Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский государственный индустриальный университет»
Кафедра металлургии черных металлов
Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине: «Конструкции агрегатов»
Новокузнецк
2019
Содержание
Введение
1. Расчет основных размеров конвертера
2. Обоснование выбора огнеупоров и системы выкладки футеровки
2.1 Кладка арматурного слоя
2.2 Кладка рабочего слоя
3. Расчет и проект фурмы
3.1 Расчет сопла Лаваля
3.2 Разработка конструкции наконечника и фурмы
3.3 Расчет расхода воды на охлаждение фурмы
3.4 Определение рабочего давления кислорода перед гибким шлангом фурмы
Список использованной литературы
Введение
Среди различных процессов производства стали первое место в мировой практике занял кислородно-конвертерный процесс благодаря высоким технико-экономическим показателям. Современное конвертерное производство представляет собой сочетание технологий выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки.
Преимущества кислородно-конвертерного способа производства стали: более высокая производительность одного работающего агрегата; экологическая чистота; простота управления; низкие удельные капиталовложения; мощность производства высококачественной стали широкого сортамента из чугуна различного химического состава; переработка относительно большого количества металлолома. Все это обеспечило его быстрое распространение в мире.
В будущем предусматривается повысить долю стали, выплавляемой в конвертерах, значительно увеличить также долю стали, разливаемой непрерывным способом и обработанной различными внепечными методами.
Намечается широко внедрять микролегированные стали для повышения служебных характеристик металла, в частности, прочностных свойств (временное сопротивление до 600-700 МПа), пластичности и штампу емкости.
Решение этих задач может быть обеспечено в конвертерных цехах, оснащенных широким набором средств внепечной обработки металла и установками непрерывной разливки.
1. Расчет основных размеров конвертера
Исходные данные:
- емкость конвертера Q = 350 т;
- удельная интенсивность продувки металла кислородом
qO2 = 3,0 м3/(т•мин);
- температура кислорода перед соплами T1 = 298К;
- давление кислорода на входе в сопло P1 =14 атм.;
- давление кислорода на выходе из сопла P2 =1,1 атм.
Расчет производится по представленному ниже алгоритму[1].
1. Критическая скорость истечения кислорода:
,
2. Максимальная скорость выхода кислородной струи из сопла:
3. Плотность кислорода при входе в сопло:
4. Плотность кислорода, истекающего из сопел фурмы:
5. Удельный объем конвертера:
6. Глубина металлической ванны в спокойном состоянии:
=
7. Внутренний диаметр конвертера:
8. Высота слоя шлака:
9. Общая глубина ванны в спокойном состоянии:
H1 = H0 + hШЛ = 1,85 + 0,04 = 2,25 м
10. Объем металлической ванны:
11. Внутренний диаметр днища конвертера определяется из уравнения:
Для решения данное уравнение преобразовывается путем замены:
В результате получаем:
12. Диаметр горловины конвертера:
13. Рабочий объем конвертера:
V = Vуд = 0,91 • 100 = 91 м3
14. Высота горловины:
15. Высота цилиндрической части конвертера:
16. Внутренняя (полезная) высота конвертера:
HВ = HГ + HГ + H1 = 2,79 + 3,48 + 2,25 = 8,52 м
17. Отношение внутренней высоты к внутреннему диаметру конвертера:
18. Толщина футеровки в цилиндрической части конвертера:
19. Толщина футеровки в конической части конвертера:
tК = tЦ - 0,15 = 1,0 - 0,15 = 0,85 м
20. Толщина футеровки днища конвертера:
tДН = tЦ + 0,125 = 1,0 + 0,125 = 1,125 м
21. Толщина металлического кожуха конвертера в цилиндрической части:
22. Толщина металлического кожуха конвертера в днище и конической части:
дДН = дК = дЦ - 0,04 = 0,1 - 0,04 = 0,06 м
22. Наружный диаметр конвертера:
DН = DВ + 2• tЦ + 2• дЦ = 6,69 + 2• 1,0 + 2 • 0,1 = 8,89 м
23. Полная высота конвертера:
HН = HВ + tДН + дДН = 8,52+ 1,125 + 0,06 = 9,7 м
24. Отношение полной высоты к наружному диаметру конвертера:
25. Диаметр сталевыпускного отверстия:
dОТВ = 0,1 + 0,00033 • Q = 0,1 + 0,00033 • 350 = 0,21 м
Рисунок 1 - Эскиз рабочего пространства конвертера
2. Обоснование выбора огнеупоров и системы выкладки футеровки
Футеровку кислородного конвертера выполняют двухслойной из рабочего и арматурного слоев и реже трехслойной, когда между ними имеется промежуточный слой из огнеупорной смолодоломитой массы [2]. В условиях АО «ЕВРАЗ ЗСМК» применяют двухслойную футеровку, рисунок 2.
1- рабочий, выложен периклазоуглеродистым кирпичом, толщиной 1100мм, 930 мм на цилиндрической и конической части, 760 мм на горловине конвертера;
2- арматурный, выложен магнезитовым кирпичом, толщиной 230 мм.
Рисунок 2- Металлический корпус конвертера c огнеупорной футеровкой
2.1 Кладка арматурного слоя
В зависимости от износа футеровки производится частичная или полная замена арматурного слоя днища. При частичном ремонте изношенная футеровка выламывается и восстанавливается[3]
При полной замене футеровки перед началом кладки на бронь днища наносится слой периклазового порошка фракции 0-1 мм для выравнивания неровностей от сварных швов.
Футеровка арматурного слоя центральной части днища выполняется в два слоя периклазовым кирпичом. Первый ряд к броне толщиной 65 мм, второй толщиной 115 мм развернуть на 450 относительно первого ряда.
По перефирии днища футеровка выкладывается в два ряда периклазовым кирпичом на ребро, толщиной по 115 мм каждый, не допуская совпадения швов.
Кладка арматурного слоя днища выполняется насухо без прокладок. Швы между периклазовым кирпичом просыпаются периклазовым порошком фракции 0-1 мм. Совпадения вертикальных швов в кладке днища не допускаются.
Арматурный слой цилиндрической части конвертера выполняется периклазовым кирпичом, уложенным на ребро торцом к броне, толщиной 230 мм, швы между кирпичом заполняются периклазовым порошком 0-1 мм.
Арматурный слой горловины выполняется периклазовым кирпичом, уложенным на ребро торцом к броне конвертера, толщиной 230 мм.
Кладка арматурного слоя горловины выполняется на сухо, швы между кирпичом заполняются периклазовым порошком фракции 0-1 мм.
Кладка арматурного слоя конуса ведется с опережением кладки рабочего слоя на 2-3 ряда.
2.2 Кладка рабочего слоя
Днище конвертера футеруется кирпичом на торец к броне без прокладок. По перефирии в местах сопряжения рабочих слоев днища и цилиндрической части производится разбутовка периклазоуглеродистым кирпичом с подсыпкой массой фракции 0-1 мм. Швы заполняются периклазовым порошком фракции 0-1 мм.
Кладка ведется кольцами, в перевязку, замковые кирпичи устанавливаются в районе завалки, швы заполняются периклазовым порошком фракции 0-1 мм.
Перед началом футеровки сталевыпускного отверстия футляр и прилегающая к нему часть кожуха обклеивается листовым асбестом. Сталевыпускное отверстие выкладывается блоками. Леточные блоки до уровня контрольной футеровки обкладываются периклазовым кирпичом затем периклазоуглеродисты. Швы между блоками и кирпичом забиваются огнеупорной массой затворенной на воде.
Верхнее кольцо кладки рабочего слоя горловины пробивается огнеупорной массой на основе периклазового порошка.
3. Расчет и проект фурмы
3.1 Расчет сопла Лаваля
Расчет сопла Лаваля сводится к определению длинны сопла и размеров его критического, входного и выходного сечений. Исходными данными для этого являются расход кислорода (Vо), давление (Р1) и температура (t1) его перед соплом в фурме[4].
Исходные данные:
– удельная интенсивность продувки 3,0 м3/(т·мин);
– давление и температура перед соплом Р1=14 атм. и Т1= 298К;
– количество сопел в головке фурмы 4 шт.
Чтобы исключить возможность истечения кислорода с недостатком давления и возможность отрыва струи от стенок сопла, принимаем величину Р2 на 0,1 атм. выше давления окружающей фурму среды.
Площадь критического сечения сопла Лаваля (Fкр) вычисляется по уравнению неразрывности, составленному для этого сечения:
где G - массовый расход кислорода, кг/с;
р - плотность кислорода в критическом сечении, кг/м3;
W - скорость кислорода в критическом сечении, м/с;
Массовый расход кислорода можно определить по уравнению:
конвертер футеровка огнеупор фурма
где Vо - объемный расход кислорода, м3/с
ро - плотность кислорода при нормальных условиях, кг/м3
Тогда:
Откуда:
или с учетом количества сопел в фурме:
Где 350 - емкость конвертера, т;
3,0 - удельная интенсивность продувки, м3/т·мин;
60 - количество секунд в 1 минуте.
При нормальных условиях плотность технического кислорода (кг/м3), состоящего из 99,6% О2 и 0,4 N2:
Плотность кислорода в критическом сечении можно определить по уравнению:
где Ркр - давление кислорода в критическом сечении, атм.;
Ткр - критическая температура.
Определим давление в критическом сечении сопла по формуле:
Вычислим критическую температуру
Тогда:
Скорость в критическом сечении определяется по уравнению:
Подставляя найденные величины в уравнение получим Fкр в расчете на одно сопло применительно к четырех сопловой фурме:
Диаметр сопла в критическом сечении составит:
Площадь сечения одного сопла на выходе определяется по формуле:
где V2 - удельный объем кислорода при Т2 и Р2, м3/кг
W2 - скорость кислорода на срезе сопла Лаваля (на выходе), м/с.
Удельный объем кислорода (V2) c учетом параметров (Т2 и Р2) определяется по уравнению:
Температура кислорода (Т2) после его расширения до Р2=1,1 атм. определяется по формуле:
Тогда:
Скорость кислорода на срезе сопла определим по формуле:
Тогда
Увеличение сечения от Fкр до Fвых происходит на участке lзакр, длинна которого (мм) при принятом угле раскрытия в равном 10о составит:
Длина докритической части сопла:
Радиус скруглений сопла в докритической части при переходе к критическому сечению принимаем равным диаметру критического сечения:
RСКР = dКР = 48 мм
Диаметр входного сечения сверхзвукового сопла dвх определяется значениями lдокр и Rскр графически.
Общая длинна сопла составит:
l0 = lДОКР + lЗАКР = 24 + 147 = 171 мм
Принимая во внимание, что в практике кислородно-конвертерного процесса наблюдается тенденция расположения фурмы при продувке на высоте (Нф). Близкое к длине ядра начальных скоростей струи (Хо), определим рациональную в данных условиях рабочую высоту фурмы над уровнем ванны в спокойном состоянии.
На основании выражения по определению длинны ядра начальных скоростей струи получим.
HФ = 2,47 • P1 • dКР = 2,47 • 14 • 0,048 = 1,66 мм
где Р1 - давление кислорода на выходе в сопло, атм;
dкр - критический диаметр сопла, м.
Рисунок 3 - Эскиз сопла Лаваля
3.2 Разработка конструкции наконечника и фурмы
Толщину стенки сопла принимаем равной 10 мм.
Принимаем угол наклона сопел к вертикальной оси равным 20о при размещении сопел на торцевой части головки в один ряд.
По полученным данным о размерах сопел, а также угла наклона их к оси фурмы путем графических построений определяем размеры и проектируем конструкцию коллектора и торцевой части головки фурмы.
В соответствии с полученными размерами выбираем необходимые диаметры кислородоподводящей (Дк), разделительной (Др) и наружной (Дн) труб фурмы по ГОСТ 8732-78 на стальные бесшовные трубы[5].
Принимаем: Дк =245x6 мм, Др =299x7мм, Дн =351x8мм.
На основании данных о расстоянии от уровня спокойного металла в конвертере до фурменного окна в камине, а также крайнего верхнего положения каретки закрепления фурмы определяем длину последней в 15 м.
С учетом удаления патрубков фурмы от стационарных точек подвода кислорода и воды к агрегату выбираем длину гибкого металлического рукава в 16 м.
3.3 Расчет расхода воды на охлаждение фурмы
Потери тепла Qф на охлаждение кислородной фурмы определяют по формуле: