Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Металлургия"

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: "Конструкция и проектирование металлургических агрегатов"

Тема: "Проект доменной печи, предназначенной для передельного чугуна для обеспечения бесперебойной работы конвертерного цеха"

Проверил:

Торговец А.К.

Выполнил:

студент гр. М-06к

Минбаев Д. Р.

ТЕМИРТАУ 2009 г

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Расчет профиля доменной печи

2. Расчет ведется по методу академика М. А. Павлова

3. Расчет шихты загружаемой в доменную печь

4. Конструкция доменной печи

5. Печные огнеупоры

Выводы

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Доменная печь является плавильным агрегатом шахтного типа, т. е. с вытянутым в высоту рабочим пространством, в котором осуществляется принцип противотока. Внутренне очертание рабочего пространства доменной печи называется профилем. Профиль печи делится на пять частей.

Процесс получения чугуна есть совокупность ряда самостоятельных, сложных явлений, взятая в их взаимовлиянии. К ним относятся процессы восстановления оксидов и сложных соединений, разложения гидратов и солей, горения твердого, жидкого и газообразного горючего, твердофазные и гетерогенные химические реакции, теплообмен, движение твердых, жидких и газообразных составляющих и др. Взаимовлияние и одновременность протекания этих процессов усложняют анализ плавки, затрудняют определение зависимостей, характеризующих ход процесса. В связи с этим, несмотря на то, что в учебнике изложение каждого из процессов дано традиционно в отдельных главах, изучающий технологию доменной плавки должен учитывать их взаимодействие.

На примере многих работ было показано, что доменный литейный чугун обладает определенной "наследственностью", т.е. свойство отливок, получаемых из чугуна, переплавленного в вагранках или индукционных печах, прямо связаны с качеством исходного доменного чугуна. Предполагают, что существует взаимосвязь свойств передельного чугуна и стали.

Жидкий чугун представляет собой конденсированную фазу, не обладающую дальним порядком в размещении атомов. При небольших перегревах жидких чугунов обнаруживаются признаки ближнего порядка в расположении атомов железа и микрогруппировки атомов углерода величиной до 10^-7 - 10^-6 см.

К важнейшим свойствам чугуна относят его химический состав, однородность состава, количество неметаллических включений, форму выделения углерода, количество растворенных газов, физический нагрев.

1. РАСЧЕТ ПРОФИЛЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Верхняя часть, представляющая собой цилиндрическую форму, называется колошником. Наибольшая по объему часть печи, имеющая форму усеченного конуса обращенного большим основанием вниз, называется шахтой. Наиболее широкая часть печи, имеющая форму цилиндра, называется распаром. Нижняя часть печи, также имеющая форму цилиндра, называется горном. Пространство между распаром и горном, имеющее форму усеченного конуса, обращенного большим основанием вверх, называется заплечиками. Такая конфигурация рабочего пространства создает благоприятные условия для протекания необходимых аэродинамических и физико-химических процессов [1].

Основными размерами профиля печи являются: полная и полезная высота, высота отдельных частей - колошника, шахты, распара, заплечиков и горна, диаметры горна, распара и колошника. Соотношением этих размеров определяются углы наклона шахты и заплечиков. Размеры профиля определяют общий размер доменной печи, который характеризуется величиной полезного объема. Полезным объемом печи называют объем, заполненный шихтовыми материалами и продуктами плавки.

Рассмотрим значение каждого из перечисленных размеров профиля.

Полезная высота доменной печи - это расстояние от оси чугунной летки до поверхности материалов на колошнике. Так как уровень насыпи материалов может изменяться, то условно за этот горизонт принимается положение нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Полезная высота доменной печи определяется прочностью твердого топлива. Несоответствие высоты печи прочности твердого топлива приводит к разрушению последнего, в результате чего в нижней части печи образуется большое количество мелких фракций, загущающих шлак, который загромождает горн и препятствует нормальной работе печи.

Полной высотой доменной мечи называется расстояние от оси чугунной летки до верхней кромки опорного кольца кожуха колошника, на котором укреплена воронка большого конуса засыпного аппарата. Полная высота больше полезной на величину, определяемую размером воронки засыпного аппарата, и зависит от конструкции засыпного аппарата.

Диаметр горна определяется количеством сжигаемого топлива в единицу времени. Практика работы доменных печей показывает, что увеличение диаметра горна не вызывает нарушений в доменном процессе и не ухудшает технических показателей плавки.

Высота горна -- это расстояние от оси чугунной летки до нижней кромки заплечиков.

Высота горна при заданном диаметре определяется количеством продуктов плавки, накапливаемых в горне между выпусками. Так как при увеличении объема печи, а следовательно, и ее производительности, диаметр горна возрастает, то высота его увеличивается незначительно- Чрезмерная высота горна недопустима вследствие снижения температуры в нижней его части и охлаждения накапливаемых продуктов плавки.

Диаметр распара в значительной мере определяет распределение газового потока по сечению печи. При малом диаметре распара, приближающемся к диаметру горна, чрезмерно усиливается периферийный поток газа. При этом угол наклона заплечиков приближается к 90", что приводит к быстрому разгару огнеупорной кладки нал зонами горения. Чрезмерное увеличение диаметра распара усиливает неравномерность распределения материалов и газового потока в печи.

Высота распара определяет угол наклона шахты при постоянных диаметрах распара и колошника. Углом наклона шахты определяются правильное распределение газового потока по сечению печи и опускание столба шихтовых материалов.

Диаметр колошника определяем распределение материалов в верхней части печи. Увеличение размеров доменных печей долгое время сдерживалось боязнью увеличивать диаметр колошника, так как опасались недостаточной загрузки рудной частью шихты осевой оны печи при ссыпании ее с засыпного аппарата. Практика работы больших доменных печей опровергла эти опасения.

Высота колошника оказывает существенное влияние на распределение материалов в печи. Наличие цилиндрического колошника способствует уменьшению неравномерности в распределении материалов при изменении уровня засыпи. Доменная печь, лишенная цилиндрического колошника или с недостаточной его высотой, работает крайне неустойчиво, так как распределение материалов на колошнике резко изменяется с каждой подачей, загружаемой ниже или выше нормального уровня засыпи.

