Топливно-кислородные горелки

  • Вид работы:
    Курсовая работа (т)
  • Предмет:
    Другое
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    1,58 Мб
  • Опубликовано:
    2016-10-12
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Топливно-кислородные горелки

Содержание

кислородный горелка плавка сталь

1. Теоретическая часть

.1 Топливно-кислородные горелки

.2 Применение газокислородных горелок

. Выбор конструкции и мощности ДСП-1

.1 Определение геометрических параметров

.2 Проектировка строения падины, откосов, стен и свода

.2.1 Футеровка, подина и откосы

.2.3 Свод

.3 Эскиз рабочего пространства печи

.4 Определение мощности печного трансформатора       

.5 Расчет параметров электрического режима        

.6 Расход электродов

.7 Расчет технико-экономических показателей

. Выбор конструкции и мощности ДСП-3

.1 Определение геометрических параметров

.2 Проектировка строения падины, откосов, стен и свода

.2.1 Футеровка, подина и откосы

.2.3 Свод

.3 Эскиз рабочего пространства печи

.4 Определение мощности печного трансформатора       

.5 Расчет параметров электрического режима

.6 Расход электродов

.7 Расчет технико-экономических показателей

. Расчет теплового баланса

.1 Определение полезной энергии для нагрева и расплавления металла и шлака

.2 Определение тепловых потерь через футеровку

.3 Тепловые потери через футеровку свода

.4 Тепловые потери через футеровку подины ниже уровня откосов

.5 Тепловые потери через рабочее окно

.6 Тепловые потери с газами

.7 Потери теплоты с охлаждающей водой

.8 Теплота, аккумулированная кладкой

.9 Электрический расчёт печи

Список использованных источников

1. Теоретическая часть

1.1 Топливно-кислородные горелки

Сегодня, с появлением сверхмощных печей, топливно-кислородные горелки стали неотъемлемым элементом дуговых сталеплавильных печей, обеспечивающим высокую скорость расплавления шихты. В зависимости от профиля плавления, плотности лома и геометрии печи горелки могут работать индивидуально с максимальной эффективностью.

Использование топливно-кислородных горелок позволяет экономить электроэнергию и увеличить производительность печи. Топливом для горелок служат нефть, керосин и природный газ, реже используется угольный порошок. Горелки устанавливаются в боковых стенках, своде, в заслонке шлакового окна, на манипуляторе, в нижней части шахты шахтных дуговых печей. Они могут быть стационарными и выдвижными. Их число может достигать девяти. Уровень установки горелок - не ниже 400мм от уровня ванны. В шахтных печах топливно-кислородные горелки устанавливаются дополнительно и в шахте.

Топливно-кислородные горелки могут использоваться как кислородные фурмы для «подрезки» лома, а также для обезуглероживания, рафинирования жидкого металла и вспенивания шлака. Топливно-кислородные горелки следует устанавливать как можно ниже в водоохлаждаемых панелях, чтобы обеспечить максимальную эффективность нагрева во время расплавления. В этот период передача тепла лому происходит путем излучения и конвекции от горячих продуктов сгорания, а также теплопроводности шихты.

Эффективность теплопередачи в значительной мере зависит от разности температуры лома и факела горелки и от площади поверхности лома. Поэтому горелки наиболее эффективны в начальный период расплавления, при холодном ломе. Их эффективность снижается по мере повышения температуры лома и уменьшения площади его поверхности. Установлено, что преимущества, достигаемые при работе с горелками, тем выше, чем больше диаметр рабочего пространства печи. Применение горелок в небольших высокопроизводительных электропечах менее целесообразно.

При дефицитности электроэнергии экономически целесообразно вести плавку в электродуговых печах, применяя топливно-кислородные горелки.

Использование в качестве топлива пропан. 1 кг пропана заменяет 10-11 кВт ч электроэнергии. Горелки используют при выключенном электрическом токе на протяжении части периода расплавления, в этом случае горелка компенсирует до 60% теплоты, требующейся для расплавления шихты при включенном электрическом токе в течение всего периода расплавления. Расход электроэнергии сокращается на 30-35%. Продолжительность плавки увеличивается на 20%. Горелки работают в течение всего времени плавки при сокращенной на 50% электроэнергии. В этом случае за счет топлива вводят в электрическую печь около 45% требующейся теплоты. Общий расход электроэнергии сокращается на 20%, а максимально необходимая мощность в отдельные моменты плавки на 50%.

Преимущество использования горелок является возможность применения электрооборудования с меньшей установочной мощностью, в результаты чего сокращаются капитальные затраты на строительство плавильного агрегата.

Количество энергии, вводимой с топливом, при широком использовании на современных ДСП топливно-кислородных горелок (ТКГ), обычно не превышает 50-70 кВт·ч/т, что сокращает расход электроэнергии на 35-50 кВт·ч/т.

Предварительный подогрев лома до среднемассовой температуры 1000 °С впервые реализован в агрегате ББК-Бруса. в котором объединены 36-т ДСП и расположенная над ней вращающаяся трубчатая печь. Подогрев фрагментированного лома в печи осуществляется в противотоке отходящими газами и ТКГ. При дополнительном расходе природного газа на ТКГ около 30 м3/т (280 кВт·ч/т) расход электроэнергии снизился на 220 кВт·ч/т. Совместное использование ТКГ и подогрева лома в бадьях позволило уменьшить расход электроэнергии до 400-430 кВт·ч/т, а расход первичного топлива, рассчитанного только по энергоносителям, до 1700-1800 кВт·ч/т. Дальнейшее сокращение этих расходов требует значительного увеличения количества топлива, используемого взамен электроэнергии, и перехода к высокотемпературному подогреву отходящими газами всей массы лома.

