Проектирование дуговой сталеплавильной печи ДСП-3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ.

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ».

кафедра «автоматизированных электротехнологических установок».

Курсовой проект Проектирование дуговой сталеплавильной печи ДСП-3.

По дисциплине «Электротермические процессы и установки».

Выполнил:

Студент гр. ЭММ-94__ Агарин А.В.

Новосибирск, 2013.

СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ.

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ В ДСП.

1.1 Заправка печи.

1.2 Завалка шихты.

1.3 Плавление шихты.

1.4 Особенности окислительного периода плавки и доводки.

2. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ.

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВИЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА.

4. ПОСТРОЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ПРОЕКТИРУЕМОЙ УСТАНОВКИ.

4.1 Определение полезной энергии для нагрева и расплавления металла и шлака.

4.2Тепловые потери с газами.

4.3 Определение тепловых потерь через футеровку.

4.4 Определение тепловых потерь через водоохлаждаемые панели.

4.5 Определение тепловых потерь через рабочее окно.

4.6 Определение тепловых потерь в период межплавочного простоя.

4.7 Определение энергии экзотермических реакций периода расплавления.

4.8 Определение энергии дополнительных источников.

4.9 Энергетический баланс плавки.

4.10 Определение мощности печного трансформатора.

5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДСП.

6. ВЫБОР ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ УЧАСТКОВ ВТОРИЧНОГО ТОКОПОДВОДА.

ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ Емкость — G =3т Активное сопротивление вторичного токоподвода — r =1,3 мОм Индуктивное сопротивление вторичного токоподвода — x =8,9 мОм Индивидуальное задание — Выбор проводников для всех участков вторичного токоподвода.

ВВЕДЕНИЕ

Основное назначение дуговой сталеплавильной печи является, выплавка стали из металлического лома (скрапа). В ДСП получают, высоколегированные сорта стали, для которых требуется тщательная очистка металла от вредных примесей (особенно серы), удаление неметаллических включений и обезгаживание. Работа печи на увеличенной мощности достигается использование водоохлаждаемых свода и стен, использованием газокислородных горелок и пенистых шлаков.

Выплавка легированных сталей включает в себя следующие операции: расплавление металла, удаление содержащихся в нем вредных: примесей и газов, раскисление металла, введение в него нужных легирующих и слив в разливочную машину или ковш. В период межплавочного простоя осуществляются заправка подины печи и загрузка: новой порции скрапа. Расплавление скрапа необходимо вести по возможности быстро и с минимальным расходом энергии, поэтому в этот период печь включается на полную мощность, а печной, трансформатор — на максимальное напряжение. Зачастую длительность расплавления превосходит половину продолжительности всей плавки, и при этом расходуется 60—80% всей электроэнергии. Характерной особенностью периода является неспокойный электрический режим печи.

Удаление примесей из металла начинается в конце периода расплавления и продолжается в периоды окисления и восстановления.

Вследствие сравнительно низкой температуры ванны в ней вначале интенсивно идут экзотермические реакции — окисление железа, кремния, марганца и фосфора (период окисления). Получающиеся окислы всплывают и образуют вместе с забрасываемой известью на поверхности металла шлак. В шлаке окислы кремния соединяются с закисью железа и марганца в силикаты железа и марганца, а окислы фосфора образуют с закисью железа соединения, из которых закись железа вытесняется известью с образованием прочных фосфорно-кальциевых соединений. Насыщенный окислами и силикатами железа и марганца, а также соединениями фосфора шлак частично спускают самотеком в период кипа через порог загрузочного окна в шлаковницу. Оставшийся к окончанию окисления шлак «скачивают» из печи полностью.

После скачивания шлака начинается восстановительный период, в течение которого металл освобождается от большей части серы. Металл раскисляют, например, ферросилицием и ферромарганцем и на его поверхность вновь заводят шлак; в печь забрасывают известь с добавками флюса — плавикового шпата и шамота, а также восстановители молотый кокс и ферросилиций. Веществом, связывающим серу, служит известь.

сталеплавильный печь энергетический токоподвод.

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ В ДСП Из концепции сверхмощной дуговой печи следует необходимость максимального упрощения технологии и уменьшения длительности отдельных периодов плавки стали, поэтому технология плавки стали в печи сверхвысокой мощности, в общем, значительно проще классической. Функции сверхмощной электропечи обычно сводятся к быстрому и экономичному расплавлению шихты, окислению примесей и нагреву металла. Остальные операции по рафинированию и легированию металла переносят из печи в ковш.

1.1 Заправка печи Несмотря на сравнительно небольшой износ футеровки ванны, при заправке печи принимают меры для уменьшения общей длительности заправки. С этой целью используют высокопроизводительные заправочные машины роторного типа, помещаемые краном сверху в рабочее пространство печи. После выпуска предыдущей плавки печь наклоняют в сторону рабочей площадки и осматривают футеровку. Остатки металла из углублений подины удаляют повторным сливом или выдувают сжатым воздухом (кислородом), предварительно заправив задний откос. Остатки неслитого металла замораживают на заднем откосе. Подину, откосы, шлаковый пояс печи заправляют заправочной машиной сухим или увлажненным водным раствором жидкого стекла магнезитовым порошком, иногда смесью магнезитового порошка с науглероживателем (количество науглероживателя 15−30%). В зарубежной практике известны случаи заправки печей порошком доломита. Повреждения футеровки в зоне шлакового пояса и нижней части стен восстанавливают и при помощи торкрет-машин. Значительные местные повреждения футеровки торкретируют до восстановления полного профиля последовательно на нескольких плавках. Общая длительность периода заправки не должна превышать 10−15 мин.

Обычно до начала завалки (иногда в начале плавления) производят замену или наращивание коротких свечей электродов и их перепуск.

1.2 Завалка шихты Большинство сверхмощных дуговых печей работает на нелегированной углеродистой шихте с полным окислением примесей, так как в этом случае наиболее полно используются преимущества сверхмощной печи.

Сверхмощные печи желательно обеспечивать специально подготовленным ломом, однако неизбежно использование тяжеловесной обрези прокатных цехов. При загрузке шихты в печь тяжеловесную обрезь необходимо располагать так, чтобы обеспечивалась минимальная длительность расплавления лома и футеровка печи не испытывала излишних тепловых перегрузок. Тугоплавкий плотный лом следует загружать под электроды в зону действия дуг, чтобы ускорить его плавление. Такой лом не следует размещать у водоохлаждаемых панелей стен, где его плавление неизбежно связано с тепловыми перегрузками футеровки стен.

Суммарная длительность периода завалки шихты определяется числом бадей, используемых для загрузки всей шихты (обычно две-три бадьи). Длительность завалки может быть значительно уменьшена в случае применения быстродействующих механизмов открывания и закрывания рабочего пространства печи, быстро действующих завалочных кранов и бадей грейферного типа. На новых сверхмощных 150-т печах Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК), например, продолжительность подъема свода на 500 мм составляет 30 с, продолжительность поворота свода на 76° 50 с. Для 100-т печей Белорусского металлургического завода (БМЗ) эти величины составляют соответственно 25 с и 30 с, для 100-т сверхмощной печи ДСП-100И7 эти величины составляют 40 с и 40 с.

1.3 Плавление шихты Для экономичной и высокопроизводительной работы сверхмощной дуговой печи важнейшее значение имеет рациональная технология периода плавления. Главной задачей периода является быстрое и экономичное расплавление шихты, осуществляемое способом, обеспечивающим наименьший износ футеровки. В связи с малой продолжительностью окислительного периода в сверхмощной печи в период плавления приходится удалять из металла значительную часть фосфора. Быстрое расплавление металлической шихты в сверхмощной печи обеспечивается высокой удельной мощностью печного трансформатора, правильным выбором электрического режима плавки, улучшением условий работы футеровки, позволяющим увеличить время работы печи на максимальной мощности, применением дополнительных источников тепла (топливно-кислородные горелки, внепечной подогрев шихты), использованием газообразного кислорода для интенсификации расплавления шихты.

Электрический режим плавления должен обеспечить введение в печь максимально возможной для данной стадии периода мощности с обязательным учетом теплового состояния футеровки печи и созданием щадящего режима работы огнеупорной футеровки стен и свода.

Период плавления по особенностям состояния печи включает три стадии: 1) формирование зоны плавления; 2) плавление шихты с горением дуг на образовавшейся ванне жидкого металла при экранировании стен ломом; 3) доплавление остатков шихты при непосредственном излучении части энергии дуг на стены печи (Рис 1.). Для каждой стадии должен быть разработан собственный электрический режим, учитывающий ее специфику.

Быстрое плавление шихты и раннее шлакообразование в период плавления способствуют меньшему насыщению металла газами во время плавления. Это также способствует упрощению технологии и уменьшению продолжительности окислительного периода плавки.

А б в.

Рисунок 1. Стадии плавления шихты в высокомощной дуговой печи: а — формирование плавильной зоны; б — работа электродов на жидкую ванну; в — доплавление шихты и нагрев металла.

1.4 Особенности окислительного периода плавки и доводки Высокая мощность печного трансформатора позволяет быстрее нагреть металл в окислительный период плавки; дефосфорация стали при плавке в сверхмощной печи может быть практически завершена уже в период плавления. В связи с этим главной особенностью окислительного периода плавки является его малая продолжительность (обычно 15−30 мин). Все технологические задачи окислительного периода решаются намного быстрее, чем в обычной печи, и осуществляются одновременно.

Для обеспечения высоких показателей работы сверхмощной печи необходимо уменьшить продолжительность пребывания жидкого металла в печи, что может быть достигнуто в результате быстрого нагрева металла в окислительный период плавки (>10°С/мин), быстрого окисления углерода газообразным кислородом и применения одношлакового процесса плавки. В большинстве случаев сверхмощные печи работают одношлаковым процессом с доводкой под окислительным шпаком.

Задачей восстановительного периода является получение готовой стали с низким содержанием оксидных и сульфидных включений. В связи с отсутствием восстановительного периода в сверхмощной печи десульфурация металла должна проходить в окислительных условиях в конце плавления и главным образом в окислительный период плавки. Окислительные условия и малая продолжительность пребывания жидкого металла в печи существенно затрудняют проведение десульфурации металла. Благодаря интенсивному кипению ванны увеличивается поверхность контакта металл-шлак и создаются благоприятные кинетические условия для осуществления десульфурации металла. Возможность быстрого нагрева ванны и высокая окисленность печного шлака позволяют при необходимости быстро повышать основность шлака окислительного периода (CaO)/(SiO₂) до 3 — 3,5 и улучшают условия удаления серы из металла в шлак. Как достигаемые, так и равновесные значения коэффициента распределения серы между шлаком и металлом для окислительных условий сравнительно невелики и обычно не превышают 6−8, поэтому одношлаковый процесс плавки с доводкой под окисленным шлаком в печах с большой вместимостью обеспечивает удаление не более 35 — 50% серы, имевшейся в металле после расплавления шихты. Это дает возможность получать в готовом металле 0,025−0,03% серы при работе на шихте среднего качества. Большая степень десульфурации металла (удаление 50−60% серы, имевшейся в металле после расплавления) может быть обеспечена более ранним и большим повышением основности или увеличением количества окисленного углерода, однако это приводит к увеличению длительности пребывания металла в печи и возрастанию общей длительности плавки. Таким образом, все большее место в технологии получения стали приобретают различные методы внепечной обработки стали.

2. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ Основными элементами конструкции современной дуговой сталеплавильной печи являются ванна печи, установленная на наклоняющейся платформе механизма наклона печи. Печь наклоняется в сторону рабочего окна на 10−15^о для скачивания шлака, и на 25−45^о в сторону сливного отверстия для слива металла. Сверху ванна закрыта сводом. В своде имеются отверстия для опускания в рабочее пространство трех электродов. Основной несущей конструкцией для удержания электрода является рукав электрододержателя, зафиксированный на стойке, имеющей возможность вертикально перемещаться в двух поясах направляющих роликов под действием привода перемещения электрода. Несущей конструкцией механизмов перемещения электродов служит портал, опирающийся на тумбу платформы наклоняющейся. Для удержания электрода и обеспечения надежного электрического контакта служит механизм зажима электрода. Для открывания ванны печи для загрузки шихты предназначен механизм подъема и поворота свода.

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВИЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА.

Определение размеров плавильного пространства ДСП производится с учетом требований технологии и теплообмена. Наиболее распространенным типом ванны трехфазной дуговой сталеплавильной печи является сфероконическая ванна с углом между образующей и осью конуса, равным 45°. Объем ванны должен быть достаточным для того, чтобы вместить весь жидкий металл и шлак. Объем шлака составляет 20% объема металла в небольших печах и 15…17% в крупных.

Для достижения производительной и экономической работы дуговой печи необходимо придать ее плавильному пространству рациональные пропорции и форму.

Основными размерами плавильного пространства печи определяют, исходя из заданной номинальной емкости (массы жидкой стали) G, т., диаметр ванны и ее глубину по формулам:

Для глубины и радиуса шарового сегмента (сферической части ванны) Диаметр плавильного пространства на уровне откосов D₁ определяется как:

где значение H определяет разность по высоте уровня порога рабочего окна и уровня откосов. Во избежание усиленного размывания шлаком основания футеровки рекомендуется принимать H=0,05… 0,1 м.

Объем плавильного пространства намного превосходит объем ванны печи, что необходимо для обеспечения удовлетворительной работы свода, нужных размеров рабочего окна, уменьшения количества подвалок шихты при ее объемном весе 0,8 — 1,0 т/м³. а также обеспечения оптимальной величины наружной поверхности, позволяющей избежать чрезмерного увеличения длины хода электродов, утяжеления конструкции и, следовательно, тепловых потерь.

Рекомендуется принимать высоту плавильного пространства K =(0, 5? 0,45)D₁ для печей емкостью 0.5… 6,0 т; К=0,475· 1,703=0,815 м Где: _жм =7,14 т/м³, _жш = 2,8…3,2 т/м³ — плотности жидкого металла и жидкого шлака соответственно е =0,1…0,15- дополнительный объем ванны в долях объема жидкой стали;

b = 0,05…0,1 — масса шлака в долях массы стали;

Диаметр верхнего уровня футеровки D₂ зависит от конусности стен и определяется выражением где т = 0,07? 0,08 для печей емкостью менее 20 т.

Стрела свода К обычно составляет.

Размер рабочего окна должен соответствовать размерам мульд загрузочной машины, обеспечивать возможность заправки через него подины и стен, а также наблюдения за состоянием подины, стен и свода.

Ширина рабочего окна М=pD₁= 0,331,703=0,562 м где значение р составляет 0,33 для печей емкостью менее 10 т, Высота рабочего окна.

.

Для ограничения тепловых потерь через подину и уменьшения температурного перепада по глубине ванны жидкого металла суммарную толщину футеровки подины принимают:

Диаметр кожуха электропечи.

.

где S_o, S_т — толщины огнеупорного и теплоизоляционного слоев.

S_o= 0,3 м S_т=0.

где примем.; величина зазора d для графитированных электродов диаметром 0,1…0,3 м составляет 0,01 м Диаметр распада электродов — диаметр окружности, на которой расположены их оси, должен быть достаточным для того, чтобы размешенные внутри него электрододержатели не соприкасались при движении. Кроме того, диаметр распада электродов должен обеспечить прочность центральной части свода. При этом расстояние между электродами не должно быть слишком большим, чтобы не увеличить размеры плавильного пространств и тем самым, избежать увеличения габаритов, массы печи и ее тепловых потерь. Поэтому диаметр распада электродов определяется как с учетом размеров диаметра электрода, так и диаметра плавильного пространства.

Диаметр распада электродов определяется по эмпирической формуле:

Примерный эскиз рабочего пространства изображен на рисунке 3.

Рисунок 3. Эскиз плавильного пространства ДСП.

4. ПОСТРОЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ПРОЕКТИРУЕМОЙ УСТАНОВКИ В полном энергетическом балансе на 1 т металла определяют следующие статьи.

Приход энергии, кВт ч/т:

1) активная электроэнергия W_эл;

2) тепло химических реакций, проходящих в стальной ванне и в результате окисления электродов (разность тепловых эффектов экзотермических и эндотермических реакций) W_хим ;

3) физическое тепло шихтовых материалов, задаваемых в печь (в том числе тепло кислорода и воздуха, подсасываемого в печь) W_ш;

4) тепло дополнительных источников энергии, например газокислородных горелок, W_доп .

Расход энергии, кВт ч/т:

1) тепло на расплавление и перегрев металла и шлака (полезный расход энергии) W;

2) потери активной электроэнергии в трансформаторе и токоподводе W_эп.

3) потери теплоотдающей поверхностью печи W_ф ;

4) потери с охлаждающей водой W_вод;

5) потери излучением через рабочее окно W_о;

6) потери открытым рабочим пространством во время завалки, подвалки и механизированной заправки W_пр.

7) потери с отходящими газами W_газ.

Уравнение энергетического баланса дуговой сталеплавильной печи может быть записано следующим образом:

4.1 Определение полезной энергии для нагрева и расплавления металла и шлака Полезная энергия периода расплавления определяется по формуле где — энергия, необходимая для нагрева и расплавления скрапа;

— энергия, необходимая для перегрева расплавляемого металла;

— энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева шлака.

В процессе нагрева и расплавления в дуговой печи происходит угар некоторой части загруженного в печь металла. Поэтому для получения заданного количества жидкого металла в печь необходимо загрузить увеличенное количество скрапа. Масса загружаемого в печь скрапа определяется по формуле где — требуемое количество жидкого металла в конце расплавления;

— угар металлической завалки (7…10%).

Масса шлаков G_ш составляет 15−20% от массы, загружаемой в печь металлической завалки G_м (большая величина — для малых печей).

Энергия, необходимая для нагрева и расплавления скрапа, определяется по форму.

где с₁ — 0,194 Вт-ч/(кг°С) — средняя удельная теплоемкость стального лома в интервале от начальной температуры до температуры плавления;

t_пл = 1510 °C — температура плавления металла;

t₀ 10 °C — температура загружаемого в печь скрапа;

_м = 79 Втч/кг — скрытая теплота плавления металла.

Энергия, необходимая для перегрева расплавленного металла где с₂ = 0,232 Вт-ч/(кг°С) — средняя удельная теплоемкость стального лома в интервале от температуры плавления до температуры перегрева;

t_пер = 1560 °C — температура перегрева металла и шлака.

Энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева шлаки, определяется по формуле где с_ш=0,34 Втч/(кгС) — средняя удельная теплоемкость шлака; _ш=58 Втч/кг — скрытая теплота плавления шлака.

4.2 Тепловые потери с газами Общее количество тепла, теряемого с отходящими газами за время плавки W_тпг, сравнительно мало зависит от распределения Р_тпг·. Доля этой величины (W_тпг) в энергетическом балансе ДСП возрастает при сокращении цикла плавки с увеличением вместимости и мощности ДСП, расходов топлива и кислорода. На печах небольшой и средней мощности емкостью 3…50 т W_тпг в период плавления составляет 6…8%.

4.3 Определение тепловых потерь через футеровку Тепловые потери через футеровку дуговой сталеплавильной печи определяются по формулам для плоской стенки. Учитывая, что различия в значениях внутренней и внешней поверхностей футеровки сравнительно невелико, для упрощения расчетов рекомендуется определить удельные тепловые потери на 1 м² футеровки (раздельно для стен, свода и подины) и умножить удельные потери на соответствующие внешние поверхности футеровки.

Плотность теплового потока через футеровку определяется значениями температуры Т₀ свода, кожуха и днища ДСП, которые мало зависят от емкости ДСП, но значительно увеличиваются по мере износа футеровки в ходе ее кампании. По измерениям, проведенным на ДСП емкостью от 5 до 200 т, значения Т₀ для свода составляют 150 — 400, для кожуха 80 — 350 и для днища 60 — 200 °C. Соответствующие удельные значения теплового потока с наружной поверхности при температуре окружающего воздуха 20 °C составляют: для свода 3−15, для кожуха 0,8 — 10 и для днища 0,4 — 3 кВт/м². Потери тепла через свод и стены значительно возрастают при работе ДСП в конце компании при сильно изношенной футеровке.

Для определения мощности тепловых потерь через футеровку стен свода и днища необходимо на основании результатов расчета параметров плавильного пространства рассчитать площади поверхностей пода и футерованных частей свода и стен. Задаться плотностью теплового потока из вышеуказанных диапазонов для соответствующих частей футеровки. Определить тепловые потоки через футеровку свода, стен и подины и просуммировать их.

При этом следует руководствоваться следующими соображениями:

При определении диаметра футерованной части свода следует учесть, что между краем электродного отверстия и краем футеровки свода расстояние равно диаметру электрода. Центральная часть свода плоская, периферийная — конусообразная.

Стены футерованы по высоте до 0,35 м. Выше — водоохлаждаемые панели. Площадь футеровки стен — площадь боковой поверхности цилиндра диаметром, равным внешнему диаметру футеровки.

Для упрощения расчета площади подины центральную сферическую часть подины принять плоской.

Толщину футеровки стены принимаем равной из магнезита обычного марки М-91. Тепловые потери через стену составляют.

.

где t ₁ — температура внутренней поверхности огнеупорной кладки, t ₁ = 1600 ⁰С;

t ₂ — температура внешней поверхности кладки, t ₂ = 300 ⁰C;

? — толщина огнеупорного слоя, м;

— коэффициент теплопроводности огнеупорного материала, Вт/(м⁰С),.

.

где .

— плотность теплового потока через стенку.

Расчетная внешняя поверхность стен, определяется по формуле где H_фут — высота футеровки, — диаметр кожуха печи, определяется по формуле:

Тепловые потери стен, определяется по формуле Тепловые потери через футеровку свода, определяется по формуле где — боковая поверхность для сферического сегмента, определяется по формуле где — диаметр распада электродов, м; - диаметр электродов.

— плотность теплового потока через свод Тепловые потери через футеровку подины, определяется по формуле где — внешняя поверхность футеровки подины, определяется по формуле.

.

где r_сф — радиус шарового сегмента пода, l — образующая конусообразной части пода, вычисляется по формуле:

.

.

Отсюда получаем площадь поверхности:

Тепловые потери через футеровку подины, определяется по формуле.

Суммарные потери через футеровку, составляют.

Сведем полученные данные тепловых потерь через футеровку в таблицу 4.3.1.

Таблица 4.3.1 — Тепловые потери через футеровку.

4.4 Определение тепловых потерь через водоохлаждаемые панели Тепловые потери через водоохлаждаемые панели, определяется по формуле где — площадь водоохлаждаемой поверхности; - тепловые потери через водоохлаждаемую поверхность площадью 1 м².

где — высота пояса водоохлаждаемых панелей,.

.

L_св — образующая конической части свода, определяется по формуле:

.

где ?К — стрела свода.

.

Теперь возможно найти площадь водоохлаждаемой поверхности:

.

Тепло на поверхности гарнисажа передается главным образом за счет излучения. Источниками излучения являются электрические дуги, сильно запыленные газы, заполняющие рабочее пространство и поверхность жидкой ванны. Если дуги погружены в пенистый шлак, то для расчета плотности тепловых потерь с водой в первом приближении можно воспользоваться формулой, описывающей теплообмен между излучающим газом и его оболочкой:

.

где , — температура и степень черноты оболочки; , — температура и степень черноты газа; =5,67 Вт/м²К⁴ коэффициент излучения черного тела. Можно принять, что средняя степень черноты поверхности гарнисажа на панелях и поверхности ванны _С, а также степень черноты запыленных газов _Г примерно одинаковы и близки к 0.9. Температуры газов и поверхности ванны можно принять близкими к 1600 С (Т_Г = 1873 К), а среднюю температуру поверхности гарнисажа на панелях — равной 1300 С (Т_С = 1573 К).

4.5 Определение тепловых потерь через рабочее окно Оконный проем обычно закрыт. Рабочее окно открывается для проведения таких технологических операций, как измерение температуры, доплавление шихты с помощью оконной газо-кислородной горелки и т. п. Время открытого состояния рабочего окна _о рекомендуется принять равным половине продолжительности периода расплавления.

Площадь оконного проема, через который происходят потери излучением, приближенно определяется как.

Среднюю расчетную температуру излучающей поверхности печной камеры для периода расплавления принимают равной 1450 С. При такой температуре плотность теплового потока излучения равен q_изл=410кВт/м².

Тогда тепловой поток излучения через рабочее окно составит.

4.6 Определение тепловых потерь в период межплавочного простоя Во время межплавочного простоя тепловые потери ДСП, складываются из потерь через футеровку и потерь через водоохлаждаемые панели и определяются по формуле:

где — коэффициент неучтенных потерь,.

4.7 Определение энергии экзотермических реакций периода расплавления.

Для определения W_xим необходимо предварительно составить материальный баланс, с помощью которого устанавливают состав и количество исходных материалов и продуктов плавки. В современных печах, работающих с применением кислорода и ТКГ, тепловыделение W_xим может достигать 30−35%, а в отдельные периоды плавки и более высоких значений. Определение W_xим вызывает известные трудности. Энергию экзотермических реакций периода расплавления можно оценить значением, приблизительно равным 30% полезной энергии периода расплавления.

4.8 Определение энергии дополнительных источников.

Приход тепла W_доп зависит от мощности Q_гкг и длительности работы _гкг топливно-кислородных горелок и может достигать значений, сопоставимых с W_эл.

Если в задании не оговорены значения Q_гкг и _гкг, то можно принять, что тепло дополнительных источников энергии не превышает 25…30%, общего расхода энергии.

.

где _р = 0,8 ч — длительность периода расплавления;

_пр — 0,3 ч — длительность периода межплавочного простоя.

4.9 Энергетический баланс плавки.

Недостающее количество энергии компенсируется электроэнергией. С учетом рассчитанных составляющих баланса уравнение (3.1) для W_эл принимает вид.

где _р = 0,8 ч — длительность периода расплавления;

_пр — 0,3 ч — длительность периода межплавочного простоя;

_эл — электрический КПД, принятый равным 0,9.

Результаты расчета энергетического баланса сведены в таблицу 4.2.

Таблица 4.2. Энергетический баланс плавки в ДСП.

4.10 Определение мощности печного трансформатора Мощность трансформатора определяется по условиям расплавления, во время которого в печи расходуется наибольшая часть электрической энергии. Средняя активная мощность, вводимая в печь в период расплавления, определяется суммарным расходом электроэнергии и длительностью расплавления пол током (т.е. общей длительностью расплавления за вычетом времени, в течение которого печь не потребляет электрическую энергию). Средняя активная мощность печи в период расплавления определяется по формуле.

.

Необходимая кажущаяся мощность печного трансформатора.

.

где К_исп ~ коэффициент использования мощности печного трансформатора в период расплавления, который учитывает невозможность работы печи в течение всего периода расплавления на максимальной мощности (в частности, из-за опасности перегрева футеровки стен и свода длинными электрическими дугами к концу расплавления), а также колебания вводимой в печь мощности за счет несовершенства системы автоматического регулирования мощности печи и за счет нестабильности напряжения питающей сети. При проектировании печей К_исп обычно принимают в пределах 0,8. .0,9; cos — средний коэффициент мощности электропечной установки в период расплавления. Для условий работы современных сверхмощных дуговых сталеплавильных печей средний коэффициент мощности находится в пределах 0,92… 0,8 (меньшее значение принимается для высокомощных крупных печей).

По рассчитанному значению выбираем трансформатор ЭТЦНВТ- 36 000/35-УХЛ4, первичное напряжение трансформатора, мощность S_ТР=25. Пределы регулирования вторичного напряжения 239,4−395 В.

5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДСП.

Электрические характеристики строятся на основе схем замещения печных установок. Активные и индуктивные сопротивления считаются условно постоянными, кроме сопротивления дуги R_Д. поэтому схема замещения имеет вид цепочки из сопротивлений х, r и R_Д.

Активное сопротивление вторичного токоподвода — r =1,3 мОм.

Индуктивное сопротивление вторичного токоподвода — х = 8,9 мОм.

Рассчитывается напряжение по формуле:

где — предел регулирования вторичного напряжения на трансформаторе.

.

Определим ток короткого замыкания по формуле:

где. Получаем ток короткого замыкания равным:

Рассчитываются и строятся электрические характеристики в функции от тока I₂ во вторичной цепи схемы замещения цепи :

— мощность электрических потерь.

— напряжение на дуге.

— мощность дуги.

— полная активная мощность фазы печи.