Высота заплечиков при заданной высоте горна определяет положение горизонта, на котором начинается сужение рабочего пространства печи. Начало сужения должно соответствовать уменьшению объема плавильных материалов в результате перехода рудной части шихты в жидкое состояние. Высота шахты определяет угол наклона ее стен при постоянных диаметрах распара и колошника и заданной высоте распара [2].

Современные доменные печи характеризуются профилем с пропорциональными размерами отдельных элементов, что обеспечивает высокую производительность их при низком удельном расходе топлива.

2. РАСЧЕТ ВЕДЕТСЯ ПО МЕТОДУ АКАДЕМИКА М. А. ПАВЛОВА

На основе опытных данных принимаем полезную высоту доменной печи равной 32.19 м. полную 35.29 м [2].

1. Определим диаметр распара, принимая коэффициент К = 0,55.

 (1)

2. Удельный расход кокса при работе печи на шихте, состоящей из офлюсованного агломерата, и использованием комбинированного высоко нагретого дутья, принимаем равным 0,52 т на 1 т чугуна, [2]

Суточная производительность равна:

Р = V_пол/КИПО = 3200/0,5 =6400. (2)

Суточный расход кокса составит:

К = Р*О,52 = 6400*0,5 = 3200 т/сут. (3)

3. Зная суточный расход кокса и задаваясь интенсивности горения кокса I = 26,4 на 1м² сечения горна, определяем площадь горна:

S_г = К/I = 3200/26,4 = 121.212.(4)

диаметр горна будет:

(5)

Отношение D_p/d_г составит:

12,84/12,426=1,03.(6)

4. Диаметр колошника определим из отношения:

d_k= D_p*0,67 = 12,84*0,67 = 8,602м.(7)

5. Высоту горна определим из условия, что на 1т суточной выплавки чугуна необходимо 0,07м³ объема горна, что вполне достаточно при частых выпусках чугуна:

(8)

h_г = (6400*0,07)/121,212= 3,696 м.

6. На основании опытных данных задаемся высотой заплечиков, равной 3,4 м.

7. Находим угол наклона заплечиков:

а=80⁰49' (9)

8. Высоту цилиндрической части колошника выбираем на основании опытных данных равной 2,99 м.

9. Высотой распара задаемся и принимаем равной 2,3 м,

10.Находим высоту шахты:

h_ш=H_пол-(h_Г+h_з+ h_{цилиндр}+ h_p) = 35,29 - (3,696+ 3,4+ 2,99+ 2,3)= 22,904 м.

11. Угол наклона шахты:

а=83⁰53' (11)

12. Проверяем полезный объем печи:

а) Объем горна:

б) Объем заплечиков:

(13)

в) Объем распара: (14)

г) Объем колошника: (15)

д) Объем шахты:

V_ш= 3200 - (447,985+ 463,015+ 297,664+ 133,596) = 1857,74 м³. (16)

е) Общий полезный объем:

V_пол=447,985+463,015+297,664+133,596+1857,74=3200 м³.

V_пол=447,985+463,015+297,664+133,596+2093,378=3435,611 м³

Рассчитаем коэффициент полезного использования объема:

КИПО= (18)

Данный КИПО соответствует принятым нормам.

1. Определение расхода шихтовых материалов доменной плавки

При известных химическом составе сырых материалов доменной плавки и показателях процесса можно определить расходные коэффициенты шихтовых материалов, в частности кокса, железорудной смеси, флюса и марганцевой руды.

Рассчитать расход шихтовых материалов при следующих условиях: составляющие шихты (табл.1): агломерат, руда, кокс, известняк, марганцевая руда; расход природного газа 10м³/100кг чугуна; состав природного газа, %: 96СН₄; 3С₃Н₈; 1N₂.

Исходными данными являются:

1. Состав чугуна, %: 0,8Si, 0,55Mn; 0,05S; 0,008Р

2. Коэффициенты распределения элементов. Различные элементы, находящиеся в шихтовых материалах, в ходе процесса распределяются между чугуном, шлаком и газами. Коэффициенты распределения зависят от условий плавки, от сорта выплавляемого чугуна. В данном расчете приняты следующие коэффициенты распределения элементов:

Элемент Чугун Шлак Газ

Fe 0.995 0.005 0

Mn 0.55 0.45 0

P 1.0 0 0

S 0.05 0.85 0.10

3. ВЫБОР ОСНОВНОСТИ ШЛАКА. ОСНОВНОСТЬ ШЛАКА УСТАНАВЛИВАЮТ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТАВА ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЧУГУНА

В данном расчете

4. Температура горячего дутья составляет 1300⁰С.

5. Температура колошникового газа 300⁰С.

6. Энтальпия чугуна и шлака. Энтальпия зависит от сорта выплавляемого чугуна. В данном расчете приняли энтальпию чугуна 1176, а шлака 1764 кДж/кг.

7. Степень развития прямого и косвенного восстановления. В данном расчете R_i=0.72; R_d=0.28.

8. Состав сухого дутья: содержание кислорода w=0,29; содержание азота (1-w)=0,71; влажность дутья f=0,01 (по объему).

9. Степень участия водорода в восстановительных процессах

10. Тепловые потери Z_c=1260 кДж/кг С.

