Определение геометрических параметров дуговых печей.

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:

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

2) тепловые потери печи за соответствующий период плавки;

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

4) 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);

5) 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:

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

2) длительности периода расплавления и всей плавки;

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

Определение геометрических параметров дуговых печей.

Наиболее распространенным типом ванны трехфазной дуговой печи является сфероконическая ванна с углом между образующей и осью конуса, равным 45⁰ (рис.1).

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;

D_к – внутренний диаметр кожуха, 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 (рис.1) 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:

а	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0
С	1,043	1,064	1,085	1,106	1,127	1.149	1,169

При высоте сферического сегмента H_с увеличенной до 25% общей глубины жидкого металла Сопределяется 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)

Значение асущественно влияет на условия проведения технологического процесса плавки в дуговой сталеплавильной печи. Чем больше а при заданной емкости печи, тем больше поверхность соприкосновения зеркала металла со шлаком и тем меньше глубина ванны жидкого металла, за счет чего улучшаются условия рафинировки металла и уменьшается разность температур по высоте расплавленного металла. Однако неоправданное увеличение отношения а вызывает увеличение габаритных размеров и массы печи, что может привести к ухудшению ее основных технико-экономических показателей. Для большинства действующих печей отношение а лежит в пределах 4,5 – 5,5, причем меньшие значения а характерны для печей небольшой емкости и для технологического процесса, не требующего тщательной рафинировки расплава, а большие значения а – для печей большой емкости и для сложной технологии плавки с высокой степенью очистки металла.

Для печей емкостью 100 – 200 т и выше отношение а может диктоваться предельно допустимой по технологическим соображениям глубиной ванны жидкого металла, в том числе и по допустимой разности температур верхнего и нижнего слоев жидкого металла в ванне.

Уровень порога рабочего окна принимается на уровне зеркала шлака или несколько выше (на 20 – 40 мм).

Уровень откосов рекомендуется принимать на 30 – 70 мм выше уровня порога рабочего окна во избежание усиленного размывания шлаком основания футеровки стены.

Высоту плавильного пространства выбирают с учетом следующих соображений. С увеличением H_п возрастает внутренний объем печи, что позволяет загружать в печь большую массу металлического лома определенной плотности, а также улучшаются условия работы огнеупорной кладки свода, воспринимающей излучение высокотемпературных источников тепловой энергии – электрических дуг.

Наряду с этим увеличение H_п связано со следующими недостатками:

1) увеличением габаритных размеров, массы и стоимости печи;

2) увеличением реактивного сопротивления электрода;

3) ухудшением условий службы огнеупорной кладки;

4) повышенной опасностью поломок длинных электродов.

Уменьшение H_п приводит к соответствующему уменьшению внутреннего объема печи и к некоторому ухудшению условий службы огнеупорной кладки свода, но при этом снижается роль перечисленных выше недостатков.

В отечественных печах высота плавильного пространства принималась с учетом условий загрузки печи в один прием при плотности металлического лома порядка 1250 кг/м³.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации дуговых печей показал, что в современных условиях ориентироваться на одноразовую загрузку печи нет необходимости по следующим причинам:

1) в ряде случаев приходится использовать металлический лом плотностью, значительно меньшей 1250 кг/м³; в печах часто плавят лом плотностью 800 – 1000 кг/м³, а переработка его с целью повышения плотности не всегда возможна и экономически целесообразна;

2) по условиям ведения технологического процесса часто оказывается более целесообразным загружать печь в два приема (с основной завалкой и последующей подвалкой), давая в первую завалку шлакообразующие материалы и совмещая процесс расплавления с началом окислительного периода плавки.

С учетом этих соображение для современных дуговых сталеплавильных печей высота плавильного пространства может приниматься в следующих пределах:

для печей емкостью 0,5 – 6 т H_п=(0,5 – 0,45)D_от;

для печей емкостью 12 – 50 т H_п=(0,45 – 0,4)D_от;

для печей емкостью 100 т и выше H_п=(0,38 – 0,34)D_от.

После выбора внутренних размеров печной камеры необходимо определить ее внешние размеры, для чего должны быть хотя бы предварительно намечены конструктивные решения футеровки печи с выбором огнеупорных и теплоизоляционных материалов для отдельных участков футеровки – подины, стен и свода.

В отличие от обычных условий работы печей сопротивления, в которых футеровка выполняется обычно в расчете на возможно меньшие тепловые потери при оптимальных температурах кожуха печи, у дуговых печей высокие теплоизоляционные качества футеровки не только не улучшают, но в ряде случаев ухудшают технико-экономические показатели печей. Это объясняется спецификой условий работы дуговых сталеплавильных печей, у которых при температуре расплава порядка 1600⁰С внутренняя поверхность огнеупорной кладки стен и свода подвергается разрушающим воздействиям теплового излучения дуг, имеющих температуру 5000 – 7000⁰С. в этих условиях для обеспечения необходимой стойкости огнеупорных материалов (даже самого высокого качества) необходимо снижать температуру внутренней поверхности футеровки за счет отказа от теплоизоляционного слоя футеровки (кроме подины), а в отдельных случаях – за счет принудительного охлаждения внешней поверхности футеровки.

По этой причине своды большинства дуговых печей выкладываются огнеупорными кирпичами без какой бы то ни было теплоизоляции.

Футеровка стен дуговых печей в большинстве случаев имеет небольшой по толщине слой тепловой изоляции между огнеупорной кладкой и кожухом печи. С ростом удельных мощностей дуговых сталеплавильных печей условия службы огнеупорной кладки стен и свода существенно ухудшились, поэтому практика эксплуатации сверхмощных печей привела к необходимости выполнения футеровки стен небольшой толщины (300 – 350 мм) при полном отсутствии дополнительного теплоизоляционного слоя, а в необходимых случаях – с водяным охлаждением внешней поверхности огнеупорной кладки стен, в частности, за счет применения водоохлаждаемых кессонов на участках максимальной тепловой напряженности стен в непосредственной близости от электродуг.

Условия службы футеровки подины имеют следующие особенности:

1) огнеупорная часть футеровки должна быть достаточно надежной против прорыва жидкого металла через подину во избежание тяжелой аварии с длительным простоем печи;

2) футеровка подины должна иметь высокие теплоизоляционные свойства для уменьшения перепада температуры по глубине ванны жидкого металла;

3) в отличие от футеровки стен и свода футеровка подины надежно защищена от теплового излучения электродуг слоем жидкого металла.

Для ограничения тепловых потерь через подину и уменьшения вызываемого ими температурного перепада по глубине ванны жидкого металла суммарную толщину футеровки подины дуговых печей средней емкости обычно принимают приблизительно равной глубине ванны расплава.

У дуговых сталеплавильных печей с электромагнитным перемешиванием расплава толщина подины может быть уменьшена, так как при наличии активного перемешивания температура расплава по высоте ванны в значительной мере выравнивается, а для достижения высокого эффекта перемешивания необходимо приближение катушек перемешивающего устройства к основанию ванны расплава. Толщина футеровки стены принимается по конструктивным соображениям и практически мала зависит от емкости печи.

Толщина футеровки свода соответствует длине стандартного огнеупорного кирпича и при обычной конструкции купольного свода, как правило составляет 230 мм для печей емкостью до 12 т; 300 мм для печей емкостью 25 – 50 т и 380 – 460 мм для печей емкостью 100 т и выше.

Пример 1.

Определить внутренние и внешние размеры печной камеры дуговой сталеплавильной печи номинальной емкостью 300 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 Спо (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 (рис.1)

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 магнезитовым 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 (рис.1).

Свод выполняется из магнезитохромитового кирпича длиной 460 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 260 мм (четыре слоя «на плашку»), огнеупорная кладка из магнезитового кирпича суммарной толщиной 575 мм (пять слоев «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 = 1600 x 1600мм. Боковые поверхности и верх оконного проема обрамляются П–образной водоохлаждаемой рамой. Заслонка рабочего окна выполняется в виде водоохлаждаемой нефутерованной коробки.

Дата добавления: 2015-07-25