Материал: Расчет дуговых печей

Расчет дуговых печей

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Саратовский Государственный Технический Университет им. Гагарина Ю.А.

Кафедра АЭУ

Курсовая работа

по курсу «Дуговые печи и специальные установки»

«Расчет дуговых печей»

Выполнил: Мотасов М.И.

Проверил: Алексеев В.С.

Саратов 2014

Содержание

Введение

. Определение геометрических параметров дуговых печей

. Определение полезной энергии для нагрева и расплавления металла и шлака

. Определение тепловых потерь через футеровку

. Определение тепловых потерь через рабочее окно

. Тепловые потери с газами

. Тепловые потери в период межплавочного простоя

. Энергетический баланс периода расплавления

. Определение мощности печного трансформатора

. Выбор напряжения печи и диаметра электрода

. Упрощенная методика составления энергетического баланса периода расплавления

Заключение

Список использованных источников

Введение

В дуговых электропечах плавят специальные и качественные стали, синтетические и другие шлаки, никелевые сплавы, некоторые виды огнеупоров и в отдельных случаях бескислородную медь.

Наибольшее применение дуговые электропечи нашли для плавки стали.

Современные дуговые сталеплавильные печи работают на 3-х фазном токе с частотой 50 Гц по принципу прямого нагрева, когда электродуги образуются между каждым электродом и металлической завалкой.

Конструктивное исполнение печей зависит от способа загрузки шихты.

Загрузку через рабочее окно производят мульдами при помощи завалочной машины в крупных печах и с помощью загрузочного лотка, поднимаемого и наклоняемого мостовым краном (тельфером) или вручную, в малых печах.

При механизированной загрузке сверху посредством специальной бадьи время загрузки сокращается до 3 - 6 минут вместо 25 - 30 минут при загрузке мульдами; заметно облегчается труд персонала.

При загрузке сверху печь полностью загружается шихтой, при боковой загрузке удается заполнить шихтой не более 70-80% ее объема.

Почти все современные печи емкостью 1,5 т и выше имеют механизированную загрузку сверху. По конструкции такие печи можно разделить на печи с отъезжающей ванной, с передвижным порталом и с поворотным сводом.

Основными характеристиками дуговых сталеплавильных печей считают их номинальные емкости. При заданных емкостях печей режимы их работы определяют электрические параметры - мощности и ступени трансформатора, реактивности реакторов и геометрические - размеры ванн и рабочих пространств. Выбор основных электрических параметров дуговых печей сложен и неоднозначен, так как печи работают в самых разных условиях, проводимые в них технологические процессы также различны.

Дуговая сталеплавильная печь является печью периодического действия, в которой потребление мощности в различные периоды технологического процесса плавки существенно различаются.

Плавка в такой печи состоит из следующих характерных периодов:

) период расплавления;

) окислительный период;

) период рафинировки металла;

) период межплавочного простоя.

Во время расплавления происходит нагрев загрузки (обычно в виде стального лома и скрапа) до температуры плавления и расплавления загрузки. В этот период печь потребляет преобладающую часть электроэнергии, причем чем больше средняя активная мощность печи, тем, при прочих равных условиях, меньше длительность расплавления.

В окислительный период потребляемая печью мощность существенно сокращается, так как необходимый перегрев жидкого металла, а также нагрев и расплавление шлакообразующих материалов в значительной мере осуществляются за счет экзотермических реакций окисления различных элементов в ванне печи, особенно при продувке ванны кислородом.

В ряде случаев начальная стадия окислительного периода совмещается с расплавлением, для чего в печь наряду со стальным ломом загружаются шлакообразующие материалы, и к концу периода расплавления в ванне печи имеется нагретый до требуемой температуры жидкий металл и расплавленный шлак.

В период рафинировки металла печь потребляет энергию, необходимую для расплавления восстановительного шлака, расплавления легирующих добавок, перегрева металла до температуры выпуска и для покрытия потерь. Средняя активная мощность печи в период рафинировки обычно значительно ниже, чем в период расплавления.

В период межплавочного простоя осуществляются различные технологические операции без потребления мощности из сети, а именно: слив металла, заправка футеровки печи и загрузка печи для очередной плавки.

При непрерывном технологическом процессе, характерном для выплавки стали на металлургических заводах, когда плавка производится за плавкой с обычным межплавочным простоем (круглосуточная работа печи), тепловые потери в период межплавочного простоя компенсируются при последующей плавке. В этом случае можно с достаточной для технических расчетов точностью принимать, что компенсация этих потерь происходит в период следующей плавки.

При прерывистом технологическом процессе, например при двухсменной или односменной работе печи с перерывами на выходные дни, что характерно для многих дуговых печей в литейных цехах машиностроительных заводов, потери тепла за время простоя печи обычно компенсируются в течение нескольких последующих плавок. В отдельных случаях практикуется предварительный подогрев частично остывшей футеровки. Для каждого из перечисленных выше периодов плавки может быть составлен свой энергетический баланс со всей совокупностью статей прихода и расхода энергии.

В периоды расплавления, окислительный и рафинировки приход энергии происходит в основном за счет электроэнергии и энергии экзотермических химических реакций (следует также учитывать теплосодержание загружаемых в печь материалов), а статьями расхода энергии являются:

) полезное тепло на нагрев и расплавление металла, шлака, а также легирующих элементов и вспомогательных добавок;

) тепловые потери печи за соответствующий период плавки;

) тепловые потери печи за предшествующий период плавки, если эти потери не были компенсированы в тот период;

) потери энергии на разогрев футеровки до установившегося теплового режима (при прерывистом режиме работы печи с существенным охлаждением футеровки во время длительного простоя или на первых плавках после смены футеровки при непрерывном процессе работы печи);

) электрические потери установки печи.

В период обычного межплавочного простоя прихода энергии в печи нет, а расход энергии есть в результате тепловых потерь.

Лишь в отдельных случаях при длительных межплавочных простоях печи с существенным охлаждением футеровки в этот период подводится энергия для частичной или полной компенсации тепловых потерь (за счет электроэнергии или за счет тепловой, например, с помощью топливно-кислородных горелок).

Строгий энергетический баланс каждого периода плавки составляется с учетом материального баланса соответствующего периода, что дает возможность определить теплосодержание всех вносимых в печь материалов, полезный расход энергии, приход и расход тепла за счет химических реакций, а по итоговым расходным показателям - рассчитать удельный расход электроэнергии и всей энергии на единицу массы выплавляемого в печи металла.

Сводный энергетический баланс плавки в целом получается суммированием всех статей прихода и расхода энергии за все периоды плавки.

Составление материально-энергетического баланса плавки дуговой печи представляет собой трудоемкую работу, которая может быть выполнена только на действующей печи, причем достоверность полученных результатов зависит от ряда факторов. В том числе от количества балансовых плавок, проведенных в равных условиях.

При проектировании дуговой сталеплавильной печи обычно составляется расчетный энергетический баланс только для периода расплавления и по результатам этого баланса определяется необходимая мощность печного трансформатора, длительность расплавления и удельный расход электроэнергии в период расплавления, то есть важнейшие параметры печи, определяющие ее производительность и технико-экономическую эффективность.

Для оценки основных параметров и показателей действующей дуговой сталеплавильной печи необходимо и достаточно использовать статистические данные значительного количества плавок по следующим показателям:

) расходу активной и реактивной электроэнергии в период расплавления и за всю плавку;

) длительности периода расплавления и всей плавки;

) массе загруженного в печь скрапа, массе жидкого металла и по выходу готового металла.

1. Определение геометрических параметров дуговых печей

Наиболее распространенным типом ванны трехфазной дуговой печи является сфероконическая ванна с углом между образующей и осью конуса, равным 45⁰.

Для вывода этих зависимостей вводятся обозначения:

D - диаметр зеркала жидкого металла, мм;

D_ш - диаметр зеркала шлака, мм;

D_п - диаметр ванны на уровне порога рабочего окна, мм;

D_от - диаметр ванны на уровне откосов, мм;

D_ст - внутренний диаметр футеровки стены, мм;

V - объем жидкого металла, м³;

V_ш - объем шлака, м³;

v - удельный объем металла, м³/т;

H - глубина ванны по металлу, мм;

H_ш - высота слоя шлака, мм;

H_п - высота плавильного пространства от уровня откосов до верха стены, мм; H_с - высота сферического сегмента, мм;

C - коэффициент, зависящий от соотношения D/H;

а - коэффициент, равный соотношению D/H.

Для такой ванны диаметр зеркала жидкого металла, определяется из соотношения

 (1)

Высота сферического сегмента H_с обычно принимается равной 20% общей глубины жидкого металла. Для этого наиболее распространенного случая коэффициент С определяется по формуле

 (2)

где a = D/H

В диапазоне практически возможных значений а = 4 - 7 коэффициент С принимает следующие значения:

При высоте сферического сегмента H_с увеличенной до 25% общей глубины жидкого металла С определяется по формуле

 (3)

Диаметр зеркала металла можно определить также, исходя из заданной глубины металла H. Для сфероконической ванны с углом конуса 45⁰ и глубиной сферического сегмента H_с = 0,2H диаметр зеркала определяется по формуле

 (4)

Объем жидкого металла определяется из удельного объема жидкого металла и заданной емкости печи:

 (5)

Для жидкой стали расчетный удельный объем обычно принимается 0,145 м³/т.

Над жидким металлом в ванне должно быть оставлено пространство для шлака, объем которого обычно принимается в % объема жидкого металла. Высота слоя шлака упрощенно определяется из соотношения

 (6)

Определить внутренние и внешние размеры печной камеры дуговой сталеплавильной печи номинальной емкостью 12,5 т.

Определить объем жидкого металла в количестве, равном номинальной емкости печи:

где v - удельный объем жидкой стали 0,145м³/т.

Для сфероконической ванны отношение диаметра зеркала расплава к глубине ванны металла а = 5,25. Тогда коэффициент С по (2) равен:

по (1) диаметр зеркала расплава

Глубина ванны по жидкому металлу

Расчетный объем шлака принимаем равным 10% объема расплава:

Высота слоя шлака по (6)

Диаметр зеркала шлака

Диаметр ванны на уровне порога рабочего окна выбираем с таким расчетом, чтобы уровень порога был на 40 мм выше уровня зеркала шлака:

Уровень откосов принимаем на 65 мм выше уровня порога рабочего окна. Тогда диаметр ванны на уровне откосов

Внутренний диаметр футеровки стены D_ст принимаем на 200 мм больше диаметра ванны на уровне откосов, чтобы защитить основание стены от разрушения при размывании откосов шлаком, а также несколько отдалить стены от источников высокотемпературного излучения - электродуг

Высоту плавильного пространства от уровня откосов до верха стены принимаем равной:

Толщину футеровки стены на уровне откосов принимаем равной 500мм из расчета выкладки основания стены динасовым кирпичом длиной 460 мм с засыпкой 40 мм зазора между кирпичной кладкой и кожухом печи, например, крошкой из отходов магнезитовой кладки. Эта засыпка выполняет роль демпферного слоя, компенсирующего тепловое расширение кирпичной кладки стены. С точки зрения теплоизоляционного эффекта роль засыпки незначительна, причем чем выше теплопроводность засыпки, тем легче условия работы огнеупорной кладки стены. Ввиду этого в качестве материала засыпки можно использовать крошку из отходов графитированных электродов.

Внутренний диаметр кожуха

При цилиндрическом кожухе целесообразно выполнение вертикальной стены уступами с постепенным уменьшением толщины стены от основания до верха. Исходя из стандартных размеров длины огнеупорных кирпичей 300, 380 и 460 мм принимаем три размера толщины стены, включая слой засыпки: 500 мм в нижней части, 420 мм в средней и 340 мм в верхней части .

Свод выполняется из магнезитохромитового кирпича длиной 230 мм без дополнительной тепловой изоляции. Стрела пролета купольного свода принимается равной 15% внутреннего диаметра свода.

Для футеровки подины намечаем следующую конструкцию: теплоизоляционное основание из легковесного шамота суммарной толщиной 130 мм (два слоя «на плашку»), огнеупорная кладка из магнезитового кирпича суммарной толщиной 345 мм (три слоя «на ребро») и огнеупорная набивка толщиной 125 мм из магнезитового порошка со связующим в виде смеси смолы и пека.

Исходя из условий загрузки в печь мульдами шлакообразующих и легирующих материалов, размеры рабочего окна можно принять b x h = 600 x 600мм. Боковые поверхности и верх оконного проема обрамляются П-образной водоохлаждаемой рамой. Заслонка рабочего окна выполняется в виде водоохлаждаемой нефутерованной коробки.