Таблица1 Химический состав сырых материалов, %

Шихта	Fe	Mn	P	S	Fe2O3	FeO	Mn3O4	MnO
Агломерат Криворожский (60%)	56,87	0,09	0,03	-	57.99	20.05	-	0,12
ЦГОК окатыши(40%)	58.0	0.12	0.03	0,05	78.74	3.67	-	0.169
Рудная смесь	56.87	0.097	0,03	0,01	62.7	16.28	-	0,13
Mn-руда	3.5	38.0	0,22	-	5.0	-	-	-
Известняк	0,49	-	0,01	0,12	0,7	-	-	-
Зола кокса	17,8	0,54	0,15	1,48	25,4	-	0,75	-
Кокс	1,706	0,052	0,014	1,842	2,438	-	0,072	-

Шихта	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	SO3	P2O5	MnO2	TiO2	ППП	У
Агломера.К (60%)	12,55	2,59	6,06	0,57	0,07	0,183	-	-	-	100
Лебединские окатыши	9,32	0,96	5,31	1,64	0,051	0,16	-	-	-	100
Рудная смесь	11,8	2,31	5,88	0,81	0,06	0,177	-	-	-	100
Mn-руда	20,0	6,0	2,0	0,3	0,5	1,0	60,2	-	6,0	100
Известняк	1,6	0,8	53,5	0,7	0,03	0,03	-	-	42,37	100
Зола кокса	39,8	23,80	4,8	1,4	0,35	0,45	-	-	-	100
Кокс	3,82	2,286	0,461	0,134	0,033	0,05	-	-	88,7	100

С_нел=100 - 11,1-1-0,42 = 87,48

[C]=4,6 + 0,03[Mn] - 0.27[Si] - 0,32[P]

[C]=4,6 + 0,03*0,3 - 0,27*0,01 - 0,32*0,08=4,6

1. Расчет состава доменной шихты (за исключением кокса). Определяют расходы железорудной части шихты, флюса, марганцевой руды на 100кг выплавляемого чугуна. Расчет расходных коэффициентов компонентов шихты ведут по балансовым уравнениям. Обозначим через х, у и z расходы рудной смеси, марганцевой руды и известняка на 100кг чугуна.

2. Составление уравнения по выходу чугуна из компонентов шихты. Выход чугуна (ч) - это величина, характеризующая количество чугуна (кг), образующегося при плавке 1кг данного материала. Выход чугуна определяют по элементам, содержание которых в чугуне зависит лишь от их содержания в шихте (железо, марганец, фосфор, мышьяк, медь и др.); содержание других элементов (углерода, серы, кремния) определяется следующими условиями плавки:

Таблица2 Определение выхода чугуна из материалов шихты

Параметр	Рудная смесь	Марганцевая руда	Известняк	Кокс
Fe, % FeзFe	56,87 56,87*0,995= =56,58	3,5 3,5*0,995= =3,4825	0,49 0,49*0,995= =0,49	1,706 1,706*0,995= =1,7
Mn, % MnзMn	0,097 0,097*0,55= =0,053	38 38*0,55= =20,90	- - -	0,052 0,052*0,55= =0,0286
P, % PзP	0,03 0,03	0,22 0,22	0,01 0,01	0,014 0,014
А	56,66	24,6	0,5	1,7426
B	0,8+4,6+0,01=5,41
Ч=А/(100-B)	0,5990	0,2600	0,0053	0,0184

где Fe, Mn, P - содержание соответствующих элементов в данном материале, %; з_Fe, з_Mn, з_P - коэффициенты перехода элементов в чугун; [Si], [C], [S] - содержание соответствующих элементов в чугуне, %.

Уравнение по выходу чугуна из компонентов шихты имеет вид

ч_р.см х + ч_м.р. у + ч_извz =100 (1)

где ч_р.см, ч_м.р, ч_изв - выход чугуна соответственно из рудной смеси, марганцевой руды и известняка.

Если заранее известен расход кокса, то в левую часть уравнения (1) добавляют член ч_кК, где ч_кК - выход чугуна из кокса; К - расход кокса, кг/100кг чугуна. Расчет величин ч приведен в таблице 2.

Уравнение (1) принимает вид:

0,5990x + 0,2600y + 0,0053z = 100.

Составление уравнения по балансу марганца. Если из фактического количества марганца, внесенного каждым компонентом шихты (Mnз_Mn), вычесть требуемое его количество для поддержания нужного содержания марганца в чугуне ([Mn]ч), то получают избыток или недостаток марганца, внесенного каждым компонентом шихты (± Mn).

Уравнение по балансу марганца принимает вид

(± Mn_р.см.)х + (± Mn_м.р.)у + (± Mn_изв.)z = 0. (2)

В случае заданного расхода кокса в левую часть уравнения (2) добавляют (± Mn_к.)К. Расчет баланса марганца ведут по схеме приведенной ниже: Параметр Рудная смесь Марганцевая руда

Mnз_Mn 00,53 20

[Mn]ч 0,1797 0,078

(± Mn)= Mnз_Mn-[Mn]ч - 0,1267 20,822

Уравнение (2) принимает вид: - 0,1267х + 20,822у=0

Составление уравнения по балансу основных и кислотных оксидов при заданной основности шлака:

где RO - избыток или недостаток основных оксидов в данном компоненте шихты по сравнению с требуемым в конечном шлаке; (60/28)[Si] ч - количество кремнезема, необходимое для восстановления заданного количества кремния в чугун.

Уравнение по балансу основных и кислых оксидов имеет вид

(3)

Ниже приведен расчет баланса основных и кислых оксидов для компонентов шихты:

Рудная смесь ….RO_р.см.=5,88+0,81-1,07(11,8-2,14*0,8*0,5990+2,31)=

= -8,88

Марганцевая руда….RO_м.р.=2+0,3-1,07(1,6-2,14*0,8*0,26+6,00)=

= -28,11

Известняк….RO_изв=53,5+0,7-1,07(1,6-2,14*0,8*0,0053+0,8)= =51,35

Кокс…. RO_к=0,461+0,134-1,07(3,82-2,14*0,8*0,0018+2,286)=

= -6,66

Уравнение (3) принимает вид -8,88х - 28,11у + 51,35z = 0

Расход флюса на ошлакование золы единицы кокса

а на ошлакование золы всего кокса

Таким образом, получаем систему из трех уравнений:

Решая которую получаем расходы, кг: х=166,25;у=1,011;z=29,14

Расчет расхода кокса

Тепловой эквивалент углерода, сгорающего у фурм

=14181,25кДж/кг С

Тепловой эквивалент (теплоотдача) углерода прямого восстановления.

Если известь связана в силикаты кальция, что обычно для офлюсованного агломерата, т.е. находится в виде "готового шлака", то тепло необходимо только для расплавления соединения, а следовательно, и экономия тепла по сравнению с первым случаем составит

Тепловой эквивалент оксида кремния

Тепловой эквивалент глинозема. Теплота образования 3CaO · Al₂O₃ составляет ~840 кДж/кг Al₂O₃, тогда

В случае сульфатной серы (принимают в виде CaSO₄) CaSO₄=CaS+2O₂ - 921190 кДж, или 28787 кДж/кг S

Тепловой эквивалент серы.

Тепловой эквивалент фосфора.

Тепловой эквивалент марганца.

где з_Mn - коэффициент перехода марганца в чугун

Тепловой эквивалент железа.

Тепловой эквивалент кремния.

Тепловой эквивалент гидратной воды.

Тепловой эквивалент диоксида углерода.

Тепловой эквивалент рудной смеси:

q_р.см.=0,118*6162,24+0,0231*5322,24+0,0001*32756*0,85 + 0,0003*26618,25 + 0,1628*(56/72)*3498+0,627*(112/160)*4367,41+0,00097*6423,07- (0,0588+0,0081) *1932 + 165,41*0,599 = 3196,7 кДж/кг рудной смеси

Тепловой эквивалент марганцевой руды:

q_м.р.=0,2*6162,24 + 0,06*5322,24 + 0,022*26618,25 + 0,05*4367,41* (112/160)+0,38*3521,07 + 0,06*5123,56 + 165,41*0,26 - (0,02+0,003) *1932 = 3934,23 кДж/кг марганцевой руды

Тепловой эквивалент известняка:

q_изв.=0,016*6162,24 + 0,008*5322,24 + 0,0012*14981*0,85 + 0,0001*26618,25 + 0,007*(112/160)*4367,41 + 0,4237*2201,68 + 165,41*0,0053 = 1114,25 кДж/кг известняка

Тепловой эквивалент золы кокса:

q_A=0,398*6162,24+0,238*5322,24+ 0,0035*26618,25 + 0,254*(112/160)*4367,41 + 0,0054*6108,07 - (0,048+0,014) *1932 + 0,0148*14981*0,85 = 4690,61 кДж/кг золы

Тепловой эквивалент кокса:

где С_к - содержание углерода в коксе.

q_к= -0,877* 12921,25 + 0,096*4690,61 + 0,01842*0,85*14981 = -10647,1кДж/кг кокса

Тепловой эквивалент природного газа рассчитывают последовательно.

1. В 10 м³ природного газа содержится 96% СН₄, или 9,6 м³ СН₄, или 9,6(16/22,4)=6,86 кг СН₄; 3,0% С₃Н₈, или 0,3 м³ С₃Н₈, или 0,3(44/22,4)=0,59 кг С₃Н₈; 1% N₂, или 0,1 м³ N₂, или 0,1(28/22,4)=0,13 кг N₂. Итого вносится 7,58 кг природного газа.

2. На сгорание природного газа требуется кислорода по реакциям неполного горения

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂; С₃Н₈ + 1,5О₂ = 3СО + 4Н₂.

Следовательно, потребность в кислороде составляет: 9,6*0,5 + 0,3*1,5 = 5,25 м³.

3. Содержание кислорода на единицу влажного дутья

О_д = w(1-f)+0.5f = 0,3*0,99+0,5*0,01 = 0,302 м³ О₂/м³ дутья.

4. Для горения газа требуется дутья: 5,25/0,302 = 17,38м³.

5. Количество водяных паров в дутье составляет 17,38*0,01 = 0,17 м³, или 0,17(18/22,4) = 0,14кг.

6. Количество сухого дутья: 17,38-0,17 = 17,21 м³; количество азота дутья: 17,21*0,7 = 12,05 м³, или 12,05(28/22,4) = 15,06кг; количество кислорода сухого дутья: 17,21*0,3 = 5,163 м³, или 5,163(32/22,4)=7,37кг.

7. Масса влажного дутья: 0,14 + 15,06 + 7,37 = 22,57кг.

8. Количество и состав образующегося горнового газа. При реакции горения из одного объема СН₄ образуются один объем СО и два объема Н₂, а из одного объема С₃Н₈ образуются три объема СО и четыре объема Н₂. Кроме того, водород поступает из паров воды по реакции Н₂О=Н₂+0,5О₂ (один объем водорода из одного объема водяного пара). Следовательно, количество образующегося водорода составит 9,6*2 + 0,3*4 + 0,17= 20,57 м³;

количество монооксида углерода: 9,6*1 + 0,3*3 = 10,5 м³;

количество азота: 12,05+0,1=12,15 м³ (где 0,1 - содержание азота во вдуваемом газе, м³). Итого образуется 43,22 м³ газа.

9. Расход водорода, на восстановительные процессы (м³) при степени использования водорода з_Н2= 20,57*0,4=8,23. Количество водорода, переходящего в колошниковый газ: 20,57-8,23=12,34 м³.

10. Количество кислорода шихты, отнимаемого дополнительно водородом природного газа. При реакции восстановления оксидов железа водородом один объем водорода отнимает от шихты половину объема кислорода. Например, FeO+H₂=Fe+H₂O. Тогда количество кислорода шихты, отнимаемого дополнительно водородом, составит 8,23*0,5=4,145 м³.

11. Тепловой эквивалент природного газа по формуле:

Из 10 м³ природного газа образуется 9,6 м³ СО_СН4; 0,9м³ СО_С3Н8. Для сжигания 10 м³ природного газа требуется 17,38м³ дутья и образуется 43,22 м³ продуктов сгорания. Поскольку тепловой эквивалент рассчитывают на 1 м³, все эти величины следует уменьшить в 10 раз.

Энтальпия горячего дутья

Тогда

q_п.г.=1660*0,96 + 3380*0,09 +1,72*1539,83 - 4,32*422,1 = 2722,83кДж/м³.

Общее уравнение для определения расхода кокса

q_кК + q_п.г.Г = q_р.смР + q_м.р.М + q_извИ + q_извz¹К

где Р - расход рудной смеси, кг/100 кг чугуна; М - расход марганцевой руды, кг/100кг чугуна; И - расход известняка, кг/100кг чугуна; Г - расход природного газа, м³/100кг чугуна.

Общий расход известняка: 29,14+6,64=35,78кг

Полный выход чугуна составляет: 166,25*0,599+ 1,011*0,26 + 29,14*0,0053+ 51,47*0,0,184 = 100,95.

Расход рудной смеси: (166,25/100,95) *100=164,68 кг.

Расход марганцевой руды:( 1,011/100,95) *100= 1,0 кг.

Расход известняка: (35,78/100,95) *100=35,44 кг.

Расход кокса: (51,47/100,95) *100=50,98 кг.

Состав чугуна и шлака приведен в табл.3,4.

Таблица3 Металлообразующие части шихты (%/кг)

Компоненты шихты и балансы элементов	Расход, кг	Fe	Mn	P	S
Рудная смесь	164,68	56,87/93,65	0,097/0,16	0,03/0,05	0,01/0,016
Марганцевая руда	1,0	3,5/0,035	38/0,38	0,22/0,002	-
Известняк	35,44	0,49/0,173	-	0,01/0,0035	0,12/0,0425
Кокс	50,98	1,706/0,87 94,732	0,052/0,026 0,566	0,014/0,007 0,063	0,142/0,07 0,1285
Переходит в шлак, кг	-	0,47	0,255*2	-	0,109*3
Переходит в газ, кг	-	-	-	-	0,013*3
Остается в чугуне*4, кг	-	94,26	0,311	0,063	0,0065

^*1 Для определения количества железа, переходящего в шлак, необходимо общую сумму перехода железа (94,732кг) умножить на коэффициент перехода железа в шлак (0,005).

^*2 Марганец, переходящий в шлак, согласно коэффициенту распределения составляет 45% от суммарного количества марганца, поступившего в печь.

^*3 Коэффициенты перехода серы в шлак и газ соответственно 0,85 и 0,10.

^*4 У=100,04 кг с учетом того, что в чугуне должно содержаться еще 0,8%Si и 4,6% С.

Таблица 4 Шлакообразующие составляющие шихты (%/кг)

Компоненты шихты	Расход, кг	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
Рудная смесь	164,68	11,8/19,43	2,31/3,8	5,88/9,68	0,81/1,33
Марганцевая руда	1,0	20/0,2	6/0,06	2/0,02	0,3/0,003
Известняк	35,44	1,6/0,56	0,8/0,28	53,5/18,96	0,7/0,25
Кокс	50,98	3,82/1,94 22,146	2,286/1,16 5,313	0,461/0,23 28,898	0,134/0,068 1,653
Переходит в чугун, кг	0,8* (60/28)=1,71
Остается в шлаке*, кг		20,436	5,313	28,898	1,653
Состав шлака, %		35,67	9,27	50,44	2,88

^*Кроме SiO₂, Al₂O₃, CaO и MgO, в шлаке содержатся FeO, MnO, S; количество FeO в шлаке получают пересчетом, исходя из количества железа, переходящего в шлак (табл.3): 0,47(72/56)=0,60кг; количество MnO равно 0,255(71/55)=0,33кг. При переходе серы в шлак происходит реакция CaO+S=CaS+0.5O₂. В шлак переходит 32кг S , но в газ удаляется 16кг O₂, поэтому общая масса шлака увеличивается не на полную массу серы, переходящей в шлак (0,109 кг в табл.3), а лишь на половину (0,054кг). Итого общее количество шлака У=57,284кг. Конечный состав шлака, %: 35,67SiO₂; 9.27 Al₂O₃; 50.44 CaO; 2.88 MgO;

4. КОНСТРУКЦИЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Доменная печь относится к числу правильных агрегатов шахтного типа. Рабочим пространством доменной печи называется объем, ограниченный огнеупорной футеровки. Очертание рабочего пространства называется профилем доменной печи. В горизонтальных сечениях профиль печи представляет окружности переменного диаметра, а в вертикальном сечении по оси печи - сложную симметричную конфигурацию.

Форма и размеры профиля доменной печи обусловлены физико-химическими, газодинамическими и механическими процессами, протекающими в рабочем пространстве доменной печи.[1]

Исходя из условий этих процессов профиль печи делится на пять частей, различающихся конфигурацией и размерами. Нижняя цилиндрическая часть печи называется горном. К горну примыкает расширяющаяся кверху коническая часть, называемая заплечиками. Наиболее широкая часть печи, имеющая форму цилиндра, называется распаром.

Сверху к распару примыкает наибольшая по объему часть печи -шахта, имеющая форму сужающего кверху усеченного конуса. Наиболее узкая верхняя цилиндрическая часть, соединяющаяся с шахтой, называется колошником. Сумма объемов перечисленных частей профиля составляет объем рабочего пространства доменной печи.

Основным размером доменной печи является полезный объем - этообъем рабочего пространства печи, ограниченный снизу горизонтальной плоскостью, проходящей через ось чугунной летки, а сверху - горизонтально плоскостью, проходящей через основание большого конуса засыпанного аппарата в опущенном положении.[3]

Важнейшими размерами профиля доменной печи являются полезная и полная высота печи; высота горна, заплечиков, распара, шахты и колошника; диаметры горна, распара и колошника; углы наклона стан шахты и заплечиков. Высотные и поперечные размеры профиля и углы наклона стен взаимосвязаны. Изменение одного из этих размеров вызывает изменение и других размеров.

Фундамент доменной печи является одним из ответственных элементов всего комплекса печи. Он служит для равномерной передачи давления печи и шихты на грунт и представляет собой железобетонный массив, состоящим из наземной части, называемой пнем, и подземной части, называемой подошвой.



Рисунок 1 - Фундамент печи.

Наземную часть фундамента - пень - выполняют из жароупорного бетона, в состав которого входят портландцемент марки не ниже 400, шамотный порошок такого же помола, как и портландцемент" и бой шамотного кирпича. Такой бетон имеет огнеупорность 1400 - 1500 С и предел прочности на сжатие 1,37 - 1,67 кПа. Нижнюю часть - подошву - выполняют из обычного бетона в виде восьмиугольной плиты толщиной около 4 м.[2]

На подошву фундамента печи опираются стальные колонны, воспринимающие через специальное кольцо (маратор) нагрузку от массы шахты и колошникового устройства. Крепление колонн к фундаменту осуществляется индивидуально или на одной опорном металлическом кольце, уложенном в фундамент, что обеспечивает жесткость системы в случае возникновения в фундаменте трещин. Для более равномерной передачи нагрузки на фундамент под кольцом устанавливают башмаки, расширяющие опорную площадь каждой колонны.

