Литература 43 Приложение а (справочное) 44 1 Определение размеров рабочего пространства и футеровки печи
 Скачать 1.74 Mb.
|
2 Энергетический баланс и выбор мощноститрансформатораВыбор мощности электропечного трансформатора производится на основании энергетического баланса печи [15] в период расплавления. Суммарное количество электрической энергии, которую необходимо выделить в период расплавления, находят из выражения [3, 6]  , (2.1)где Wпол – полезная энергия для расплавления завалки, кВтч; Qф – тепловые потери через футеровку печи, кВт; Q изл – тепловые потери излучением из печи, кВт; Qг – тепловые потери с выходящими газами, кВт; р – длительность периода расплавления, ч; Qпр – тепловые потери в период межплавочного простоя, кВт; пр – длительность межплавочного простоя, ч; Wэкз – энергия экзотермических реакций в период расплавления, кВтч; эл – электрический к.п.д. установки в период расплавления, который для большинства крупных ДСП составляет 0,88 - 0,91. По известным необходимому расходу электроэнергии на расплавление и длительности расплавления под током определяется средняя мощность (Рср, кВтч) в период расплавления [3, 6]  , (2.2)где р.т – длительность расплавления под током, т.е. длительность за вычетом времени, в течение которого печь не потребляет электроэнергии в период расплавления, ч. 2.1 Определение полезной энергии для нагрева и расплавления металла и шлака Энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева скрапа и шлакообразующих материалов определяется  , (2.3)где W1 – энергия для нагрева и расплавления скрапа, кВтч; W2 – энергия для перегрева расплавленного металла, кВтч; W3 – энергия для нагрева, расплавления шлакообразующих материалов, кВтч; Удельная энергия, необходимая для нагрева до температуры плавления, для расплавления и перегрева до заданной температуры 1 тонны стального лома определяется по формуле [3, 5]  , (2.4)где с1 – средняя удельная теплоёмкость материала в интервале от начальной температуры до температуры плавления, кВтч/(т·0С); tпл – температура плавления, 0С; tо – начальная температура, 0С; – скрытая теплота плавления, кВтч /т; с2 – средняя удельная теплоёмкость жидкого материала в интервале от температуры плавления до заданной температуры перегрева, кВтч/(т0С); tпер – заданная температура перегрева, 0С. Значения скрытой теплоты плавления, температуры плавления, температуры перегрева и средних удельных теплоёмкостей скрапа при разных температурах, необходимых для вычисления удельной энергии, следует брать из справочников и учебников. Например, по данным [2] для шихты, состоящей преимущественно из лома чёрных металлов с содержанием углерода 0,1÷0,4%: tпл=15000С; с1=0,193 кВтч/(т·0С); с2 = 0,23 кВтч/(т·0С); = 79 кВтч/т. По данным [14] = 0,284 МДж/кг. Для ДСП с верхней механизированной загрузкой могут быть приняты значения удельных расходов электроэнергии на расплавление 1 тонну твёрдой завалки малоуглеродистой стали приведенные в таблице 2.1 [6]. Таблица 2.1 – Удельный расход электроэнергии на 1 тонну твердой завалки малоуглеродистой стали
Энергия, необходимая для нагрева и расплавления скрапа, W1 кВтч [3]  , (2.5)где Gзагр – масса загружаемого в печь скрапа, т; Gж – масса жидкого металла в конце периода плавления, т. Масса, загружаемого в печь скрапа с учётом угара металла и потерь со шлаком определяется по формуле  , (2.6)где Кп – потери металла, равные 3%. Энергия необходимая для перегрева расплавленного металла [3]  (2.7)Заданная температура перегрева tпер жидкого металла к концу периода расплавления зависит от способа ведения технологического процесса плавки. Так, при совмещении периода расплавления с началом окислительного периода обычно перегревают приблизительно на 500С выше его температуры плавления, а в некоторых случаях перегрев металла в период расплавления не производится. Энергия, необходимая для нагрева и расплавления шлакообразующих материалов, а также для перегрева расплавленного шлака [3]  , (2.8)где Gш – масса шлака, т; сш – средняя удельная теплоёмкость шлака. По