По мере нагрева лом сходит из шахты в рабочее пространство. Печь оборудована ТКГ и манипулятором для вдувания угля. В последних конструкциях подогреватель имеет в нижней части водоохлаждаемые поворотные пальцы, что позволяет подогревать всю массу шихты. Применение шахтного подогревателя лома и применение ТКГ обеспечивает снижение энергоемкости стали, по сравнению с обычной ДСП на 30 - 40 %.

Определенный прогресс наблюдается и в области совершенствования применяемых на ДСП горелок. Разработаны поворотные ТКГ единичной мощностью 20 МВт и более, позволяющие изменять в широких пределах направления факела по ходу нагрева, в том числе горелки эркерного типа, обеспечивающие внедрение факелов в слой шихты на уровне подины. Это обеспечивает высокий КПД горелок (60 - 70 %).

При расходах природного газа 16-18 м3/т и кислорода 32-36 м3/т энергопотребление на 100-т ДСП снижается на 120- 180 кВт·ч/т. Высокая мощность и энергетическая эффективность горелок позволили реализовать двухстадийный процесс электроплавки, когда после завалки и подвалки шихты горелки работают при отключенных дугах.

Для работы ES ДСП оборудуются донными фурмами для вдувания порошкообразного угля, кислорода, инертных и защитных углеводородных газов через подину. В стенах устанавливаются ТКГ для дополнительного нагрева лома и главным образом, для дожигания СО, выделяющейся из ванны. При расходе угля 22 - 30 кг/т и кислорода 50 -55 м3/т сокращение расхода электроэнергии на 1 кг угля составляет в среднем 5,3 кВт·ч/кг, а расход электроэнергии на плавку сокращается до 280 - 320 кВт· ч/т.

1.2 Применение газокислородных горелок

Газокислородные горелки применяются для уменьшения длительности плавления и уменьшения расхода электроэнергии используются при плавке стали в дуговых печах и по обычной технологии. В качестве топлива для горелок применяют керосин или, чаще, природный газ. Интерес к их использованию возрос после появления в 70-х годах сверхмощных ДСП с водоохлаждаемыми панелями в стенах. В холодных зонах у стен, в промежутках между электродами, плавление замедляется и длительность плавления увеличивается. Для дополнительного нагрева этих зон стали применять стеновые горелки, факелы которых направлены на эти зоны. Стеновые горелки стационарные и охватывают только расположенный против них лом.

Рисунок 1.1- Схема расположения боковых(а) и сводовых(б) газокислородных горелок

- горелка; 2 - огнеупорный туннель

Рисунок 1.2- Виды газовых горелок: а - инжекционная горелка с предварительным смешиванием газа с воздухом; б - дутьевая типа «труба в трубе», без предварительного смешивания; в - дутьевая для природного газа с закруткой воздуха; г - дутьевая сводовая, плоскопламенная с закруткой воздуха и газа

Суммарная мощность стеновых горелок < 150 кВт/т металлической шихты. Удельный расход газообразного топлива 7-8 м3/т, а жидкого - 5-6 л/т. Горелки включают после загрузки каждой порции лома на 5-7 мин; общая длительность их работы не превышает 15-17 мин. Температура лома при нагреве стеновыми горелками достигает 800-900 °С. Далее горелки отключают вследствие уменьшения их эффективности, вызванного ухудшением условий теплопередачи, особенно при оседании лома и сокращении конвективного контакта факелов с шихтой, и снижения КПД горелок. С применением стеновых горелок длительность плавления сокращается на 10-15%, а расход электроэнергии - на 25-50 кВт·ч/т. При этом уменьшается суммарный расход химической энергии топлива.

Целесообразность замены части (< 15-20 %) электроэнергии в ДСП энергией сжигаемого топлива определяется: ценами на электроэнергию и топливо, степенью полезного использования различных энергоносителей, их дефицитом вообще и в данной местности, в частности. Эти и другие факторы учитываются при выборе способа нагрева ванны и технологии плавки.

2. Выбор конструкции и мощности ДСП-1

 

.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 45º.

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

Vв = Vм + Vш + Vд  (1)

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

 м3.

Номинальную ёмкость печи принимаем равной 1 тонне, а  = 7,15т/м3 - плотность жидкого металла.

Диаметр зеркала жидкого металла определяется из соотношения:

, мм;

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 = 4,5…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 = 4,5; Тогда

с = 0,875 + 0,042 × 4,5 = 1,064

мм = 1,1 м.

Глубина ванны по жидкому металлу:

  (2)

где  - глубина ванны жидкого металла;

 м.

Глубина сферического сегмента:

 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        (3)

Принимаем  м3.

Высота слоя шлака определяется из выражения:

 мм = 0,025 м.

где 0,785 - эмпирический коэффициент;

- переводной коэффициент;

Диаметр зеркала шлака:

 м.

Уровень порога рабочего окна принимается на уровне шлака или на 20…40 мм выше h′ = 0…40 мм.

Диаметр ванны на уровне порога рабочего окна выбираем с таким расчетом, чтобы уровень порога был на 30 мм выше уровня зеркала шлака

 м.

где  - расстояние от зеркала шлака до уровня порога рабочего окна.

Уровень откосов рекомендуется принимать на 30…70 мм выше уровня порога рабочего окна во избежание размыва шлаком основания футеровки стен h² = 30…70 мм.

Уровень откосов принимаем на 60 мм выше уровня порога рабочего окна.

Диаметр рабочего пространства на уровне откосов

 м.

