Лекция: Расчет теплового баланса электрической печи

Расчет теплового баланса электрической печи

Цель работы: Ознакомить студентов расчетам теплового баланса электрической печи.

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

W_эл = W_полез + (q_ф + q_изл + q_г) _р + q_{ф пр} - W_экз, (1)

где, q_ф - тепловые потери через футеровку, Вт;

q_изл - тепловые потери излучением через рабочее окно в период расплавления, Вт;

q_г - тепловые потери с газами в период расплавления, Вт;

_р - время расплавления, с;

_пр - время межплавочного простоя, с;

W_экз - энергия экзотермических реакций в период расплавления, Вт·с;

W_полез - полезная энергия на нагрев и расплавление металла, шлака.

В случае получения сплавов, легированных другими металлами, следует учитывать энергию на их расплавление, Вт·с:

W_полез = с ₁ (t_пл - t₀) + q + с ₂ (t_пер - t_пл), (2)

где, с ₁-средняя удельная теплоемкость материала, Дж/(кг·°С);

t_пл - температура плавления, °С;

t₀ - начальная температура, °С;

q - теплота плавления, Дж/кг;

с ₂ - средняя удельная теплоемкость жидкого металла, Дж/(кг·°С);

t_пер - заданная температура нагрева, °С.

Согласно расчетам, полезная энергия, которую необходимо выделить в печи для расплавления 1 т холодной металлической загрузки, составляет примерно 370000 Вт·ч/т на нагрев (1510°С) и расплавление, 1160 Вт·ч/т на перегрев жидкого металла на 50°С, 35000 Вт·ч/т на нагрев (1560°С) и расплавление шлакообразующих материалов. Последняя величина затрат составляет 6 % от массы металлической загрузки.

В случае большого выхода шлака соответственно увеличиваются затраты на его расплавление.

Потери тепла через окно не плотности футеровки стен, свода, пода, днище печи рассчитывают по известным из теплотехники формулам. Следует иметь в виду, что эти потери относительно небольшие по сравнению с потерями тепла с жидким металлом, шлаком, газами. На их долю приходится около 85 % общих потерь тепла. Остальные потери - с охлаждающей водой (3 %) и электрические потери.

Основной статьей прихода тепла является тепло, выделенное электроэнергией - 70 %, остальные 30 % - физическое тепло материалов и экзотермических реакций.

Время расплавления шихты, загруженной в печь, определяется по формуле:

= , (3)

где, q - теоретический удельный расход электроэнергии на расплавление металла (для стали q = 0,1 Вт·с/кг);

m - масса расплавляемого металла, кг;

W_т - мощность электропечного трансформатора, В·А;

cosц - средневзвешенный коэффициент мощности агрегата в период расплавления;

n_эл - электрический к.п.д. за время расплавления;

Q_n - тепловые потери печи в период расплавления, Вт.

Опыт эксплуатации сталеплавильных печей показал, что наиболее благоприятным максимальным линейным напряжением для печей емкостью 0,5-6 т является 225-300 В, а для печей емкостью 25-50 т 350-430 В. Для расчета максимального вторичного напряжения рекомендуется формула:

U_2л = 36. (4)

Печи средней мощности имеют 12 ступеней напряжения. При выбранных значениях U_2л и заданной мощности печного трансформатора W_Т, можно рассчитать ток в электроде печи:

. (5)

Отсюда диаметр электрода:

d_эл = , (6)

где, j - допустимая плотность тока в электроде, А/м ².

Диаметр распада электродов (рис. 6) определяется из соотношения d_р._э/d_э = 2,53,5. Большие цифры относятся к печам меньшей емкости.

Для приближенного расчета трёхэлектродных, круглых электрических печей рекомендуется придерживаться следующего правила:

D_р.э / D₁ 0,35; h_св = (0,6 0,7) D, (7)

где, D_{1 -} диаметр плавильного пространства на уровне откосов печи, м;

h_св - высота от зеркала ванны до наивысшей внутренней поверхности свода; электрическая энергия сталеплавильная печь

D - диаметр зеркала жидкого металла, определяют, исходя из глубины ванны H. Для сфероконической ванны с углом конуса 45° и глубиной сферического сегмента:

H_с = 0,2H,

D = , (8)

где, Н - глубина ванны по металлу, м.

Рис. Форма внутреннего объема печи

Объем жидкого металла V рассчитывают из удельного объема q₀ и заданной емкости печи:

V = q_om.

Для современных печей высота плавильного пространства

H_п=0,51D.

Толщину футеровки пода печи принимают приблизительно равной глубине ванны. Толщину стен выбирают из конструктивных соображений с учетом теплопотерь. Толщина свода соответствует длине стандартного кирпича (230 мм) для печей емкостью до 12 т. Тепловой баланс электрической печи ДСП-6Н 2, рассчитанный на основании практических данных приведен в табл. 1 и 2. Как следует из приведенных в табл. 1 и 2 данных, наиболее энергоемким является период расплавления (76,6 %). На период доводки расходуется 23,4 %. Обращают на себя внимание значительные потери тепла (20,68 %) при открытой печи в период загрузки. Резервом уменьшения потерь может быть снижение времени загрузки за счет лучшей подготовки шихты к плавке (пакетирование мелочи).

Данные теплового баланса, приведенные в табл. 1 и 2, могут быть использованы для расчетов при выполнения курсовых проектов и квалификационных выпускных работ.

Таблица 1. Тепловой баланс (приход тепла) электрической печи ДСА-6H2

Таблица 2. Тепловой баланс (расход тепла) электрической печи ДСА-6Н 2

Литература

1. Волобуев В.Ф. и др. Заготовка и переработка вторичных металлов. Харьков: Основа, 1992. 400 с.

2. Худяков и др. Технология вторичных цветных металлов. М.: Металлургия, 1981, 280 с.

3. Кофман. В. Японияда иккиламчи рангли металлургия. Цветные металлы. 1987, №12, с. 73-76.

4. Купряков Ю.П. Производство тяжелых цветных металлов из лома и отходов. Харьков: Основа, 1992. 400 с.

5. Севрюков Н.Н. Общая металлургия. М.: Металлургия. 1976.

6. Алексенков А.В. Сбор и переработка металлической стружки. М.: Машиностроение. 1980.

7. Периодические издание: Горный журнал, Цветные металлы, Ўзбекистон кончилик хабарномаси, Металлы Евразии, Рынок вторичных металлов.

8. Интернет сайты: www.picanal.narod.ru, www.bilimdon.uz, www.elibrary.ru/menu_info.asp, www.minenet.com, www.mining-journal.com/mj/MJ/mj.htm.