данным [2] для основного шлака сш=0,325 кВтч/(т·0С). По данным [3] сш = 0,34 Втч/(кг·0С); ш – скрытая теплота плавления шлака. По данным [2] для основного шлака ш=58 кВтч/т. По данным [3] ш=16 Втч/кг. По данным [14] ш=0,058 МДж/кг. По данным [5] удельный расход электроэнергии для расплавления (до 15100С) углеродистой шихты составляет 370 кВтч/т, для перегрева (на 500С) расплавленного металла – 1,16 кВтч/т, для нагрева, распавления и перегрева шлака – 35 кВтч/т. 2.2 Определение тепловых потерь через футеровку Для определения тепловых потерь через футеровку ДСП (Qф) применяют формулы для плоской стенки. Но для упрощения расчётов можно рекомендовать определение удельных тепловых потерь с 1м2 футеровки, состоящей из нескольких слоёв [3]  , (2.9)где tn, tn+1 – температура внутренней и внешней поверхности стенки,0С; 1,2,…n – толщина слоёв стенки, м; 1, 2,…n – коэффициент теплопроводности отдельных слоёв стенки, кВт/(м·0С). Затем найденные удельные тепловые потери умножают на соответствующие площади внешней поверхности футеровки [3, 14]  , (2.10)где q – удельные тепловые потери, кВт/м2; Fрасч – расчётная поверхность стенки, м2. 2.2.1 Тепловые потери через боковые стенки. Ранее отмечалось, что футеровка боковых стен ДСП выполняется двухслойной (арматурный и рабочий) из одного материала, поэтому футеровку стенки можно рассматривать однослойной с общей толщиной ст, которая может быть по высоте различной стенки различной толщины (  ,  …). Для расчёта тепловых потерь через стенку печи необходимо знать: 1) вид огнеупорных материалов; 2) коэффициент теплопроводности огнеупорных материалов; 3) коэффициент теплоотдачи с внешней стенки печи в окружающую среду, 4) геометрические размеры стенки печи. Расчёт удельных тепловых потерь стен (  ,  …) ведётся отдельно для каждой стены по высоте, отличающейся по толщине футеровки ( , …) , (2.11)где t1 – температура внутренней поверхности футеровки,0С; t2 – температура внешней поверхности кожуха печи, 0С. При проектировании ДСП температура внутренней поверхности футеровки t1 принимается равной температуре печи (для стен и свода) или металла в ванне (для подины) по результатам расчёта теплообмена в рабочем пространстве печи или принимается по практическим данным, приведённым в справочнике или литературе [2, 14]. Температура наружной поверхности кожуха t2 зависит от рабочей температуры в печи, толщины и теплопроводности материала кладки. Поэтому определяют методом последовательных приближений. Задавшись предварительно t2, находят среднюю температуру футеровки  , по которой по уравнению, приведённому в таблице А1 приложения А, находят коэффициент теплопроводности данного материала. Значение найденного удельного потока тепловых потерь через стенку сравнивают со значением теплоотдачи с единицы наружной поверхности кожуха в окружающую среду ( ). Если = (2.12)или расхождение не превышает 10% [14], принятое значение t2 можно считать верным и пересчетов не требуется. Если расхождение больше, то необходимо задаваться другим значением t2 и провести пересчет. Значения удельного теплового потока q0 в окружающую среду с температурой 200С приведены в таблице А2 приложения А. В случае выбора цилиндроконического кожуха, составными частями которого являются цилиндр и усеченный конус (рисунок 1.4), расчетная теплоотдающая поверхность боковой стенки печи определяют по следующим формулам  , (2.13) , (2.14)где Н1, Н2 – соответственно высота цилиндра и усеченного конуса, м; R – радиус основания цилиндра, м; R1, R2 – радиусы оснований усеченного конуса, м. После вычисления величины тепловых потерь (  , …) для различных по высоте участков с различной толщиной футеровки ( , …), определяют суммарное тепловые потери стены печи (2.15)2.2.2 Тепловые потери через футеровку свода. При определении тепловых потерь через однослойную футеровку свода сначала выбирают огнеупорный материал и его толщину в зависимости от заданной емкости печи. После установления температуры внутренней поверхности футеровки свода t1, определяют методом приближения значения температуры внешней поверхности свода t2. По формуле (2.9) определяют удельные тепловые потери через футеровку свода. Проверяют выполнение условия (2.12). Рассчитывают теплоотдающую поверхность свода Fсв как поверхность сферического сегмента радиусом Rсф и высотой Нсф (рисунок 1.4)  , (2.16)где  (2.17)По формуле (2.10) находят значение тепловых потерь через футеровку свода печи (Qсв). 2.2.3 Тепловые потери через футеровку подины. После определения по формулам (1.34, 1.35) общей толщины трехслойной футеровки подины, с учетом вышеприведенных рекомендаций и тенденций развития ДСП, определяют толщину и материал каждого слоя, количество рядов и способы кладки кирпичей. Для упрощения расчетов принимают: 1) общую толщину раб набивного и рабочего слоев, так как в них применяется один и тот же материал и один коэффициент теплопроводности раб; 2) общую толщину теплоизоляционного слоя из и коэффициент теплопроводности из. Удельные тепловые потери через подину определяют [3]  , (2.18)где t1 – температура внутренней поверхности футеровки подины, определяемая температурой жидкого металла, 0С; t3 – температура внешней поверхности кожуха подины, 0С. Коэффициент теплопроводности рабочего и теплоизоляционного слоев определяют по известным уравнениям, приведенным в таблице 1 приложения  , (2.19) , (2.20)где а, b – коэффициенты, приведенные в таблице А1 приложения А; t2 – температура пограничного слоя между рабочим и изоляционным слоями футеровки подины, 0С. Расчет по формуле (2.18) считается правильным при qn = q0 или расхождение не превышает 10%. Если это условие не выполняется, то производится пересмотр ранее принятых значений t2, t3 и вычисление qn повторяется до удовлетворения условий (2.12). Из рисунка 1.4 принимается, что внешняя поверхность футеровки подины Fn состоит из поверхности сферического сегмента  (2.21)и поверхности цилиндра  (2.22)Определяют тепловые потери через футеровки подины  (2.23)Искомые суммарные тепловые потери через футеровку подины печи составляют  (2.24)2.3 Определение тепловых потерь излучением через рабочее окно Тепловые потери излучением через рабочее окно (Qизл, кВт) определяются по формуле [3]  , (2.25)где qизл – удельные тепловые потери излучением (кВт/м) с поверхности, имеющей температуру t, в окружающую среду с температурой 20 0С при приведенном коэффициенте излучения с = 4,65 Вт/(м2·К4) (таблица А3 приложения А); – коэффициент диафрагмирования оконного проема, учитывающий экранирующее действие внутренних поверхностей футеровки оконного проема, зависит от соотношения ширины и высоты отверстия, от толщины стенки и определяется по таблице А4 приложения А. F – тепловоспринимающая поверхность дверцы рабочего окна, м2. 2.4 Определение тепловых потерь с выходящими из печи газами В печь воздух поступает через неплотности, нагревается и уходит. Большое количество газов образуется при подаче кислорода в период расплавления для «подрезки» шихты на откосах ванны, а также при использовании топливно-кислородных горелок для ускорения нагрева и плавления скрапа. Причем, чтобы избежать дополнительного угара металла, топливо в факеле горелок недожигают, что приводит к увеличению тепловых потерь. Поэтому определение потерь тепла с уходящими газами представляет собой значительные трудности, особенно для проектируемых печей. Тем не менее, если воспользоваться среднестатистическими данными по выходу (Vг) из печи первичных газов с учетом подсоса воздуха (который для 5 т печи составляет 700 м3/ч, для 10 т – 1000 м3/ч, для 20 т – 2200 м3/ч, для 40 т – 4000 м3/ч, для 100 т – 8000 м3/ч) можно выполнить ориентировочный расчет по следующей формуле [3, 5]  , (2.26)где сг – средняя удельная теплоемкость газа в диапазоне температур от t0 до tn, т.е. для tcp=(tn + t0)/2 (таблица 5 приложения); tn – рабочая температура печи, 0С; t0 – температура поступающего в печь газа, 0С; Gг – масса проходящего через печь газа, кг/ч. Масса газа выходящего из печи определяется  , (2.27)где г – плотность газа при нормальных условиях, кг/м3. 