Глубина до уровня порога:

 (4)

м

Глубина ванны до уровня откосов печи равна:

 (5)

 м.

Высота конической части ванны hк равна:

  (6)

 м.

Тогда диаметр основания шарового сегмента  находится:

 (7)

 м.

Таблица 2.1 - 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 2.1.

  (8)

 

 м.

Выше откосов стены делаются наклонными под углом 15..30º к вертикали. При таком наклоне их можно заправлять. В этом случае также 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 30º.

Высота наклонной части стен составляет:

 (9)

 м.

Высота цилиндрической части стен составит:

  (10)

 

 м.

Диаметр стен определяется по формуле:

 (11)

где  - угол наклона стен по вертикали.

 м.

2.2 Проектировка строения падины, откосов, стен и свода

 

.2.1 Футеровка, подина и откосы

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

Конструкция футеровки ДСП-1

Для кладки рабочего слоя ДСП используем основные огнеупорные материалы.

Таблица 2.2 - Толщина отдельных слоев и всей футеровки подины ДСП, мм

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 2.2, общая толщина подины 485мм. 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 30 мм и легковесного шамота марки ШЛБ-1,3, суммарной толщиной 85 мм (один слой «на плашку»).

Средний огнеупорный слой выполняется из магнезита марки МУ-91 суммарной толщиной 300 мм (пять слоёв «на плашку»).

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

2.2.2 Стены ДСП

В данной технологии выплавки стали применяем водоохлождаемые стены, так как их внедрение сокращает простои на ремонт, экономит огнеупоры и электроды при увеличении на 7-10% расхода электроэнергии. Однако в целом годовая производительность ДСП увеличивается до 10% и снижается себестоимость выплавляемой стали

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

 

Таблица 2.3 - Толщина огнеупорной кладки стен ДСП

Емкость печи, т

< 12

25-50

100

200

300-400

Общая толщина на уровне откосов δ1, мм

365-445

445-495

525-575

575-610

550-650

Общая толщина в верхней части δ2, мм

230-300

300-365

365-415

380-450

400-470

Толщину футеровки стены на уровне откосов принимаем равной 370мм ( 370мм кирпич магнезитохромитовый марки МХСП и 30 мм 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 300, 380 и 230 мм, принимаем три размера толщины стены, включая слой засыпки: 370 мм в нижней части, 300 мм в средней части и 230 мм в верхней части.

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

 (12)

 м.

и его цилиндрической части:

 (13)

 м.

где δ1 - толщина футеровки стен на уровне откосов, м;

δ2 - толщина футеровки цилиндрической верхней части стен, м.

Кожух сваривается из листовой котельной стали. Толщина кожуха определяется:

  (14)

м

В обшивке кожуха вырезают отверстия для летки и рабочего окна.

Высота стен до уровня порога:

Нст = 0,4·Д0-(0,15÷0,25) (15)

Нст = 0,4·1,33-0,2= 0,33м

Рабочее окно печи имеет размеры:

Ширина

  (16)

 м.

Высота:

  (17)

 м.

Стрела выпуклости арки рабочего окна:

  (18)

 м.

 

.2.3 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 2.4 - Толщина футеровки свода ДСП

Емкость печи, т

≤ 12,5

25 - 50

100

δсв, мм

230 - 300

380

380 - 460


Свод выполняется из магнезитохромитового кирпича марки МХСП длиной 230 мм без дополнительной тепловой изоляции.

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

  (19)

 м.

Стрела выпуклости свода зависит от материала и пролета (диаметра) свода. Из соображения строительной прочности рекомендуется:

Таблица 2.5 - 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:

 (20)

м.

При этом высота центральной части свода над уровнем откосов составит:

 (21)

 м.

Интенсивность облучения определяется диаметром распада электродов Dp, который задает расстояние «дуга-стенка». Поэтому задача определения рационального значения Dp сводится 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.

Таблица 2.6 - Величины  для различных ДСП

Емкость печи, т

12 - 50

100

200

0,40 - 0,350,250,20




На основании данных таблицы 2.6 принимаем отношение:

 =>  м.

 

.3 Эскиз рабочего пространства печи

 


2.4 Определение мощности печного трансформатора


Номинальное значение полной мощности SH электропечного трансформатора определяет величину активной мощности Рн, выделяемой в рабочем пространстве печи в соответствии с графиком энергетического режима плавки, согласно которому устанавливают максимальный kИM, и средний kИ коэффициенты использования мощности трансформатора.

На основе теплового баланса печи в период расплавления металлошихты как наиболее энергоемкий период плавки определяют:

 (22)

где τэ - продолжительность периода расплавления;

Р2т.п - мощность тепловых потерь из рабочего пространства печи в указанный период;

ΣW2 - сумма энергетических затрат, необходимых для расплавления металлошихты.

В сумму ΣW2 входят затраты энергии на изменение энтальпии нагреваемой и расплавляемой металлошихты с учетом энергетических затрат на возможные эндотермические процессы (испарение влаги, разложение оксидов железа железной руды, загружаемой одновременно с металлошихтой для ранней дефосфорации и т. п.), шлакообразующих материалов с учетом экзотермических процессов шлакообразования, жидкого металла, перегреваемого выше температуры окончания плавления (ликвидуса) до температуры начала окислительного периода с учетом тепловых эффектов экзотермических реакций окисления элементов в ванне жидкого металла (на основе материального баланса). Помимо этого в сумме ΣW2 учитывают приход теплоты Wф к металлошихте от нагретой футеровки подины, особенно при оставлении части жидкого металла от предыдущей плавки на печах с эркерным сливом, дополнительный ввод тепловой энергии Wд при работе ТКГ, энергию окисления графитированных электродов, а также необходимые затраты энергии на компенсацию уменьшения энтальпии огнеупорной футеровки, остывающей за время подготовки печи к очередной плавке и при загрузке холодной металлошихты, т. е. на компенсацию изменения энергии, аккумулируемой футеровкой Wак.

С учетом изложенного:

ΣW2=  (23)

где kл=1-mл/m0 - коэффициент, учитывающий отсутствие массы легирующих материалов и остаточного жидкого металла в составе металлозавалки mш; kф ~ 0,02...0,2 - коэффициент, учитывающий возможный приход теплоты Wф   ; kд ~ 0...0,1 - коэффициент, учитывающий дополнительный ввод теплоты Wд; W2у.т - удельный полезный (теоретический) расход энергии на проведение периода расплавления, зависящий от технологии плавки и составляющий 0,7... 1,4 ГДж/т (0,2 ... 0,4 МВт-ч/т) при разной температуре предварительно нагретой металлошихты; W1т.п - энергия тепловых потерь за период подготовки печи к плавке.

Величина Р2т.п определяется по формуле:

 (24)

где k2- коэффициент, учитывающий возможное изменение мощности тепловых потерь в зависимости от конструкции печи и сортамента выплавляемых сталей. Так, с учетом изложенного:

·        для печей первого поколения k2=0,3 ... 0,6;

·        для печей второго поколения k2= 0,8 ... 1,2;

·        для печей третьего поколения k2= 1,5 ... 2,0;

·        для печей четвертого поколения k2 = 3,0 ... 5,0.

Определение тепловых потерь за подготовительный период достаточно сложно вследствие различного теплотехнического состояния рабочего пространства - со сводом и без свода (при механизированной заправке футеровки подины и загрузке металлошихты), снижение температуры поверхностей рабочего пространства в зависимости от длительности простоя т.д.

Для проектируемой ДСП вместимостью 1т теплотехнические характеристики можно по формулам:

        (25)

 (26)

Принимая поправочные коэффициенты k1 = 4,0 и k2 = 4 (как для ДСП четвёртого поколения):

W1т.п =4·0,19·10,67 = 0,76 МВт;

Р2т.п= 4·0,14·10,67 =0,56 МВт.

В соответствии с заданными технологическими условиями энергетические затраты, необходимые для расплавления металлошихты составляют:

ΣW2 = 1,08·0,9·(1-0,1)· (1-0)·0,3·1+0,76 = 1,02 МВт/ч.

Принимая длительность расплавления «под током» =1ч, и в соответствии с заданными внешними (электротехническими) условиями расчетное значение полной мощности электропечного трансформатора составит:

 (27)

SН = (1,02 /1+0,56)/(0,8·0,8·0,9) = 2,74 МВ·А.

Принимаем номинальное значение полной мощности SН = 3 МВ·А.

2.5 Расчет параметров электрического режима

Высшую ступень вторичного линейного напряжения U2л.в определяют с учетом опыта эксплуатации современных ДСП по корреляционному уравнению:

 (28)

где U2л.в измеряется в вольтах, если SH в мегавольтамперах. ;

В;

Номинальную силу тока Iд.н, протекающего во вторичном: токопроводе трехфазного трансформатора ДСП, т. е. через дугу, определяют по уравнению:

 (29)

кА

где IД.Н измеряется в килоамперах, если в мегавольтампеpax и U2л.в в вольтах.

Низшую ступень вторичного линейного напряжения можно» определить, зная минимально необходимую мощность для работы ДСП в конце технологического периода, когда происходит выдержка жидкого металла в условиях компенсации тепловых потерь Рт.п.в, т. е.

 (30)

 (31)

где Гs=SH/Smln - глубина регулирования мощности, составляющая для современных ДСП от 2,5 до 9; ГU = U2л.в/U2л.н глубина регулирования напряжения, достигающая для современных ДСП от 1,5 до 3.

Smin = 0,56/(0.9*0.8)=0,78 МВ*А;

Гs = 3/0,78 = 3,85;

ГU = , что позволяет оценить низшую ступень вторичного линейного напряжения:

U2л.в = 230,8/1,96 = 118 В.

2.6 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.

Диаметр электродов dЭ, см, определяют по формуле:

 (32)

где I - линейная сила тока, А; ρ- удельное электрическое сопротивление электрода при 500 °С (для графитизированных электродов ρ = 100 Ом*мм2/м);

К- коэффициент (для графитизированных электродов К= 2,1 Вт/см2).

 , мм

из табличных значений принимаем равным 300 мм.

Нормальным расходом следует считать 1 кг электродов на 110-120 кВт·ч израсходованной электроэнергии на тонну слитков.

2.7 Расчет технико-экономических показателей


Зная длительность цикла плавки Тпл состоящего в общем случае из периода подготовки печи к плавке Тп, периода расплавления металлошихты тэ, окислительного то и восстановительного Тв периодов, для выбранного номинального значения полной мощности трансформатора SH уточняют длительность периода расплавления:

 (33)

τЭ= 1,02/(0,8*0,9*0,8*3 -0,56)=0,87;

и длительность плавки:

 (34)

τпл= 0,5+0,87+0,5+1 =2,87 ч

Зная фактический фонд рабочего времени, определяют производительность печи:

Суточную:

  (35)

 

Мс=24*/2,87=8,36 т/сут

Годовую:

 

 (36)

где 8760 - годовой фонд времени, ч/год; Пр - величина простоев печи по техническим и организационным причинам, составляющая 5... 10% на печах разной конструкции и различной вместимости (принимаем Пр=7).

Мг= 8760*(1-0,01*7)/2,87 =2,84 тыс. т/год

Удельный расход электрической энергии Wу.ж определяют из энергетического баланса энергии за плавку: 

)        на 1т жидкого металла:

 (37)

)        на 1 т годной стали:

 (38)

где mг = Вг·mж - масса годной стали с учетом выхода годного Вг;

)        на 1 т металлошихты:

 (39)

где mш=kрkлm0 - масса металлошихты с учетом расходного, коэффициента (на 1 т жидкого) kр и коэффициента kл, учитывающего состав металлозавалки.

Расход электрической энергии Wc за плавку равен:

  (40)

где ΣWз - полезные затраты энергии на проведение технологического периода; РТ.П.0 - мощность тепловых потерь в окислительный период (принимаем = 1,6 МВт); Рт.п.в - мощность тепловых потерь в восстановительный период(принимаем =1,2 МВт).

Wc=[(1,02+0,56*1)+(-0,01+0,01)+1,6*0,5+1,2*1,0]/0,9=3,98 МВт*ч

Удельный расход электрической энергии Wу.ж: у.ж =3,98= 4 кВт*ч/т

3. Выбор конструкции и мощности ДСП-3

 

.1 Определение геометрических параметров


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

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

Vв = Vм + Vш + Vд  (41)

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

 м3.

Номинальную ёмкость печи принимаем равной 1 тонне, а  = 7,15т/м3 - плотность жидкого металла.

Диаметр зеркала жидкого металла определяется из соотношения:

, мм;

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 = 4,5…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 = 4,5; Тогда

с = 0,875 + 0,042 × 4,5 = 1,064

мм = 1,6 м.

Глубина ванны по жидкому металлу:

  (42)

где  - глубина ванны жидкого металла;

 м.

Глубина сферического сегмента:

 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        (43)

Принимаем  м3.

Высота слоя шлака определяется из выражения:

 мм = 0,035 м.

где 0,785 - эмпирический коэффициент;

- переводной коэффициент;

Диаметр зеркала шлака:

 м.

Уровень порога рабочего окна принимается на уровне шлака или на 20…40 мм выше h′ = 0…40 мм.

Диаметр ванны на уровне порога рабочего окна выбираем с таким расчетом, чтобы уровень порога был на 30 мм выше уровня зеркала шлака

 м.

где  - расстояние от зеркала шлака до уровня порога рабочего окна.

Уровень откосов рекомендуется принимать на 30…70 мм выше уровня порога рабочего окна во избежание размыва шлаком основания футеровки стен h² = 30…70 мм.

Уровень откосов принимаем на 60 мм выше уровня порога рабочего окна.

Диаметр рабочего пространства на уровне откосов:

 м.

Глубина до уровня порога:

 (44)

 

м

Глубина ванны до уровня откосов печи равна:

 (45)

 м.

Высота конической части ванны hк равна:

  (46)

 м.

Тогда диаметр основания шарового сегмента  находится:

  (47)

 м.

Таблица 3.1 - 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 3.1.

  (48)

 м.

Выше откосов стены делаются наклонными под углом 15..30º к вертикали. При таком наклоне их можно заправлять. В этом случае также 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 30º.

 Высота наклонной части стен составляет:

 (49)

 м.

Высота цилиндрической части стен составит:

 (50)

 

 м.

Диаметр стен определяется по формуле:

 (51)

где  - угол наклона стен по вертикали.

 м.

3.2 Проектировка строения падины, откосов, стен и свода

 

.2.1 Футеровка, подина и откосы

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

Конструкция футеровки ДСП-3

Для кладки рабочего слоя ДСП используем основные огнеупорные материалы.

Таблица 3.2 - Толщина отдельных слоев и всей футеровки подины ДСП, мм

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 3.2, общая толщина подины 485мм. 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 30 мм и легковесного шамота марки ШЛБ-1,3, суммарной толщиной 85 мм (один слой «на плашку»).

Средний огнеупорный слой выполняется из магнезита марки МУ-91 суммарной толщиной 300 мм (пять слоёв «на плашку»).

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

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

.2.2 Стены ДСП

В данной технологии выплавки стали применяем водоохлождаемые стены, так как их внедрение сокращает простои на ремонт, экономит огнеупоры и электроды при увеличении на 7-10% расхода электроэнергии. Однако в целом годовая производительность ДСП увеличивается до 10% и снижается себестоимость выплавляемой стали

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

 

Таблица 3.3 - Толщина огнеупорной кладки стен ДСП

Емкость печи, т

< 12

25-50

100

200

300-400

Общая толщина на уровне откосов δ1, мм

365-445

445-495

525-575

575-610

550-650

Общая толщина в верхней части δ2, мм

230-300

300-365

365-415

380-450

400-470

Толщину футеровки стены на уровне откосов принимаем равной 370мм (370мм кирпич магнезитохромитовый марки МХСП и 30 мм 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 300, 380 и 230 мм, принимаем три размера толщины стены, включая слой засыпки: 370 мм в нижней части, 300 мм в средней части и 230 мм в верхней части.

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

 (52)

 м.

и его цилиндрической части:

 (53)

 м.

где δ1 - толщина футеровки стен на уровне откосов, м;

δ2 - толщина футеровки цилиндрической верхней части стен, м.

Кожух сваривается из листовой котельной стали. Толщина кожуха определяется:

  (54)

м

В обшивке кожуха вырезают отверстия для летки и рабочего окна.

Высота стен до уровня порога: Нст = 0,4·Д0-(0,15÷0,25) (55)

Нст = 0,4·1,85-0,2= 0,54м

Рабочее окно печи имеет размеры:

Ширина   (56)

 м.

