2.2. Пример расчёта мощности вакуумной системы при обработке стали в агрегате vd и vd - ов (ковшевое вакуумирование)

I этап - создание рабочего разряжения в камере

Объем воздуха, находящегося в вакуумной камере после по­становки в нее сталеразливочного ковша с металлом и закрытия ваку­умной камеры герметичной крышкой, рассчитывается по уравнению:

.

Принимая форму камеры и ковша в первом приближении как цилиндрическую, находим:

; ,

где D₁ и H₁ - соответственно диаметр и высота вакуумной камеры, м; D₂ и H₂ - соответственно диаметр и высота сталеразливочного ковша, м.

Массу сухого воздуха, находящегося в камере, определяем по формуле:

где - плотность сухого воздуха, равная 1,293 кг/м³.

Если принять время откачки воздуха из камеры - , то производи­тельность вакуумного насоса должна составлять:

.

При использовании DH и RH-способов первоначально также рас­считывают объемы воздуха в вакуумных камерах (м³) и далее, зада­ваясь временем достижения рабочего вакуума, определяют необхо­димую производительность вакуумных насосов. Ниже представлен расчет необходимой производительности насосов для создания рабо­чего разрежения порядка 100 Па (1 мбар) при обработке стали в сталеразливочном ковше вместимостью 250 т жидкой стали VD-процессом.

Принимаем ориентировочно размеры вакуумной камеры VD- процесса (250 т ковш): D₁ = 6,5 м, H₁ = 6,0 м. Объем вакуумной каме­ры при этом составит:

Размеры сталеразливочного ковша вместимостью 250 т ме­талла принимаем следующими: D₂ = 4,50 м, Н₂ = 4,65 м. Тогда объем ковша составит:

Объем оставшегося сухого воздуха в камере после установки в нее ковша с металлом:

При плотности масса сухого воздуха, на­ходящегося в вакуумной камере после установки в нее сталеразли­вочного ковша, составит:

.

При оптимальной продолжительности откачки воздуха из камеры 5 мин производительность вакуумной системы на I этапе вакуумирования составит:

.

Необходимо отметить, что производительность насоса в каждый момент времени сущест­венно зависит от величины разрежения в камере (см. табл. 2.1).

II этап - расчет необходимой производительности вакуумной системы при рабочем режиме

Проведем в общем виде анализ вклада каждой из составляю­щих в общий объем газовыделения при вакуумировании и определим необходимую производительность системы для основного - II этапа процесса вакуумирования.

А. Продувка металла инертным газом (аргоном)

Обозначим удельный расход аргона – . При вместимости сталеразливочного ковша – , суммарный рас­ход аргона (кг) составит: . При плотности сухого аргона при нормальных условиях - масса продуваемого аргона со­ставит:

Б. Для определения количества водорода, удаляемого из рас­плава, необходимо задаться значением , где [Н]_нач – содержание водорода в металле в начале процесса, % масс; [Н]_кон – содержание водорода в конце процесса, % масс. Концентрацию во­дорода в металле можно экспрессно определять с помощью устрой­ства «Hydrix». Общее количество удаленного водорода (кг) в процес­се вакуумирования составит:

В. Количество удаляемого при вакуумировании азота опре­деляют исходя из заданных значений [N]_нач и [N]_кон, т.е. Δ[N] = [N]_нач – – [N]_кон (% масс). Тогда масса удаляемого азота (кг) составит:

Г. Определение количества выделяющегося СО. Большое газовыделение при вакуумировании расплава (преимущественно СО) в ходе глубокого обезуглероживания (вакуум-кислородное рафинирование – ВКР) приводит к необходимости установки дополнительного блока в вакуумную систему.

Определение количества выделяющегося СО производится по разнице значений [С]_нач и [С]_кон , т.е. Δ[С] = [С]_нач – [С]_кон (% масс). По стехиометрии реакции [С] + 1/2{O₂} = {CO} сначала определяют количество окисленного углерода (кг) по формуле:

Затем рассчитывают количество оксида углерода

и необходимое количество кислорода (кг) для реакции обезуглероживания:

Следует, однако, напомнить, что при продувке металла ки­слородом для обеспечения глубокого обезуглероживания степень его использования может быть определена отношением

В результате расчетов получают значения М_Аr (кг/мин), (кг/мин), (кг/мин) и (кг/мин), т.е. суммарное количество газов составит

Для расчета производительности вакуумной системы необходимо произвести пересчет массы всех газов на массу сухого воздуха при нормальных условиях (Т = 298 °К, Р_воз = 1 ат), т.е. учесть соотношения плотностей указанных газов (табл.2.2) с плотностью сухого воздуха.

В результате получаем следующие значения:

Затем определяем , и М_CO в единицу времени (1 мин) и суммируем общее количество газов (кг/ч):

Ниже приведены результаты расчета количества газов (Аr, Н₂, N₂, СО), выделяемых в процессе основного II этапа процес­са вакуумирования.

1. Продувка металла инертным газом (аргоном). Принимаем удельный расход Аr равным q_Ar = 10 л/(тּмин) = 0,01 м³/(тּмин). При вместимости ковша М_cт = 250 т расход аргона составит

2. Для определения количества водорода, удаляемого из ме­талла на этом этапе вакуумирования задаемся содержанием водорода в начальный [Н]_нач и конечный [Н]_кон моменты вакуумирования, а по разнице Δ[H] = [H]_нач – [H]_кон определяем убыль водорода при обра­ботке.

Принимаем

[H]_нач = 0,0008 % масс (8 ррm) и

[Н]_кон = 0,0002 % масс (2 ррm),

тогда

Δ[Н] = [Н]_нач – [Н]_кон = 0,0008 – 0,0002 = 0,0006 % (6 ррm).

Количество удаленного водорода при этом составит

3. Количество удаляемого при вакуумировании азота опреде­ляют аналогичным образом. Принимаем

[N]_нач = 0,0080 % масс и [N]_кон = 0,0060 % масс.

Тогда,

Δ[N] = [N]_нач – [N]_кон = 0,0080 - 0,0060 = 0,0020 % масс;

за весь период вакуумирования.

4. Существенный вклад в процесс газовыделения при вакуумировании методом VD-ОВ (вакуумирование с одновременной про­дувкой металла в ковше кислородом сверху с целью глубокого обезуг­лероживания) вносит выделение СО.

Для определения количества СО необходимо знать значения [С]_нач и [С]_кон. Затем находим количество СО, образующегося при протекании реакции [C] + ½ {O₂} = {CO}, по формуле

Принимаем [С]_нач = 0,060 % масс, [С]_кон = 0,005 % масс и ∆[С] = = [С]_нач – [С]_кон = 0,060 – 0,005 = 0,055 % масс. Тогда

М_СО = М_С ∙ 2,33 = 137,5 ∙ 2,33 = 320 кг СО за весь период вакуумирования.

Суммарное количество газов составит:

Учитывая, что производительность вакуумной системы выражается в килограммах сухого воздуха в час, необходимо привести массу всех газов к массе сухого воздуха при плотности газов (табл. 2.2), кг/м³:

Тогда количество газов, приведенное к сухому воздуху, составит:

Принимая, что длительность II этапа вакуумирования состав­ляет примерно 20 мин, рассчитываем количество газов, отсасывае­мых из вакуумной камеры в единицу времени:

в расчете по плотности сухого воздуха.

Следовательно, по результатам расчета процесса выделения газов при проведении вакуумирования производительность вакуум­ной системы должна быть принята равной не менее 1300 кг/ч.

Следу­ет отметить, что интенсивность процесса газовыделения при вакуумировании не остается постоянной во времени, что не учитывается настоящим расчетом.

Технические характеристики вакуумных насосов, установ­ленных в электросталеплавильном и кислородно-конвертерном цехах ОАО «Северсталь», приведены в таблице 2.1.