Тепловой расчет дуговой печи

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………………….…..4

1. Общая часть…………………………………………………………………………...….5
2. Расчетная часть……………………………………………………………………….…..6

2.1  Определение  полезной энергии………………………………………………………..6

2.2. Определение геометрических параметров печи………………………………………10

2.3. Определение тепловых потерь……………………………………………………….....15

2.4. Энергетический режим плавки…………………………………………………………26

2.5.  Энергетическая мощность ДСП. Выбор мощности трансформатора……………….28

3. Заключение………………………………………………………………………………..29
4. Список литературы……………………………………………………………………….30
5. Типовая диаграмма энерготехнологического режима выплавки в ДСП
6. Приложение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В в е д е н и е

Производительность и экономичность сталеплавильного процесса при выполнении всех технических и металлургических требований определяется количеством энергии, которое необходимо израсходовать для выплавки стали. Для конкурентоспособности стали необходимо учитывать следующие факторы: неизбежность дальнейшего удорожания электроэнергии и возможность появления новых, весьма высокопроизводительных и экономичных процессов.

Базой любого металлургического, литейного и машиностроительного производства являются печи, т.е. те высокотемпературные агрегаты в которых проводится тепловая обработка материалов и изделий. Они являются исключительно энергоемким оборудованием, потребляющим большое количество топлива и других видов энергетических ресурсов.

На данном этапе развития электрометаллургии особое внимание уделяется снижению энергоёмкости и материалоёмкости процесса путём усовершенствования технологии выплавки стали и конструкции дуговых сталеплавильных печей (ДСП). Для снижения расхода электроэнергии предложены различные процессы интенсификации выплавки стали в ДСП за счёт использования дополнительного вида топлива и новых конструкционных решений.

Температурный и тепловой режимы работы печи, обеспечивающие осуществление заданной технологии тепловой обработки металла, оказывают непосредственное влияние на такие важные показатели, как производительность и расход топлива или электоэнергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общая часть

Дуговая сталеплавильная печь - основной агрегат для производства стали в электросталеплавильном цехе Белорусского металлургического завода.

ДСП - 1 вместимостью 100т. работает на переменном токе промышленной частоты      50 Гц, и оборудована трансформатором мощностью 75 МВ*А.

ДСП представляет собой сложный агрегат, оснащенный большим количеством узлов и механизмов, основными из которых являются: кожух печи и свод, опорная конструкция печи, механизм наклона печи, механизм подъема и поворота свода, механизм перемещения электродов, система отсоса и очистки газов.

Кроме того, печь оборудуется стеновыми топливно-кислородными горелками.

Корпус электропечи состоит из днища, кожуха, песочного затвора, рабочего окна и сливного носка. Корпус выполнен сварным из листового железа толщиной 40 мм. Днище служит основанием для кладки огнеупорной футеровки подины и откосов, образующих ванну для жидкого металла и шлака. Для улучшения условий службы футеровки стен используют водяное охлаждение.

Установленное на печи сводовое кольцо служит для поддержания огнеупорной футеровки свода и водоохлаждаемых стен. Сводовое кольцо снабжено кронштейнами для подвески и петлями для транспортировки.

Сводовые уплотнители электродных отверстий применяются для увеличения стойкости футеровки свода и уменьшения потерь теплоты с отходящими печными газами в зазоры между электродами и кладкой.

Рабочее окно печи предназначено для обслуживания при подготовке агрегата к плавке и в течение всего технологического процесса. Оно состоит из водоохлаждаемой арки, рамы, заслонки, порога, гребенки и механизма подъема заслонки. Используя загрузочное окно, проводят осмотр и заправку подины и откосов всей печи. В заслонке выполнено отверстие, закрываемое крышкой, для отбора проб металла, шлака, измерения температуры.

Выпуск металла из печи в ковш осуществляется через выпускное отверстие.

Механизм наклона печи имеет механический привод и предназначен для наклона агрегата 10-12° для слива металла в ковш.

 

 

 

 

 

 

2. Расчетная часть

2.1. Определение полезной энергии

Для теплового расчета данной курсовой работы взята ДСП садкой 100 т.

Для предлагаемых технологий - удельный теоретический расход энергии рассчитан по методике, представленной в /1/. Для расчёта применяем следующие данные. Средний химический состав шихты для марки стали ст3сп, массовая доля, %: С - 0,4; Мn - 0,3; Si - 0,3; S - 0,05; Р - 0,05. Начальная температура шихты рассчитана по формуле:

                 

                                                      (1)

где Сж ,Ств - удельная теплоемкость жидкой стали и твердой металлошихты соответственно, МДж/(т*К)

νж - доля жидкого металла в металлошихте;

vтв = vзав* - доля завалки в шихте, νзав - доля завалки в скрапе;

Тж., Ттв - температура жидкого металла и твердой металлошихты соответственно, К.

