Материал: Расчет дуговых печей

Удельная теплоотдача с поверхности кожуха при температуре 200⁰С q^/₀ = 3680 Вт/м². Это говорит о том, что при принятых в первом приближении ^/₁ и ^/₂ температура t₃ должна быть ниже предварительно принятой. Кроме того, сопоставление значений тепловых сопротивлений δ₁/^/₁ = 0,12 и δ₂/^/₂ = 0,181 показывает, что перепады температуры в огнеупорном и теплоизоляционном слоях футеровки, пропорциональные тепловым сопротивлениям этих слоев, должны быть в отношении около 1:2, а в первом приближении перепады температур были приняты в отношении 1:1,5.

Поэтому для расчета удельных потерь во втором приближении принимаем температуру t^//₃ = 230⁰С и температуру t^//₂ = 900⁰С.

При этих условиях

^//₁ = 13,8 - 7,6·10^-3(1600+900)/2 = 4,3 Вт/(м·⁰С);

^//₂ = 0,5 + 0,36·10^-3(900+230)/2 = 0,703 Вт/(м·⁰С).

Удельные тепловые потери во втором приближении

Удельная теплоотдача с поверхности кожуха при t^//₃ = 230⁰С, q^//₀=5420 Вт/м², что незначительно отличается от значения q^//, поэтому уточнение расчета не требуется. Остается только проверить температуру на границе огнеупорного и теплоизоляционного слоев для того, чтобы убедиться, что на теплоизоляционном слое температура не будет превышать максимальной температуры его применения.

Перепад температуры в огнеупорном слое футеровки

Интересующая температура t₂ = t₁ - ∆t₁ = 1600 - 489 = 1111 ⁰C, что вполне допустимо для легковесного кирпича типа ШЛБ - 1,3.

Внешняя поверхность футеровки подины определяется следующим упрощенным способом.

Принимается, что эта поверхность состоит из двух поверхностей - поверхности F₁ сферического сегмента, равной внешней поверхности футеровки свода S, и цилиндрической поверхности F₂ диаметром D_к и высотой, равной полной высоте подины H_п за вычетом высоты сферического сегмента кожуха свода h_сфер.

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

F_п = F₁ + F₂ = S + π D_к(H_п - h_сфер) = 9,23 + 3,14 · 4,13(1,17 - 0,47) = 9,23+9,07 = 18,3 м².

Q_п = q^// F_п = 4656 18,3 = 85204 Вт = 85,2 кВт.

Искомые суммарные тепловые потери через футеровку

Q_ф = Q_ст + Q_св + Q_п = 163,32+191,2+85,2=439,72 кВт.

4. Определение тепловых потерь через рабочее окно

В дуговой печи потери через рабочее окно составляют заметную долю тепловых потерь. Это объясняется тем, что при значительных размерах оконного проема, принимаемых по условиям обслуживания печи, дверца рабочего окна выполняется водоохлаждаемой; кроме того, для защиты футеровки от разрушения окно обрамляется изнутри П - образной водоохлаждаемой коробкой. В этих условиях тепловые потери излучением через рабочее окно определяются средней температурой излучающей поверхности печной камеры и суммарной тепловоспринимающей поверхностью дверцы и коробки, причем эти потери существуют независимо от того, закрывает ли дверца оконный проем или же проем открыт; в последнем случае тепло в том же количестве излучается не на поверхность дверцы, а в окружающее пространство.

При расчете тепловых потерь излучением следует иметь ввиду, что при наличии водоохлаждаемого обрамления оконного проема коэффициент диафрагмирования отверстия должен приниматься равным 1,0.

Определить тепловые потери излучением через рабочее окно с водоохлаждаемой дверцей дуговой сталеплавильной печи емкостью 12,5 т.

Поверхность, воспринимающая излучение из печной камеры определяется приближенно

F_изл = (B + 2S)(h + s) = (0,6 + 2 · 0,05)(0,6 + 0,05) = 0,455 м².

Среднюю расчетную температуру излучающей поверхности печной камеры для периода расплавления примем равной t = 1450⁰C. По при t = 1450⁰C удельные потери излучением составляют 410 кВт/м². Тогда тепловые потери излучением через рабочее окно

Q_изл = q_изд F_изд = 410 · 0,455 = 186,5 кВт

Для снижения потерь рекомендуется наносить на внутреннюю поверхность водоохлаждаемой дверцы небольшой по толщине (30-50мм) слой огнеупорной обмазке, за счет чего возможно уменьшить тепловые потери излучением через окно в 2-3 раза.

. Тепловые потери с газами

Для определения тепловых потерь с газами необходимо на основании опытных данных знать среднее количество воздуха, подсасываемого в печь в различные периоды плавки.

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

Зная ориентировочное количество подсасываемого в печь воздуха, можно определить тепловые потери с газами

 (12)

где Q_г - расход тепла на нагрев газа, Вт (кВт);

q_г - расход газа, приведенным к нормативным условиям, кг/ч;

c_г - средняя удельная теплоемкость газа в диапазоне температур от t₀ до t_п;

t_п - рабочая температура печи, ⁰С;

t₀ - температура поступающего в печь газа, ⁰С.

Определить тепловые потери с газами дуговой сталеплавильной печи емкостью 12,5т, если подсос холодного воздуха в печь в среднем составляет при нормальных условиях J = 448 м³/ч.

Принимается t_ср выходящих из печи газов 1500 ⁰С, определяем среднюю удельную теплоемкость воздуха. По табл. 1-5 (приложение 1) удельная теплоемкость воздуха c_в при 0 ⁰С составляет 0,278, а при 1000 ⁰С - 0,354 Вт×ч/(кг×⁰С). Интерполируя данные табл. 1-5 получаем удельную теплоемкость воздуха при t_ср = (20+1500)/2 = 760 ⁰С:

Масса проходящего через печь воздуха

,

где g₀ = 1,293 кг/м³ - плотность воздуха при 0 ⁰С.

Искомые тепловые потери с газами

. Тепловые потери в период межплавочного простоя

Во время межплавочного простоя тепловые потери дуговой печи складываются из потерь через футеровку; потерь излучения через окно; потерь с газами; потерь раскрытой печи при загрузке печи и при подвалке.

Первые две составляющие тепловых потерь в первом приближении можно принимать такими же, как и в период расплавления. Потери с газами в период межплавочного простоя обычно не превышает 50% аналогичных потерь периода расплавления. Это объясняется тем, что при отсутствии газовыделения внутри печи в этот период количество отсасываемых от печи газов существенно снижается, в результате чего существенно снижается и количество подсасываемого в печь воздуха. Потери раскрытой под загрузку и подвалку печи обычно относят к неучтенным потерям, так как расчет их связан со значительными трудностями. В первый момент после раскрытия печи под загрузку или подвалку удельная мощность тепловых потерь излучением с внутренних поверхностей ванны и свода, имеющих температуру около 1500 ⁰С, составляет порядка 410 кВт/м². Применительно к размерам печи с суммарной поверхностью излучения 140 м² мощность излучения составляет 63000 кВт. Если бы температура излучающей поверхности сохранялась на уровне 1500 ⁰С в течении 5 минут (время, характерное для верхней механизированной загрузки), то за это время энергия излучения составила бы 4800 кВт×ч. В действительности же, поскольку при раскрытой печи мощность не выделяется, а температура внутренней поверхности быстро падает, вследствие невысокой температуропроводности огнеупорной кладки и мощность излучения также быстро уменьшается.

С учетом сказанного выше тепловые потери печи в период межплавочного простоя определяются следующим образом:

 (13)

где Q_ф - потери через футеровку в период расплавления, кВт;

Q_изл - потери излучением через рабочее окно в период расплавления, кВт; Q_в - потери печи с газами в период расплавления, кВт;

K_н - коэффициент неучтенных потерь, принимаемый в пределах 1,1¸1,2.

Определить мощность тепловых потерь в период межплавочного простоя дуговой печи емкостью 12,5 т.

Коэффициент неучтенных потерь приравнивается равным 1,15. По (13) определяем искомые потери, используя полученные в предыдущих примерах: Q_ф, Q_изл, Q_в

. Энергетический баланс периода расплавления

Суммарное количество электроэнергии, которую необходимо выделить в дуговой сталеплавильной печи в период расплавления, находится из выражения

 (14)

где W_эл - суммарное количество электроэнергии, кВт×ч;

W_полезн - полезная энергия периода расплавления, кВт×ч;

W_экз - энергия экзотермических реакций в период расплавления, кВт×ч;

t_р - длительность периода расплавления, ч;

t_пр - длительность периода межплавочного простоя, ч (если предусмотрена дозагрузка величина t_пр удваивается).

Определить суммарное количество электроэнергии дуговой сталеплавильной печи емкостью 12,5 т.

Для решении задачи необходимо задаваться тремя величинами входящими в (14): t_р, t_пр, W_экз.

У современных сверхмощных дуговой печей большой емкости длительность расплавления может быть принята равной 1,75^{± 0,25} ч. Длительность межплавочного простоя для крупных печей находится в пределах 0,6-0,8 ч. Для нашего случая принимаем в расчете t_пр= 40 мин = 0,667 ч. Энергию экзотермических реакций периода расплавления можно оценить значением, приблизительно равным 20% полезной энергии периода расплавления.

По данным полезная энергия периода расплавления составляет 5390,6 кВт×ч, тогда

искомое количество электроэнергии при h_эл= 0,9 равно:

Удельный расход электроэнергии на 1т жидкого металла

Удельный расход электроэнергии на 1т металлической завалки

. Определение мощности печного трансформатора

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

Средняя активная мощность, которую необходимо выделять в дуговой печи в период расплавления, определяется суммарным расходом электроэнергии и длительность расплавления «под током» (т.е. общей длительностью расплавления за вычетом времени, в течении которого печь не потребляет электроэнергии):

 (15)

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

Зная среднюю активную мощность периода расплавления, можно определить необходимую кажущуюся мощность печного трансформатора S^/

 (16)

где K_исп - коэффициент использования мощности печного трансформатора в период плавления;

Cosj - средний коэффициент мощности дуговой печи в период расплавления.

Для условий работы современных сверхмощных дуговых печей большой емкости средний коэффициент мощности в период расплавления находится в пределах 0,72-0,68.

Определить мощность трансформатора дуговой печи емкостью 12,5 т.

Принимая длительность расплавления под током t_р.т= 1,5 ч определяет среднюю активную мощность печи в период расплавления.

принимая расчетные значения Cosj = 0,7 и K_исп = 0,85, определяет необходимую кажущуюся мощность печного трансформатора

В качестве установленной мощности печного трансформатора следует принять ближайшее стандартное значение кажущейся мощности S = 8000 кВА.

. Выбор напряжения печи и диаметра электрода

В трехфазных дуговых сталеплавильных печах вторичное напряжение трансформатора должно выбираться с учетом мощности трансформатора, размер печного пространства, характера металлургического процесса плавки стали и качества материалов огнеупорной кладки печи.

Для улучшения электрического КПД и коэффициента мощности печи следует стремиться к повышению вторичного напряжения печи U₂, однако при высоких напряжениях излучение длинных открытых дуг может вызвать недопустимые перегревы внутренней поверхности огнеупорной кладки с резким снижением стойкости футеровки стен и свода.

Из сказанного выше следует сделать вывод, что необходимо искать оптимальное решение с учетом регламентации ГОСТа по величинам верхних ступеней вторичного напряжения печных трансформаторов, причем повышение стойкости футеровки может достигаться увеличением размеров печного пространства для удаления поверхности футеровки от теплового излучения дуг и более равномерного облучения футеровки или повышением качества огнеупорных материалов.

По известной установленной мощности и вторичному напряжению на верхней ступени печного трансформатора определяется номинальный линейный ток печи:

 (17)

В подавляющем большинстве дуговых печей применяют графитированные электроды, позволяющие пропускать токи свыше 50 кА в связи с возможностью изготовления электродов диаметром 750, 850, 1000, 1200, 1400, 1700 и 2000 мм.

Диаметр электрода при допустимой плотности тока D = 6¸10 А/см² находится с помощью выражения

 (18)

Выбор диаметра электрода дуговой печи емкостью 12,5 т.

Принимая верхнюю ступень вторичного напряжения U₂=280 В, определяем номинальный ток печи:

Принимая допустимую плотность тока D = 8 А/см², определяем диаметр графитированного электрода

10. Упрощенная методика составления энергетического баланса периода расплавления