Принцип работы и устройства дуговой печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: «Физика»

Тема: «Принцип работы и устройства дуговой печи»

Выполнил:

Волков Павел Александрович

Проверил:

Преподаватель дисциплины Физика

Приступа Т.Ю.

ТОМСК2014



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ДУГОВАЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНАЯ УСТАНОВКА

2. РАСЧЕТ РАЦИОНАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ

2.1 Расчет ванны

2.2 Расчет размеров свободного плавильного пространства

2.3 Расчет размеров подсводового пространства

3. РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ГАЗООТВОДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ

4. ВЫБОР КЛАДКИ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ

4.1 Конструкция пода

4.2 Конструкция стен

4.3 Конструкция свода

5. ВЫБОР МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРА

6. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ

7. ВЫБОР СТУПЕНЕЙ МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПО ПЕРИОДАМ ПЛАВКИ

7.1 Период плавления

7.2 Окислительный период плавки

7.3 Восстановительный период плавки

8. ВЫБОР ВТОРИЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА ДЛЯ УСТАНОВЛЕННОГО ЧИСЛА, СТУПЕНЕЙ МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРА

9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ПЕЧИ

10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ПЕЧИ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование оборудования, технологии и улучшение организации производства стали широкого сортамента на слитки и фасонное литье предопределили преимущественное развитие электроплавки стали. Введены в эксплуатацию более 10 новых заводов и цехов, оснащенных сверхмощными печами емкостью 100, 150, 200 т, в комплексе с эффективными средствами внепечной обработки стали и МНЛЗ.

В настоящей работе изложены методика расчетов основных параметров рабочего пространства, газоотсоса, футеровки, тепловых потерь, а также рационального электрического режима дуговых печей.



1. ДУГОВАЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНАЯ УСТАНОВКА

На заводах черной металлургии эксплуатируются ДСП емкостью до 200 т с основной футеровкой для производства качественных высоколегированных сталей электропечного сортамента и для выплавки углеродистых и низколеги рованных сталей мартеновского и конвертерного сортамента [1...3].

Во многих литейных цехах машиностроительных заводов используются ДСП небольшой емкости с кислой футеровкой [4]. Дуговые печи имеют инди видуальное питание непосредственно от ЛЭП через электрические подстанции, основным элементом которой является преобразователь (печной понижающийтрансформатор), обеспечивающий печь электроэнергией с требуемыми пара метрами.

В отечественной практике ДСП принято характеризовать двумя основ ными параметрами ? номинальной емкостью (вместимостью) и номинальной мощностью, выраженными соответственно в тоннах () и МВА или кВА.

Весьма важной характеристикой ДСП является их удельная номинальная мощ ность (кВА/т).

Рядом техникоэкономических расчетов и практикой установлена целесо образность повышения удельной мощности средних и большегрузных ДСП с 250300 кВА/т до 5001000 кВА/т, обеспечивающее сокращение периода плав ления с 3,53,0 до 0,51 ч. [5].

Для большегрузных высокомощных ДСП в понятие электропечной установки в последние годы включаются системы обслуживания печи, тепловой подготовки шихтовых материалов, интенсификации плавки, внепечного рафинирования жидкого металла и др., т. е. весь комплекс устройств, обеспечивающих ее высокопроизводительную работу [6].

К основным эксплуатационным показателям ДСП, характеризующим их технический уровень, относятся производительность и удельный расход электроэнергии, которые в значительной мере зависят от параметров и формы рабочего пространства, габаритов и массы печи, надежности обслуживающих ее механизмов, стойкости футеровки, значений электрических параметров, определяющих величину коэффициента мощности (cos ?) и электрического КПД установки ().

ДСП работают на трехфазном переменном токе с частотой 50 Гц. Это печи прямого нагрева. Отечественная промышленность выпускает серийные ДСП. По номинальной емкости, Т: 0,5; 1,5; 3; 6; 12 (малые); 25; 50 (средние); 100 и 200 т (крупные).

Разработана серия (часть уже исполнена в металле) высокомощныхбольшегрузных ДСП третьего поколения емкостью 100, 150, и 200т с транс форматорами мощностью 75, 90 и 125 МВА соответственно [5]. сталеплавильный электропечь тепловой трансформатор

Эти агрегаты (ДСП100 И6; ДСП100 И7) высокомеханизированы и автоматизированы, оборудованы водоохлаждаемыми элементами стен и свода, топливнокислородными горелками и кислородными фурмами, устройствами для загрузки сыпучих материалов (шлакообразующих, ферросплавов, окатышей и др.) через специальное отверстие в своде, системами отбора проб и замера температуры металла и футеровки, быстродействующими механизмами, совер шенными регуляторами мощности, оснащены управляющими вычислительны ми комплексами, современными системами пылегазоочистки.

ДСП последней серии оснащены главным образом гидравлическими приводами основных механизмов.

С начала 80х гг. ряд действующих и вновь строящихся у нас и за рубежом печей (большегрузных, высокомощных) с выпуском стали в ковш на сталевозе оборудуются донным выпуском различной конструкции: с отверстием по оси печи или эксцентрическим (эркерным); сифонным отверстием ниже уровня металла. Это обеспечивает возможность бесшлакового выпуска; работус «жидким» стартом, т. е. с остатком жидкого металла и шлака на подине печи,позволяет укоротить желоб, уменьшить угол наклона ванны до 1520°; уменьшить длину короткой сети, сократить время выпуска и тепловые потери; улучшить качество металла и экологические условия обслуживающего персонала и др.



2. РАСЧЕТ РАЦИОНАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ

Составными частями печи являются: рабочее пространство, огнеупорная кладка, механическое и электрическое оборудование. Рабочее пространство печи, ограниченное внутри огнеупорной кладкой, предназначено для проведения всех процессов, связанных с получением стали. Рабочее пространство (рис. 2.1) состоит из трех частей: ванны - а, свободного пространства - б и подсводового пространства - в.

Часть рабочего пространства, ограниченная снизу подом и откосами, а сверху уровнем откосов, называется ванной. Ванна является вместилищем для жидкого металла и шлака.

Свободное пространство печи, ограниченное снизу уровнем откосов, сверху уровнем пят свода, а с боков ? стенами, образует дополнительный к ванне объем, необходимый для вмещения твердой шихты.

Подсводовое пространство, ограниченное снизу уровнем пят свода, а сверху сводом, представляет объем, необходимый для обеспечения строительной прочности свода и отбора технологических газов СО, .

В плане наиболее приемлемой формой рабочего пространства является круг.

Ответственной частью рабочего пространства является ванна, конфигурация которой должна обеспечивать быстрый сход шихты с откосов при ее проплавлении, полноту протекания физикохимических процессов, связанных с получением стали заданной марки или группы марок, а также накопление достаточного количества расплавленного металла при подходе электродов в нижнее положение после проплавления «колодцев».



2.1 Расчет ванны

При расчете ванны дуговой сталеплавильной печи чаще всего [l...5] принимают сфероконической формы с углом откосов 45° и уровнем откосов над уровнем металла на 100250 мм.

При эксплуатации печей фактическая емкость (завалка) на 1525 % больше запроектированной, поэтому уровень шлака и металла поднимается выше уровня откосов. Постепенное размывание откосов и их поплавочная заправка приводят к изменению конической формы, и фактически ванна становится сферической с углом откосов от 25 до 45° к вертикали.

В соответствии с этим более рационально рассчитывать ванну сферической с откосами, образованными касательной к окружности ванны и вертикалью.

Оценивая ванну с точки зрения полноты протекания рафинировочных процессов при ее проектировании, обычно, [1, 2, 5] принимается величина

(2.1)

Это отношение / является основным параметром ванны, который определяет форму ванны, ее глубину и эффективность расплавления и прогрева металла дугами; определяет диаметр печи, близость стен к дугам и тепловую напряженность на стенах; определяет величину поверхности металла в контакте со шлаком и скорость обменных процессов.

Для кислых дуговых печей, где удельная поверхность раздела шлак металл не имеет большого значения, это соотношение находится в пределах 3,5...4,0 [4, 5].

При проектировании основных дуговых печей малой и средней емкости, выплавляющих высоколегированные стали электропечного сортамента под двумя шлаками, можно рекомендовать / в пределах 5,0...5,5, а для большегрузных ДСП при одношлаковом процессе с внепечной обработкой уменьшить это отношение до 4,5...5,0; для ДСП, работающих на металлизированном сырье, увеличить / до 5,5...6,0, что дает возможность снизить тепловую напряженность футеровки основания стен печи.

Однако при сопоставлении этой величины с другой, характеризующей ванну, а именно с удельной поверхностью ванны (f):

(2.2)

где ? поверхность зеркала металла, м2;

? емкость печи, т; оказывается, что при одном и том же значении «а» в печах различной емкости, величина «f» меняется.

Основываясь на этом, а также на показателях работы печей [7], можно принять за определяющую величину ванны ее удельную поверхность, т. е. «f».

Из практических данных значение «f» дуговых печей колеблется от 0,18 до 0,6 /т. Малые значения относятся к крупнотоннажным печам. Наличие на печах емкостью более 25 т устройства электромагнитного перемешивания металла позволяет принимать для расчета ванны значение «f» уменьшенное на 30 %.

Основываясь на принятом значении и садке печи (), параметры ванны определяют из выражений:

(2.3)

(2.4)

Для обеспечения стойкости нижней части стен (на стыке с откосами) на уровне шлакового пояса при бурном кипении ванны, возможности заправки откосов, компенсации возможного зарастания подины, в ванне создается дополнительный объем , вмещающий шлак с запасом; т. е. помимо металла ванна должна вмещать шлак с учетом его вспенивания при кипении.

(2.5)

(2.6)

Объем шлаковой ванны зависит от количества шлака и его плотности, составляющей в зависимости от состава и температуры шлака 2,93,2 т/.

Кратность шлака (количество шлака, выраженное в процентах от массы металла) составляет 37 % в зависимости от марки выплавляемой стали.

Толщину шлака можно оценить, пренебрегая конусностью шлаковой ванны по выражению:

(2.7)

Дополнительный объем принимают равным 1016 % . Уровень порога рабочего окна (рис. 2.1) принимают на 2040 мм выше зеркала шлаковой ванны:

Паспортной характеристикой, т. е. параметром ДСП, является глубина

ванны от уровня порога рабочего окна:

Этот параметр для действующих отечественных ДСП может быть описан корреляционным уравнением: .

Другой параметр ДСП ? диаметр ванны на уровне порога рабочего окна можно определить по выражению

,

а для действующих ДСП описать уравнением

Уровень откосов ванны (рис. 2.1) принимают выше уровня порога рабочего окна на 30100 мм во избежание размывания шлаком основания футеровки стен и возможного аварийного выхода жидкого металла. С учетом этого

или по отношению к глубине ванны

.

Суммарная глубина ванны определяет такой важный параметр ДСП как диаметр рабочего пространства на уровне откосов , являющийся также паспортной характеристикой :

2.2 Расчет размеров свободного плавильного пространства

Профиль и размеры свободного пространства должны обеспечить завалку шихты в один прием, максимальную строительную прочность свода, т. е. минимальный его диаметр, минимальную рабочую длину электродов и электрических и тепловых потерь, равномерный и минимальный тепловой поток от электрических дуг на участки футеровки.

Объем завалки при насыпной плотности шихты 1,4 т/ и при расходном коэффициенте, 1,06:

.

Профиль плавильного пространства для равномерного облучения от дуг, как точечного источника тепла приближается к сфере. Наиболее теплонапряженными участками футеровки печи являются центр свода и нижний, горячий пояс стен, тепловой поток на которые от дуг нормален к поверхности, кВт/:

. (2.14)

Около 90 % теплового потока от дуг первоначально падает на горячий пояс стен, поэтому помимо цилиндрических (вертикальных) стен применяют ступенчатые, наклонные или сложного профиля с меняющимся углом наклона стены. Высота стен определяется из условия обеспечения равномерной и допустимой тепловой напряженности центра свода. В то же время равномерное и допустимое тепловое напряжение на стены определяется диаметром распада электродов. Высота центра свода над уровнем металла должна составлять (0,50 + 0,6), т.e.

.

Диаметр распада электродов (диаметр окружности, проходящей через центры электродов) определяется из условия обеспечения допустимого теплового напряжения на кладку стен.

Допустимая и одинаковая тепловая напряженность в нижнем поясе стен [5] достигается при диаметре распада электродов, равном:

2.3 Расчет размеров подсводового пространства

Строительная прочность свода определяется стрелой подъема его над уровнем пят свода .

По данным ряда авторов [1, 2, 5] эту величину можно принимать в пределах (0,12 ? 0,I5).

Диаметр на уровне пят свода зависит от высоты стен и угла их наклона:

Для конических стен угол наклона принимают равным в = 10 ? 12° С.

Предпочтительно изменение угла наклона по высоте стен. В серии ДСП [3] для печей емкостью 25 и более тонн предусмотрен комбинированный кожух. Поэтому при проектировании рабочего пространства печи, необходимо на 1/3 общей высоты стен принять угол стен в? = 18 ? 22° С и определить диаметр рабочего пространства на этом уровне. Если верхняя часть стен выполняется вертикальной, то . При наклоне верхней части стен на угол в??

Так как сводовое кольцо устанавливается на металлической арматуре кожуха печи, то диаметр свода должен включать толщину верхней части стен и тогда

 

3. РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ГАЗООТВОДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ

Выплавка стали в дуговых электросталеплавильных печах сопровождается обильным выделением газов, насыщенных пылью. Особенно большое количество пылегазовой смеси образуется при выплавке стали с применением кислородного дутья. Газовую фазу в электропечи создают: углерод, вводимый в печь шихтой, электродами и добавками, кислород окислов различных элементов, азот и кислород подсасываемого воздуха, а также водород, получаемый в результате диссоциации водяных паров.

Газовая фаза меняется по составу на всем протяжении плавки. Количество образующегося газа и его состав зависят главным образом от скорости выгорания углерода. Средний выход газа за одну плавку составляет от 50 до 60 /ч на одну тонну стали, а максимальный ? при кислородном дутье - до 80 /ч [8]. Температура выходящих из печи газов составляет 11001400° С. В состав газов входят 570 % СО, 515 % СО2, 0,55 % Н2, 310 % О2, остальное ? азот. Газы, отводимые от электропечи, взрывоопасны. Запыленность газа зависит от качества шихты и составляет от 5 до 15 г/м3 без продувки ванны кислородом и от 20 до 150 г/м3 при продувке. Плотность пыли равна 4 г/см. Пыль мелкодисперсна, особенно при применении кислорода.

Химический состав пыли колеблется в широких пределах:

0,59...75 %; 9...51 % FeО; 1...25 % СаО; 2…22 % MgO; 1…12 % MnO; 0,2…6 % ; 0,1…9,4 % ; 0,3…13,0 % .

Отвод газа из рабочего пространства может осуществляться через отверстие в стенке или своде печи. В серии печей ДСП предусматривается отвод газа через отверстие в своде. Прямой отбор газа через отверстие может быть с разрывом или без разрыва струи.

Расчет диаметра сводового отверстия и диаметра газоотводящего рукава ведется по уравнениям, м:



(3.1)

где ? диаметр сводового отверстия, м;

? диаметр газоотводящего стационарного газоотхода, м;

? положение стационарного газоотхода над сводовым отверстием, м;

? количество выделяющегося газа, /ч?т;

= 40…60 нм3/ч?т;

- емкость печи, т;

- высота сводового отверстия над уровнем металла, м.

=

Для приблизительной оценки [8] рекомендуют следующее уравнение

(3.2)

где ? наружный диаметр кожуха печи на уровне откосов, м.



4. ВЫБОР КЛАДКИ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ

4.1 Конструкция пода

Исходя из условий работы, кладка пода дуговой электропечи должна обладать механической прочностью при высоких температурах, а также достаточно высоким тепловым сопротивлением. Чем больше тепловое сопротивление пода, тем меньше перепад температуры металла по глубине ванны, т. е. тем больше равномерность нагрева металла в объеме. Учитывая вышесказанное, кладка пода дуговой печи должна быть двухслойной, т. е. включать в себя слой, выполненный из теплоизоляционных материалов.

Общая толщина кладки пода обычно принимается равной глубине ванны, т. е.

В дуговых печах с электромагнитным перемешиванием жидкого металла для усиления эффекта перемешивания толщина пода может быть уменьшена до (0,75...0,88)[1].

Для обеспечения нормального теплового сопротивления кладки и недопущения перегрева кожуха более 200° С изоляционный слой пода дуговых печей, независимо от их емкости, должен составлять около 100...200 мм. В этот слой включаются:

асбест 10...40 мм;

шамотная засыпка 20...45 мм;

шамотная кладка 65…115 мм.

Кирпичное основание пода для печи с основной футеровкой выполняют из магнезитового (периклазового) кирпича. На магнезитовой кирпичной кладке набивают рабочий слой из магнезитового порошка, толщина которого, как показала практика, может не превышать 100...200 мм (для больших печей ближе к верхнему пределу) [1]. В кислых печах кирпичная кладка пода выполняется из динасового кирпича, а набивная ? из кварцевого песка с жидким стеклом либо с патокой и сухим декстрином.

Максимальная толщина пода для печей различной емкости рекомендует ся в пределах от 550 (малые печи) до 900 мм (ДСП 200) и 950...1000 мм (на печах ДСП 300, 400). На некоторых заводах отказались от набивного слоя и заменили его кирпичным. Откосы ванны выкладывают прямым и клиновым периклазовым кирпичом марок ПО91, ПУ91 на плашку. В высокомощных печах кладку откосов в районе шлакового пояса ведут из плавленого периклаза (ППМ95). Угол наклона конической части ванны, образованной кладкой откосов, составляет 4555°.

Тепловая изоляция откосов аналогична подине.

4.2 Конструкция стен

Тепловую изоляцию стен толщиной до 100 мм (асбест ? 20, шамотная засыпка ? 15, шамот ? 65) устанавливают только на печах малой мощности.

Вследствие особенностей тепловой работы ДСП обычной или повышенной мощности стены имеют только огнеупорный (рабочий) слой, что позволяет улучшить условия теплоотвода и повысить стойкость футеровки. Во избежание повреждения кожуха при аварийном полном разрушении рабочего слоя целесо образно применять дополнительный (арматурный) слой, выполняющийся из бывшего в употреблении ПШС или ПХС кирпича толщиной 65115 мм

Рабочий слой выполняют из того же кирпича или безобжигового ПХС в железных кассетах. Верхнюю часть стен делают меньшей толщины. Институт ВОСТИО рекомендует дифференциальную кладку с использованием плавлено литого периклазохромитового кирпича и водоохлаждаемых элементов.

С 70х гг. все шире используются водоохлаждаемые элементы стен ДСП в виде литых панелей из чугуна и стали, внутри которых находятся трубчатые змеевики; панелей в виде сварных кессонов из листовой стали с внутренними перегородками для организованной циркуляции воды. В последние годы поя вились трубчатые холодильники (ДСП100 И6, И7), на внутренней поверхности которых на специальные штыри наносится огнеупорная масса толщиной 40 50 мм. На 400500 мм от уровня ванны нижняя часть стен футеруется огне упорным графитопериклазовым кирпичом, а над выпускным отверстием - на 700800 мм. При этом водоохлаждаемые панели в зависимости от организации выпуска занимают 7090 % поверхности стен. Панели по условиям техники безопасности навешивают с наружной стороны кожуха печи.

4.3 Конструкция свода

Свод электропечей выполняется однослойным. Толщина кирпичной футеровки свода определяется длиной (см. табл. 4.1) прикрепляемых огнеупорных кирпичей ? периклазохромитовых ПХСП, ПХСУТ, ПХСОТ, высокоглиноземистых КС90, МКС8022, или динасовых.

В последние годы на мощных печах устанавливают комбинированные своды, периферийная часть которых состоит из водоохлаждаемых электроизо лированных секций, выполненных из немагнитных толстостенных труб (диаметр трубы 80 мм, толщина стенки ? 12…15 мм), а съемная центральная часть свода купольной формы - из кирпича для размещения графитированных электродов по условиям электробезопасности.

Помимо электродных отверстий в своде должны быть отверстия для патрубка газоотсоса и различных технологических устройств ? кислородной фурмы, сводовых топливнокислородных горелок, механизированного пробоотборника, загрузочной воронки для подачи шлакообразующих материалов или металлизированных окатышей. На многих заводах центральная часть свода выполняется утолщенной.



5. ВЫБОР МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРА

Показателем качества работы ДСП как электротехнического и теплотехнического агрегата служит удельный расход электрической энергии за энергетический период на расплавление (без предварительного подогрева, без применения ТКГ и без совмещения с окислительным периодом) 100 % металлошихты с насыпной плотностью ?1,4 т/, загружаемой с расходным коэффициентом КР = 1,05 в один прием, без подвалки (). Показатель входит в паспорт технической характеристики ДСП согласно ГОСТ 720680.

При выборе мощности трансформатора исходят из его удельной мощности

= / ,

составляющей 5001000 кВА/т. Учитывают, что на современных ДСП уровень тепловых потерь достигает 3035 % от общего расхода энергии на плавку, при этом значение теплового КПД () в отдельные периоды плавки составляет: в энергетический 0,750,85, снижаясь до 0,7 при дополни тельном вводе тепловой энергии за счет ТКГ; в окислительный ? 0,20,45; в восстановительный ? 0,250,45, а электрический КПД () по данным ВНИИЭТО за плавку составляет 0,850,95, увеличиваясь для более крупных и мощных ДСП.

В энергетический период плавки полезный расход энергии с изменением энтальпии при нагреве и плавлении металла и шлака с компенсацией энергозатрат на эндотермические процессы с учетом возможного поступления тепла от футеровки, ТКГ, с нагретой шихтой, от экзотермических процессов.

Теплосодержание большинства сталей при температурах сталеплавильного процесса (1600° С) составляет 1,401,45 ГДж/т (~400 кBт?ч/т), кислых шлаков 1,73 ГДж/т (480 кBт?ч/т) и основных 1,90 ГДж/т (530 кBт?ч/т).

Исходя из приведенных энергозатрат и планируемого времени энергетического периода, выбирают удельную мощность трансформатора (). Использование высоких удельных мощностей целесообразно в случаях выплавки в основном углеродистых марок стали одношлаковым процессом, когда длительность окислительного периода по возможности сокращена, а восстановительный период в печи не проводится.

Мощность трансформатора трехфазного тока, кВА:

(5.1)

где 5001000 - удельная мощность трансформатора, кВА/т.

Для определения максимального вторичного напряжения используют вы ражения, В:

? для основного процесса (5.2)

? для кислого процесса (5.3)



6. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ

Тепловые потери в электросталеплавильных дуговых печах составляют значительную часть расхода электроэнергии, в особенности, в период выдержки металла (окислительный и восстановительный периоды), когда до 80 % подводимой в печь мощности расходуется на компенсацию потерь.

Общая средняя мощность тепловых потерь дуговой электропечи составляет 3540 % от подведенной в печь мощности [5].

Для приближенной оценки мощности тепловых потерь печи по периодам плавки могут быть использованы следующие эмпирические уравнения, кВт:

(6.1)

(6.2)

(6.3)

где ? мощность тепловых потерь в период заправки и завалки;

? мощность тепловых потерь в период плавления;

? мощность тепловых потерь в окислительный период;

? мощность тепловых потерь в восстановительный период.



7. ВЫБОР СТУПЕНИ МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПО ПЕРИОДАМ ПЛАВКИ

Мощность трансформатора сталеплавильной печи при работе на твердой завалке выбирается исходя из теплового баланса периода расплавления. В этот период печь потребляет наибольшую мощность по сравнению с окислительным и восстановительным периодами, в которые подводимая мощность расходует ся, главным образом, на компенсацию тепловых и электрических потерь печи.

Удельный полезный расход энергии в период плавления составляет 340 500 кВт?ч/т, в окислительный период 50100 кВт?ч/т, а в восстановительный период 2050 кВт?ч/т.

Расчет номинальной мощности трансформатора ведется из уравнения (5.1). Для нормального ведения плавки целесообразно иметь в разные периоды плавки различную мощность, что достигается переключением высоковольтной (первичной) обмотки трансформатора. При выборе ступеней мощности должно учитываться условие, обеспечивающее допустимую тепловую напряженность на стены и центр свода.

7.1 Период плавления

Производительность дуговых электропечей, при установленной технологическим режимом длительности окислительного и восстановительного периодов, определяется длительностью плавления. В этот период для ускорения расплавления шихты должна подаваться возможно большая мощность. В соответствии с тремя стадиями плавления шихты в электропечи целесообразно установить ступенчатый график изменения мощности трансформатора. Для обеспечения нормальной работы кладки свода в начале плавления рационально (0,1времени плавления) работать на 0,9 установленной мощности.

Если проверочная мощность оказалась большей, то необходимо было бы просчитать еще несколько ступеней .

На всех ступенях, кроме второй, длительность работы должна составлять 0,1 от общего времени расплавления.

Ускорение плавления возможно за счет подогрева шихты до 200400° С в нефутерованных или 600800° С в футерованных бадьях, применения топлив нокислородных горелок (ТКГ) удельной мощностью 0,22,5 МВт на 1 т садки либо за счет применения кислорода для подрезки шихты с расходом до 7 10 /т.

При нагреве лома на каждые 100° экономия электроэнергии составляет 1512 кВт?ч/т в зависимости от конечной температуры подогрева (убывает при повышении температуры).

Применение ТКГ дает экономию электроэнергии 2 кВт?ч на 10 МДЖ энергии газа. Расход газа с ДН = 33,4 МДЖ/ составляет 510 /т стали.

Применение кислорода для подрезки лома сокращает расход электроэнергии на 33,5 кВт?ч на каждый использованного кислорода.

Расход кислорода в зависимости от выплавляемой марки стали Верхний предел для нержавеющих сталей.

Общее время плавления может быть определено из уравнения:

(7.6)

где ? удельный полезный расход энергии в период плавления, кВт?ч/т;

? средняя мощность тепловых потерь в период плавления кВт;

? электрический КПД печи, который может быть принят в пределах 0,880,90;

cos ? ? коэффициент мощности установки. Расчетное значение cos ? составляет 0,750,9;

? средняя за период мощность трансформатора, кВА.

Меньшее значение cos ?, принимается для крупных ДСП.

Удельный полезный расход энергии АПЛ составляет затраты энергии на нагрев, расплавление и перегрев шихтовых материалов и может быть определен из нижеследующего уравнения:

, (7.7)

где ? количество шлака периода плавления, % от веса металла (24%);

? количество руды, израсходованной в период плавления, % от веса металла (до 13%);

? температура металла в конце расплавления °С, которая может быть принята из опытных данных или рассчитана по уравнению (7.8).

(7.8)

где ? температура ликвидуса стали, которую можно оценить по формуле:

(7.9)

где ? удельное (на 1% содержания элемента) снижение температуры плавления чистого железа.

При оценке t° ликвидуса обязательно включать углерод. Остальные элементы при малом их количестве не учитывать. Согласуйте с преподавателем.

Использование в качестве окислителя железной руды согласуется с преподавателем. При выплавке электростали переплавом легированных отходов с частичным окислением газообразным кислородом железная руда не применяется, чтобы сохранить окисляющиеся легирующие элементы.

7.2 Окислительный период плавки

В окислительный период электрический режим должен обеспечивать нагрев и плавление шлакообразующих и железной руды, компенсацию 35 % мощности тепловых потерь периода заправки и завалки, компенсации тепловых потерь окислительного периода, а также обеспечить нагрев металла, предусмотренный технологическим режимом этого периода. Ступень мощности трансформатора для окислительного периода может быть рассчитана из уравнения (7.10), кВА:

(7.10)

где ? мощность трансформатора окислительного периода, кВА;

? мощность тепловых потерь в окислительный период, кВт;

? мощность тепловых потерь заправки и завалки, кВт;

? длительность окислительного периода, ч; принимается в соответствии с технологическим режимом выплавки стали заданной марки;

- тепло от применения кислорода (табл. 7.2);

? удельный полезный расход энергии в окислительный период плавки, кВтч/т, определяется из уравнения (7.11):

, (7.11)



где - температура металла в конце окислительного периода, ;

(7.12)

Примечание. Количество шлака в окислительный период, выражаемое в % от составляет 4,06,0 % в зависимости от технологии выплавки стали. Расход руды определяется запасом углерода «ДС» на проведение окислительного периода: для окисления 0,01 % углерода присаживают в окислительный период0,61 кг руды на 1 т стали. Запас углерода ДС = 0,2 - 0,4 %.

Количество окислившихся элементов задается преподавателем и, примерно, составляет: Fe = 34 %; Mn = 0,20,3 %; Si = 0,3 %; Cr = 0,30,5 %; C = 0,20,4 %. Остальные по согласованию. Ni, Mo, Co, Cu не окисляются.

При совмещении конца плавления с началом окислительного периода и получении [P] конца плавления ?0,015 в качестве окислителя применяют газообразный кислород с

Ступень мощности для окислительного периода не должна превышать максимальную допустимую мощность трансформатора, рассчитанную с учетом допустимой тепловой напряженности кладки стен и свода

, кВА (7.13)

Продолжительность окислительного периода составляет от 15 до 40 мин, в зависимости от выплавляемой марки стали.

7.3 Восстановительный период плавки

В восстановительный период в печь необходимо подвести такую мощность, которая обеспечивает нагрев и расплавление шлаковой смеси, ферросплавов, компенсацию мощности тепловых потерь этого периода и 65 % мощности тепловых потерь периода заправки и завалки. Так как ферросплавы при саживаются во второй половине периода, то рационально иметь две ступени мощности трансформатора, кВA:

(7.14)

(7.15)

где ? удельный полезный расход электроэнергии в восстановительный период плавки, кВт?ч/т.

(7.16)

Удельный полезный расход электроэнергии на расплавление ферросплавов определяется из уравнения:

(7.17)

где ? температура металла в конце восстановительного периода,

С. . (7.18)

Примечание. Количество шлака принимается из практических, литературных или расчетных данных [10, 11, I2]. Время восстановительного периода определяется принятым технологическим режимом выплавки стали и составляет в среднем 0,2…1,0 час.

Состав металла после раскисления, т. е. первой операции восстановительного периода, зависит от химического состава выплавляемой марки стали.

Содержание углерода заданной марки, Si = 0,170,37; Mn = 0,40,8; Al = 0,020,04. Остальные элементы по согласованию с преподавателем.

Добавка всех легирующих элементов ведется с учетом их угара по формуле:

где - вес ферросплава, т;

Хi - содержание добавляемого элемента, %;

- содержание элемента в ферросплаве, %;

G - вместимость печи, т;

К - степень усвоения легирующего элемента, %.

? 0,9

= 0,7

= 0,5

ФМн78 - 78 % Мn

ФХ650800 - 70 % Cr

В0,1 - 75 % W

ФС45,75 - 45,75 % Si

ФТи - 30,70 % Ti

Alмет - 99 % Al

ВД0,1,2 - 45 % V

Вторая ступень мощности трансформатора восстановительного периода не должна превышать максимально допустимую мощность для конца восстано вительного периода, кВА:

. (7.19)



Для сокращения числа ступеней мощности трансформатора близкие по величине ступени необходимо объединить.



8. ВЫБОР ВТОРИЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА ДЛЯ УСТАНОВЛЕННОГО ЧИСЛА СТУПЕНЕЙ МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРА

В трехфазных дуговых сталеплавильных печах вторичное напряжение трансформатора должно выбираться с учетом мощности трансформатора, размеров печного пространства, характера металлургического процесса выплавки стали и качества материалов огнеупорной кладки. Для улучшения электрического КПД и коэффициента мощности печи следует стремиться к повышению напряжения, однако при высоких напряжениях излучение длинных открытых дуг грозит вызвать недопустимые перегревы внутренней поверхности огнеупорной кладки и снижение ее стойкости. Максимальное линейное напряжение (определяется из уравнений (5.3), (5.4)). Значение номинального тока определяется из уравнения:

(8.1)

При выборе напряжения и тока необходимо руководствоваться следующим положением: если имеется «п» ступеней мощности, то для п/2 (кроме второй ступени периода плавления) необходимо принять и определить линейное напряжение из уравнения

(8.2)

а фазовое ? из уравнения

(8.3)



На остальных ступенях мощности трансформатора линейное напряжение необходимо определить из условия переключения первичной обмотки трансформатора с треугольника на звезду.

Примечание: Фазовое напряжение на всех ступенях мощности не должно быть ниже 100 В. Величина тока на всех ступенях напряжения должна соответствовать номинальному.

Диаметр электрода рассчитывают по максимальной силе тока электрода и допустимой плотности тока, см:

(8.4)

где ДJ - допустимая плотность тока, А/;

? максимальная сила тока в электроде, А.

В расчете для трехэлектродной печи принимают, А:

(8.5)



9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ПЕЧИ

Производительность дуговой печи и расход электроэнергии на тонну стали, в большей мере, зависят от умения выбрать рациональный электрический режим. Этот режим должен обеспечить наиболее полное использование установленной мощности, введение в печь как можно больше энергии в единицу времени и обеспечить недопущение перегрева какойлибо части кладки печи.

Электрический режим дуговой печи характеризуется следующими основными параметрами:

а) вторичным напряжением печного трансформатора;

б) током, протекающим по электроду ();

в) суммарным реактивным сопротивлением короткой сети.

Активное и реактивное сопротивления короткой сети для конкретной конструкции печи можно в первом приближении считать постоянным, если неучитывать возможности изменения сопротивления за счет переключения дросселя, а также за счет изменения длины электрода по ходу плавки. Сила тока печной установки является величиной переменной и позволяет легко контролировать как нагрузку трансформатора, так и режим работы печи. Поэтому при работе печи весьма важно знать зависимость от тока нагрузки показателей электрического режима, как то: полной мощности , потребляемой из сети; активной мощности , потребляемой из сети; полезной мощности ? мощности печи; мощности электрических потерь ; электрического коэффициента полезного действия и коэффициента мощности cos ? [1, 2, 5, 8, 9].

Функциональная зависимость показателей электрического режима от тока нагрузки может быть представлена графически путем построения электрических характеристик дуговой электропечи. Электрические характеристики могут быть построены для любой ступени мощности трансформатора, если известны основные электрические параметры установки: ? фазовое напряжение, В;

? приведенное активное сопротивление, Ом; ? приведенное реактивное сопротивление, Ом.

Примечание. Приведенное индуктивное сопротивление установки учитывает индуктивное сопротивление первичной и вторичной цепи. Приведенное активное сопротивление учитывает все активные сопротивления печной установки за исключением сопротивления дуги. Расчет индуктивного и активного сопротивлений может быть произведен по следующим эмпирическим уравнениям, Ом:

(9.1)

(9.2)

(9.3)

Примечание. Для печей емкостью более 20т необходимость включения дросселя отпадает.

Примеры расчета индуктивных и активных сопротивлений короткой сети дуговых сталеплавильных печей и их параметры приводятся в [13].

Далее приняты следующие допущения:

1. Электрические параметры установки не зависят от тока нагрузки.

2. Характер нагрузки печного трансформатора симметричный, сопротив ления и сила тока одинаковы.

З. Кривые тока и напряжения имеют синусоидальный характер.

4. Сопротивление электрических дуг является чисто активным.

5. Ток холостого хода трансформатора равен нулю.



кВт; (9.4)

кВт; (9.5)

кВт; (9.6)

(9.7)

(9.8)

В. (9.9)

Расчет показателей электрического режима ведется в зависимости от вто ричного тока, который принимается от ноля до тока короткого замыкания, т. е.

(9.10)

Надо выбирать интервалы в 56 точках с учетом эксплуатационного.

При рассмотрении характеристик электропечи видно, что увеличение тока сверх определенной величины приводит к уменьшению полезной мощности, а при токе короткого замыкания она становится равной нулю. Токи активной и полезной мощности различны. Ток, соответствующий максимуму полезной мощности () меньше тока, соответствующего максимуму полной активной мощности .

Коэффициент мощности (cos ?) при токе, определяющем максимальную активную мощность, меньше, чем при токе . При токе короткого за мыкания (cos ?) достигает своего минимума. Коэффициент полезного действия () при токе короткого замыкания равен нулю, так как полезная мощность из сети не забирается, а активная мощность идет на покрытие потерь в активных сопротивлениях короткой сети. Из рабочих характеристик также следует, что увеличение тока нагрузки имеет смысл только до известного предела, соответствующего максимуму полезной мощности.

При рациональном режиме (электрическом) рабочий ток () для дан ной ступени мощности трансформатора должен соответствовать (0,87 ?0,90) . Рабочий ток такой величины обеспечивает наибольшую производительность.

Если электрический режим выбирать из условия получения наименьшего расхода электроэнергии, то рабочий ток следует выбирать равным току , который определяется из уравнения, А:

(9.11)

В этом уравнении РТ ? средняя мощность тепловых потерь, (кВт) периода, для которого производится выбор рабочего тока.



10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ПЕЧИ

Работу электропечи характеризуют годовая производительность и себе стоимость слитков. Производительность печи определяется числом рабочих суток в году, продолжительностью плавки и выходом годного металла на плавку.

Годовая производительность может быть определена по уравнению:

(10.1)

где N ? годовая производительность печи, т;

n ? число рабочих суток печи в году;

ф ? продолжительность плавки, ч;

? вес металлической шихты, %;

В ? выход годных слитков, %

Число рабочих суток получается из календарного времени за вычетом простоев и нерабочих дней. Суммарное время простоев для электропечей, рабо тающих на твердой завалке, не должно превышать 7 %. В этом случае число рабочих суток 340343.

Продолжительность плавки (ф) складывается из длительности периодов технологического режима.

Выход годного определяется методом разливки. При разливке металла сверху В ? 91,5 %. При разливке сифонным методом В = 89,5 %. При разливке стали на УНРС выход годного составляет 96 %, кВт·ч/т.

Удельный расход электроэнергии, кВт?ч/т:

(10.2)



Расход электродов

Расход электродов зависит от емкости печи, метода и режима плавки, а также от эффективности уплотнения электродных отверстий и рабочих окон.

Примерно 2/3 общего расхода электродов связано с окислением вследствие негерметичности и длительной ее работой с открытым рабочим окном.

(10.3)

Нормальным расходом следует считать 1 кг электродов на 110120 кВт·ч израсходованной электроэнергии на тонну слитков.



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Егоров, А.В. Электроплавильные печи черной металлургии : Учебник для вузов. - М. : Металлургия, 1985. - 280 с.

2. Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специ ального нагрева: Учебник для вузов / Свенчанский А.Д., Жердев И.Т., Кручинин A.M. и др.; под ред. А.Д. Свенчанского. 2е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоиздат,1981. - 296 с.

3. Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей /Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А., Зинуров И.Ю.и др. - М. : Металлургия, 1990. 176 с.

4. Сойфер, В.М., Кузнецов, Л.Н. Дуговые печи в сталелитейном цехе. - М.: Металлургия, 1989. - 176 с.

5. Егоров, А.В. Расчет мощности и параметров электропечей черной металлургии: Учеб. пособие для вузов. - М. : Металлургия, 1990. - 280 с.

6. Никольский, Л.Е., Смоляренко, В.Д., Кузнецов, Л.Н. Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей. - М. : Металлургия, 1981. - 320 с.

7. Электротермическое оборудование: Справочник / Под ред. П. Альтгаузена. - М. : Энергия, 1985. - 416 с.

8. Осипенко, В.Д., Егорычев, В.П., Максимов, Б.Н. Отвод и обеспыливание газов дуговых сталеплавильных печей. - М .: Металлургия, 1985. - 104 с.

9. Дуговые сталеплавильные печи: Атлас / под ред. И.Ю. Зинурова. - М. :Металлургия, 1981. - 180 с.

10. Электрометаллугия стали и ферросплавов: Учебник для вузов / Под ред. Д.Я. Поволоцкого. - М. : Металлургия ,1984. - 568 с.

11. Морозов, А.Н. Современное производство стали в дуговых печах. - М. : Металлургия, 1983. - 184 с.

12. Поволодкий, Д.Я., Гудим, Ю.А. Выплавка легированной стали в дуговых печах. - М. : Металлургия, 1987. - 136 с.

13. Короткие сети и электрические параметры дуговых электропечей: Справочник. - М. : Металлургия, 1987. - 320 с.

14. Сосонкин, О.М., Кудрин, В.А. Водоохлаждаемый свод электродуговой печи. - М. : Металлургия, 1985. - 144 с.

Размещено на Allbest.ru

...