Лекция №2. Физико-химические основы процессов производства металлов. Особенности применения уравнений физико-химического равновесия к сталеплавильным процессам 2 страница

Фактическая продолжительность обжига значительно больше минимального времени, необходимого для получения нормально спеченных изделий без дефектов. Это объясняется главным образом необходимостью выравнивания температур в объеме садки. Обжиг происходит при температурах 1300-1850^°С.

Лекция №5. Энергетика сталеплавильных агрегатов (конвертеры). Тепло процесса. Возможность протекания процесса. Потери тепла, использование тепла. Приход и расход тепла. Внутренние источники тепла. Особенности расчетов материального и теплового баланса

- для лома прямоугольного сечения и близкого к нему

F = 0,256·[(1/δ) + (1/в)] + 2·δ·в; (5.5)

- для лома круглого сечения и близкого к нему:

F = (0,51/α) + (πd²/2), (5.6)

где δ – толщина лома, мм; в – ширина лома, мм; α – диаметр куска лома круглого сечения.

Быстрое расплавление легковеса приводит к резкому увеличению охлаждающего эффекта металлозавалки в начальный период продувки.

Легковесный лом содержит много ржавчины и загрязнений, что обуславливает холодный ход плавки и, на первый взгляд, представляется энергетически выгодным: меньше перепад температур и, следовательно, меньше теплопотери в ходе продувки, больше углерода окисляется до СО₂. Однако технологические недостатки (переокисление шлаковой фазы с дальнейшими выбросами металла и шлака, вспенивание и переливы шлакометаллической эмульсии, удлинение продувки) усиливаются высокоскоростным процессом расплавления лома в области зоны взаимодействия кислородной струи с металлом.

В связи с этим металлолом толщиной менее 10 мм необходимо пакетировать и использовать в виде тяжеловесных пакетов сечением ~700х1000 мм, длиной ≤1000 мм и плотностью 3,0…3,5 т/м³ и тяжеловесный кусковый лом толщиной от 10 до 300…400 мм и длиной 500 мм.

Тепловые потери конвертеров. Тепловые потери в конвертерах изменяются в широких пределах в зависимости от темпа производства и вместимости агрегатов (1,5…12% суммарного прихода тепла и более).

Теплопотери в конвертерах, по-видимому удобно классифицировать в соответствии с периодом продувки (временем выделения тепла): излучением через корпус конвертера; связанные с аккумуляцией тепла футеровкой; с охлаждающей фурму водой.

При такой классификации теплопотери поддаются учету в производственных условиях, что имеет немаловажное значение для решения ряда технологических и экономических задач. В частности, при оценке затрат тепла на нагрев футеровки в период продувки намного повышается эффективность предварительных расчетов шихты на плавку.

Тепловые потери излучением через футеровку сравнительно невелики и составляют 0,4…0,7% от суммарного прихода тепла за плавку, возрастая по ходу компании конвертера.

Повышение расхода металлолома при сокращении потерь тепла через корпус невелико, особенно для современных большегрузных агрегатов (2,0…2,5 кг/т стали), однако пренебрегать им не следует.

Таким образом, пути уменьшения теплопотерь через корпус конвертера заключаются в увеличении вместимости агрегата, интенсивности продувки, толщины кладки, установки тепловых экранов и теплоизоляции футеровки.

Потери тепла излучением через горловину конвертера анализируются для конкретной проработки путей снижения и оценки их значимости. Принципиально их можно оценить по методике расчета излучения через отверстия в стенах, когда имеет место излучение прямое и отраженное от боковых стен рабочего пространства агрегата:

Q = φ C₀ (Т_п / 100)⁴ · F_отв · τ, (5.7)

где C₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²·К⁴); Т_п – температура в рабочем пространстве, К; F_отв – удельная площадь отверстия, м²/т; φ – коэффициент диафрагмирования отверстия (близок к единицы); τ – продолжительность излучения, с.

Потери тепла излучением через горловину конвертера при общей длительности цикла – 35 минут составляют 1,1…1,4% суммарного прихода тепла и снижаются с увеличением вместимости конвертера.

Повышение расхода лома при уменьшении этих потерь в 2 раза для современных конвертеров может составить 6…7 кг/т стали. Снижение потерь обеспечивается в значительной мере уменьшением диаметра горловины конвертера. При этом одновременно ослабляет эжекцию воздуха в рабочее пространство агрегатов, повышает качество стали (способствует получению стали с меньшим содержанием [N]), но осложняет обслуживание конвертера, завалку металлолома и снижает стойкость футеровки его верхней части. Учет противоположно действующих факторов привел проектировщиков к сравнительно строгому выдерживанию соотношения d_г = 0,33·G^0,4 (где G – вместимость агрегата, т; d_г – диаметр горловины, м).

Потери тепла в межпродувочные периоды приблизительно могут быть приняты равными количеству тепла, поглощаемого футеровкой от металлической ванны в период продувки. Они складываются из теплопотерь излучением через горловину и при свободной конвекции воздуха в рабочем пространстве агрегатов, определяются из соотношения

Q_к = α_к·ΔT·F·τ, (5.8)

где Q_к– тепловые потери конвекцией, кДж/т; α_к – коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/м²; ΔT – разность температур поверхности футеровки и поступающего в рабочее пространство воздуха, К; F – удельная площадь поверхности футеровки, м²/т;τ – продолжительность контакта футеровки с воздухом, с.

Величина теплопотерь конвекций близка к величине теплопотерь излучением через горловину конвертера (~1,1…1,4% общего прихода тепла).

Из изложенного ясна важность сокращения потерь тепла в межпродувочном периоде. Пути их уменьшения в сокращении продолжительности загрузочно-вспомогательных операций, организация работы конвертеров без простоев (из-за отсутствия материалов), использование торкретирования.

Тепловые потери с охлаждающей фурму водой могут быть определены по формуле, кДж/т:

Q = C_p·ΔT·g_в·τ_прод , (5.9)

где C_p – теплоемкость воды, кДж/(кг·К); ΔT – температурный перепад на выходе и входе в фурменное устройство, К; g_в – удельный расход воды, кг/(c·т).

Материальный и тепловой балансы. Уровень и структура материальных и энергетических затрат характеризуют состояние технологии и техники процесса, их анализ позволяет вскрыть резервы, определить возможные пути их реализации ориентируясь на то, что материальный и тепловой балансы конвертерных процессов (верхнего, донного и комбинированного дутья) взаимно обусловлены.

При продувке сверху обычного передельного чугуна кислородом выделяется такое количество тепла, которое может обеспечить нагрев ванны к концу процесса без применения охладителей до 1850…1900^оС.

Для получения нормальной температуры в конце продувки (1580…1650^оС) расход главной из охлаждающих добавок – стального лома – должен составлять 24…28%, чугуна 72…76% от массы металлической шихты в зависимости от его состава и температуры. Превышение оптимального расхода охладителя обусловлено, как правило, увеличением доли тепла реакций окисления железа, в результате чего существенно снижается выход годного.

Применяют и дополнительные охлаждающие добавки (твердые окислители): железную руду, окалину, агломерат, окатыши, известняк, одна массовая единица которых в среднем заменяет три-четыре массовых единицы стального лома. В связи с этим при дополнительном охлаждении твердым окислителем (до 1%) расход лома составляет 20…25% (при расходе чугуна 75…80%).

Таблица 5.1.Материальный баланс плавки (до раскисления) на 100 кг металлошихты (предел чугуна состава, %: 4,2 [C]; 0,75 [Si]; 0,6 [Mn]; 0,15 [P]; 0,05 [S]на сталь при t_чуг=1340^оС)

При продувке передельного чугуна другие статьи материального баланса (см. табл. 5.1) изменяются в следующих пределах. По данным балансовых плавок различных исследователей и миксерных отделений ряда заводов количество миксерного или доменного (в случае применения ковшей миксерного типа) шлака, попадающего с чугуном в конвертер, составляет 0,3…1,2% массы чугуна. Загрязненность лома (особенно привозного) может изменяться в широких пределах (0,5…2,0% массы лома). Загрязненность оборотного лома меньше и может быть оценена величинами 0,5…1,5% массы лома. Количество окалины на стальном ломе также может значительно колебаться. Оборотный лом чище, количество окалины на нем обычно в пределах 1,0…1,5% его массы.

По данным металлургических предприятий государств СНГ и дальнего зарубежья при переделе низкофосфористого чугуна в зависимости от сортамента выплавляемой стали, основности конечного шлака, режима продувки, качества извести и других менее значимых параметров плавки расход плавикового шпата составляет 1,5…5,0 кг/т стали, чаще 2…3 кг/т, а расход извести – 60…90 кг/т. В широком интервале колеблется износ футеровки конвертера, расход огнеупоров достигает 1,4…5,0 кг/т стали. Удельный расход дутьевого кислорода в практике кислородного конвертирования может составлять 45…60 м³/т стали, чаще 50…55.

Расходные статьи материального баланса определяют выход годного металла. Особенности производственных условий и степень совершенства технологии предопределяют его, порой весьма значительные, колебания (от 88 до 91%). Наряду с этим имеют место потери железа с выносом мелких капель металла и шлака при продувке достигают 1% массы металлозавалки; в виде пыли (дыма), уносимой отходящими из конвертера газами, 0,8…1,5%; выбросами – выплесками или даже периодическими переливами через горловину конвертера микрообъемов шлако-металлической эмульсии – 2% и иногда, при серьезных расстройствах хода процесса, до 5%; в виде корольков металла, запутавшихся в шлаке (чаще всего в количестве 6…10% от массы шлака) и в оксидах железа.

Таблица 5.2.Тепловой баланс плавки до раскисления (на 100 кг взвешенной металлошихты) в 350-400 т конвертере

Следует отметить, что потери тепла в конверторе через корпус, горловину, на нагрев футеровки, с охлаждающей фурму водой составляют величину в пределах 1,5…3,0% от прихода тепла, наблюдаемых в условиях практики при четкой организации работы агрегатов, то есть без простоев, додувок, длительных периодов ожидания результатов анализа.

Таким образом, углерод при кислородно-конвертерном переделе обычного чугуна является главным топливом процесса. Так, при интенсивности продувки от 3 м³/(т·мин) до 5 м³/(т·мин) доля углерода, окисляющегося в ванне конвертера до СО, составляет 0,9, а до СО₂ – 0,1. Если бы весь углерод окислялся в ванне конвертера до СО₂, приход тепла от его окисления увеличился бы в 2,4…2,6 раза. Отметим, что это зависит от ряда параметров (интенсивности продувки, динамического напора истекающего из фурмы кислорода, конструкцией наконечника кислородной фурмы и уровня расположения его над поверхностью ванны, числа сопел и угла их наклона к вертикали). Однако сбалансировать эти параметры, в ряду целей технологической необходимости продувки, для достижения максимального окисления С до СО₂, не может быть поставлено на первый план в условиях обычной технологии конвертерной плавки.

Роль других элементов в тепловом балансе плавки в сравнении с углеродом невелика. При переделе в конвертерах высокофосфористого чугуна (1,6…2,0% Р) структура теплового баланса изменяется. Замена части углерода чугуна фосфором приводит к росту прихода тепла за счет абсолютного увеличения почти всех статей, кроме статьи, связанной с меньшим расходом чугуна и обычно его температурой. Статьи возрастают вследствие перехода с высоким тепловым эффектом фосфора в шлак, которого, в свою очередь, получается большое количество (20…25% от массы металлической шихты). Изменяются также статьи расходной части баланса.

Роль углерода в тепловом балансе плавки еще более возрастает при реализации технологии предварительной десиликонизации чугуна при малошлаковом, а также удаления дополнительно фосфора и серы при бесшлаковом процессах, например, применяемых на японских заводах.

Таким образом, в конвертерах с кислородным дутьем при осуществлении передела чугуна любого состава определяющее значение в тепловом балансе плавки принадлежит углероду. За счет повышения концентрации углерода в металлической ванне и увеличения его доли, окисляемой до СО₂, можно заметно улучшать тепловой баланс кислородно-конвертерного процесса.

Лекция №6. Конструкции конвертерных сталеплавильных агрегатов. Конструкция конвертера. Эволюция развития. Конвертеры верхнего дутья, донной продувки и комбинированного дутья (перемешивания, продувки). Особенности конвертерных агрегатов и процессов с донной и комбинированной продувкой. Основные параметры конвертеров. Особенности конструктивных расчетов.

Кислородный конвертер, как сталеплавильный агрегат, состоит из следующих основных элементов: корпуса конвертера с футеровкой, образующих рабочее пространство; опорного кольца с цапфами и системы крепления в нем корпуса; опорных узлов и станин; механизм поворота; кислородной фурмы с системой крепления и перемещения.

Форма профиля и размеры рабочего пространства кислородного конвертера определяются особенностями процессов, протекающих при продувке расплава газообразным окислителем и сопровождающихся резким увеличением объема ванны при интенсивном газовыделении при условии не допущения существенных потерь металла с выбросами и выносами. При этом должны быть сведены к минимуму потери теплоты как через поверхность корпуса агрегата, так и при излучении через горловину.

Корпус конвертера представляет собой тонкостенную металлическую оболочку, симметрично относительно вертикальной оси и футерованную изнутри огнеупорными материалами. Эта оболочка корпуса конвертера или кожуха образует пространственную систему, составленную из набора тонкостенных оболочек различной геометрии, ребер жесткости и массивных кронштейнов.

Нагрев корпуса конвертера настолько интенсивен, что термические напряжения могут быть причиной аварии. Больше всего нагревается горловина конвертера, температура которой может достигать 350^оС и более из-за близости потока горячих газов, выбросов шлака и металла и теплоизлучения от камина. Нижняя часть конической части нагревается менее интенсивно, достигая 250…260^оС. Центральная часть конвертера (цилиндрическая), окруженная опорным кольцом, не может отражать теплоту непосредственно в атмосферу, поэтому ее температура повышается до 310…320^оС. В значительной мере этому способствует усиленный износ футеровки в области опорного кольца. Температура корпуса днища обычно не превышает 150^оС, так как его футеровка вырабатывается меньше.

Наиболее оптимальной формой корпуса, отвечающей этим требованиям, является металлическая оболочка, в которой отдельные части сопрягаются с помощью промежуточных элементов. Наличие торовых элементов позволяет в цельносварном корпусе компенсировать ряд напряжений, возникающих из-за тепловых деформаций и усилий при расширении футеровки.

Ныне существуют три типа конструкции днищ: отъемное или приставное днище; глуходонное днище; вставное или пробочное днище.

Конструкция приставного днища, заимствована исторически от конвертеров с донной воздушной продувкой, в которых стойкость огнеупоров цилиндрической части была выше, чем стойкость огнеупоров днища. Наличие объемного днища обеспечивало быструю его замену. Практика кислородно-конвертерного процесса показала, что стойкость днища при верхней подаче дутья оказалась выше, чем стойкость цилиндрической части.

Съемное днище крепится с помощью специальных кронштейнов, болтов и клиньев. Существенный недостаток такой конструкции днища – опасность прорыва металла в месте соединения днища с корпусом агрегата. Недостатком также является снижение жесткости нижней части кожуха, приводящее к его значительной деформации в процессе эксплуатации, что усложняет точную подгонку днища к корпусу, ремонт футеровки и снижает стойкость последней.

Однако появление глуходонной конструкции корпуса конвертера потребовало разработки новой системы организации ремонтов огнеупорной футеровки с подачей материалов в конвертер сверху, в связи с чем стоимость здания значительно увеличивается, а продолжительность ремонта удлиняется из-за более длительного охлаждения футеровки.

Дальнейшее развитие конструкций кислородных конвертеров привело к созданию вставного или пробочного днища. Это позволило воплотить в одной конструкции преимущества корпуса конвертера с отъемным днищем и конвертера с глуходонным корпусом.

Вставное днище представляет собой металлическую футерованную крышку, вмонтированную заподлицо в люк определенного диаметра, устроенный в центре донной обечайки. Его крепление осуществляется с помощью клиновых или кулачковых соединений.

Особенности конструкции конвертеров с донной продувкой. Конвертеры с классической донной кислородной и комбинированной продувками состоят из тех же основных узлов и элементов, что и конвертеры с верхней продувкой кислородом, за исключением устройств, связанных с подачей дутья через днище (рис.6.1). Как показывает практика эксплуатации конвертеров только с нижним подводом дутья, их удельный объем должен оставаться таким же, как и конвертеров с верхним подводом кислорода (0,8…1,0). Однако выбор параметров рабочего пространства и их соотношений в значительной мере отличается от значения этих величин для конвертеров с верхней продувкой. Последнее объясняется особенностями гидродинамики расплава, более спокойным ходом продувки, а также необходимостью организации загрузки металлолома без повреждения фурм, расположенных в днище конвертера.

Размеры и вместимость конвертеров донного дутья. Основным параметром рабочего пространства конвертера с донной продувкой является глубина ванны. При выборе глубины ванны необходимо учитывать роль следующих факторов. С одной стороны, глубина ванны должна быть такой, чтобы при выходных скоростях кислородного и топливного потоков, обеспечивающих необходимую стойкость днища конвертера, не возникал канальный ход продувки, резко снижающий степень усвоения кислорода и увеличивающий вынос металла.

С другой стороны, как показывает практика, необходимо стремиться к рассредоточению дутья, а следовательно, к увеличению количества фурм, что обеспечивает более спокойный ход продувки. В свою очередь, для предотвращения слияния газовых струй и нарушения гидродинамики ванны, фурмы должны размещаться на некотором расстоянии друг от друга, что требует увеличения площади ванны для установки фурм.

Для предотвращения возможности разрушения фурм при загрузке металлического лома необходимо дополнительное увеличение площади ванны. Все это требует оптимальных размеров как по глубине ванны, так и по ее диаметру. Опыт эксплуатации конвертеров свидетельствует, что при давлении кислорода для продувки 0,8…1,0 МПа, количество фурм в зависимости от вместимости конвертера колеблется в пределах 10…22. В этих условиях глубина ванны должна быть несколько больше длины реакционной зоны L_Р.З., образующийся при вдувании кислорода:

L_Р.З. = 1,91 · Ar^0,39 * d, м (6.1)

где Ar = r_r *× w ² / (r_ж * g * d) – критерий Архимеда; r_r и r_м – плотности газа и металла соответственно; w – скорость газа на выходе из сопла; g – ускорение свободного падения; d – диаметр сопла фурмы.

На практике глубина ванны составляет 0,7…0,8 глубин ванны для конвертеров аналогичной емкости с верхней продувкой и может быть определена из выражения:

h = 0,35 × М^0,23, м (6.2)

Диаметр рабочего пространства конвертера с донной продувкой достаточно точно для практики можно определить по статистическому уравнению:

D = 0,475 × , м (6.3)

Расстояние между фурмами l должно удовлетворять неравенству l ³ D_Р.З..

Диаметр реакционной зоны D_Р.З. = 2,29 × Аr^0,33 × d. (6.4)

При двухрядном расположении фурм расстояние между рядами l_Р можно определить как l_Р = D/6,6. (6.5)

Более спокойный ход продувки при донном дутье позволяет уменьшить при всех прочих равных условиях высоту цилиндрической части конвертера. Поэтому отношение полной высоты рабочего пространства к его диаметру составляет 1,1…1,3 по сравнению 1,4…1,6 для конвертеров с верхней продувкой.

Днище конвертеров с донной продувкой должно быть обязательно сменным из-за более интенсивного разрушения футеровки днища по сравнению с футеровкой корпуса. Днище является наиболее сложным и ответственным элементом. Оно включает помимо огнеупорной футеровки дутьевые фурмы, системы подвода, распределения и регулирования кислорода и защитной среды, в качестве которой, как правило, применяют жидкие или газообразные углеводороды. В конце плавки по этим же фурмам подают инертные газы.

Современное состояние кислородно-конвертерногопроцесса с комбинированной продувкой. Развитие кислородно-конвертерного производства стали в настоящее время осуществляется в направлении дальнейшего совершенствования процесса с верхней продувкой (LD–процесс и его разновидности) и широкого распространения различных вариантов процесса с комбинированной продувкой.

Так, к концу двадцатого столетия мощности кислородных конвертеров (их число было около 680) во всем мире составляли примерно 540–560 млн.т, причем они остались практически неизменными с 1985 г. Крупнейшими производителями кислородно-конвертерной является Япония, где уже в 1990 г эксплуатировалось 80 конвертеров, из них 59 с комбинированной продувкой, США – 50/21 (в знаменателе количество конвертеров с комбинированной продувкой), Германия – 33/28, Франция – 15/14, Англия – 14/7, Бельгия – 13/10, Бразилия – 30/4, КНР – 154/9 (в основном конвертеры вместимостью от 3 т до 30 т). К их числу относился и Союз; в 15 конвертерных цехах в 90-х годах эксплуатировалось 45 конвертеров (15 из них с комбинированной продувкой).

О конструктивных аспектах конвертеров комбинированного дутья. Как правило, комбинированным дутьем оснащают конвертеры, ранее спроектированные и использованные для верхней продувки. При этом, требуются существенные конструктивные изменения и дополнения, касающиеся корпуса конвертера, необходимости иметь съемное днище с донными фурмами, оборудования для подвода различных газов и порошкообразных материалов. В какой-то мере это касается футеровки и системы газоочистки.

Сочетание верхней и донной продувок, а иногда и бокового дутья достаточно радикально отражается на изменении профиля, его внутренних размерах и основных параметрах конвертеров. Указанные изменения обусловлены технологическими требованиями и гидродинамическими особенностями металлической ванны и, в частности, характером и интенсивностью подвода донного дутья. Так, если для донной продувки используется фурма типа труба в трубе, возникает необходимость непрерывного подвода дутья: при применении блоков с мини фурмами этой необходимости нет – дутье может подаваться в любой момент плавки. Если донная продувка производится непрерывно, то объем и профиль внутреннего пространства должен обеспечить полное оставление жидкого металла и шлака в агрегате, когда он находится в горизонтальном положении, то есть при его повалке: до подачи или после прекращения дутья. Жидкий металл и шлак в этом случае не должны перекрывать отверстия фурм в днище конвертера. В связи с этим в конвертерах, в которых донная продувка осуществляется посредством фурмы типа труба в трубе, внутренний диаметр бочки огнеупорной кладки должен быть несколько больше, чем у конвертера с верхней продувкой. Это требование является характерным как для конвертеров донного дутья, так и для агрегатов с комбинированной продувкой, оно определяет величину одного из основных параметров, а именно отношение высоты рабочего пространства Н к его диаметру D. Это отношение у конвертеров донного и комбинированного дутья (продувкой через донные трубчатые фурмы) встречаются в пределах 1,15…1,25. При этом меньшие значения характерны для агрегатов большей вместимости (230…250 т), в то время как для конвертеров верхнего дутья отношение Н/D = 1,4…2,0. Если же для донной продувки применяют огнеупорные блоки с мини фурмами, то профиль и соответственно отношение Н/D в агрегатах комбинированного дутья могут быть такими же как и в случае одного верхнего дутья.

Приминительно к верхней, донной и боковой продувке имеются попытки теоретического обоснования проектирования кислородных конвертеров относительно их внутренних размеров и параметров дутьевого режима с использованием положений гидродинамики, тепло– и массопереноса в конвертерной ванне. Для конвертеров с комбинированной продувкой пока отсутствуют четкие теоретические обоснования по расчету основных конструктивных параметров. Они в значительной мере зависят от соотношений интенсивности подачи кислорода сверху и снизу для конвертеров второй группы, способа и интенсивности подачи нейтральных или слабо окислительных газов для агрегатов первой группы.

В связи с тем, что эксплуатируются в основном реконструированные конвертеры верхнего дутья, дальнейшая практика внесет соответствующие коррективы в расчеты основных параметров конвертеров с комбинированной продувкой. Так, на одном из японских предприятий в 280–т конвертере, в целях повышения эффективности работы увеличили глубину ванны с 1,91 до 2,14 м и уменьшили диаметр с 6,34 до 5,652. Последнее способствовало уменьшению вибрации и снижению содержания оксидов железа в шлаке, что отразилось на конечном содержании фосфора в металле.

Лекция №7. Футеровка. Огнеупоры. Футеровка и стойкость днищ конвертеров донного и комбинированного дутья. Стойкость футеровки. Опорное кольцо и привод поворота. Продувочные устройства и их расчет (кислородная фурма, продувочные устройства в конвертерных агрегатах донного и комбинированного дутья). Перспективы развития конструкции, ТЭП.