Высота   (57)

 м.

Стрела выпуклости арки рабочего окна:

  (58)

 м.

3.2.3 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 3.4 - Толщина футеровки свода ДСП

Емкость печи, т

≤ 12,5

25 - 50

100

δсв, мм

230 - 300

380

380 - 460


Свод выполняется из магнезитохромитового кирпича марки МХСП длиной 230 мм без дополнительной тепловой изоляции.

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

  (59)

 м.

Стрела выпуклости свода зависит от материала и пролета (диаметра) свода. Из соображения строительной прочности рекомендуется:

Таблица 3.5 - 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:

 (60)

м.

При этом высота центральной части свода над уровнем откосов составит:

 (61)

 м.

Интенсивность облучения определяется диаметром распада электродов Dp, который задает расстояние «дуга-стенка». Поэтому задача определения рационального значения Dp сводится 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.

Таблица 3.6 - Величины  для различных ДСП

Емкость печи, т

12 - 50

100

200

0,40 - 0,350,250,20





На основании данных таблицы 3.6 принимаем отношение:

 =>  м.

 

.3 Эскиз рабочего пространства печи


 

.4 Определение мощности печного трансформатора


Номинальное значение полной мощности SH электропечного трансформатора определяет величину активной мощности Рн, выделяемой в рабочем пространстве печи в соответствии с графиком энергетического режима плавки, согласно которому устанавливают максимальный kИM, и средний kИ коэффициенты использования мощности трансформатора.

На основе теплового баланса печи в период расплавления металлошихты как наиболее энергоемкий период плавки определяют:

 (62)

где τэ - продолжительность периода расплавления; Р2т.п - мощность тепловых потерь из рабочего пространства печи в указанный период; ΣW2 - сумма энергетических затрат, необходимых для расплавления металлошихты.

В сумму ΣW2 входят затраты энергии на изменение энтальпии нагреваемой и расплавляемой металлошихты с учетом энергетических затрат на возможные эндотермические процессы (испарение влаги, разложение оксидов железа железной руды, загружаемой одновременно с металлошихтой для ранней дефосфорации и т. п.), шлакообразующих материалов с учетом экзотермических процессов шлакообразования, жидкого металла, перегреваемого выше температуры окончания плавления (ликвидуса) до температуры начала окислительного периода с учетом тепловых эффектов экзотермических реакций окисления элементов в ванне жидкого металла (на основе материального баланса). Помимо этого в сумме ΣW2 учитывают приход теплоты Wф к металлошихте от нагретой футеровки подины, особенно при оставлении части жидкого металла от предыдущей плавки на печах с эркерным сливом, дополнительный ввод тепловой энергии Wд при работе ТКГ, энергию окисления графитированных электродов, а также необходимые затраты энергии на компенсацию уменьшения энтальпии огнеупорной футеровки, остывающей за время подготовки печи к очередной плавке и при загрузке холодной металлошихты, т. е. на компенсацию изменения энергии, аккумулируемой футеровкой Wак.

С учетом изложенного:

ΣW2=  (63)

где kл=1-mл/m0 - коэффициент, учитывающий отсутствие массы легирующих материалов и остаточного жидкого металла в составе металлозавалки mш; kф ~ 0,02...0,2 - коэффициент, учитывающий возможный приход теплоты Wф   ; kд ~ 0...0,1 - коэффициент, учитывающий дополнительный ввод теплоты Wд; W2у.т - удельный полезный (теоретический) расход энергии на проведение периода расплавления, зависящий от технологии плавки и составляющий 0,7... 1,4 ГДж/т (0,2 ... 0,4 МВт-ч/т) при разной температуре предварительно нагретой металлошихты; W1т.п - энергия тепловых потерь за период подготовки печи к плавке.

Величина Р2т.п определяется по формуле:

 (64)

где k2- коэффициент, учитывающий возможное изменение мощности тепловых потерь в зависимости от конструкции печи и сортамента выплавляемых сталей. Так, с учетом изложенного:

·        для печей первого поколения k2=0,3 ... 0,6;

·        для печей второго поколения k2= 0,8 ... 1,2;

·        для печей третьего поколения k2= 1,5 ... 2,0;

·        для печей четвертого поколения k2 = 3,0 ... 5,0.

Определение тепловых потерь за подготовительный период достаточно сложно вследствие различного теплотехнического состояния рабочего пространства - со сводом и без свода (при механизированной заправке футеровки подины и загрузке металлошихты), снижение температуры поверхностей рабочего пространства в зависимости от длительности простоя т.д.

Для проектируемой ДСП вместимостью 1т теплотехнические характеристики можно по формулам:

        (65)

 (66)

Принимая поправочные коэффициенты k1 = 4,0 и k2 = 4 (как для ДСП четвёртого поколения):

W1т.п =4·0,19·30,67 = 1,59 МВт;

Р2т.п= 4·0,14·30,67 =1,17 МВт.

В соответствии с заданными технологическими условиями энергетические затраты, необходимые для расплавления металлошихты составляют:

ΣW2 = 1,08·0,9·(1-0,1)· (1-0)·0,3·3+1,59 = 2,38 МВт/ч.

Принимая длительность расплавления «под током» =1ч, и в соответствии с заданными внешними (электротехническими) условиями расчетное значение полной мощности электропечного трансформатора составит:

 (67)

SН = (2,38 /1+1,17)/(0,8·0,8·0,9) = 6,16 МВ·А.

Принимаем номинальное значение полной мощности SН = 6 МВ·А.

3.5 Расчет параметров электрического режима


Высшую ступень вторичного линейного напряжения U2л.в определяют с учетом опыта эксплуатации современных ДСП по корреляционному уравнению

  (68)

где U2л.в измеряется в вольтах, если SH в мегавольтамперах. ;

В;

Номинальную силу тока Iд.н, протекающего во вторичном: токопроводе трехфазного трансформатора ДСП, т. е. через дугу, определяют по уравнению:

 (69)

кА

где IД.Н измеряется в килоамперах, если в мегавольтампеpax и U2л.в в вольтах.

Низшую ступень вторичного линейного напряжения можно» определить, зная минимально необходимую мощность для работы ДСП в конце технологического периода, когда происходит выдержка жидкого металла в условиях компенсации тепловых потерь Рт.п.в, т. е.

 (70)

 (71)

где Гs=SH/Smln - глубина регулирования мощности, составляющая для современных ДСП от 2,5 до 9; ГU = U2л.в/U2л.н глубина регулирования напряжения, достигающая для современных ДСП от 1,5 до 3.

Smin = 1,17/(0.9*0.8)=1,63 МВ*А;

Гs = 6/1,63 = 3,7;

ГU = , что позволяет оценить низшую ступень вторичного линейного напряжения:

U2л.в = 291/1,92 = 151,6 В.

3.6 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.

Диаметр электродов dЭ, см, определяют по формуле:

 (72)

где I - линейная сила тока, А; ρ- удельное электрическое сопротивление электрода при 500 °С (для графитизированных электродов ρ = 100 Ом*мм2/м);

К- коэффициент (для графитизированных электродов К= 2,1 Вт/см2).

 , мм

из табличных значений принимаем равным 300 мм.

Нормальным расходом следует считать 1 кг электродов на 110-120 кВт·ч израсходованной электроэнергии на тонну слитков.

 

3.7 Расчет технико-экономических показателей


Зная длительность цикла плавки Тпл состоящего в общем случае из периода подготовки печи к плавке Тп, периода расплавления металлошихты тэ, окислительного то и восстановительного Тв периодов, для выбранного номинального значения полной мощности трансформатора SH уточняют длительность периода расплавления:

 (73)

τЭ= 2,38/(0,8*0,9*0,8*6 -1,17)=1,04;

и длительность плавки:

 (74)

τпл= 0,5+1,04+0,5+1 =3,04 ч

Зная фактический фонд рабочего времени, определяют производительность печи:

Суточную:

  (75)

Мс=24*3/3,04=23,7 т/сут

Годовую:

 

 (76)

где 8760 - годовой фонд времени, ч/год; Пр - величина простоев печи по техническим и организационным причинам, составляющая 5... 10% на печах разной конструкции и различной вместимости (принимаем Пр=7).

Мг= 8760*(1-0,01*7)·3/23,7 =1031,2 т/год

Удельный расход электрической энергии Wу.ж определяют из энергетического баланса энергии за плавку:

)        на 1т жидкого металла:

 (77)

где mж - масса жидкого металла, определяемая вместимостью m0 и технологией слива металла из печи;

)        на 1 т годной стали:

 (78)

где mг = Вг·mж - масса годной стали с учетом выхода годного Вг;

)        на 1 т металлошихты:

 (79)

где mш=kрkлm0 - масса металлошихты с учетом расходного, коэффициента (на 1 т жидкого) kр и коэффициента kл, учитывающего состав металлозавалки.

Расход электрической энергии Wc за плавку равен:

  (80)

где ΣWз - полезные затраты энергии на проведение технологического периода; РТ.П.0 - мощность тепловых потерь в окислительный период (принимаем = 1,6 МВт); Рт.п.в - мощность тепловых потерь в восстановительный период(принимаем =1,2 МВт).

Wc=[(2,38+1,17*1,04)+(-0,01+0,01)+1,6*0,5+1,2*1,0]/0,9=5,6 МВт·ч

Удельный расход электрической энергии Wу.ж: у.ж =5,6·3= 17 кВт·ч/т

4. 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.

Энергетический баланс состоит из приходной и расходной  частей:

Приход энергии происходит за счет статей:

 (81)

где  - теплота, вносимая в печь с электроэнергией;

 - теплота, вносимая в печь с шихтой;

 - теплота экзотермических реакций, протекающих в ванне;

 - теплота от окисления графитовых электродов.

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 j). Эта статья для печей одной емкости составляет 60 - 80 %.

Теплота  вносимая в печь с шихтой определяется по формуле:

 (82)

 МДж.

где  - масса жидкого чугуна вносимого в печь, кг;

 и  - теплоёмкость и температура жидкого чугуна соответственно.

Теплота экзотермических реакций  определяется только по материальному балансу:

 (83)

 МДж.

где , , ,  - тепловой эффект окисления этих элементов

= 27 МДж/кг; = 3 МДж/кг; = 10 МДж/кг; =4,7 МДж/кг.

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

 (84)

 МДж.

где = 97,4 кг - количество окислившихся графитированых электродов за период плавления ( из материального баланса );

 = 27 МДж/кг - тепловой эффект окисления графита до СО2;

4.1 Определение 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.

 (85)

 (86)

 МДж.

где  - масса скрапа, загружаемого в печь, кг;

 - средняя теплоемкость металла в интервале от  - температуры загружаемого скрапа до  - температуры плавления, кДж/(кг×К);

 - средняя теплоемкость металла в интервале температур от  до  - температуры перегрева, кДж/(кг×К);

 - скрытая теплота плавления металла, кДж/кг;

Принимаем, что завалка имеет температуру =30 ºС.

Температуру плавления завалки можно вычислить по формуле:

 (87)

.

Для упрощения расчетов среднюю удельную теплоемкость шлакообразующих материалов и расплавленного шлака можно принять равной =1,225 кДж/(кг×К). Скрытая теплота плавления шлака  составляет 209 кДж/кг.

 (88)

 кДж/кг.

Энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева шлака:

 (89)

 МДж.

Суммарная полезная энергия периода расплавления:

 МДж.

4.2 Определение тепловых потерь через футеровку

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

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, вводить 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:

 (90)

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

 Вт/(м×C).

 Вт/м2.

где = 31,35 Вт/(м2×К) - коэффициент теплоотдачи с поверхности кожуха.

Уточняем температуру  по формуле:

 (91)

.

Относительная погрешность равна:

Поэтому для расчета удельного теплового потока во втором приближении принимаем  ºС.

При этих условиях:

 Вт/(м×К).

 Вт/м2.

Проверяем: .

Толщина верхнего участка стены:

 м.

Задаемся температурой кожуха ºС и определяем коэффициент теплопроводности:

 Вт/(м×C).

Тепловой поток через стенку равен:

 Вт/м2.

Уточняем температуру:

 Так как принятая и уточненная температуры близки, расчет во втором приближении не производим.

Расчетная внешняя поверхность каждого участка стен равна:

 м2.

Суммарные тепловые потери через стены:

 Вт.

 

.3 Тепловые потери через футеровку свода

В качестве материала свода используется магнезитохромитовый кирпич длиной 300 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.

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

 Вт.

4.4 Тепловые потери через футеровку подины ниже уровня откосов

При конструировании подины было принято, что огнеупорная часть подины выполняется из шести слоев магнезитового кирпича марки МП-91 «на плашку» (5×65 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 30 мм и легковесного шамота марки ШЛБ-1,3, суммарной толщиной 85 мм (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 125 мм. Коэффициент теплопроводности такого кирпича .

Для определения удельных потерь принимаем температуру внутренней поверхности футеровки подины t1=1600ºС и задаемся в первом приближении температурой внешней футеровки , а также температурой на границе огнеупорного и теплоизоляционного слоев футеровки .

При этих условиях:  Вт/(м×C) и  Вт/(м×C);  Вт/(м2×К).

Удельные тепловые потери в первом приближении:

 Вт/м2.

Уточняем принятые температуры:


Так как принятая и уточненная температуры близки, расчет во втором приближении не производим.

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:

 (92)

 м2.

Тепловые потери через футеровку подины:

 (93)

 Вт.

Суммарные потери теплоты теплопроводностью через футеровку за период плавления равны:

 МДж

.5 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:

  (94)

 м2.

Принимаем, что за период плавления рабочее окно открыто в течение 10 мин (0,17 ч).

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

 (95)

 МДж.

где Вт/(м2×К) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

 - коэффициент диафрагмирования отверстия;

 - средняя температура в печи, К;

 - площадь рабочего окна, м2;

 - время, в течение которого окно открыто, ч.

4.6 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 ºС, то теплоемкость воздуха .

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

 (96)

 МДж.

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

 - средняя теплоемкость газов, Вт/(м3׺С);

 - средняя температура уходящих газов, ׺С;

.7 Потери теплоты с охлаждающей водой

Потери теплоты с охлаждающей водой рассчитываются по формуле:

 МДж.

где  - расход воды через водоохлаждаемые элементы;

 - теплоемкость воды, Дж/(м3×К);

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

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

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.

Суммарные тепловые потери по этой статье равны:

=34,6 + 60 + 62,5 =157,1 МДж.

4.8 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:

 (97)

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

Принимая коэффициент неучтенных тепловых потерь  определяем искомые потери:

 МДж.

.9 Электрический расчёт печи

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

 (98)

где  - суммарное количество электроэнергии периода расплавления, кВт×ч;

 - 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;

 - теплота от сжигания природного газа в топливно-кислородных горелках;

 - электрический к.п.д.

Искомое количество электрической энергии при  = 0,9 равно:

 МДж

С использованием ТКГ:

 МДж.

Таблица 4.1 - Тепловой баланс периода плавления ДСП-1


При горении дуг

При горении дуг, с использовании ТКГ

Приход тепла


кКал

%

кКал

%

Теплота вносимая с электроэнергией

334081,2

52,1

324529,2

45,4

Теплота вносимая в печь с шихтой

45467,5

7,1

45467,5

6,4

Теплота экзотермических реакций протекающих в ванне

121907,4

19

121907,4

17

Теплота от окисления графитовых электродов

139554,7

21,8

139554,7

19,5

ТКГ

0

0

83675,52

11,7

Итого

641010,8

100

715134,32

100

Расход тепла


кКал

%

кКал

%

Теплота, пошедшая на нагрев, расплавление, перегрев металла и шлака

356137,2

55,5

523297,7

73,2

Тепловые потери теплопроводностью через футеровку

61923,8

9,7

61923,8

8,65

Тепловые потери с излучением, охлаждающей водой и печными газами.

37545,5

5,9

37545,5

5,25

Теплота, аккумулированная кладкой

9886

1,5

9886

1,4

Потери из-за неполноты трансформации электроэнергии

175518

27,4

82481,5

11,5

Итого

641010,5

100

715134,32

100


Так, при анализе теплового баланса плавок стали в 1-т ДСП установлено, что при использовании ТКГ, (4 кВт·ч/т), тепло, расходуемое на окисления углерода, природного газа, других элементов, повышается на 20%, а расход электроэнергии уменьшается на 7%

Список использованных источников


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Похожие работы на - Топливно-кислородные горелки

 

Не нашли материал для своей работы?
Поможем написать уникальную работу
Без плагиата!