Начальная температура шихты равна:

без предварительного подогрева шихты

Расходный коэффициент kp = 1,04. Загружено 2,5 % извести, 1 % агломерата. Температура жидкого металла 1853 К. Химический состав пробы № 1, массовая доля, %: С – 0.19; Мn- 0,104; Si- 0,03; S- 0,043; Р- 0,008.

Температуру  ТC расплавляемой металлошихты оцениваем по формуле:

,   (2)

где  [Е] -содержание элемента в расплавляемой металлошихте, %;

(ΔТС)i -удельное (на 1 % содержания элемента) снижение температуры плавления чистого железа (1812 К).

Необходимые для расчёта данные для (ΔТC)i; принимаем из /1/.

ТC = 1812 - {[410 х 0,1 +186,4 х (0,4- 0,1)] +18,6 х 0,3 + 20 х 0,3 + 940 х 0,05 + +184 х 0,05} =1684 К

Изменение удельной энтальпии твёрдой металлошихты ΔНШ определено по формуле:

                        (3)

 

где СТ.СР. - средняя (для данного интервала температур) удельная теплоёмкость твердого металла, МДж /(т • К);

ТС - температура начала плавления (солидуса). К;

ТН - начальная температура загруженной в рабочее пространство ДСП металлошихты, К;

LФ - удельная теплота фазовых переходов первого рода (при структурных переходах модификаций железа и при плавлении), МДж/т.

 ΔНШ » 0,6 х (1684 - 558) + 285 = 960 МДж/т;

Температура ликвидус ТЛ расплавленной металлошихты оценена по формуле:

,  (4)

 

где  (ΔТЛ)i - удельное (на 1 % содержания элемента) снижение температуры плавления чистого железа (1812 К).

ТЛ= 1812 - {[80,4 х 0,5 + 72,5 х (0,4 - 0,50)] +13,6 х 0,3 + 4 х 0,3 + 34 х 0.05 +

+34х0,05} =1770 К.

Изменение удельной энтальпии при подогреве жидкого металла ΔНж зависит от удельной теплоёмкости Сж.ср.:

,   (5)

где ΔТр - перегрев жидкого металла над температурой ТЛ.

Удельные (на 1 т металлошихты) энергозатраты для подогрева жидкого металла Wп.р/mш составили с учётом формулы (5) и суммарного угара элементов при расплавления 3,3%:

Wп.р/mш =0,65х(1853-1770)хО,967» 52 МДж/т.

Удельные (на 1 т металлошихты) энергозатраты для изменения энтальпии загружаемых шлакообразующих материалов оценены по формуле:

Wшл.р./mш » ΔНм.р.*10*(mизв.+mагл.)/kр,  (6)

 где  ΔНм.р. » 1,6 – 2,0 МДж/кг;

тизв , тагл - масса загруженных извести и агломерата соответственно, %;

kр - расходный коэффициент металлошихты.

Wшл.р./mш. » 2,0х10х(2,5+1,0)/1,04 » 67 МДж.

Удельный (на 1 т металлошихты) тепловой эффект экзотермических реакций окисления элементов металлошихты определим по величине угара элементов за период по формуле:

,  (7)

где  Δ[E]p - изменение содержания элемента в металлической фазе в данный период плавки, %;

ΔНЕ - тепловой эффект соответствующей реакции, МДж / кг элемента.

Wэкз.р./mш = 10 х 0.967 х [9,4 х (0,4 - 0,19) + 6,8 х (0,3 - 0,104) + 27,6 х (0,03- 0,0015) +

+ 6,5 х 0,75 + 3,8 х (2,46 - 0,75)] =149 МДж/т.

Удельный расход энергии за период расплавления составят:

W2у.т. =960+57+67-149=935 МДж/т = 224 кВт*ч/т.

Woyr рассчитано по методике, представленной в /1/. Для расчёта применены следующие данные: температура жидкого металла в начале окислительного периода Тр = 1853 К, в конце периода То = 2125 К. В ДСП загружено 2,1 % шлакообразующих. Химический состав жидкого металла: проба № 1, массовая доля, %: С - 0,19; Мn - 0,104; Si – 0,03; S - 0,043; Р - 0,008, проба № 4: С - 0,09;Mn - 0,07; Si - 0,0015; S - 0,040; Р - 0,006.

Изменение удельной энтальпии жидкого металла ΔHж определено по формуле:

,     (8)

где  ΔТо - перегрев жидкого металла в окислительный период.

ΔНж »» 0,78 х (2125 -1853) =212 МДж /т.

