Расчет и разработка конструкции дуговой сталеплавильной печи

Обновлено: 04.05.2024

Расчет и разработка конструкции дуговой сталеплавильной печи

Белорусский национальный технический университет
Кафедра: «Металлургические технологии»
Курсовой проект по дисциплине «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика»
Тема: Расчет и разработка конструкции дуговой сталеплавильной печи
Минск 2016

Исходные данные: Сталь 20, Возврат 90%, ёмкость 25т
В данном курсовом проекте рассчитывается дуговая сталеплавильная печь ёмкостью 25 тонн.

ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ 6
1.1 Общее описание дуговой электропечи 6
1.2 Шихтовые материалы 6
1.3 Плавка стали в основной печи 8
2 РАСЧЁТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА 17
3 РАСЧЁТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ 26
3.1 Определение геометрических параметров 26
3.2 Конструкция футеровки ДСП 30
4 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА 35
5 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 48

Состав: Дугова сталеплавильная печь (ВО), Разрез печи (ВО), Механизм удержания электродов (ВО), ПЗ

Расчет и разработка конструкции дуговой сталеплавильной печи

Анализ особенностей плавки в дуговых печах: заправка, окислительный и восстановительный периоды. Изучение химического состава шихтовых материалов, материального баланса плавки. Расчет конструкции дуговой сталеплавильной печи, ее энергетического баланса.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 28.12.2014
Размер файла 566,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Содержание

1. Технология плавки

2. Расчет материального баланса

3. Расчет дуговой сталеплавильной печи

3.1 Определение геометрических размеров

3.2 Конструкция футеровки ДСП

4. Энергетический баланс ДСП

5. Отвод и очистка печных газов

6. Техника безопасности при работе печи

Список используемой литературы

Введение

Существенным отличием получения стали в дуговых печах является возможность получения в плавильном пространстве восстановительной или нейтральной атмосферы и различного давления.

Восстановительная атмосфера в электродуговых печах позволяет получить шлак, содержащий в конце плавки не более 1% FeO, что примерно в 10 раз меньше, чем в обычном шлаке мартеновской печи.

Другим отличием является отсутствие в атмосфере печи кислорода. Поэтому ведение окислительных процессов возможно только за счет внешнего кислорода, источниками которого могут быть железная руда и газообразный кислород, вдуваемый в ванну.

По этой же причине имеют место меньшие потери металла на угар.

Возможность ведения плавки на шлаке с более высокой температурой плавления и перегрева в условиях основного процесса облегчает осуществление десульфурации. При основном процессе плавки обеспечиваются все условия, необходимые для получения стали с минимальным содержанием серы.

В тоже время процесс дефосфорации в электродуговых печах хуже.

В электродуговых печах имеются благоприятные условия для переплава высоколегированных отходов. Здесь потери дефицитных легирующих элементов минимальны.

Особенностью выплавки стали в электродуговых печах является возможность работы с одним шлаком, без специального восстановительного периода. Это значительно сокращает продолжительность плавки, расход электроэнергии и улучшает все технико-экономические показатели процесса.

В процессе электроплавки конечный результат предопределяется в основном взаимодействии двух фаз - металлической и шлаковой. В остальных процессах тремя металлической, газовой и шлаковой

Поэтому с точки зрения возможности использования влияния физико-химических факторов на конечные результаты электроплавка является более совершенной. Практически значительное количество дефектов в отливках и слитках из легированных сталей получается из-за плохого качества металла или вызываются и усугубляются четырьмя вредными примесями: кислородом, серой, водородом и фосфором. Электроплавка является наиболее гибким процессом для борьбы с тремя примесями: кислородом, серой и водородом.

Основное преимущество дуговой печи заключается в возможности раскисления и обессеривания металла и легкости его перегрева, поэтому в целях удешевления процесса иногда применяют так называемый «дуплекс-процесс», при котором расплавление скрапа и окисление ведут в более дешевом плавильном аппарате-мартеновской печи, а затем жидкий металл переливают в дуговую печь для рафинирования и доводки до нужного состава. Реже применяют дуплекс-процесс «конвертор-электропечь».

При дуплекс-процессах мощность печи может быть меньше, чем при работе на твердой завалке, так как расплавление скрапа в этом случае отсутствует. Проводящиеся время от времени плавки на твердой завалке выполняют при уменьшенном весе шихты; они из-за меньшей мощности более длительны, но так как проводятся не часто (главным образом после ремонта футеровки), то их удлинение не является существенным. Электрический режим печей, работающих на жидкой завалке, также значительно спокойнее. При наличии жидкого металла, покрытого слоем шлака, дуга горит более стабильный и отсутствуют короткие замыкания из-за обвалов шихты.

Электродуговая печь может быть остановлена или пущена в эксплуатацию в любое время, удобное для производства, и при любом режиме работы.

Капитальные затраты на установку электродуговых печей в среднем на 40% меньше, чем на установку мартеновских печей аналогичной производительности.

1. Технология плавки

Плавка в дуговой печи начинается с заправки печи. Жидкоподвижные нагретые шлаки сильно разъедают футеровку, которая может быть повреждена и при загрузке. Если подина печи во время не будет закрыта слоем жидкого металла и шлака, то она может быть повреждена дугами. Поэтому перед началом плавки производят ремонт - заправку подины. Перед заправкой с поверхности подины удаляют остатки шлака и металла. На поврежденные места подины и откосов - места перехода подины в стены печи - забрасывают сухой магнезитовый порошок, а в случае больших повреждений - порошок с добавкой пека или смолы.

Заправку производят заправочной машиной, выбрасывающей через. насадку при помощи сжатого воздуха заправочные материалы, или, разбрасывающей материалы по окружности с быстро вращающегося диска, который опускается в открытую печь сверху.

Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную ее часть ближе к электродам загружают крупные куски (40 %), ближе к откосам средний лом (45%), на подину и на верх загрузки мелкий лом (15%). Мелкие куски должны заполнять промежутки между крупными кусками.

Выплавка сталей включает следующие операции: расплавление металла, удаление содержащихся в нем вредных примесей и газов, раскисление металла, и выливание его из печи в ковш для разливки по изложницам или формам. Значение этих операций и требования, которые они предъявляют к дуговой печи, могут быть весьма различными.

Расплавление скрапа необходимо вести по возможности скорее и с минимальным расходом энергии. Зачастую длительность его превосходит половину продолжительности всей плавки и при этом расходуется 60-80% всей электроэнергии. Характерной особенностью периода является неспокойный электрический режим печи. Горящая между концом электрода и холодным металлом дуга нестабильна, ее длина невелика и сравнительно небольшие изменения в положении электрода или металла (обвал, сдвиг подплавленного куска скрапа) вызывают либо обрыв дуги, либо, наоборот, короткое замыкание. Ход плавления шихты в дуговой печи иллюстрируется рис.1. Дуга загорается сначала между концом электрода и поверхностью шихты (рис.1, а), причем для повышения ее устойчивости в первые минуты под электроды обычно подкладывают куски кокса или электродного боя.

Рис. 1. Этапы плавления шихты

а - начало плавления; б - опускание электрода; в - подъем электрода; с - окончание плавления

После сгорания последних начинает подплавляться металл и каплями стекать на подину. В шихте образуются колодцы, в которые углубляются опускающиеся электроды (рис.16) до тех пор, пока они не достигнут подины, на которой во избежание перегрева ее к этому моменту должна быть образована лужа расплавленного металла (рис.1в). Когда электроды проплавляют в шихте 3 колодца, свод и электроды приподнимаются. Печь поворачивается сначала в одну сторону на 40 градусов и проплавляются колодцы в новых местах, затем в другую сторону на 80 градусов и таким образом проплавляется 9 колоцев.Это самый беспокойный, неустойчивый период горения дуги; подплавляемые куски шихты падают на электрод, закорачивая дугу опускании куска шихты под торцом электрода может, наоборот, наступить обрыв тока. Горящая между электродом и расплавленным металлом дуга перегревает металл: начинается размыв и расплавление шихты, окружающей колодцы. Колодцы расширяются, уровень жидкого металла в ванне начинает повышаться, а электроды-подниматься (рис.1в). В конце этого периода почти весь металл оказывается расплавленным; остаются лишь отдельные куски шихты на откосах («настыли», рис.1г), расплавляющиеся последними. Чтобы не затягивать период расплавления, обычно эти «настыли» сбрасывают ломом в глубь ванны. Период расплавления считают законченным, когда весь металл в печи перешел в жидкое состояние. К этому моменту режим горения дуги становится более спокойным, так как температура в печи выше, поверхность металла покрыта слоем шлака, образованным заброшенными в печь в период расплавления кусками извести и всплывающими окислами; длина дуги по сравнению с началом расплавления увеличивается в несколько раз дуга горит устойчивее, количество толчков тока и обрывов уменьшается.

Окислительный период

После окончания периода расплавления начинается окислительный период, задачи которого заключаются в следующем: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; удаление неметаллических включений, нагрев стали. Окислительный период плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в печь порциями. В результате присадки руды происходит насыщение шлака FeO и окисление металла по реакции: (FeO)=Fe+[O]. Растворенный кислород взаимодействует с растворенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение пузырей CO, которые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительный период на металле наводят известковый шлак с хорошей жидкоподвижностью, то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уровень шлака становится выше порога рабочего окна и шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, наклоняя печь в сторону рабочего окна на небольшой угол. Шлак стекает в шлаковик, стоящий под рабочей площадкой цеха. За время окислительного периода окисляют 0,3--0,6 % C со средней скоростью 0,3--0,5 % С/ч. Для обновления состава шлака одновременно с рудой в печь добавляют известь и небольшие количества плавикового шпата для обеспечения жидкоподвижности шлака. Непрерывное окисление ванны и скачивание окислительного известкового шлака являются непременными условиями удаления из стали фосфора.

Для протекания реакции окисления фосфора 2[P]+5[O]=(P2O5); (Р2O5)+4(СаО)=(СаО)4*P2O5 необходимы высокое содержание кислорода в металле и шлаке, повышенное содержание CaO в шлаке и пониженная температура.

В электропечи первые два условия полностью выполняются. Выполнение последнего условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так как шлак, насыщенный (СаО)4*P2O5 скачивается из печи. По ходу окислительного периода происходит дегазация стали--удаление из нее водорода и азота, которые выделяются в пузыри СО, проходящие через металл.

Выделение пузырьков СО сопровождается также и удалением из металла неметаллических включений, которые выносятся на поверхность потоками металла или поднимаются наверх вместе с пузырьками газа. Хорошее кипение ванны обеспечивает перемешивание металла, выравнивание температуры и состава.

Окислительный период заканчивается, когда содержание углерода становится ниже заданного предела, содержание фосфора 0,010%, температура металла несколько выше температуры выпуска стали из печи. В конце окислительного периода шлак стараются полностью убирать из печи, скачивая его с поверхности металла.

Восстановительный период плавки

После скачивания окислительного шлака начинается восстановительный период плавки. Задачами восстановительного периода плавки являются: раскисление металла, удаление серы, корректирование химического состава стали, регулирование температуры ванны, подготовка жидкоподвижного хорошо раскисленного шлака для обработки металла во время выпуска из печи в ковш. Раскисление ванны, т. е. удаление растворенного в ней кислорода, осуществляют присадкой раскислителей в металл и на шлак. В начале восстановительного периода металл покрывается слоем шлака. Для этого в печь присаживают шлакообразующие смеси на основе извести с добавками плавикового шпата, шамотного боя, кварцита. В качестве раскислителей обычно используют ферромарганец, ферросилиций, алюминий. При введении раскислителей происходят следующие реакции:

[Mn]+[O]=(MnO); [Si]+2 [О] = (SiO2); 2[Al]+ 3[O]=(Al2O3).

В результате процессов раскисления большая часть растворенного кислорода связывается в оксиды и удаляется из ванны в виде нерастворимых в металле неметаллических включений. Процесс этот протекает достаточно быстро и продолжительность восстановительного периода в основном определяется временем, необходимым для образования подвижного шлака. В малых и средних печах при выплавке ответственных марок сталей продолжают применять метод диффузионного раскисления стали через шлак, когда раскислители в виде молотого электродного боя, порошка ферросилиция присаживают на шлак. Содержание кислорода в шлаке понижается и в соответствии с законом распределения, кислород из металла переходит в шлак. Метод этот, хотя и не оставляет в металле оксидных неметаллических включений, требует значительно большей затраты времени. В восстановительный период плавки, а также при выпуске стали под слоем шлака, когда происходит хорошее перемешивание металла со шлаком, активно происходит десульфурация металла по уравнению FeS + CaO=FeO+ CaS. Этому способствует хорошее раскисление стали и шлака, высокое содержание извести в шлаке и высокая температура.

В ходе восстановительного периода вводят легирующие - ферротитан, феррохром и др., а некоторые, например никель, присаживают вместе с шихтой. Никель не окисляется и не теряется при плавке. Добавки тугоплавких ферровольфрама, феррониобия производят в начале рафинирования, так как нужно значительное время для их расплавления.

В настоящее время большинство операций восстановительного периода переносят из печи в ковш. Присаживают по ходу выпуска раскислители. Целью восстановительного периода является обеспечение нагрева стали до заданной температуры и создание шлака, десульфурирующая способность которого используется при совместном выпуске из печи вместе со сталью.

2. Расчет материального баланса

Химический состав компонентов шихты и стали в конце периода окисления приведены в таблице 1.

Расчет дуговой сталеплавильной печи

Описание конструкции и работы дуговой сталеплавильной печи. Выбор огнеупорной вкладки ДСП. Состав чугуна, скрапа и средний состав шихты. Материальный баланс периода расплавления. Определение основных размеров печи. Коэффициент теплопроводности материалов.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 16.02.2015
Размер файла 82,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Электросталеплавильному способу принадлежит ведущая роль в производстве качественной и высококачественной стали. Благодаря ряду принципиальных особенностей этот способ приспособлен для получения разнообразного по составу высококачественного металла с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей с высоким содержанием легирующих элементов - хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, вольфрама, ванадия, титана, циркония и других элементов, придающих стали особые свойства.

Преимущества электроплавки, по сравнению с другими способами сталеплавильного производства, связаны с использованием для нагрева металла электрической энергии.

Выделение тепла в электропечах происходит либо в нагреваемом металле, либо в непосредственной близости от его поверхности. Это позволяет в сравнительно небольшом объеме сконцентрировать значительную мощность и нагревать металл с большой скоростью до высоких температур.

Электроплавку можно производить в любом атмосфере - окислительной, восстановительной или нейтральной, и в широком диапазоне давлений - в условиях вакуума, при атмосферном или избыточном давлении.

1.1 Описание конструкции и работы дуговой сталеплавильной печи

Форму и размеры плавильного пространства выбирают такими, чтобы оптимально сочетались требования и технологии, и теплообмена. Весь плавильный объем дуговой электропечи делится на три составляющих: ванну, свободное и подсводовое пространство. Форма ванны обеспечивает минимум тепловых потерь, хорошие условия для протекания физико-химических процессов между металлом и шлаком и для заправки поврежденных участков футеровки печи.

Основным фактором, определяющим главные конструктивные особенности печи, является способ загрузки металлического лома. Существуют два способа загрузки шихты: через рабочее окно мульдами и сверху через открытый свод загрузочными корзинами (бадьями). Загрузка сверху имеет ряд преимуществ, поэтому все современные печи приспособлены для загрузки шихты сверху. Наиболее распространение получили электропечи с поворотным сводом.

Корпус электропечи включает кожух, днище и сливной носок. Кожух - это часть корпуса, расположенная выше порога рабочего окна. Форма кожуха определяет профиль рабочего пространства печи, следовательно, стойкость футеровки стен и свода, а также величину тепловых потерь через стены свод.

Кожухи выполняют цилиндрическими, ступенчатыми, коническими с «прямой» и «обратной» конусностью, бочкообразными и цилиндроконическими.

Кожух выполняют сварными из листовой стали марки Ст3 толщиной листа от 16 до 40 мм.

Часть корпуса печи, расположенную ниже порога рабочего окна, относят к днищу. Разъем корпуса может быть выполнен по уровню порога, несколько выше или несколько ниже его. Наиболее рациональный формой днища является сферическая. Кожух современных печей, как правило, выполняется цилиндрической формы со сферическим днищем .

Корпус печи оснащен рабочим окном, для осмотра рабочего пр-ва печи, удаления шлака и выполнения различных технологических операций.

Частями рабочего окна являются окно и заслонка с механизмом подъема, которые представляют собой сварные трубчатые водоохлаждаемые конструкции.

Жидкий металл сливают через круглые d=120-150мм или прямоугольное (150x150мм) отверстие (летку), закрываемое на время плавки огнеупорным материалом.

Сливают желоб (носок) на ДСП с разъемным корпусом крепят к днищу болтами.

Свод, закрывающий рабочее пространство ДСП, устанавливают корпус, свод имеет отверстие для ввода графитированных электродов, а также для отвода печных газов.

Сводовое кольцо необходимо для крепления кирпичной футеровки купольного свода. На современных ДСП изменяют сварные водоохлаждаемые сводовые кольца.

Свод устанавливают на песочный затвор корпуса, приваренных к сводовому кольцу кольцевой «нож» входит в песочный затвор, уплотняет стык между сводом и корпусом ДСП.

Люлька является основной несущей конструкцией печи и выполнена в виде горизонтальной сварной коробчатой плите с двумя опорными сегментами внизу. На люльке расположены опорные тумбы (опора кожуха) и поворотная тумба (опора свода и электродов и относящихся к ним механизмов). Через сегменты люльки печь опирается на фундаментные балки опор печи; качанием люльки обеспечивает так же наклон печи.

Опора кожуха на люльке и его вращение обеспечиваются с помощью опорных тумб люльки. К нижней части кожуха прикреплен кольцевой рельс, опирающийся на опорные ролики и упорные ролики, закрепленные в тумбе; упорные ролики предотвращают горизонтальное смещение кожуха.

Механизм поворота кожуха предназначена для поворота печи вокруг вертикальной оси на 40° в одну и другую сторону относительно нормального положения.

Механизм подъема свода обеспечивает его подъем на 250-300 мм перед отворотом при загрузке шихты. Свод с помощью подвешен к полупорталу, выполненному в виде двух Г-образных стоек, связанных сверху поперечной балкой. Перемещение цепей и свода обеспечивает электромеханический привод. Полупортал и привод установлены на поворотной тумбе люльки.

Механизм поворота свода с электродами предназначен для открывания рабочего пространства печи при загрузке шихты.

Свод с электродами поворачивают на угол в 80° путем вращения поворотной тумбы, на которой закреплены полупортал со сводом и стойки электрододержателей .

Механизм наклона предназначен для наклона печи при сливе металла и шлака. Для слива металла печь наклоняют в сторону сливного желоба на угол до 45°, для слива шлака - в сторону рабочего окна на угол до 15°.

Применяют нижние механизмы наклона с электрическим или гидравлическим приводом. К каждому из двух сегментов люльки шарнирно крепится рейка, связанная с электромеханическим приводом. При перемещение реек опорные сегменты перекатываются по горизонтальным балкам опор печи.

Процесс плавки в дуговой печи делится на два различных по потреблению электроэнергии этапа: первый включает период плавления, второй - окислительный и восстановительный период. В период плавления расход электроэнергии составляет 400-480 кВт·ч/т; с тем чтобы сократить длительность плавления в печь подводят максимальную мощность. После расплавления металла потребность в подводимой мощности резко снижается. Во время окислительного периода подводимая мощность должна обеспечить нагрев металла до температуры выпуска компенсацию теплопотерь, а в восстановительный период преимущественно поддержание температуры металла на необходимом уровне и компенсацию теплопотерь. Расход электроэнергии во время окислительного и восстановительного периода примерно в два раза ниже, чем за период плавления.

Подводимую к печи мощность регулируют путем переключения ступеней напряжения полного трансформатора. В период плавления работают на высших ступенях напряжения, в окислительный период - на средних, и в восстановительной - на низких, что обеспечивает уменьшение подводимой мощности.

1.2 Выбор огнеупорной вкладки ДСП

Футеровка дуговой печи подвергается воздействию излучения электрических дуг, ударам кусков пихты при загрузке, разъедающему воздействию шлака и металла и термических напряжений, возникающих при резких колебаниях температуры во время завалки. Футеровка свода испытывает дополнительные нагрузки, вызываемые распорными усилиями арочного свода. Поэтому применяемые огнеупоры должны обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью, прочностью и шлакоустойчивостью.

Подина основной печи состоит из изоляционного и рабочего слоев. Изоляционный слой выкладывают на металлическое днище кожуха, покрытое слоем листового асбеста, выравнивающий слой шамотного порошка и слой кладки из шамотного кирпича.

Толщина изоляционного слоя до 190 мм. Рабочий слой включает кладку нескольких рядов магнезистого кирпича толщиной до 575 мм и верхний набивной слой из магнезистового порошка толщиной 100-190 мм, который после спекания представляет собой монолитную массу.

Стойкость пода составляет 2000-8000 плавок и обычно не лимитирует работу печи.

Изнашивающийся набивной рабочий слой обновляют после каждой плавки, заправляя магнезитовым порошком.

Футеровку стен выполняют без слоя теплоизоляционной кладки целиком из основных кирпичей (магнезитохромитового, хромомагнезитового, магнезитового), который укладывают на футеровку откосов. Чтобы шлак не размывал кирпичные стенки, стык стенок с откосами (уровень откосов) делают на 75-150 мм выше уровня порога рабочего окна. Толщина стенок в нижней части составляет 300-575 мм. Стойкость футеровки стен 75-350 плавок

Еще большее увеличение стойкости стен достигнуто в результате применения водоохлаждаемых элементов (панелей).

Водоохлаждаемые панели обычно применяют двух типов: плоские пустотелые и трубчатые в виде змеевика; их устанавливают вместо футеровки стен печи несколько выше откосов, заменяя всю футеровку или ее часть.

На поверхности панелей, обращенной внутрь печи, имеются шипы или ребра. Они удерживают наносимую на панель огнеупорную массу, а в процессе службы обеспечивают образование слоя шлакового гарниссажа. Стойкость панели достигает 7000 плавок.

Свод основных печей выкладывают из магнезитохромитового кирпича. Толщина свода составляет 230-460 мм.

Свод набирают из прямого и клинового кирпича на выпуклом шаблоне. При наборке свода в кладке оставляют три отверстия для пропускания электродов и отверстия для отвода печных газов. Стойкость свода составляет 125-225 плавок. Для кладки свода применяют так же высокоглиноземистые огнеупоры, отличающиеся повышенной термостойкостью.

Водоохлаждаемый свод находит все более широкое применение в связи с малой стойкостью сводов из огнеупорного кирпича. Водоохлаждаемые своды выполняют комбинированными - периферийную часть поверхности свода делают водоохлаждаемой, а центральную часть, во избежание возможного короткого замыкания между электродом и корпуса через свод, выполняют из огнеупорного кирпича.

2. Специальная часть

2.1 Материальный баланс

Расчет дуговой сталеплавильной печи производится для периода расплавления с подвалкой, так как в этот период электропечь потребляет большую часть электроэнергии.

Для выплавки стали марки сталь 10 используется шихта, содержащая 15% чугуна и 85% скрапа.

Расчет и разработка конструкции дуговой сталеплавильной печи

Теплота, аккумулированная кладкой.

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

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

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

Принимая коэффициент неучтенных тепловых потерь определяем искомые потери:

^ Электрический расчёт печи.

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

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;

Искомое количество электрической энергии при = 0,9 равно:

МДж.
^ Определение мощности печного трансформатора.

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

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

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

Принимая длительность расплавления «под током» =1,75ч, определяем среднюю активную мощность печи в период расплавления:

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

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

- средний коэффициент мощности электропечной установки в период расплавления.

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

В качестве установленной мощности печного трансформатора принимают номинальную мощность печного трансформатора равной

Расчет и разработка конструкции дуговой сталеплавильной печи

Исходя из данных, приведенных в таблице 9, принимаем общую толщину подины 600 мм. 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 105 мм (один слоя «на плашку»).

Средний огнеупорный слой выполняется из магнезита марки МУ-91 суммарной толщиной 395 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.

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

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

Таблица 10 – Толщина огнеупорной кладки стен ДСП

Толщину футеровки стены на уровне откосов принимаем равной 445 мм (445 мм 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: 445 мм в нижней части, 365 мм в средней части и 300 мм в верхней части.

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

и его цилиндрической части:

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:

В обшивке кожуха вырезают отверстия для летки и рабочего окна.

Рабочее окно печи имеет размеры:

Стрела выпуклости арки рабочего окна

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 11 – Толщина футеровки свода ДСП

Свод выполняется из магнезитохромитового кирпича марки МХСП длиной 380мм 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.

Стрела выпуклости свода зависит от материала и пролета (диаметра) свода. Из соображения строительной прочности рекомендуется:
Таблица 12 – Геометрические параметры свода в зависимости от материала футеровки

Стрела выпуклости свода равна:

При этом высота центральной части свода над уровнем откосов составит:

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 13 – Величины для различных ДСП

На основании данных таблицы 13 принимаем отношение:


^ 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:

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 ). Эта статья для печей одной емкости составляет 60 – 80 %.

Теплота вносимая в печь с шихтой определяется по формуле:

где – масса жидкого чугуна вносимого в печь, кг;

и – теплоёмкость и температура жидкого чугуна соответственно.

Теплота экзотермических реакций определяется только по материальному балансу:

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:

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

= 27 МДж/кг – тепловой эффект окисления графита до СО2;
^ 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.

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:

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.

Энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева шлака:

Суммарная полезная энергия периода расплавления:

МДж.
^ Определение тепловых потерь через футеровку .

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

В соответствии с конструкцией футеровки ДСП стена имеет три равных по высоте участка разной толщины: 460 мм на нижнем, 380 мм на среднем и 300мм на верхнем участке. Материал огнеупорной кладки – магнезитохромит. Демпферный слой засыпки в расчет не вводим, полагая, что его тепловым сопротивлением можно пренебречь.

При работе ДСП огнеупорная кладка стен и свода с каждой плавкой изнашивается и утончается. Принимая, что к концу компании кладка может износиться на 50 % первоначальной ее толщины, 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:

Коэффициент теплопроводности магнезитохромитового кирпича:

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

где = 31,35 Вт/(м 2 К) – коэффициент теплоотдачи с поверхности кожуха.

Уточняем температуру по формуле:

Относительная погрешность равна:

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

При этих условиях:

Толщина верхнего участка стены:

Задаемся температурой кожуха ºС и определяем коэффициент теплопроводности:

Тепловой поток через стенку равен:

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

Расчетная внешняя поверхность каждого участка стен равна:

м 2 .
Суммарные тепловые потери через стены:

Вт.
^ 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:

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

Вт.
^ Тепловые потери через футеровку подины ниже уровня откосов.

При конструировании подины было принято, что огнеупорная часть подины выполняется из 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 105 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 145 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/(м 2 К).

Удельные тепловые потери в первом приближении:

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:

Тепловые потери через футеровку подины:

Суммарные потери теплоты теплопроводностью через футеровку за период плавления равны:

МДж.
^ Тепловые потери через рабочее окно.

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

Площадь рабочего окна равна:

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

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

МДж.
где Вт/(м 2 К) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

– коэффициент диафрагмирования отверстия;

– средняя температура в печи, К;

– площадь рабочего окна, м 2 ;

– время, в течение которого окно открыто, ч.
^ Тепловые потери с газами.

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

Принимаем теплоемкость газов приблизительно равной теплоемкости воздуха.

Принимая среднюю температуру печных газов ºС, то теплоемкость воздуха .

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

где - объем уходящих газов, м 3 ; (из материального баланса)

- средняя теплоемкость газов, Вт/(м 3 º ^ С);

- средняя температура уходящих газов, ºС ;
Потери теплоты с охлаждающей водой.

Потери теплоты с охлаждающей водой рассчитываются по формуле:

где - расход воды через водоохлаждаемые элементы;

- теплоемкость воды, Дж/(м 3 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:
=160 + 15631 + 456 =16247 МДж.

Читайте также: