Расчет электродуговой печи

Информация о виде и массе шихты поступает в ЭВМ УВК и хранится в памяти машины, которая рассчитывает основные компоненты шихты. Задание на загрузку корзины металлошихтой по видам и массе вводится в САУ взвешиванием металлической шихты мастером с пульта или от УВК. После окончания загрузки всех компонентов шихты в корзину ЭВМ УВК сообщает мастеру печи о готовности корзины с шихтой. Затем тележка подается в печное отделение для выгрузки в печь.

В ЭВМ УВК храниться программа всех марок сталей, выплавляемых в ЭСПЦ. Перед началом плавки ЭВМ находит в базе данных выбранную марку стали и выдает общую программу её выплавки.

ЭВМ рассчитывает количество электроэнергии, необходимой для расплавления шихты, с учетом экзотермических реакций при вдувании в печь кислорода и тепловых и электрических потерь печи, рассчитывает и выдает в САУ электрическим режимом оптимальные параметры энергетического режима.

Начинается плавление металлической шихты. Система измерения положения электродов определяет моменты начала технологических интервалов периода плавления шихты и передает эту информацию в ЭВМ, которая через САУ электрического режима ЭР изменяет ступень печного трансформатора Т устанавливает оптимальную величину тока дуги.

Если температура футеровки достигает значения, влияющего на её износ, то САУ ЭР переключает печной трансформатор на ближайшую низшую ступень напряжения. Перед началом продувки ЭВМ УВК выдает задание в САУ продувкой кислорода - режим продувки. САУ осуществляет перемещение кислородной фурмы, устанавливает её в заданную позицию, производит управление подачей кислорода и при заданном количестве введенного в печь кислорода отключает подачу кислорода и поднимает кислородную фурму.

Экспресс-лаборатория соединена с системой передачи результатов химического анализа. ЭВМ УВК дает команду на отбор пробы металла. При поступлении в экспресс-лабораторию проба отрабатывается и устанавливается в квантометр и в течение 40-60 с анализируется в соответствии с заданной программой. По результатам этого анализа ЭВМ вычисляет, какие материалы (легирующие, шлакообразующие и раскислители) и в каком количестве необходимо ввести в печь. При этом ЭВМ учитывает количество и стоимость материалов, хранящихся в бункерах, вычисляет оптимальный по себестоимости вариант наборов материалов.

САУ дозированием сыпучих и ферросплавов посылает команду на включение вибропитателей под соответствующими расходными бункерами, из которых должны отбираться требуемые материалы. После набора полной дозы материала питатель отключается. Заданная и фактическая массы каждого из дозируемых материалов инициируются на цифровых табло, установленных на пульте управления. При выгрузке материалов их масса регистрируется и передается в ЭВМ.

Для стали каждой марки в базе данных ЭВМ хранится оптимальный закон изменения температуры металла. УВК в наперед заданные интервалы плавки периодически информирует сталевара о необходимости произвести замер температуры металла. Измеренные величины температур передаются в ЭВМ УВК, которая, сопоставив фактические и заданные температуры металла, определяет их разность и вычисляет требуемое количество электроэнергии. САУ ЭР устанавливает новый электрический режим с учетом того, что следующий замер температуры должен соответствовать заданной температуре металла.

Непрерывно получая информацию о текущих значениях мощности тепловых потерь, напряжения сети, температуры подины и футеровки и других показателях, ЭВМ УВК вычисляет электрический и тепловой режимы, отвечающие условиям минимальных удельных расходов электроэнергии, длительности плавления или себестоимости 1т стали.

3. Расчёт материального баланса

Плавка в дуговой сталеплавильной печи состоит из следующих основных периодов (цифры в скобках характеризуют примерную продолжительность каждого периода): 1) период расплавления (с подвалкой) (60%); 2) окислительный период (9,4%); 3) период рафинирования (18,2%); 4) период межплавочных простоев, включающий выпуск, заправку, очистку и завалку (12,4%).

В первый период происходит нагрев и расплавление загрузки и печь потребляет большую часть электроэнергии. Поэтому при проектировании дуговой сталеплавильной печи расчет проводят только для периода расплавления.

Расчет материального баланса осуществляют на 100 т (100 кг) шихты либо на общую массу металлозавалки.

Для выплавки сплава использована шихта, содержащая 92% лома; 5% передельного чугуна; 3 % металлизованных окатышей. Остальной состав приведен ниже (см. таблицу 3.1).

Таблица 3.1

Химический состав лома

C, %	Si, %	Mn, %	Fe, %
0,04	0,016	0,21	Остальное

Таблица 3.2

Химический состав шихтовых материалов, % по массе

Материал	C, %	Si, %	Mn, %	Fe, %	т	%
Лом	0,04	0,016	0,21	99,734	0,9744	56
Чугун передельный	4,3	0,46	0,27	94,97	0,0174	1
Возврат	0,2	0,2	0,35	99,25	0,7482	43
Средний состав	0,1514	0,099	0,2708	99,478	-	-
Сталь в конце периода расплавления	0,15	0,08	0,04	99,73	-	-
Всего:					1,74	100

Определяем угар примесей (U) в период расплавления как разность между средним содержанием элемента в шихте и в конце периода расплавления:

, кг;

где масса металлической части шихты, кг;

содержание примеси в шихте, % по массе;

содержание элемента в стали в конце периода расплавления, % по массе;

i выгорающие элементы (C, Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Cu, Fe).

Определяем угар примесей:

C = ((0,1514-0,15)1740)/100 =0,02436 кг.

Si = ((0,099-0,08)1740)/100 = 0,3306 кг.

Mn=((0,2708-0,04) 1740)/100=4,01592кг.

Fe (в дым) = 43,5 кг. (принимаем 2,5 % от массы шихты)

Всего 47,871 кг.

Принимаем, что 30% С окисляется до СО2, а 70% до СО. исходя из этого, находим расход кислорода на окисление примесей и массу образовавшихся оксидов.

Расход кислорода в период расплавления:

, кг;

где - молекулярная масса элемента;

- молекулярная масса кислорода.

ССО2 кг.

ССО кг.

SiSiО2 кг.

MnMnO

UMn16/55=4,0159216/55=1,1683 кг.

Fe(в дым)Fe2O3 (в дым)

UFe48/112=43,5*48/112=18,64 кг.

Расчеты представим виде таблицы 3.3, принимая С=0,02436 кг; Si=0,3306 кг; Mn=1,01592кг.

Таблица 3.3

Расход кислорода в период плавления.

	Расход кислорода, кг	Масса оксида, кг
CCO2	0,3C32/12	0,0195	0,3C+СО2	0,0268
CCO	0,7C16/12	0,0227	0,7C+CO	0,0397
SiSiO2	Si32/28	0,3778	Si+SiO2	0,7084
MnMnO	Mn16/55	1,1683	Mn+MnO	5,1842
FeFe2O3 (в дым)	Fe(в дым) 48/112	18,64	Fe+Fe2O3	62,14
	Всего	20,2283	Всего	68,0991

Таблица 3.5

Зависимость содержания оксидов железа в шлаке от содержания углерода в металле

[C],%	0,08-0,18	0,20-0,32	0,28-0,42	0,67-1,09
(Feобщ), %	14,4	12,8	11,04	9,41

Масса шлака без оксидов железа - 13,3615 кг (см. ниже), составляет = 85,6%, а общая масса шлака:

, кг;

где - масса шлака без оксидов железа (по составу шлака к концу выплавки), кг; - содержание оксидов железа в шлаке, %.

Подставляем данные:

кг.

Масса оксидов железа в шлаке:

, кг;

кг.

Масса оксидов железа в шлаке равна 2,2477 кг, из которых 0,5619 кг Fe2O3 (0,25) и 1,6858 кг FeO (0,75). Таким образом состав шлака следующий:

Таблица 3.6

Состав шлака

	SiO2	MgO	CaO	MnO	Р2O5	S	FeO	Al2O3	Fe2O3
кг	0,8564	4,4973	2,5692	5,1842	0,0525	0,0263	1,6858	0,078	0,0976
%	5,69	29,89	17,07	34,45	0,35	0,17	11,2	0,52	0,649

Основность шлака:

;

где CaO -содержание CaO в шлаке, %; SiO2 - содержание SiO2 в шлаке, %.

В = 2,5692/0,8564 =3,00.

С учетом того, что окислится железа, кг:

до Fe2O3 ……… 0,5619 кг;

до FeO ……… 1,6858 кг;

поступит железа из металла в шлак (кг):

, кг;

где - масса Fe2O3, кг;

- масса FeO, кг; - масса FeO, кг; 112 и 56 - молекулярная масса железа в Fe2O3 и FeO соответственно; 160 и 72- молекулярная масса Fe2O3и FeO соответственно.

кг.

Выход годного с учетом металла, скачиваемым шлаком (кг):

;

где mш - масса металлошихты без учета количества извести; - масса выгоревших примесей за всю плавку, определяется как сумма выгоревших примесей за период расплавления и окислительный период плавки, кг; - потери железа на образование оксидов железа в шлаке, кг; - количество железа, уносимого шлаком, кг (принимаем 0,5 % от ).

кг.

Расход кислорода на окисление железа:

, кг;

кг.

Расход кислорода на окисление всех примесей:

, кг;

где - расход кислорода на окисление примесей (таблица 2.2).

 кг.

Принимаем, что количество кислорода, вносимого воздухом 100 %.

Принимая коэффициент усвоения кислорода равным 0,9, определим потребное количество кислорода:

, кг;

кг

Количество неусвоенного кислорода:

, кг;

кг

Кислороду, вносимому воздухом, сопутствует азот в количестве:

, кг;

где 77 и 23 - соответственно массовая доля азота и кислорода в воздухе.

кг.

При определении количества выделяющихся газов необходимо учесть образование СО и СО2 (в отношении 70 и 30 %) при горении углерода электродов. Согласно практическим данным, расход электродов на плавку составляет 4 - 7 кг/т, причем приблизительно 60 % расходуется в период расплавления. Согласно экспериментальным данным расход электродов на плавку составляет Pэл = 3 - 4 кг/т стали. Принимаем 3,5 кг/т стали.

С учетом массы завалки расход электродов 3,51,74= 6,09 кг.

С образованием СО сгорает 0,7 Pэлкг С и образуется , кг CO; кг.

С образованием СО2 сгорает 0,3 Pэл кг С и образуется , кг CO2

кг.

С образованием СО сгорает (0,7*3,5*1740)/1000=4,263 кг С и образуется 4,263*(28/12)=9,947 кг СО.

Для горения углерода электродов требуется кислорода:

, кг;

кг.

Окисление углерода электродов происходит кислородом, подсасываемым в печь, которому сопутствует азот в количестве:

, кг;

кг.

Таблица 3.7

Состав выделившихся газов

Газ	кг	%
СО2	0,0268+6,699=6,7258	5,12
СО	9,947+0,0397=9,9867	7,6
О2	2,077	1,58
N2	77,2658+35,34=112,6058	85,7
Всего	131,3953	100

Теперь по расчетам материального баланса и процесса горения газа можно определить состав и количество выделяющихся газов и составить материальный баланс периода расплавления.

Таблица 3.8

Материальный баланс плавки

Поступило	кг	Получено	кг
Лом	974,4	Выход годного	1681,49
Передельный чугун	17,4	Шлак	15,6092
Возврат	748,2	Потери Ме со шлаком	8,7
Известь	2,6261	Уходящие газы: СО СО2 N2 O2 неув. Fe2O3	9,9867
Воздух	145,3545
Электроды	6,09		6,7258
Болото	-		112,6058
Футеровка	4,841		2,077
			62,14
ВСЕГО	1898,912	ВСЕГО	1899,33

Невязка составляет 0,02%.

Допустимая относительная погрешность расчетов не должна превышать 0,08 %.

4. РАСЧЁТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ

4.1 Определение геометрических параметров

Основными геометрическими параметрами ДСП являются:

Нм - глубина ванны по зеркалу жидкого металла;

Нв - глубина ванны до откосов печи;

Нпл - высота плавильного пространства;

Dм - диаметр ванны по зеркалу жидкого металла;

Dп - диаметр ванны на уровне порога рабочего окна;

Dк - внутренний диаметр кожуха печи;

Dот - диаметр ванны на уровне откосов.

Наиболее распространенной является сфероконическая ванна с углом между образующей и осью конуса, равным 45є.

Объем ванны до откосов включает в себя объемы металла Vм, шлака Vш и дополнительный Vд, т.е.

Vв = Vм + Vш + Vд

Если плотность жидкого металла , а емкость печи М, т, то

м3.

Номинальную ёмкость печи принимаем равным 5 тонн, а = 7,15 т/м3 - плотность жидкого металла.

Диаметр зеркала жидкого металла определяется из соотношения

, м;

где Dм - диаметр зеркала жидкого металла, мм; Vм - объем жидкого металла, м3; с - коэффициент, зависящий от отношения диаметра зеркала металла к глубине ванны по металлу.

Обычно коэффициент с определяется по формуле:

с = 0,875 + 0,042 а,

где . Для большинства печей а = 4,0…5,5, причем меньшие значения характерны для небольшой емкости и технологического процесса, не требующего тщательного рафинирования расплавленного металла в печи. При таких соотношениях с теплотехнологической точки зрения будет обеспечено и сравнительно равномерное облучение поверхности ванны от дуг и кладки печи, и более равномерный прогрев металла в объеме ванны.

Примем а =4,0; Тогда

с = 0,875 + 0,042 4,0 = 1,043

мм или 1,240 м.

Глубина ванны по жидкому металлу:

, м;

где - глубина ванны жидкого металла.

 мм или 0,31 м.

Глубина сферического сегмента

мм или 0,062 м.

Над жидким металлом в ванне предусмотрено пространство для шлака, объем которого составляет 20% объема металла в небольших печах и 10…17% - в крупных:

, м3;

Принимаем м3.

Высота слоя шлака определяется из выражения

мм или 0,017 м.

где 0,785 - эмпирический коэффициент; 1000 - переводной коэффициент.

Диаметр зеркала шлака:

мм или 1,3 м.

Уровень порога рабочего окна принимается на уровне шлака или на 0,02…0,04 мм выше:

h? = 0…0,04 м.

Уровень откосов рекомендуется принимать на 30…70 мм выше уровня порога рабочего окна во избежание размыва шлаком основания футеровки стен:

h = 0,03…0,07 м.

Объем от уровня шлака до уровня верха откосов называется дополнительным. Обычно он составляет 10…15% от объема металла.

Глубина ванны до уровня откосов равна

, мм;

мм или 0,38 м.

Диаметры рабочего пространства дуговой печи на уровне порога рабочего окна и на уровне откосов соответственно равны

мм или 1,31 м.

мм или 1,37 м.

где - диаметр рабочего пространства на уровне порога рабочего окна, мм; - диаметр рабочего пространства на уровне откосов, м.

Высота конической части ванны hк равна

, мм ;

мм или 0,25 м.

Тогда диаметр основания шарового сегмента находится из выражения

, мм;

мм или 0,74 м.

Для современных дуговых сталеплавильных печей высота плавильного пространства принимается в пределах, приведенных в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Зависимость высоты плавильного пространства от диаметра на уровне откосов

Емкость печи, т	Доля от
0,5…5	0,5…0,45
10…50	0,45…0,4
100…	0,38…0,34

Высоту плавильного пространства от уровня откосов до верха стены, принимаем равной на основании таблице 4.1.

, м;

м.

Выше откосов стены делаются наклонными под углом 15..30є к вертикали. В этом случае увеличивается стойкость огнеупорной кладки, так как по высоте стен увеличивается расстояние от дуг и уменьшается плотность теплового потока на верхний пояс.

Принимаем угол наклона стен 30є.

Высота наклонной части стен

, мм;

мм.

Высота цилиндрической части стен

, мм;

мм или 0,52 м.

Диаметр стен определяется по формуле

, мм;

где - угол наклона стен по вертикали.

мм или 1,2 м.

Оставшиеся размеры печи определяются с учетом материала и толщины огнеупорной кладки подины, стен и свода.

4.2 Конструкция футеровки ДСП

Конструкция футеровки кроме внутреннего профиля рабочего пространства определяют материалы рабочего, арматурного и теплоизоляционного слоев кладки, а также форма и размеры кожуха ДСП.

Конструкция футеровки ДСП-1,5. Для кладки рабочего слоя ДСП используем основные огнеупорные материалы.

Основная футеровка ДСП

Подина и откосы

Таблица 4.2.1

Толщина отдельных слоев и всей футеровки подины ДСП

Емкость печи, т	< 12	25-50	100	200	300	400
Набивной слой, мм	100	100	150	150	160	180
Кирпичная кладка, мм	300-365	395-495	530	575	595	620
Изоляционный слой, мм	85	105	170	190	195	200
Общая толщина, мм	485-550	600-700	850	915	950	1000

Исходя из данных, приведенных в таблице 4.2.1, принимаем общую толщину подины 0,485 м. Футеровка подины состоит из рабочей части и теплоизоляционного слоя.

Нижний изоляционный слой выполняем из листового асбеста толщиной 10 мм, укладываемого на металлическое днище, шамотного порошка общей толщиной 0,03 мм и легковесного шамота марки ШЛБ-1,3, суммарной толщиной 0,10 м (три слоя «на ребро»).

Средний огнеупорный слой выполняется из магнезита марки МП-91 суммарной толщиной 0,300 м (пять слоёв «на плашку»).

Огнеупорная набивка выполняется из магнезитового порошка со связующим в виде смеси смолы и пека толщиной 0,100 м.

Откосы ниже уровня шлака выкладываются обычным магнезитовым кирпичом марки МО-91, а в районе шлакового пояса - плотным магнезитовым кирпичом.

Стены ДСП

С тем, чтобы облегчить тепловую работу и повысить стойкость футеровки, кладка стен обычно не имеет тепловой изоляции. Верх стен изнашивается меньше, поэтому он выкладывается кирпичом меньшего размера, с одним - двумя уступами.

В зависимости от емкости можно рекомендовать следующую толщину огнеупорной кладки стен (мм)

Таблица 4.2.2 - Толщина огнеупорной кладки стен ДСП

Емкость печи, т	< 12	25-50	100	200	300-400
Общая толщина на уровне откосов д1, мм	365-445	445-495	525-575	575-610	550-650
Общая толщина в верхней части д2, мм	230-300	300-365	365-415	380-450	400-470

Толщину футеровки стены на уровне откосов принимаем равной 0,365 м (0,325 м кирпич магнезитохромитовый марки МХСП и 0,040 м засыпка зазора между кирпичной кладкой и кожухом печи крошкой из отходов кладки).

Засыпка выполняет роль демпферного слоя, компенсирующего тепловое расширение кирпичной кладки стены.

При цилиндрическом кожухе целесообразно выполнение вертикальной стены уступами с постепенным уменьшением толщины стены от основания до верха стены. Исходя из стандартных размеров длины огнеупорных кирпичей 0,300, 0,380 и 0,460 м, принимаем толщину стены, включая слой засыпки: 0,365 м в нижней части, 0,20 м в средней части и 0,230 м в нижней.

Выбрав материалы и толщину огнеупорной кладки стен, определяем внутренний диаметр кожуха на уровне откосов:

, м;

мм или 2,1м.

и его цилиндрической части:

, м;

мм или 1,67м.

где д1 - толщина футеровки стен на уровне откосов, м; д2 - толщина футеровки цилиндрической верхней части стен, м.

Кожух или его части свариваются из котельной стали. Толщина кожуха

, м;

мм или 0,008м.

Наружный диаметр кожуха:

м или 1,69м.

В обшивке кожуха вырезают отверстия для летки и рабочего окна.

Рабочее окно печи имеет размеры:

ширина , м;

мм или 0,3м.

высота , м;

мм или 0,19 м.

стрела выпуклости арки рабочего окна

, м;

мм или 0,043м.

Свод

Футеровку сводов основных дуговых печей наиболее часто выполняют из прямого и небольшого количества клинового кирпича марки МХОП и в отдельных случаях из динасового кирпича.

Толщина футеровки свода соответствует длине стандартного кирпича и обычно составляет:

Таблица 4.2.3

Толщина футеровки свода ДСП

Емкость печи, т	? 12,5	25 - 50	100
дсв, мм	230 - 300	380	380 - 460

В современных ДСП свод опирается на кожух печи и поэтому можно считать, что его диаметр примерно равняется диаметру верха кожуха, т.е.

мм или 1,67м.

Стрела выпуклости свода зависит от материала и пролета (диаметра) свода.

Таблица 4.2.4

Геометрические параметры свода в зависимости от материала футеровки

Материал свода
Магнезитовый (хромомагнезитовый)	(0,11…0,12)
Динасовый	(0,08…0,1)

Стрела выпуклости свода равна:

, м;

мм или 0,84м.

При этом высота центральной части свода над уровнем откосов составит:

, м;

мм или 0,87м.

Интенсивность облучения определяется диаметром распада электродов Dp, который задает расстояние «дуга-стенка». Поэтому задача определения рационального значения Dpсводится к выбору величины соотношения, обеспечивающего возможно более равномерной распределение тепловой нагрузки по периметру печи и высокой стойкости футеровки стен.

Наилучшее условия при минимальном значение . Однако возможности его уменьшения ограничиваются соображениями конструктивного характера (необходимость размещения электрододержателей, обеспечения достаточно высокой строительной прочности центральной части свода).

При проектировании печей следует принимать значения, приведенные в таблице 4.2.5

Таблица 4.2.5 - Величины для различных ДСП

Емкость печи, т	12 - 50	100	200
	0,40 - 0,35	0,25	0,20

Тогда

мм или 0,83м.

5. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

ДСП является агрегатом периодического действия, в котором потребление электроэнергии в различные периоды плавки неодинаково. При проектировании ДСП составляется расчетный энергетический баланс только для периода расплавления, т.к. печь потребляет наибольшую часть электроэнергии и плавка ведется на самой высокой мощности. По результатам этого баланса определяется необходимая мощность печного трансформатора и удельный расход электроэнергии в период расплавления, т.е. важнейшие параметры печи, определяющие ее производительность и технико-экономическую эффективность. В современных сверхмощных ДСП большой емкости длительность плавления не должна превышать 2 часа.

Энергетический баланс состоит из приходной и расходной частей. По закону сохранения энергии

Приход энергии происходит за счет статей:

где - теплота, вносимая в печь с электроэнергией; - теплота экзотермических реакций, протекающих в ванне; - теплота от окисления графитовых электродов; -теплота, вносимая в печь с шихтой.

Теплота на действующей печи определяется по показаниям счетчика активной энергии, установленного на печи, а по показаниям счетчика реактивной мощности определяется средний коэффициент мощности установки (cos). Эта статья для печей одной емкости составляет 60 - 80 %.

Теплота представляет собой сумму энтальпий, вводимых в печь в течение плавки(периода плавления) скрапа ,руды, кокса, ферросплавов,. Легирующих и шлакообразующих добавок.

Где =0,524 кДЖ/(кг*К);- по условию задания. Поскольку в нашем случае по условию КП не дано, примем =0.

Теплота экзотермических реакций определяется только по материальному балансу:

, МДж;

МДж.

где , , , - тепловой эффект окисления этих элементов

= 27 МДж/кг; = 7.2 МДж/кг; = 10 МДж/кг; =4,7 МДж/кг. При отсутствии ввода кислорода в ванну доля этой статьи составляет для малых ДСП от 8 до 12 %, а с применением кислорода эта величина для периода плавления в крупных ДСП достигает 18,8…40,7%.

Теплоту, выделенную в печи от окисления графитовых электродов , можно определить, зная тепловой эффект окисления графита до СО2:

, МДж;

Но часть углерода окисляется до СО2, часть уносится в виде сажи, таким образом , рекомендуется учитывать в приходной части баланса лишь 60% от потенциально возможного , т.е.

МДж.

где =6,09 кг - количество окислившихся графитированых электродов за период плавления ( из материального баланса );

= 10 МДж/кг - тепловой эффект окисления графита до СО2;

Доля теплоты по этой статье составляет 4% от общего прихода теплоты.

Определение количества полезной энергии для нагрева и расплавления металла и шлака

Полезная теплота определяется как сумма теплоты, необходимой для нагрева до температуры плавления, для расплавления и перегрева до заданной температуры металла и шлака, т.е.

где - масса скрапа, загружаемого в печь, кг;

- средняя теплоемкость металла в интервале от - температуры загружаемого скрапа до - температуры плавления, кДж/(кгК); - средняя теплоемкость металла в интервале температур от до - температуры перегрева, кДж/(кгК); - скрытая теплота плавления металла, кДж/кг;

Принимаем, что завалка состоит из малоуглеродистого и среднеуглеродистого стального лома (содержание [C]=0,2%) с температурой tзагр=10 єС. Температуру плавления лома можно принять равной =1510 єС.

Тогда теплоемкость лома при t1==760єС равна =0,658 кДж/(кгК);

Скрытая теплота плавления металла . Теплоемкость жидкого металла .

При совмещении периода расплавления с началом окислительного периода металл обычно перегревают примерно на 50 выше температуры плавления.

Удельная энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева 1 кг стального лома:

Аналогично определяем удельную энергию для нагрева и расплавления шлакообразующих материалов, а также перегрева расплавленного шлака.

Для упрощения расчетов среднюю удельную теплоемкость шлакообразующих материалов и расплавленного шлака можно принять равной =1,125 кДж/(кгК). Скрытая теплота плавления шлака составляет 209 кДж/кг.

Принимая температуру шлака в конце периода расплавления равной , т.е. , то



кДж/кг.

Масса загружаемой шихты берется из материального баланса (таблица 2.9 ) .

Масса шлака берется из материального баланса (таблица 2.9 ) кг.

Энергия , необходимая для нагрева, расплавления скрапа и перегрева расплавленного метала:

кДж.

Энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева шлака:

кДж .

Суммарная полезная энергия периода расплавления:

кДж или 2314,753 МДж.

Удельная полезная энергия на тонну металлической завалки (скрапа)

На тонну жидкого металла

Определение тепловых потерь через футеровку

Удельные тепловые потоки определяем раздельно для стены, свода и подины.

В соответствии с конструкцией футеровки ДСП стена имеет три равных по высоте участка разной толщины: 365 мм на нижнем, 230 мм на среднем и 200мм на верхнем участке. Материал огнеупорной кладки - магнезитохромит. Демпферный слой засыпки в расчет не вводим, полагая, что его тепловым сопротивлением можно пренебречь.

При работе ДСП огнеупорная кладка стен и свода с каждой плавкой изнашивается и утончается. Принимая, что к концу компании кладка может износиться на 50 % первоначальной ее толщины, вводиv в расчет 0,75 толщины огнеупорной кладки. К футеровке подины эта рекомендация не относится.

Определим удельный тепловой поток нижнего участка стены при толщине равной:

м.

Коэффициент теплопроводности магнезитохромитового кирпича

Температуру внутренней поверхности огнеупорной кладки принимаем равной єС, температуру окружающего воздуха єС. Температурой внешней поверхности кладки задаемся в первом приближении єС и для этих условий определяем коэффициент теплопроводности:

Вт/(м*К).

Тепловой поток через стенку толщиной b1=0,75=0,273 м в первом приближении составляет

Вт/м2.

где = 31,35 Вт/(м2К) - коэффициент теплоотдачи с поверхности кожуха.

Уточняем температуру по формуле

.

Относительная погрешность равна:

Поскольку данная погрешность удовлетворяет условию, второго приближения делать не следует.

Для среднего участка стены при толщине огнеупорной кладки м. Задаемся температурой кожуха єС и определяем коэффициент теплопроводности:

Вт/(мC).

Тепловой поток через стенку равен:

Вт/м2.

Уточняем температуру:

Относительная погрешность равна:

Так как принятая и уточненная температура близки, расчет в пятом приближении не производится.

Для верхнего участка стены при толщине огнеупорной кладки м. Задаемся температурой кожуха єС и определяем коэффициент теплопроводности:

Вт/(мC).

Тепловой поток через стенку равен:

Вт/м2.

Проверяем:

Относительная погрешность равна:

Так как принятая и уточненная температура близки, расчет в пятом приближении не производится.

Расчетная внешняя поверхность каждого участка стен равна:

м2.

Суммарные тепловые потери через стены:

Вт.

Тепловые потери через футеровку свода

В качестве материала свода используется магнезитохромитовый кирпич длиной 365 мм, что и для нижнего участка стены. В этих условиях расчет

потерь по существу сводится к определению расчетной поверхности свода, за которую следует принимать внешнюю поверхность свода Fcв.

Для сферического сегмента радиусом R, высотой h боковая поверхность равна:

м2.

где ; .

Тепловые потери свода при средней толщине огнеупорной кладки, равной м составляют:

Вт.

Тепловые потери через футеровку подины ниже уровня откосов

При конструировании подины было принято, что огнеупорная часть подины выполняется из пяти слоев магнезита марки МП-91 «на плашку» (5Ч92 мм) и набивки толщиной 100 мм из магнезитового порошка, замешанного на смеси смолы и пека. Для упрощения расчета коэффициент теплопроводности набивки принимаем таким же, как и для магнезитового кирпича. Для плотного магнезита марки МП-91:

.

Нижний изоляционный слой выполняем из листового асбеста толщиной 10 мм, укладываемого на металлическое днище, шамотного порошка общей толщиной 0,03 мм и легковесного шамота марки ШЛБ-1,3, суммарной толщиной 0,10 м (один слой «на плашку»). Для упрощения расчета заменяем слои порошка и асбеста слоем легковесного шамота «на плашку» марки ШЛБ - 1,3, т.е. толщина теплоизоляционной части равна 140 мм. Коэффициент теплопроводности такого кирпича

Для определения удельных потерь принимаем температуру внутренней

поверхности футеровки подины t1=1600єС и задаемся в первом приближении температурой внешней футеровки , а также температурой на границе огнеупорного и теплоизоляционного слоев футеровки .

При этих условиях:

Вт/(м2К).

Удельные тепловые потери в первом приближении:

Вт/м2.

Уточняем принятые температуры:

Для расчета удельных потерь во втором приближении принимаем температуру t”2=962 и t''3=240. При этих условиях:

Вт/(м2К).

Удельные тепловые потери во втором приближении:

Вт/м2.

Проверяем температуры:

Проверка показала, что температуры t”2 и t”3 были выбраны правильно.

Внешнюю поверхность футеровки подины определяем следующим упрощенным способом.

Примем, что эта поверхность состоит их двух поверхностей - поверхности - сферического сегмента, равной внешней поверхности футеровки свода и цилиндрической поверхности , определяемой диаметром и высотой, равной полной глубине ванны до уровня откосов за вычетом высоты сферического сегмента .

При этом допущении, которое не дает существенной погрешности в практическом расчете, внешняя поверхность футеровки пода составляет:

м2.

Тепловые потери через футеровку подины:

Вт.

Суммарные потери теплоты теплопроводностью через футеровку за период плавления равны:

МДж.

Тепловые потери через рабочее окно

В ДСП тепловые потери через рабочее окно могут достигать 2 - 6 %. Это объясняется значительными размерами оконного проема. Для защиты футеровки от разрушения окно обрамляется изнутри П-образной водоохлаждаемой коробкой. Тепловые потери излучения через рабочее окно определяются средней температурой печи и площадью рабочего проема

Площадь рабочего окна равна:

м2.

Принимаем, что за период плавления рабочее окно открыто в течение 20 мин (0,33 ч).

Среднюю расчетную температуру излучающей поверхности печной камеры для периода расплавления примем равной єС, коэффициент диафрагмирования . Тогда искомые тепловые потери излучением через рабочее по формуле:

МДж.

где Вт/(м2К) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

- коэффициент диафрагмирования отверстия;

- средняя температура в печи, К;

- площадь рабочего окна, м2;

- время, в течение которого окно открыто, ч.

Тепловые потери с газами

В современных дуговых сталеплавильных печах отсос газов обычно осуществляют через специальное отверстие в своде, а вытяжка запыленных газов в систему газоочистки производится вентиляторами высокой производительности.

Принимаем теплоемкость газов приблизительно равной теплоемкости воздуха.

Принимая среднюю температуру печных газов єС, то теплоемкость воздуха .

Теплота, теряемая печью с уходящими газами, рассчитывается по уравнению:

МДж.

где - объем уходящих газов, м3; (из материального баланса)

V0= м3.

- средняя теплоемкость газов, Вт/(м3єС);

- средняя температура уходящих газов, єС;

Потери теплоты с охлаждающей водой

Потери теплоты с охлаждающей водой рассчитываются по формуле:

где - расход воды через водоохлаждаемые элементы;

- теплоемкость воды, Дж/(м3К); кДж·кг?1·K?1

- температура уходящей воды (не должна превышать 40 - 45єС во избежание интенсивного осаждения накипи на поверхности), єС;

- температура воды в заводской магистрали, єС. Обычно єС.

Так как расход воды на охлаждение рамы и заслонки рабочего окна, сводовых уплотняющих колец и электрододержателей на рассчитываются, то принимаем тепловые потери с охлаждающей водой равными 2 % от затрат теплоты на нагрев, расплавление и перегрев металла и шлака.

МДж.

Суммарные тепловые потери по этой статье равны:

=44,57 +298,722 + 43,67 =386,962 МДж.

Теплота, аккумулированная кладкой

Эта теплота идет на компенсацию потерь раскрытой под загрузку и подвалку печи.

Тепловые потери печи в период межплавочного простоя можно определить следующим образом:

где - коэффициент неучтенных потерь, принимаемый обычно в пределах 0,1 - 0,2.

Принимая коэффициент неучтенных тепловых потерь определяем искомые потери:

МДж.

Суммарное количество электрической энергии

Суммарное количество электрической энергии которую необходимо выделить в дуговой сталеплавильной печи в период расплавления, можно найти из выражения:

 ,

где - суммарное количество электроэнергии периода расплавления, кВтч;

- полезная энергия периода расплавления, МДж;

- потери тепла через футеровку;

- теплота экзотермических реакций, протекающих в ванне в период расплавления, МДж;

- теплота от окисления графитовых электродов, МДж;

- суммарные тепловые потери с уходящими газами и охлаждающей водой, а также через рабочее окно печи;

Q5 - теплота вносимая газокислородными горелками, МДж;

- электрический к.п.д.

Искомое количество электрической энергии при = 0,9 равно:

МДж.

6. Определение мощности печного трансформатора

Мощность трансформатора ДСП определяется по условиям расплавления, во время которого в печи расходуется наибольшая часть электроэнергии.

Средняя активная мощность, которую необходимо выделять в ДСП в период расплавления определяется по формуле:

где - длительность расплавления, «под током», ч.

Принимая длительность расплавления «под током» =1,5ч, определяем среднюю активную мощность печи в период расплавления:

МВт.

Зная среднюю активную мощность периода расплавления, можно определить необходимую кажущуюся мощность печного трансформатора:

МВт.

где - коэффициент использования печного трансформатора в период расплавления, принимается в пределах 0,8 - 0,9;

- средний коэффициент мощности электропечной установки в период расплавления.

Принимая расчетные значения = 0,8 и = 0,85 определяем необходимую кажущуюся мощность трансформатора.

Удельная средняя активная мощность печи:

Таблица 6.1

Тепловой баланс периода плавления ДСП-1,5

Приход	МДж	%	Расход	МДж	%
Теплота, вносимая в печь с электроэнергией	3169,28	91,9	Теплота, израсходованная на нагрев, расплавление, перегрев металла и шлака	2314,753	67,13
Теплота, вносимая в печь с шихтой	0	0	Тепловые потери теплопроводностью через футеровку	293,6	8,51
Теплота экзотермических реакций, протекающих в ванне	242,5344	7,04	Теплота, аккумулированная кладкой	136,11	3,95
Теплота от от окисления графитовых электродов	36,54	1,06	Потери вследствие неполноты трансформации электроэнергии, равные	316,9	9,19
			Тепловые потери с излучением, охлаждающей водой и печными газами	386,962	11,22
ИТОГО	3448,35	100	ИТОГО	3448,325	100

Список используемых источников

Григорьев В.П., Нечкин Ю.М., Егоров А.В., Никольский Л.Е. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства. М. изд. «Металлургия». 1995г.

Брук Л.Ц., Еремин Б.С. Справочник сталевара дуговой печи. М. изд. «Машгиз». 1963г.

Зинуров К.Ю., Строганов А.И., Кузнец Л.К. и др. Дуговые сталеплавильные печи. Атлас. М. изд. «Металлургия». 1977г.

Морозов А.Н. Современное производство стали в дуговых печах. Изд. «Металлургия». Челябинск 1987г.

Окороков Н.В. Дуговые сталеплавильные печи. М. Металлургия. 1971г.

Футеровка электропечей и процессы её взаимодействия с реагентами плавки. Ред. Совет: В.С. Турчанинов и др. М. «Металлургия» 1989г.

Б.П. Благонравов, В.А. Грачев, Ю.С. Сухарчук, С.Н. Казанцев, А.А. Черный. Печи в литейном производстве: Атлас конструкций. М. Машиностроение, 1989г.

Размещено на Allbest.ru

...