Удельные (на 1 т жидкого металла) энергозатраты на изменение энтальпии загружаемых шлакообразующих материалов рассчитаны по формуле (9) и составляют:

,   (9)

где  ΔНм.о. »2,1 - 2,7 МДж /кг;

kшл.о.-количество шлака в окислительный период, выражаемое в процентах от вместимости ДСП mo и составляющее 1,5 - 3,5 %.

Wшл.о./mж.о. » 2,7 x 10 x 2,1 » 57 МДж/т.

Удельный (на 1 т жидкого металла) тепловой эффект экзотермических реакций окисления элементов жидкого металла определён по величине угара элементов за окислительный период по формуле:

   (10)

 

Wэкз.о/mж.о = 10 х [9,4 х (0,19 - 0,09) + 6,8 х (0,104 - 0,07) + 27,6 x (0,03 - 0,0015) +18,4 x

x (0,008 - 0,006) + 3,8 x 0,4] = 35 МДж/m.

 

 

 

 

Значение Wо.у.т   равно: W =212+57-35= 234 МДж/m =56 кВт*ч/т.

Восстановительный период отсутствует (одношлаковая технология), и удельный теоретический расход энергии восстановительного периода WВУТ равен нулю. Масса

присадок для легирования и раскисления стали mл при одношлаковой технологии для расчёта принимаем равной массе оставленного металла в печи от предыдущей плавки. Масса оставленного металла в печи от предыдущей плавки составляет - 10т.

 

Насыпная плотность металлошихты 0,8 – 1 т/м3 в два приема приход тепла (-Wф) достигает 12 – 15 кВт*ч/т или 15 кВт*ч/м2 поверхности футеровки, что составляет 2 – 3 % полезной энергии, необходимой для нагрева и плавления металлошихты; при этом изменение температуры шихты не превышает 100 К.

Дополнителный ввод тепловой энергии в рабочее пространство ДСП в результате сжигания жидкого или газообразного топлива  с испльзованием  топливно – кислородных горелок (ТКГ) является эффективным средством интенсификации процесса расплавления твердой металлошихты.

Использование топливо-кислородных горелок (ТКГ)

Суммарная мощность вносимая топливно – кислородными горелками определяется по формуле (11)

Σ W ткг = n · P · τ гор · η / Мст                               (11)                                              

где n    –  количество горелок, шт ;

      P    –  мощность одной горелки,Мвт;

      τ гор –  время работы горелок, ч;

      η     -  коэффициент, учитывающий потери мощности.

Подставляя численные значения в формулу (11) получим:

Σ W ткг  = 3 · 3,6 · 0,6 · 0,8 = 0,0520 Мвт·ч/т  = 52 кВт·ч/т = 189 МДж/т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Определение тепловых потерь

 

а) Определяем тепловые потери через футеровку подины ДСП

 

Мощность тепловых потерь через подину определена по формуле:

 

,   (31)

 

где    –температура жидкого металла (1853 К);

 –температура окружающей среды, К;

 –толщина i-го слоя, м;

  –коэффициент теплопроводности i-го слоя, ;

,  –расчетная площадь i-го слоя и теплоотдающей поверхности соответственно, м;

 –коэффициент теплоотдачи теплоотдающей поверхности кожуха, .

Расчетная площадь слоёв футеровки определена следующим образом:

,     (32)

где   и –площади внутренней и внешней поверхностей слоя подины соответственно.

Рабочий слой занимает площадь м2; слой периклазовой кладки м2; слой шамотной кладки м2; слой шамотного порошка м2; слой асбеста м2; днище кожуха м2.

Коэффициент теплоотдачи теплоотдающей поверхности кожуха, обращенной вниз .

Мощность тепловых потерь через подину рассчитана по формуле (31):

 

кВт. 

 

 Таким образом, потери тепла  через подину составят:

 

за подготовительный период:

.

за окислительный период:

.

б) через водоохлаждаемые стены печи.

Расчёт выполнен с учётом возможного образования слоя гарнисажа на водоохлаждаемых металлических панелях. Толщина слоя гарнисажа принята равной 30 мм. Температура  рабочего пространства ДСП возле стен принята К, поверхности слоя гарнисажа К.

Высота стен мм, диаметр рабочего пространства ДСП на уровне откосов ванны мм.

Коэффициент теплопередачи излучением из рабочего пространства ДСП определен по формуле:

                                                       ,                                           (32)

 

 где     – степень черноты;

           – постоянная Стефана-Больцмана.  

Коэффициент теплопередачи рассчитан при следующих условиях: ,

.

 

Внешнее тепловое сопротивление теплопередачи на этом участке в расчёте на 1 м2 тепловоспринимающей поверхности равно . Тепловые сопротивления теплопроводности равны, : гарнисажа листа водоохлаждаемого элемента . Коэффициент конвективной теплоотдачи в системе охлаждения принят равным . Внешнее тепловое сопротивление на этом участке цепи равно: