Расчет основного оборудования конвертерного цеха

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

 

ДонГТУ

 

Кафедра металлургии  черных металлов

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине

«Конструкции и оборудование сталеплавильных  агрегатов»

 

 

 

 

Выполнил: ст.гр.МЧМ-05з

Кульшан Ю.М.

 

Проверил: доц., к.т.н.

Эссельбах С.Б.

 

 

 

 

 

Алчевск, 2008 г.

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. Количество и вместимость конвертеров

Примем технологическую  схему работы ККЦ, предусматривающую схему работы 3/2, т.е. из трех конвертеров, в работе постоянно находятся два.

Продолжительность отдельных  периодов плавки составляет:

Завалка лома – 2 мин.

Заливка чугуна – 3 мин.

Загрузка флюсов – 2 мин.

Продувка плавки кислородом – 15 мин.

Наклон конвертера и обслуживание плавки – 6 мин.

Выпуск стали – 6 мин.

Обслуживание конвертера – 8 мин.

Итого цикл плавки – 42 мин.

Необходимая вместимость конвертеров:

G_к = 1,9∙А_ж∙τ_пл/Z_р.к.∙10^-6,

где А_ж – годовая производительность цеха, т – по заданию 6,8 млн. тонн;

τ_пл – средняя продолжительность плавки, мин;

Z_р.к. – количество конвертеров.

G_к = 1,9∙6800000∙42/2∙10^-6=271,3 т.

В соответствии с рядом  номинальных вместимостей конвертеров [1] принимаем вместимость конвертеров 300 т.

2. Выбор, описание и расчет конструкции конвертера

Конвертер емкостью 300 тонн имеет глуходонный сварной корпус, состоящий из из цилиндрической средней части, сферического днища и концентричной горловины в виде усеченного конуса. На рисунке 1 показан эскиз кислородного конвертера.

На горловине корпуса закреплен  водоохлаждаемый сменный шлем. Крепление корпуса в опорном кольце осуществлено шестнадцатью кронштейнами, приваренными к корпусу сверху и снизу опорного кольца. Верхними кронштейнами корпус опирается на верхний пояс опорного кольца. Нижние кронштейны выполнены с наклонными плоскостями и находятся в контакте с угловыми башмаками, приваренными к опорному кольцу. Правильный выбор угла наклона контактных поверхностей нижних опорных узлов (зависит от коэффициента трения и тепловых деформаций) должен обеспечить надежность крепления и независимость деформаций опорного кольца и корпуса конвертера при их нагревании. Узлы крепления закрыты от попадания металла и шлака кожухом. Опорное кольцо составное. Цапфовые плиты прикреплены к полукольцам шпильками. Опоры конвертера установлены на сварных станинах. В подшипниковых узлах установлены специальные сферические и конические роликоподшипники. Одна опора – фиксированная, другая – плавающая. Такое устройство опорно-поворотной части обеспечивает компенсацию перекоса и осевое смещение цапф при тепловых и силовых деформациях опорного кольца. Приводы механизма поворота конвертера установлены на отдельных рамах и соединены с цапфами опорного кольца универсальными шпинделями, исполняющими роль компенсирующих соединительных муфт.

Футеровка конвертера –  трехслойная, состоящая из арматурного, промежуточного и рабочего слоев. Арматурный слой выполнен из обожженного магнезитового кирпича, длительное время не требующего замены. Промежуточный слой, защищающий основной арматурный слой, выполнен из набивной смолодоломитовой массы. Рабочий слой выполнен из безобжигового смолодоломитового кирпича.

Конвертер снабжен механизмом поворота, приводимым четырьмя электродвигателями постоянного тока, размещенными попарно с обоих сторон.

Основные параметры  для расчета профиля конвертера примем в соответствии с таблицей, приведенной в работе [2], для выбранной емкости конвертера:

• высота H = 9 м;
• диаметр рабочего пространства D = 6,7 м;
• удельный объем V_у = 0,67 м³/т;
• глубина ванны l = 1,72 м;
• диаметр горловины d_г = 3,66 м.

Удельную площадь поверхности  ванны, то есть отношение площади  поверхности ванны к вместимости конвертера выбирают в пределах 0,12-0,18 м²/т. Примем 0,15 м²/т.

Определим объем металлической  ванны

Внутренний диаметр  днища конвертера

Рабочий объем конвертера рассчитаем по удельному объему

.

Найдем высоту конической части конвертера

Определяем высоту цилиндрической части конвертера

Определяем внутреннюю высоту кислородного конвертера

Толщина футеровки в  цилиндрической части конвертера

Толщина футеровки в  конической части конвертера

Толщина днища конвертера

Толщина металлического кожуха конвертера

Наружный диаметр конвертера

Полная высота конвертера

Диаметр выпускного отверстия

3. Расчет кислородной фурмы

В соответствии с рекомендациями [3] используем машины для подачи кислорода с верхним расположением реечного типа, размещенные над конвертером на площадках.

Для расчета фурмы  примем исходные данные:

– интенсивность продувки i – 4,5 нм³/т·мин;

– давление кислорода в фурме  P₁ – 15 атм.;

– давление кислорода на срезе  сопла фурмы P₂ – 1,2 атм.;

– скорость кислорода в фурме W_ф – 50 м/с;

– температура кислорода в фурме  T₁ – 293 К;

– показатель адиабаты k – 1,4.

Выбираем конструкцию фурмы  с подводом кислорода по центральной  трубе. На основании закона сохранения массы, уравнения Бернулли и закона адиабаты произведем расчет фурмы.

Количество сопел:

Принимаем к установке десятисопловую фурму.

Определяем массовую потерю кислорода

.

Критическая скорость вытекания  кислорода

Полное давление кислорода  перед соплами:

Плотность кислорода  перед соплами:

где М – молярная масса  кислорода, 32г/моль;

R – газовая постоянная, 8314.

Определяем критические  параметры вытекания кислорода:

Плотность кислорода  на срезе сопла:

.

Вычисляем размеры сопла  Лаваля из закона сохранения массы:

Скорость кислорода  на срезе сопла

где φ – коэффициент, который учитывает отклонения реального  процесса от идеального.

Внутренний диаметр  центральной трубы, по которой идет кислород, определяем из расчета скорости его в трубе 50 м/с.

Выбираем бесшовную  трубу Ø190х6. Остальные размеры фурмы выбираем и назначаем конструктивно.

4. Расчет основного и подъемно-транспортного оборудования основных отделений цеха

4.1. Миксерное отделение

Миксерное отделение МО размещается в отдельном здании с примыканием к торцу загрузочного пролёта. Миксера располагаются с уступом, чтобы сливной носок каждого миксера находтлся на одном из путей выдачи чугуна. При этом обеспечивается бесперебойная выдача чугуна и работа без стрелочого перевода. Миксер установлен на низком фундаменте с подачей ковшей на уровне пола загрузочного пролёта.

Миксерное отделение имеет следующее оборудование:

• мостовые заливочные краны;
• самоходные чугуновозы с заливочными ковшами;
• машины для скачивания шлака из миксеров;
• стенды для шлаковых ковшей.

Принимаем установку  в миксерном отделении типовых миксеров емкостью 2500 т. Необходимое количество миксеров рассчитываем по формуле:

Z_м = 1.01∙А_с∙К_ч∙τ/(24∙К_з∙G_м),

где 1,01 – коэффициент, учитывающий потери чугуна;

А_с – суточная производительность цеха, т жидкой стали в сутки;

К_ч – расходный коэффициент чугуна, т/т жидкой стали;

τ – среднее время пребывания чугуна в миксерах, ч;

К_з – коэффициент заполнения миксеров;

G_м – проектная вместимость миксеров, т.

Z_м=1.01∙20000∙0.914∙7/(24∙0.85∙2500)=2.5 шт.

Принимаем к установке в миксерном отделении 3 миксера по 2500 т.

Для подачи чугуна из доменного цеха в МО используются чугуновозы с открытыми ковшами грушевидной формы типа «Г-1-140» с вместимостью 140 т. Для слива чугуна в миксера используются литейные краны грузоподъёмностью 180/63 т. Количество ковшей чугуна, сливаемого за сутки в миксеры:

N_кч=К_ч∙А_с/(G_чк∙К_з),

где G_чк – вместимость чугуновозного ковша, т;

К_з – коэффициент заполнения ковшей.

N_кч=0.83∙20000/(140∙0.85)≈140 ковшей.

Количество кранов в  миксерном отделении:

Z_зк=К_вр∙N_кч∙τ_к/(1440∙в),

где К_вр – коэффициент, учитывающий занятость кранов на вспомогательных работах;

τ_к – средняя занятость кранов на заливке одного ковша чугуна, мин;

в – коэффициент использования  кранов.

Z_зк=1.15∙140∙18/(1440∙0.8) ≈2.5 крана.

С учётом резерва принимаем 3 крана.

Количество чугуновозов  с заливочными ковшами:

Z_чв=N_с∙τ_чв/1440,

где N_с – суточное количество плавок, шт;

τ_чв – занятость чугуновоза на одну плавку, мин.

Z_чв=114∙35/1440=2.8 шт.

Принимаем 3 чугуновоза грузоподъёмностью 450 т.

В МО участок подачи чугуна имеет 2 тупиковых железнодорожных  пути.

Всего в МО за сутки поступает составов чугуна:

Z_чс=А_с∙К_ч/(G_чк∙К_з∙п_чс),

где п_чс – количество чугуновозов в одном составе, шт.

Z_чс=0.83∙20000/(140∙0.85∙5)=28.

Принимаем две машины скачивания шлака и два стенда для шлаковых ковшей.

4.2. Шихтовое отделение

Шихтовый двор с подвесными бункерами «нижнего» типа.

Вместимость приёмных бункеров шихтового  двора и расходных бункеров для сыпучих в конвертерном пролёте главного здания рассчитываем по формуле:

V_i=K_i∙A_ж∙n_з/(r_i∙K_з),

где K_i – расходный коэффициент, т/т жидкой стали;

А_ж – суточная производительность цеха, т жидкой стали;

n_з – норма запаса материалов в бункерах, сут;

r_i – объёмная масса материала в бункерах, т/м³;

К_з – коэффициент заполнения бункеров (0,9).

V_{ш. двор}^изв=0.07104∙20000∙1/(0.8∙0.9)=1973.33 м³

V_р.б.^изв=0.07104∙20000∙0.3/(0.8∙0.9)=592 м³

V_р.б^{плав шпат} = 0.00456∙20000∙0.3/(1.7∙0.9)=17.88 м³

V_ш.двор^{плав шпат} =0.00456∙20000∙1/(1.7∙0.9)=59.61 м³.

Среднечасовая производительность линии транспортёров материалов для подачи материалов с шихтового  двора в расходные бункера составляет:

Р_тр=А_ж/(24∙SК_i ×10^-2)

Р_тр=20000/(24∙1640×10^-2)=50.81 м³/час.

Ширина лент транспортёров  рассчитывается по формуле:

,

где с – коэффициент заполнения ленты материалом, равен 470;

r_i – насыпная масса материала, т/м³;

w – скорость ленты транспортёра, м/с.

Принимаем стандартную  ширину ленты равную 2000 мм.

С учётом резерва принимаем 2 линии транспортёров – рабочая  и резервная.

Вместимость ямы для  лома на шихтовом дворе рассчитывается по формуле:

V_я=К_л∙А_ж∙n_з/(1.2∙r^’_л),

где К_л – расходный коэффициент лома, т/т;

r^’_л – объёмная масса лома, т/м³;

n_з – норма запаса лома на шихтовом дворе, суток.

V_я=0.2263∙20000∙10/(1.2∙0.8)=47146 м³.

Вместимость ямы для  лома в пролёте перестановки и  разворота совков, при его запасе на 2 суток равен

V’_я =0.2∙К_л∙А_ж/r^’_л

V’_я =0.2∙0.2263∙20000/0,8=1131.5 м³

Количество магнитных  кранов на шихтовом дворе:

Z_м.кр.=1.1∙К_л∙(t_п+а∙t_р)/(1440/b),

где t_п и t_р – соответственно затраты кранового времени на погрузку и разгрузку лома (1,0 и 0,9 т/мин);

а – доля лома, разгружаемого  из вагонов и с платформы в  яму;

b – коэффициент использования кранов (~0,8).

Z_м.кр.=1.1∙0.2263×20000∙(1+0.8∙0.9)/(1440/0.8)=4.26 крана.

С учётом резерва принимаем 5 кранов.

При загрузке лома одним  совком, количество завалочных кранов:

Z_кр=N_пл∙t_кр/(720∙b),

где: t_кр – средняя занятость крана на перестановку, мин.

Z_кр=114∙4.9/(720∙0.8) ≈ 1 кран.

Вместимость совков для  лома при загрузке одним совком:

V_с=К_л∙G_к/r^’_л,

V_с=0.2263∙300/0.8 = 84,9 м³

Принимаем совок вместимостью 100 м³.

Парк совков для загрузки лома:

Z_с=1.1∙N_пл∙n_c∙t_c/24,

где t_c – средняя продолжительность оборота совка, ч;

1.1 – коэффициент резерва совков;

n_с – количество совков с ломом на одну плавку, шт.

Z_с=1.1∙114∙1∙4/24≈21 совок.

С учётом резерва принимаем 23 совка.

Необходимое количество внутрицеховых скраповозов:

Z_ск=N_пл∙t_cк/1440,

где t_cк – занятость скраповоза на плавку, мин.

Z_ск=114∙50/1440≈4 скраповоза.

Принимаем два скраповоза.

4.3. Главное здание

Основное назначение главного здания ККЦ – выплавка и разливка стали, поэтому в цехе располагаются два отделения – конвертерное (КО) и разливочное (ОНЛЗ). КО и ОНЛЗ располагаются в отдельно стоящих зданиях, соединённых галереей для сталевозов. При этом здание КО запроектировано в составе 3 пролётов – конвертерного, загрузочного, ковшевого.

Вместимость стальковшей  выбирается из максимально возможной плавки по жидкому металлу и некоторого количества шлака, для покрытия зеркала металла слоем 100-200 мм.