Теория и технология металлургии стали : производство стали

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 1993 

Кафедра металлургии стали и ферросплавов

С.В. Коминов 
М.П. Клюев 

Теория и технология
металлургии стали 

Производство стали 

Практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2010 

УДК 669.18 
 
К63 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. В.А. Осадчий 

Коминов С.В., Клюев М.П. 
К63  
Теория и технология металлургии стали: Производство стали: Практикум. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – 46 с. 
ISBN 978-5-87623-362-2 

Практикум содержит методики расчетов конструктивных и технологических параметров конвертеров верхнего, донного и комбинированного дутья, 
кислородных фурм верхнего и донного дутья, режимов торкретирования. 
В 
разработке 
методик 
расчетов 
принимали 
участие 
студенты 
И.А. Андреев, А.М. Болотная, Ю.М. Лепкова. 
Предназначен для бакалавров, магистров направления 550500 «Металлургия», инженеров специальности 220301 «Автоматизация технологических 
процессов и производств в черной металлургии». 

УДК 669.18 

ISBN 978-5-87623-362-2 
© С.В. Коминов, 
М.П. Клюев, 2010 

СОДЕРЖАНИЕ 

1. Расчет параметров рабочего пространства конвертера  
при продувке расплава кислородом сверху ...........................................5 
1.1. Расчет основных параметров профиля рабочего  
пространства конвертера  при продувке расплава кислородом 
сверху.....................................................................................................5 
1.1.1. Основные понятия и требования к расчету..........................5 
1.1.2. Методика расчета основных параметров профиля  
рабочего пространства конвертера .................................................6 
1.1.3. Расчет основных параметров профиля рабочего 
пространства конвертера .................................................................7 
1.1.4. Расчет фактического и свободного уровня ванны.............12 
1.2. Расчет изменения параметров профиля рабочего  
пространства конвертера  по ходу кампании в зависимости 
от количества проведенных плавок ..................................................14 
1.2.1. Основные понятия и требования к расчету........................14 
1.2.2. Методика расчета .................................................................15 
1.2.3. Расчет изменения профиля рабочего пространства 
конвертера по ходу кампании........................................................17 
1.3. Расчет стойкости футеровки конвертера при факельном 
торкретировании.................................................................................18 
1.3.1. Основные понятия и требования к расчету........................18 
1.3.2. Схема износа футеровки в конвертере ...............................19 
1.3.3. Методика расчета .................................................................20 
1.4. Расчет массы футеровки, переходящей в шлак по ходу 
кампании..............................................................................................28 
2. Расчет параметров кислородной фурмы при продувке расплава 
кислородом сверху .................................................................................31 
2.1. Основные понятия и требования к расчету...............................31 
2.2. Методика расчета ........................................................................32 
3. Расчет основных параметров профиля рабочего пространства 
конвертера и донных фурм  при продувке кислородом снизу...........35 
3.1. Основные понятия и требования к расчету...............................35 
3.2. Методика расчета ........................................................................36 
3.3.1. Расчет площади внутренней поверхности конвертера......37 

3.3.2. Расчет размеров донных фурм ............................................38 
4. Расчет основных параметров рабочего пространства конвертера 
и дутьевых устройств при комбинированной продувке .....................41 
4.1. Основные понятия и требования к расчету...............................41 
4.2. Расчет параметров донных дутьевых устройств  
при продувке азотом или аргоном ....................................................43 
Библиографический список ...................................................................45 
 

1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО 
ПРОСТРАНСТВА КОНВЕРТЕРА  
ПРИ ПРОДУВКЕ РАСПЛАВА КИСЛОРОДОМ 
СВЕРХУ 

1.1. Расчет основных параметров профиля 
рабочего пространства конвертера  
при продувке расплава кислородом сверху 

Цель работы. Выработать у студентов навыки расчета основных 
параметров рабочего пространства конвертера в зависимости от различных исходных технологических факторов. 

1.1.1. Основные понятия и требования к расчету 

Рабочим пространством конвертера называется объем, ограниченный огнеупорной футеровкой и воображаемой горизонтальной 
плоскостью, проходящей через срез горловины конвертера. 
Профиль рабочего пространства конвертера – это контур, образованный сечением конвертера вертикальной плоскостью, проходящей через его ось. 
При определении основных параметров рабочего пространства и 
его профиля необходимо учитывать, что рабочее пространство 
должно обеспечить: 
1) размещение всей газошлакометаллической эмульсии, образующейся в период продувки расплава кислородом с максимальной 
интенсивностью подачи дутья; 
2) циркуляцию расплава без образования застойных зон; 
3) минимизацию потерь металла с выбросами и выносами; 
4) минимизацию потерь тепла через горловину конвертера; 
5) возможность максимальной скорости завалки металлолома; 
6) минимизацию тепловых напряжений, возникающих в кладке 
по ходу плавки. 
В табл. 1.1 представлены исходные данные для расчета. 

Таблица 1.1 

Исходные данные для расчета 

Параметр 
Единица измерений 
Обозначение* 

Номинальная емкость конвертера 
т 
G 

Удельная интенсивность продувки 
м3/(т · мин) 
2
Oi

Удельный объем конвертера 
м3/т 
v 

Содержание марганца в чугуне 
% 
[Mn] 

Содержание кремния в чугуне 
% 
[Si] 

Содержание фосфора в чугуне 
% 
[P] 

1.1.2. Методика расчета основных параметров 
профиля рабочего пространства конвертера 

Геометрию профиля рабочего пространства конвертера можно 
представить состоящим из геометрических фигур (рис. 1.1): 
• верхнего усеченного конуса; 
• цилиндра; 
• нижнего усеченного корпуса; 
• шарового сегмента. 

 

Рис. 1.1. Основные геометрические 
размеры профиля рабочего пространства 
конвертера: 
h1 – высота верхней конической части 
профиля, м; h2 – высота цилиндрической 
части профиля, м;  
h3 – высота нижней конической части 
профиля, м; h4 – высота сферической 
части профиля, м; H – полная высота 
профиля рабочего пространства, м;  
d1 – диаметр верхней конической части 
(горловины), м;  
d2 – диаметр цилиндрической части 
рабочего пространства, м; d3 – диаметр 
нижней конической части, м;  
Rсф – радиус сферической части, м 
––––––––– 
* Здесь и далее обозначения единиц измерения соответствуют принятым на практике. 

d1 

d2 

d3 

H 

h1
h2 
h3 
h4 

Rсф 

α

Обозначения дополнительных размеров профиля приведены в 
табл. 1.2. 

Таблица 1.2 

Дополнительные геометрические размеры профиля 

Параметр 
Обозначение 

Площадь внутренней поверхности рабочего пространства, м2 
S 

Площадь поверхности ванны, м2 
Sв 

Глубина ванны, м 
hв 

Отношение диаметра горловины к диаметру цилиндрической части 
d1 / d2 

Отношение полной высоты к диаметру цилиндрической части 
2
/
H
d  

1.1.3. Расчет основных параметров профиля рабочего 
пространства конвертера 

Методика расчета основана на использовании результатов физического моделирования, статистической обработке параметров эксплуатируемых как отечественных, так и зарубежных конвертеров, 
законов гидродинамики жидкой ванны и аэродинамики газовых 
струй. 
В расчете принимается, что весь металл в спокойном состоянии 
размещается в нижней конической и сферической частях рабочего 
пространства. 
Объем жидкого металла 

 
м
м
/
V
G
=
ρ , 

где ρм – плотность жидкого металла, равная 7 т/м3. 

Удельный объем конвертера, м3/т, определяется по следующей 
эмпирической зависимости: 
– при переработке передельных чугунов марки П1, в которых содержание кремния находится в пределах 0,50…0,90 %: 

 
[ ]
2

0 5
1 25
O
0 189
Si

,
,
v
,
i
=
; 

– при переработке высокофосфористых чугунов марки ПФ1-2, в 
которых содержание фосфора находится в пределах 0,30…2,00 %: 

 
[ ] [ ]
(
)
2
O
0 127
Si
P
v
,
i
=
+
. 

Практикой эксплуатации конвертеров установлено, что удельный 
объем конвертеров независимо от их вместимости должен находиться в 

пределах 0,80…1,00 м3/т. С учетом непрерывного развития и возможности усовершенствования кислородно-конвертерного процесса интервал 
значений удельного объема может быть принят  0,75…1,10 м3/т. 
Объем рабочего пространства конвертера, м3, 

 
p.п
V
Gv
=
. 

Опыт конвертерного производства показывает, что размещение 
всей газошлакометаллической эмульсии в рабочем пространстве при 
продувке с максимальной интенсивностью (первое требование), минимизация потерь металла с выбросами и выносами (третье требование) достигается при объеме рабочего пространства конвертера в  
5–7 раз превышающем объем жидкого металла, т.е. должно соблюдаться соотношение 

 

р.п

м

5 7
V
...
V
≥
. 

Если рассчитанное соотношение выходит за указанные пределы, 
необходимо значение удельного объема принять для конвертеров 
номинальной емкостью менее 160 т ближе к нижней границе интервала, а для большегрузных конвертеров номинальной емкостью более 160 т – ближе к верхней границе. 
Высоту свободного объема рабочего пространства конвертера 
оценивают в зависимости от состава перерабатываемого чугуна, определяющего количество шлака, образовавшегося по ходу плавки: 

 

2

0,4

1
2
O

'
H
h
h
kq
=
+
=
. 

Коэффициент k определяется по уравнению 

 
[
]
0 73
0 22 Mn
k
,
,
=
+
. 

Количество сопел m для многосопловой фурмы определяется в зависимости от емкости конвертера и интенсивности продувки по эмпирическому уравнению 

 
(
)
2

4
О
1168
9 42 10
1
m
i
/
,
,
G
−
⎡
⎤
=
−
⋅
+
⎢
⎥
⎣
⎦
. 

При расчете от выражения, полученного в квадратных скобках, 
берется целая часть. 

Интенсивность подачи кислорода через одно сопло рассчитывается по формуле 

 
2
2
O
O
/
q
i G m
=
. 

Глубина ванны должна, с одной стороны, исключить возможность 
контакта высокотемпературной реакционной зоны с футеровкой 
днища, а с другой – обеспечить интенсивную циркуляцию расплава. 
Для расчета глубины ванны рекомендуется уравнение 

 
(
)
2

0 3

в
3
4
O
0 36
/

,
h
h
h
,
Gi
m
.
=
+
=
 

Диаметр горловины конвертера должен рассчитываться с учетом 
снижения потерь металла с выбросами и выносами при одновременном обеспечении необходимых скоростей завалки шихты (третье, 
четвертое, пятое требования). Диаметр горловины с учетом перечисленных выше требований и производственной практики определяется по формуле 

 
0 5

1
T

,
d
k G
=
, 

где kТ = 0,2 при переработке передельных чугунов;  
kТ = 0,22 при переработке фосфористых чугунов. 

Угол наклона кладки конусных частей конвертера к горизонтали 
следует принимать с учетом обеспечения ее строительной прочности, т.е. устойчивости кладки без ее обрушения. Обычно этот угол 
составляет около 60° к горизонтали. Тогда высоту верхней конической части конвертера можно вычислить по соотношению 

 
[
]
1
2
1
2
1
(
) / 2 tg
0,866(
)
h
d
d
d
d
=
−
α =
−
. 

Высоту цилиндрической части конвертера можно определить из 
разности высоты свободного объема и высоты верхней конической 
части: 

 
2
1.
h
H
h
′
=
−
 

Для объема верхней цилиндрической и конической частей можно 
составить уравнение 

 

2
2
2
2

р.п
м
2
1
1
2
1
2
(
)
(
)
4
12
d
V
V
h
h d
d
d d
π
π
−
=
+
+
+
. 

Подставим в это уравнение принятые соотношения для h1 и h2: 

(
)
(
)
(
)
(
)

2
2
2
2
р.п
м
2
1
2
1
1
2
1
2
(
)
0,866
0,866
(
).
4
12
d
V
V
H
d
d
d
d
d
d
d d
π
π
′
−
=
−
−
+
−
+
+
 

Получено кубическое уравнение с одним неизвестным – d2. 
Смысл имеет один корень этого уравнения, и для решения этого 
уравнения следует применить итерационный метод. Таким образом, 
из приведенного уравнения определяется диаметр цилиндрической 
части рабочего пространства. 
Объем нижней конической части можно вычислить по уравнению 

 

2
2
3
2
нк
3
3
2

π
3
2
2
d
d
V
h
d d

⎡
⎤
⎛
⎞
⎛
⎞
=
+
+
⎢
⎥
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
⎝
⎠
⎢
⎥
⎣
⎦
. 

Объем шарового сегмента (сферическая часть) конвертера находится из уравнения 

 
(
)
2
сф
4
сф
4
3
3
V
h
R
h
π
=
−
. 

Исходя из необходимости устранения образования застойных зон 
в нижней части агрегата (второе требование), целесообразно принять: 

 
3
2
0 855
d
,
d .
=
 

Из технологических соображений рекомендуется выбирать высоту сферической части днища конвертера пропорционально диаметру 
его рабочего пространства: 

 
4
2,
h
nd
=
 

где n – коэффициент пропорциональности, изменяющийся в интервале 0,167…0,111. 

Тогда высота нижней конической части конвертера может быть 
рассчитана по уравнению 

 
3
в
4
h
h
h .
=
−
 

Радиус сферической части рассчитывается согласно рис. 1.2. 

Рис. 1.2. К расчету радиуса сферической части 

Из рис. 1.2 следует, что параметр 
сф
4
b
R
h
=
−
, а параметр 
3 2
c
d
=
. 

По теореме Пифагора 

 
2
2
2

сф
R
b
с
=
+
. 

После подстановки в это уравнение значений b и c и выполнения соответствующих преобразований можно получить выражение для нахождения радиуса сферической части рабочего пространства конвертера: 

 

2
3
4

сф
4
8
2

d
h
R
h
=
−
. 

Кроме основных параметров конвертера необходимо выполнить 
расчет дополнительных геометрических размеров профиля. Расчет 
площади внутренней поверхности конвертера (площади рабочего 
пространства конвертера) осуществляется в несколько этапов. 
Прежде всего, рассчитывается площадь внутренней поверхности 
верхней конической части: 

 
(
) (
)

2
2

1
1
2
2
1
1 ,
S
r
r
r
r
h
= π
+
−
+
 

где r1 = d1/2 и r2 = d2/2. 

Площадь внутренней поверхности цилиндрической части рассчитывается по уравнению 

 
2
2
2.
S
d h
= π
 

d2

d3 

Rсф 

c 

b 

h3 
h4 

Площадь внутренней поверхности нижней конической части рассчитывается по уравнению 

 
(
) (
)

2
2

3
3
2
2
3
3
π
,
S
r
r
r
r
h
=
+
−
+
 

где r2 = d2 / 2 и r3 = d3 / 2. 

Площадь внутренней поверхности сферической части рассчитывается по уравнению 

 
(
)
4
2
3
4
4
2π
.
S
h
h
h
h
=
+
+
 

Площадь внутренней поверхности конвертера 

 
1
2
3
4
S
S
S
S
S
=
+
+
+
. 

Площадь поверхности ванны, контактирующей с футеровкой, 
представляет собой сумму площадей нижней конической и сферической частей рабочего пространства: 

 
в
3
4
S
S
S
=
+
. 

Глубина ванны конвертера рассчитывается по уравнению 

 
(
)
2

0 3

в
3
4
O
0 36
/
.

,
h
h
h
,
Gi
m
=
+
=
 

Значение отношения диаметра горловины к диаметру рабочей 
части d1 / d2 должно находиться в интервале 0,4…0,6. 
Значение отношения полной высоты рабочего пространства к 
диаметру рабочего пространства H / d2 должно находиться в интервале 1,4…1,6. 
Данный расчет реализован в программном комплексе RPK. Результатом расчета по соответствующей программе являются: 
– основные и дополнительные геометрические размеры профиля 
рабочего пространства конвертера; 
– чертеж профиля рабочего пространства конвертера, выполненный в масштабе. 

1.1.4. Расчет фактического и свободного уровня ванны 

Поскольку расчет параметров конвертера осуществляется по приближенной методике, на практике может получиться, что уровень 
металла будет находиться несколько ниже верхней границы нижней