Современные доменные пени заключены в сплошной металлический кожух, состоящий из ряда цилиндрических и конических поясов.

Кожух обеспечивает большую надежность и безопасность эксплуатации печей, а в ряде случаев является еще и несущей конструкцией, воспринимая нагрузку от массы колошниковой площади со всеми устройствами. Материалом для кожуха печи служит малоуглеродистая или низколегированная сталь. Она обладает достаточной пластичностью и хорошо противостоит воздействию переменных температур и перенапряжений вокруг отверстий для фурм, леток и холодильников. Толщина кожуха выбирается в зависимости от размера и зоны печи. Толщина кожуха лещади и горна 36 - 40, заплечиков 30, шахты и колошника 24 - 36 мм. Кожух печи выполняют цельносварным, что особенно важно при работе печи на повышенном давлении газа. Места выхода водопроводных труб холодильников, а также болты крепления холодильников к кожуху тщательно обваривают, предупреждая продувы газa. Вырезу в кожухе для установки арматуры фурменных устройств, шлаковых и чугунных леток усиливаются металлическими листовыми накладками или крепежными фланцами.[1]

Для обслуживания печи на различных горизонтах вокруг кожуха расположены площадки, связанные между собой лестницами и имеющие выход в сторону лифта.

Лещадь и горн, наиболее ответственные участки доменной печи. Лещадь современной печи выполняют из углеродистых высоко глинозем истых огнеупоров. После сооружения фундамента на поверхность пня укладывают металлическое днище толщиной 180 мм в виде донных холодильников с запитыми трубами диаметром 140 мм, предназначенными для охлаждения лещади и фундамента принудительной подачей воздуха.

Нижнюю часть лещади, опирающуюся на днище, на высоту 1600 мм выкладывают графитизированными блоками, причем в центральном круге лещади блоки устанавливают вертикально, а на периферии - горизонтально.

В нижней части горна на расстоянии 600 - 1700 мм от лещади располагают отверстие для периодического выпуска чугуна. Доменные печи большой производительности (2002 м и более) оборудуют двумя чугунными летками, расположенными в плане под углом 1о0" друг к другу, что позволяет увеличить число выпусков чугуна до 14 - 15 в сутки и обеспечить качественное выполнение горновых работ у чугунных леток.

Чугунная летка является наиболее уязвимым местом в конструкции горна, так как через нее проходит огромное количество чугуна и шлака, которые размывают огнеупорную футеровку летки. Кроме того, легочное отверстие ослабляет кожух печи.[2]

Кроме чугунных леток, горн оборудуют шлаковыми летками, предназначенными для выпуска из печи верхнего шлака. На печах полезным объемом более 700 м шлаковых леток две. Шлаковые летки располагают на высоте 1400 - 1800 мм от уровня чугунной летки гак, чтобы они не находились под воздушными фурмами. В плане шлаковые летки располагают по возможности дальше друг от друга и от чугунных леток, насколько позволяют железнодорожные пути для уборки продуктов плавки и размещение горнового оборудования. На доменной печи с полезным объемом 2002 кг и двумя чугунными летками шлаковые летки расположены под углом 90 друг к другу и под углом 55 к чугунным леткам.



Рисунок 3 - Шлаковая летка

В верхней части горна на расстоянии 2700 - 3400 мм от уровня чугунной летки по окружности горка с рапными промежутками устанавливают воздушные формы, через которые в печь поступают нагретое до 1100 - 1200° С дутье, природный газ и другие добавки. Комплекс устройств, служащих для подвода дутья в горн из кольцевого воздухопровода, называется фурменным прибором.

Кладку заплечиков выполняют тонкостенной из шамотного кирпича, укладываемого впритык к холодильникам на пластифицированном шамотноглинистом растворе с обязательной перевязкой вертикальных швов. Толщина стен заплечиков 230 или чаще 345 мм.[1]

Кладка заплечиков подвергается интенсивному износу и быстро разгорает. На месте кладки вследствие интенсивного охлаждения на внутренней поверхности ребристых холодильников образуется значительный слой гарниссажа, который и защищает холодильники от действия высокой температуры и жидких продуктов плавки.

Кладка распара может быть либо тонкостенной (230 - 345 мм), либо толстостенной (690 мм). В первом случае охлаждение кладки осуществляют плитовыми ребристыми холодильниками с залитым кирпичом, опоясывающими распар, во втором случае специальными горизонтальными мараторными холодильниками в виде чугунной плиты с залитым в торце огнеупорным кирпичом.

Кладка шахты толстостенная из шамотного кирпича класса Б. Ее выполняют концентрическими кольцами с горизонтальной укладкой кирпича и с соблюдением перевязки вертикальных, радиальных и кольцевых швов, что достигается смещением горизонтальных рядов кладки и применением кирпича различной длины. Кирпич укладывают на шамотно-глинистом растворе с добавлением жидкого стекла. Толщина радиальных и кольцевых швов не должна превышать 1,5 и 2,5 мм соответственно.

Футеровку колошниковой части печи выполняют из стальных плит, противостоящих ударной нагрузке ссыпающихся при загрузке в доменную печь шихтовых материалов.

Стальные неохлаждаемые плиты в виде сегментов соединяются между собой болтами и крепятся к кожуху печи при помощи серег, кронштейнов и штырей. Такая подвеска обеспечивает свободный рост кладки, если для этого не хватит компенсационного зазора между кладкой шахты и плитами колошника.

Верхняя часть кожуха печи называется куполом, к которому крепится опорное кольцо засыпного аппарата. Для предохранения кожуха от действия высоких температур купольную масть печи изнутри футеруют чугунными неохлаждаемыми плитами с залитым на плашку кирпичом. Зазоры между плитами забивают чугунной замазкой, а между плитами а кожухом -шамот но цементным раствором густой консистенции. Над колошниковой частью печи распложено колошниковое устройство. Оно состоит из комплекса механизмов для загрузки доменной печи и системы металлоконструкций, предназначенных для размещения, монтажа, ремонта и обслуживании механизмов загрузки. Колошниковое устройство включает также газопроводы с атмосферными клапанами и систему уравнительных клапанов и газопроводов при работе печи на повышенном давлении газа.[3]

5. ПЕЧНЫЕ ОГНЕУПОРЫ

доменный печь чугун огнеупор

Огнеупорная футеровка (кладка) доменной печи предназначена для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха от воздействия высоких температур и от контакта с жидким металлом и шлаком.

Применяемые огнеупоры. Для футеровки доменной печи применяют качественный (доменный) шамотный кирпич, высокоглиноземистый кирпич, углеродистые блоки, иногда карбидокремниевый кирпич. Основу шамота составляют SiO₂ и Аl₂О₃. Для доменных печей стандартом предусмотрено три сорта шамотных изделий с содержанием А1₂О₃ соответственно не менее 42, 41 и 39 %; они отличаются повышенной плотностью и прочностью, высокой огнеупорностью (> 1750 °С), низким содержанием Fе₂О₃ (< 1,5 %). Кирпич с более высоким содержанием А1₂О₃ применяют для кладки низа печи, а с более низким -- для кладки верха. Кроме того, для кладки печей объемом <1033 м³ стандартом предусмотрена марка шамота с меньшим (?37 %) содержанием А1₂О₃, меньшей огнеупорностью (> 1730 °С), прочностью и плотностью. Кирпич может быть длиной 230 мм (нормальный) и 345 мм (полуторный). Применение кирпичей различной длины обеспечивает хорошее переплетение швов кладки. Высокоглиноземистый муллитовый кирпич, применяемый для кладки лещади, содержит > 63 % А1₂О₃ при огнеупорности > 1800 °С. Доменный карбидокремниевый кирпич содержит > 72% SiC и > 7 % азота и отличается от огнеупоров на основе А1₂О₃ и SiO₂ заметно большей прочностью и теплопроводностью. Углеродистые блоки изготовляют из кокса и обожженного антрацита с добавкой в качестве связующего небольшого количества каменноугольного пека. Длина блоков достигает 3-4 м, они прямоугольного сечения 400x400 и 550x550 мм. Блоки в комбинации с высокоглиноземистым кирпичом больших размеров (400x200x100 мм) применяют для кладки самой нижней части печи -- лещади. Швы между огнеупорными кирпичами заполняют раствором, изготовленным из мертелей, соответствующих классу кирпича. Мертель -- это порошок, состоящий из измельченного шамота и огнеупорной глины. Для ответственных видов кладки применяют мертели с добавкой небольших количеств поверхностно-активных и клеящих веществ (сода, сульфитно-спиртовая барда), что позволяет приготавливать растворы с меньшей влажностью при одновременном повышении их пластичности. Для заполнения швов между углеродистыми блоками применяют углеродистую пасту, состоящую из кокса и смолопека. Зазор между блоками допускается не более 0,5 мм для вертикальных и не более 1,5 мм для горизонтальных швов.

Лещадь. Ранее лещади доменных печей выкладывали из качественного шамотного кирпича. Однако рост объема печей и интенсификация плавки вызывали быстрое разрушение такой кладки. Поэтому в настоящее время лещади делают либо цельноуглеродистыми, либо комбинированными из углеродистых и высокоглиноземистых огнеупоров. Применение углеродистых огнеупоров вызвано тем, что из-за их высокой теплопроводности снижается перегрев и вследствие этого уменьшается разрушение кладки лещади. Один из вариантов кладки цельноуглеродистой лещади из углеродистых блоков показан на рис.4.

Рис.4. фундамент и лещадь печи объемом 5500м^3: 1-подошва фундамента, 2- пень, 3- углеродистые блоки, 4- холодильники, 5-воздушное охлаждение низа лещади

В комбинированной лещади, один из вариантов которой показан на рис.2, ее низ 1 и наружную часть (стакан) 4 выкладывают из углеродистых блоков, а внутреннюю центральную часть 2 из высокоглиноземистых муллитовых изделий, содержащих более 65 % А1₂О₃. Высота лещади составляет ~ 5,6 м; это необходимо, поскольку за многие месяцы эксплуатации печи происходит разрушение кладки жидким чугуном, и в лещади образуется заполненная жидким чугуном полость, могущая достигать фундамента печи. С тем, чтобы уменьшить износ лещади, в современных печах предусматривают воздушное охлаждение ее низа. Между низом лещади 1 и пнем 8 фундамента закладывают чугунные плиты 7 толщиной 180 мм; в плиты залиты стальные трубки диаметром 140 мм, в которые вентилятором подают охлаждающий воздух. Снаружи кладку лещади охлаждают гладкими плитовыми холодильниками 3.

Горн. Футеровку горна до уровня фурм выполняют из углеродистых блоков, а в районах фурм и чугунных и шлаковых леток из шамотного (> 42 % А1₂О₃) кирпича, поскольку углерод здесь может окисляться кислородом дутья, диоксидом углерода (СО₂), а также парами воды из огнеупорных масс. При работе на безводных леточных массах район чугунных леток делают из углеродистых блоков. Для предотвращения окисления углеродистых блоков в период задувки печи их защищают кладкой (рис.5, б) в один ряд из шамотного кирпича.

Толщина футеровки у низа горна достигает 1600 мм. Снаружи кладку горна охлаждают гладкими плитовыми холодильниками.

Заплечики. Кладку заплечиков чаще всего делают тонкостенной (толщина 230 или 345 мм) из шамотного (> 42 % А1₂О₃) кирпича в один ряд, при этом кирпич примыкает к периферийным плитовым холодильникам с залитым кирпичом (рис.6). Иногда вместо шамота применяют карбидокремниевые кирпичи.



Рис. 5. Комбинированная кладка лещади и горна: 1 -- графитированные блоки; 2 -- высокоглиноземистый кирпич; 3 -- плитовой холодильник; 4 -- углеродистые блоки; 5 -- углеродистая масса; б -- защитная шамотная кладка; 7 -- система воздушного охлаждения низа лещади; 8 -- пень

Рис. 6. Кладка заплечиков, распара и низа шахты (а) и верха шахты (6): 1 -- кожух печи; 2 -- плитовой холодильник с залитым кирпичом; 3 -- шамотный кирпич; 4 -- огнеупорная масса; 5 -- ребристый холодильник с выступом; 6 -- асбесто-смоляной блок

Кладка заплечиков быстро изнашивается и вместо нее на поверхности холодильников формируется слой гарнисажа (застывшего шлака и мелких кусков шихты). Шахта и распар. Кладку распара и охлаждаемой части шахты (~ 2/3 ее высоты снизу) выполняют из шамотного (> 41--42 % А1₂О₃) или карбидокремниевого кирпича, а кладку верхней неохлаждаемой части шахты из шамота, содержащего > 39 % А1₂О₃. Кирпичи укладывают в два--три ряда вперевязку (рис. 6).

Кладка шахты с распаром может быть толсто-, средне- и тонкостенной. В прежние годы широко применяли толстостенную кладку (толщина верха шахты 800--900 мм и до 1300 мм в районе распара) с горизонтальными холодильниками, заглубленными в кладку и служащими ее опорой (расположение таких холодильников можно видеть на рис. 7). Однако в связи с тем, что холодильники расположены на расстоянии друг от друга, плохо охлаждается кожух, и после износа футеровки возникают его местные перегревы, вызывая термическую деформацию и возможность появления трещин. Кроме того, вырезы в кожухе для установки горизонтальных холодильников снижают его прочность и делают кожух менее герметичным. В связи с этим в последние годы делают тонко- и среднестенные шахты. Тонкостенная шахта (и распар) имеет в охлаждаемой части толщину кладки 230-345 мм и в верхней неохлаждаемой части 575--690 мм с охлаждением вертикальными ребристыми холодильниками (рис. 6), причем часть холодильников имеет горизонтальные выступы, которые служат опорой для кладки и способствуют удержанию гарнисажа.

Среднестенная шахта имеет толщину кладки в охлаждаемой части 575--900 мм и в неохлаждаемой 700мм, охлаждение либо комбинированное из вертикальных ребристых холодильников в сочетании с горизонтальными (как на рис. 7), либо из вертикальных ребристых холодильников, имеющих горизонтальные выступы (как на рис. 6).

В распаре и охлаждаемой части шахты по мере износа кирпича образуется слой гарнисажа. С тем, чтобы уменьшить давление от расширяющейся при нагреве кладки на кожух печи и предотвратить его разрыв, между футеровкой и вертикальными холодильниками по всей высоте печи (кроме распара) предусматривают зазор в 70--200 мм, заполняемый шамотоасбестовой или пластичной углеродистой массой.

Рис. 7. Шахта с вертикальными и горизонтальными холодильниками: 1 - мараторное кольцо; 2 - горизонтальный мaраторный холодильник; 3 - кожух печи; 4 - плитовой вертикальный холодильник; 5 - горизонтальный холодильник; 6 -- огнеупорная масса; 7 - шамотная кладка

Рис. 8. Колошниковая зашита (футеровка колошника): 1- шамотный кирпич; 2- пластина; 3- штырь; 4- кронштейн; 5- шлакоасбестовая масса; 6- серьга; 7- футеровочная плита купола; 8- кожух печи; 9- глинисто-асбестовая масса; 10- кладка шахты; 11- стальной сегмент

Колошник. Собственно футеровка колошника состоит из одного ряда шамотного кирпича, выкладываемого у кожуха. За ним располагают "колошниковую защиту", которая воспринимает удары падающих сверху в процессе загрузки кусков шихты. Широко распространенная ее разновидность состоит из стальных сегментов -- литых полых коробок, заполненных шамотным кирпичом. Сегменты (рис. 8) расположены несколькими кольцевыми рядами по высоте колошника; соседние по окружности сегменты соединены между собой болтами. Вся колошниковая защита крепится к кожуху с помощью нескольких подвесок, в каждой из которых (см. рис. 8) сегменты прикреплены к вертикальной пластине, соединенной с серьгой, которая свободно подвешена на штыре, вставленном в отверстие кронштейна; последний прикреплен к кожуху болтами. Такая подвеска позволяет всем сегментам перемещаться вверх в случае роста кладки шахты в вертикальном направлении в результате ее нагрева.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем курсовом проекте на тему: "Проектирование доменной печи полезным объемом 3200 м³ для выплавки передельного чугуна в соответствии с требованиями конверторного передела" произведены следующие расчеты: расчет доменной шихты, на получение чугуна с заданным содержанием марганца равным 0,55 %, расчет профиля доменной печи полезным объемом 3200 м³.

В результате расчета определен состав исходной доменной шихты b=1,17, рассчитаны основные размеры профиля доменной печи. Сопоставление полученных размеров профиля с размерами действующих печей объемом 3200 м³ доказало правильность расчета.

В процессе курсового проектирования были достигнуты следующие результаты:

получены графические изображения разреза доменной печи по технологической оси, а также;

определен химический состав загружаемой шихты и основные размеры профиля печи;

приведены и описаны графические аналоги элементов конструкции доменной печи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

А. Д. Готлиб "Доменный процесс"; изд."Металлургия"_ч Москва, 1973г.

В. В. Полтавец "Доменное производство"; изд. "Металлургия"

В. Г. Воскобойников. В.А.Кудрин. А. М. Якушев "Общая металлургия" изд. "Металлургия ", Москва, I985г.

А. К. Торговец, О. А. Артыкбаев, М. Ж. Толымбеков "Конструкция и проектирование металлургических агрегатов", Темиртау КарМетИ, 2001г.

Якушев A.M. " Проектирование сталеплавильных и доменных цехов".- М.; "Металлургия". 1984г.

6. Журнал "Сталь", Техническое перевооружение ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" - путь выхода на мировой уровень. 2003г-№ 4.

Размещено на Allbest.ru