ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ СТАЛИ
УЦВС состоит из следующих основных узлов и агрегатов:
- несущие конструкции, включая здания и фундаменты;
- вакуумная камера с двумя патрубками;
- система подачи нейтрального газа в патрубок вакуумной камеры для продувки и эрлифта металла;
- газоохладитель;
- вакуумпровод с шарнирным соединением и вакуумным затвором;
- вакуумный пароэжекторный насосный агрегат;
- механизм вертикального перемещения вакуумкамеры;
- система хранения, дозирования и загрузки ферросплавов в вакуумную камеру;
- пульт управления с ЭВМ АСУ ТП, КИП и автоматикой;
- стенд разогрева и сушки футеровки, ремонтные стенды;
- механизм для контроля параметров жидкого металла (замер температуры, отбор проб);
- сталевоз для взвешивания и транспортировки сталеразливочного ковша с металлом под вакуумкамеру.
1. Вакуумная камера представляет собой стальной резервуар, имеющий внутри три изоляционных слоя и один слой огнеупорной футеровки, и состоящей из трех частей: днища, корпуса и колпака. Камера имеет отверстия для добавки легирующих материалов, для ввода нагревательного элемента и отвода отсасываемых газов. Нижняя часть вакуумкамеры (днище) является съемным элементом и выполнена с двумя патрубками.
Конструкция вакуумной камеры при этом обеспечивает:
- разогрев футеровки пред обработкой плавки до температуры 1450…15000С и длительную эксплуатацию устройства для разогрева в процессе вакуумной обработки;
- введение ферросплавов без нарушения вакуума в процессе вакуумирования;
- удаление запыленных газов;
- герметичность подсоединения вакуумпровода, шлюзовой камеры, устройства для разогрева и др.;
- возможность наблюдения за металлом и футеровкой в процессе вакуумирования;
- заполнение нейтральным газом (азотом) вакуумкамеры по окончанию обработки;
- установку вакуумкамеры на сталевоз и передачу ее на участок ремонта.
2. Применяемый на устанавливаемом агрегате вакуумирования пароэжекторный насос имеет ряд неоспоримых преимуществ перед механическим вакуумным насосным агрегатом: высокая производительность, отсутствие движущихся частей и нечувствительность к пыли и влаге в газах. Вакуумный пароэжекторный насосный агрегат (ВПНА) предназначен для создания разряжения в вакуумкамере и представляет собой ступенчатую систему эжекторов со смесителями-конденсаторами и устройством для создания предварительного разрежения. Пусковой блок агрегата состоит из одной эжекторной ступени, после которой установлен конденсатор смешения. Производительность пароэжекторного насоса может регулироваться путем выключения его отдельных ступеней. Достигаемое конечное разряжение в вакуумкамере составляет менее 0,5 мм.рт.ст. (50…70 Па). Управление насосом полностью автоматизировано и осуществляется с пульта управления или ЭВМ АСУ ТП. При установке пароэжекторного насоса предусмотрено также дожигание окиси углерода, выбрасываемой в атмосферу в больших количествах при вакуумировании нераскисленной стали. Для этой цели вся выбрасываемая из последней ступени насоса паро-газовая смесь проходит через дополнительный конденсатор, где пар конденсируется, а газ направляется на “свечу”, где, смешиваясь с воздухом, сжигается. Одновременно предусмотрена вентиляция сливного бака и тракта водослива, так как в них выделяется некоторое количество окиси углерода, выносимое водой из конденсаторов в виде мелких пузырьков [27].
3. Система хранения, взвешивания и дозирования ферросплавов включает в себя:
- расходные бункера;
- весы - дозаторы;
- подвижный и стационарный конвейер для подачи ферросплавов в металл;
- вибропитатели;
- вакуумный шлюз для присадки ферросплавов в металл, предназначенный для приемки и подачи материалов в вакуумкамеру в процессе обработки. Состоит из приемной воронки и шлюзовой камеры.
4. Газоохладитель предназначен для охлаждения удаляемых из вакуумкамеры газов с целью уменьшения их объема и предохранения шарнирных соединений вакуумпроводов от воздействия высоких температур. Температура поступающих в газоохладитель газов – до 16000С, выходящих из него – до 1000С. Газоохладитель представляет собой сварной цилиндрический корпус с входными и выходными патрубками, внутри которого размещен блок охлаждения. Блок охлаждения состоит из набора вертикальных змеевиков, объединенных подводящим коллектором и отводящей полостью крышки. В верхней части корпуса смонтирован клапан, который открывается при аварийном повышении давления в системе. В нижней части корпуса имеется люк, предназначенный для очистки газоохладителя от загрязнения, а также для сброса воды при аварийных прорывах змеевиков.
5. Вакуумпровод шарнирный предназначен для герметичного подвижного соединения вакуумной системы, смонтированной на площадке вакууматора, со стационарно установленным вакуумным затвором. Вакуумпровод состоит из трубчатых колен, шарниров и опор для них, а также из колец, вращающихся относительно друг друга на стандартных телах качания с вакуумным уплотнением подвижных поверхностей манжетами. Одна сторона шарнира стыкуется с неподвижным трубопроводом, а другая – с фланцем одного из подвижных колен вакуумпровода. Неподвижное кольцо шарнира опирается цапфами на подшипник опоры шарнирного вакуумпровода. Опоры шарнирного вакуумпровода установлены на неподвижной площадке вакуумного затвора.
6. Вакуумный затвор предназначен для герметичного закрывания вакуумпроводов, а также для дросселирования потока газа в процессе вакуумирования. Он представляет собой герметичный сварной корпус, закрытый крышкой со встроенным в нее гидроцилиндром и блоком клапанов. В горизонтальном входном патрубке встроена дроссельная заслонка, поворачивающаяся вокруг горизонтальной оси и приводящаяся в движение гидроцилиндром. Входной вертикальный патрубок вакуумного затвора присоединяется к переходному трубопроводу перед пароэжекторным насосом.
7. Система электрообогрева вакуумкамеры предназначена для нагрева ее футеровки до рабочей температуры (1450…15000С) и поддержания ее на этом уровне между циклами вакуумирования. Нагрев производится графитовым электродом.
8. Устройство для замера температуры и отбора проб обеспечивает:
- автоматизированную зарядку устройства пробоотборниками и термопарами;
- автоматизированный замер температуры металла в ковше;
- автоматизированный отбор проб металла из ковша;
- автоматизированную выдачу проб в приемное устройство пневмопочты.
9. Для выполнения ремонтных работ и хранения сменных элементов вакуумкамеры комплекс установки оборудован машиной обслуживания и специальными стендами.
6.1 Определение основных размеров вакуумной камеры циркуляционного типа
Как показывает опыт эксплуатации вакуумных установок циркуляционного типа, расход металла, проходящего через вакуумную камеру, может быть определен из соотношения [28]:
Qм = k*M/t,
где Qм - расход металла, т/мин;
М – масса металла в сталеразливочном ковше, т;
k - кратность циркуляции (в зависимости от решаемых задач может колебаться в пределах 3…5);
t - время, необходимое для вакуумирования металла, мин.
Размеры подъемного и сливного патрубков приняты одинаковыми, следовательно площадь поперечного сечения патрубков можно оценивать из условия максимальной мощности перемешивания металла в ковше за счет истечения расплава из сливного патрубка. Для определения мощности струи металла используем выражение:
W = 500*S*r*u3,
где W – мощность струи, Вт;
S – площадь поперечного сечения патрубка, м2;
r - плотность металла, т/м3 (для жидкой стали - это 7,2 т/м3);
u – скорость истечения металла, м/с.
Исследования, проведенные сотрудниками МИСиС, позволили получить соотношение, связывающее между собой поперечные сечения рукавов, скорость истечения металла, расход и уровень ввода газа:
Qг = S*(1,2*u+w)*u2/(m2*g*h-1,2*u2),
где Qг – расход несущего газа при фактических значениях температуры и давления, м3/с;
g – ускорение силы тяжести, м/с2;
h – уровень ввода несущего газа, м;
m - коэффициент расхода (для расчетов принимается m2 = 0,32);
w - скорость движения газового пузыря относительно жидкости, м/с.
Величина w может быть оценена из выражения:
w = 0,272*(s*g/r)1/4,
где s - поверхностное натяжение на границе металл-шлак, Н/м.
Для металла можно принять w = 0,31 м/с.
Используя выражение для мощности истекающей струи металла, можно получить:
W = 500*r*Qг*(m2*g*h-1,2*u2)/u/(1,2*u+w)
Дифференцируя W по u и приравнивая производную нулю, можно получить уравнение для определения оптимальной скорости металла в сливном патрубке:
u3+1,25*w*u2-0,347*m2*g*h*w = 0.
Это уравнение может быть решено численно, например, методом последовательных приближений.
При w = 0,31 м/с и m2 = 0,32 это уравнение может быть записано в виде:
u3+0,39*u2 = 0,34*h = 0.
Это значит, что если выбран уровень ввода газа h, то соответствующая ему скорость истечения металла в сливном рукаве является оптимальной, то есть поддержание этой скорости в патрубке за счет регулирования расхода газа, подводимого к подъемному рукаву, обеспечивает максимальную скорость перемешивания в ковше.
Так как расход металла через вакуумную камеру определен в зависимости от решения технологической задачи коэффициентом кратности циркуляции, то площадь поперечного сечения рукавов камеры может быть определена из соотношения:
S = Qм/(60*r*u) или S = k*M/(60*t*r*u).
По уравнению вычисляется расход несущего Qг газа при фактических значениях температуры и давления. Остальные параметры вакуумной камеры выбираются из конструктивных соображений.
В данном проекте необходимо определить основные параметры вакуумной камеры циркуляционного типа для обработки массы металла в ковше вместимостью 200 т и кратностью циркуляции k = 4. Время вакуумной обработки t = 12 мин.