2.5 Определение тепловых потерь в период межплавочного простоя Во время межплавочного простоя тепловые потери ДСП складываются из потерь через футеровку, потерь излучением через окно, потерь раскрытой печи при загрузке печи и при подвалке. Если две первые составляющие тепловых потерь в период межплавочного простоя принимают, как и в период расплавления, то потери с газами считают равными половине аналогичных потерь периода расплавления. Потери тепла при загрузке и подвалке шихты относят к неучтенным потерям, из-за трудности их расчета. С учетом вышесказанного тепловые потери в период межплавочного простоя можно определить [3, 5]  , (2.28)где Qф– потери тепла через футеровку в период расплавления, кВт; Qизл – потери тепла излучением через рабочее окно в период расплавления, кВт; Qг – потери тепла с выходящими из печи газами в период расплавления, кВт Кн.п – коэффициент неучтенных потерь, равный 1,1 – 1,2. 2.6 Определение тепла экзотермических реакций в период расплавления Тепло экзотермических реакций можно определить по материальному балансу. Однако точность его расчета невысокая, так как весьма трудно установить начальную массу элементов в шихте из-за разнородности скрапа. Выгорание элементов зависит от количества кислорода поданного в печь. При недостатке кислорода элементы будут выгорать не полностью, а при большом его избытке начинает усиленно гореть железо. Поэтому определение тепла экзотермических реакций в период расплавления принимают по опубликованным данным испытаний аналогичных печей. Так, при отсутствии ввода в ванну кислорода доля тепла экзотермических реакций составляет 8 – 12% (для малых ДСП), а с применением кислорода эта величина для периода плавления в крупных ДСП достигает 18,8 – 40,7% [14]. Тепло, выделенное в печи от окисления графитированных электродов, можно определить также только ориентировочно, несмотря на то, что взвешиванием можно точно установить массу израсходованных электродов и известен тепловой эффект окисления графита до СО2, ибо не вся масса израсходованных электродов сгорает в печи. Часть углерода электродов окисляется лишь до окиси, часть уносится с газами в виде сажи. Поэтому считают, что тепло от окисления электродов составляет 4% общего прихода тепла [14]. Тепло экзотермических реакций определяют приблизительно по формуле [3]  , (2.29)где  – коэффициент, учитывающий относительную долю тепла экзотермических реакций; – коэффициент, учитывающий относительную долю тепла при окислении углерода электродов.2.7 Энергетический баланс периода плавления Суммарное количество электрической энергии, необходимое в период расплавления находят по формуле (2.1). Длительность периода расплавления р складывается из времени пребывания печи под током р.т и продолжительности довалки одной (0,10 ÷ 0,13) или двух бадей стального лома при выключенной печи. Длительность межплавочного простоя, необходимая на выпуск металла в ковш, заправку и загрузку шихты, для крупных печей составляет 0,25 ÷ 0,3 ч. Длительность расплавления шихты под током (  , ч) определяется по формуле [3] , (2.30)где  – удельная энергия, определенная по формуле (2.4); – электрический к.п.д., равный 0,94; – тепловой к.п.д., равный 0,82;соs – средний коэффициент мощности электропечной установки в период расплавления, который для ДСП большой емкости равен 0,68 – 0,72; Кисп – коэффициент использования мощности печного трансформатора в период расплавления, равный 0,8 – 0,9; S/G – удельная номинальная мощность, кВА/т. По данным [2] мощность отнесенная на 1 т металлошихты, т.е. удельная мощность, выраженная через номинальную мощность трансформатора, в зависимости от емкости ДСП составляет величину приведенную в таблице 2.2. Таблица 2.2 - Номинальная мощность трансформатора, в зависимости от емкости ДСП
2.8 Определение мощности печного трансформатора Ранее отмечалось, что выбор мощности электропечного трансформатора производится на основании энергетического баланса печи в период расплавления металлошихты. По вычисленным значениям суммарной электроэнергии Wэл в период расплавления плавки и длительности расплавления под током р.т по формуле (2.2) определяется средняя мощность Рср в период расплавления. Зная среднюю активную мощность Рср периода расплавления, можно определить необходимую кажущуюся мощность печного трансформатора (S’, кВт), из выражения [3]  (2.31)На основании значения S’ следует выбрать ближайшее стандартное значение номинальной мощности печного трансформатора по таблице 2.3. Таблица 2.3 – Стандартные значения номинальной мощности печных трансформаторов
По принятому значению номинальной мощности трансформатора необходимо произвести уточненные расчеты длительности расплавления под током р.т (формула 2.30), суммарного количества электрической энергии Wэл периода расплавления (формула 2.1), а также удельный расход электроэнергии на 1 т жидкого металла  и на 1 т металлической шихты  .Определить удельный расход электроэнергии на 1 т жидкого металла ( , кВт) и на 1 т металлической шихты ( , кВт) можно по формуле (2.32) (2.33)Высшую ступень вторичного линейного напряжения современных ДСП различной мощности можно описать корреляционной зависимостью типа  (2.34)По методике Н.В. Окорокова и Ф.П. Еднерала при n=0,33: 1) для крупных печей k=160 ÷ 180; 2) для малых печей k= 180 ÷ 200. По Л.Е. Никольскому при n =0,25, k = 210 ÷ 260 (S – в MBA) При n =0,25 К= 36 ÷ 46 если S – в кBA Каждая дуга в трехфазной печи находится под фазным напряжением, которое в  раз меньше линейного напряжения, приложенного между электродами [4] (2.35)Отношение высшей ступени вторичного линейного напряжения к низшей  (2.36)принято называть глубиной регулирования напряжения трансформатора. Для каждой ступени вторичного напряжения трансформатора можно построить кривые зависимости электрических потерь, полезной мощности и электрического к.п.д. печной установки в зависимости от тока электрода. Эти кривые называются рабочими характеристиками печи [3, 6]. 3 Выбор типа и определение размеров электрода Для подвода электроэнергии в рабочее пространство ДСП применяют графитированные электроды. Электроды должны обладать высокой электропроводностью, низкой теплопроводностью, повышенной температурой начала окисления на воздухе, малым содержанием золы и серы, высокой механической прочностью и хорошей обрабатываемостью. Одним из важных показателей качества электродов является допустимая плотность тока j (А/см2), т.е. пропускная способность тока. По допустимой плотности тока можно рассчитывать диаметр электрода (dэ, см) [2]  , (3.1)где Iэ – сила тока в электроде, А; j – плотность тока, А/см2. Допустимые плотности тока электродов марок ЭГО и ЭГ1 приведены в таблице 3.1 [2]. Таблица 3.1 - Допустимые плотности тока электродов марок ЭГО и ЭГ1
Допустимые значения тока по ГОСТ 4426 – 80 приведены в таблице 3.2. Для электродов марок ЭГОА и ЭГОА1 допускается увеличение плотности рабочего тока на 10 – 15%. Электроды для сверхмощных печей имеют повышенное качество и допускают плотность тока до 30 А/см2, что позволяет поднять ток в электроде диаметром 555 мм до 77,6 кА и в электроде диаметром 610 мм до 88 кА. Это позволяет довести питание трехфазной ДСП до мощности 115 ÷ 130 МВА и более. Например, 400 т печи США оборудованы трансформатором мощностью 162 МВА со ступенями вторичного напряжения 600 – 840 В. Через электрод диаметром 610 – 710 мм пропускается ток величиной до 100 – 110 кА [2]. Таблица 3.2 - Допустимые значения тока по ГОСТ 4426 – 80
Ток (А), протекающий в электроде, для трехфазных печей устанавливается по Sном и U2л.в [4, 5]  , (3.2)где Sном – номинальная мощность трансформатора, кВА. По величине Iэ определяется диаметр электрода, см [4]  , (3.3)где э – удельное электросопротивление электрода, Ом·см; W – мощность, отводимая поверхностью электрода в окружающее пространство, равная при 5000С 2,1 Вт/см2. В таблице 3.3 приведены значения удельных электросопротивлений электродов [3]. Таблица 3.3 - Значения удельных электросопротивлений электродов
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||