиндрической части.

Из практики кислородно-конвертерного процесса известно, что объем вспененной ванны связано с интенсивностью продувки и объемом спокойной ванны следующим соотношением:

где V₀ ? объем металла в спокойном состоянии, м³;

? удельная интенсивность продувки, м³/(т·мин).

Используя, принятые обозначения и принимая = 5м³/(т·мин), находим:

Объем верхней конической части:

где V_св ? свободный объем конвертера, м³.

С другой стороны

Используя соотношения между h_к и D_ц (h_к = 0,47D_ц), получаем

67,88 = 0,215D_ц, откуда

Значение внутреннего диаметра конвертера получим по эмпирическому соотношению:

Высота верхней конической части:

Высота центральной цилиндрической части составит:

Полная внутренняя высота конвертера:

H = h_к + h_ц + h_в = 3,20 + 3,69 + 1,40 = 8,29 м,

где 1,40 ? высота слоя металла в конвертере в спокойном состоянии, м.

Расчет по формуле дает следующее значение высоты рабочего пространства:

Рассмотрим также полученное значение высоты цилиндрической части конвертера с позиции возможности выбросов металла и шлака через горловину.

В период интенсивного окисления углерода можно считать, что весь подаваемый в ванну кислород расходуется на окисление углерода по реакции:

Тогда скорость обезуглероживания рассчитывается по формуле

где V_c ? скорость обезуглероживания, %С/мин;

? удельная интенсивность продувки, м³/(т·мин).

Для выбранных условий продувки металла получаем:

При такой скорости обезуглероживания

Высота вспененной ванны составляет:

H_в = h_в·3,4 = 1,40·3,4 = 4,76 м.

Так как для проектируемого конвертера высота донной и цилиндрической частей равна 1,40 + 3,69 = 5,09 метра, то условие предотвращения выбросов металла и шлака через горловину выполняется. Если учесть, что окисление углерода может протекать неравномерно в пределах короткого промежутка времени вследствие накопления кислорода в ванне и его последующего ускоренного реагирования, то проверим, не превышает ли уровень вспененной ванны среза горловины конвертера при спонтанном увеличении скорости окисления углерода.

Полагая, что V_с может быть в 1,5 раза больше, чем в среднем в середине

продувки, то есть:

Экстраполируя данные получаем:

H_в = 1,40·4,1 = 5,74 м.

Сопоставляя полученное значение H_в с высотой рабочего пространства (H_в = 8,29 метра) видим, что даже при самых неблагоприятных условиях продувки верхний уровень вспененной ванны ниже среза горловины конвертера.

2.4 Определение параметров нижней части конвертера

Диаметр основания шарового сегмента равен:

Высота шарового сегмента

h_шс = 1,40 ? h_ук.

Из условия, что V_м = V_ук + V_шс, найдем высоту части конвертера в форме усеченного конуса и высоту сегмента

Решая данное уравнение относительно h_ук, получаем h_ук = 0,69 метра, тогда

D_шс = 6,53 ? 1,155·0,69 = 5,73 м,

h_шс = 1,40 ? 0,69 = 0,71 м.

Определим радиус закругления донной части конвертера:

откуда, подставляя известные значения, получаем R = 6,13 метра.

Основные параметры проектируемого конвертера сводим в таблицу 1.

Таблица 1 - Расчетные параметры проектируемого конвертера

2.5 Расчет сопла кислородной фурмы

Основным устройством, служащим для организации дутьевого режима в конвертере, является кислородная фурма. Главными ее частями являются собственно фурма и наконечник (головка с соплами), изготавливаемый из красной меди. В качестве сопел используют сопла Лаваля, позволяющие преобразовать энергию давления кислорода в кинетическую.

Расчет сопла Лаваля сводится в основном к определению минимального (критического) сечения S_кр, выходного сечения S_вых и длины диффузора при заданном массовом расходе газа Q_м.

Исходными данными для расчета являются:

- давление кислорода перед соплом Р = 1,5 МПа;

- температура кислорода перед соплом Т = 300 К;

- состав кислорода:

- содержание кислорода (О₂) равно 98,7 %;

- содержание азота (N₂) равно 1,3 %;

- давление кислорода на срезе сопла = 0,11 МПа;

- угол раскрытия диффузора б = 10°;

- коэффициент суммарных потерь ц = 0,96.

1. Количество сопел для фурмы находится по формуле:

2. Плотность технического кислорода:

3. Массовый расход кислорода через сопло:

4. Плотность кислорода в критическом сечении:

где 0,834 и 0,528 - давление и температура в критическом сечении;

R ? универсальная газовая постоянная для кислорода 260 Дж/(кг•К).

5. Скорость кислорода в критическом сечении:

где Т ? температура кислорода перед соплом, К.

6. Площадь критического сечения сопла:

7. Диаметр критического сечения сопла:

8. Температура кислорода на выходе из сопла:

9. Плотность кислорода на выходе из сопла:

10. Плотность кислорода при давлении 1,2 МПа и температуре 293 К:

11. Скорость кислорода на выходе из сопла:

где ц ? коэффициент суммарных потерь.

12. Площадь выходного сечения сопла:

13. Диаметр выходного сечения сопла:

14. Длина диффузора:

Размещено на Allbest.ru