— мощность дуги.

— коэффициент мощности.

— электрический КПД установки.

Рассчитывается максимальная активная мощность печи Р', мощность дуги Р^«_Д и соответствующие им значения токов I'_Д и I^«_Д по формулам.

Рассчитываются и строятся рабочие характеристики печи.

— удельная производительность, т/ч.

где — теоретически необходимый расчет электроэнергии для расплавления 1 тонны стали;

— удельное время расплавления, ч/т.

— удельный расход электроэнергии, Вт· ч/т Характеристики строятся в функции от тока дуги (цепи) в одном масштабе по оси тока.

Напряжение —; Ток КЗ — ;

С помощью Excel произведен расчет электрических и рабочих характеристик, результаты сведены в Таблицу 5.

Таблица 5 — Электрические и рабочие характеристики.

Построим электрические и рабочие характеристики:

Электрические характеристики:

Рабочие характеристики:

6. ВЫБОР ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ УЧАСТКОВ ВТОРИЧНОГО ТОКОПОДВОДА Вторичным токоподводом или короткой сетью ЭТУ называют совокупность проводников, соединяющих низковольтные выводы источника питания (печного трансформатора) с рабочей зоной электрической печи, включая устройства электрической изоляции, системы охлаждения, конструкции крепления проводников и других элементов.

К основным участкам вторичного токоподвода относят:

· Неподвижная часть — служит для передачи энергии от трансформатора к гибкой части. Присоединение неподвижной части к трансформатору осуществляется компенсаторами (гибкие ленты), которые облегчают монтаж и компенсируют температурные изменения.

· Гибкая часть — обеспечивает проведение технологических операций (перемещение электродов, подъем и отворот свода, наклон печи и т. п.).

· Подвижный токоподвод — осуществляет подвод энергии от гибкой части к электроду. Подвижный токоподвод состоит из «башмаков» и трубошин и заканчивается головкой электрододержателя.

· Электрод — вводит энергию в рабочее пространство.

Соединение подвижного и неподвижного участков токопровода установки дуговой печи чаще всего осуществляется гибкими медными проводами (кабелями). Для этой цели применяются голые медные кабели и медные кабели в резинотканевых рукавах. В первом случае кабели работают с естественным охлаждением, а во втором случае, кабели, как правило, имеют искусственное водяное охлаждение.

Поскольку кабели с естественным охлаждением не могут быть удовлетворительно защищены от теплового и химического воздействия со стороны колошника печи, здесь весьма целесообразно применение водоохлаждаемых кабелей.

Водоохлаждаемые кабели обладают в сравнении с голыми значительно большей нагрузочной способностью. Если голый кабель по условиям допустимого нагрева обычно работает с плотностью тока до 1,5 А/мм², то водоохлаждаемый кабель может работать без допустимого перегрева при практически неограниченной плотности тока порядка 10 А/мм² и выше. Оптимальная плотность тока для водоохлаждаемого кабеля должна выбираться на основании технико-экономического расчета по условию минимума годовых эксплуатационных расходов, складывающихся в основном из стоимости амортизации кабеля и стоимости энергии электрических потерь в кабеле за срок его службы. С увеличением плотности тока уменьшаются расходы на амортизацию кабеля, но увеличивается стоимость электроэнергии, теряемой в нем.

В практике эксплуатации дуговых печей плотность тока в водоохлаждаемых кабелях колеблется в широких пределах-от 2 до 8 А/мм². Для предварительного выбора количества и сечения водоохлаждаемых кабелей рекомендуется ориентироваться на плотности тока 2,5−4,5 А/мм².

Экономически целесообразное сечение, мм², определяется из соотношения.

.

где в час максимума энергосистемы, А;

J — нормированное значение экономической плотности тока, А/мм², применяемое равным J=2,5А/мм².

Теперь определим количество проводников n для участков вторичного токоподвода.

где — площадь проводника.

1. Электродуговые установки. Методические указания к курсовому проекту для студентов V курса факультета мехатроники и автоматизации. Составители: Л. П. Горева, Р. А. Бикеев.

2. Горева Л. П. Электротехнологические установки и системы. Электродуговые установки: учеб. Пособие для вузов.

3. А. Д. Свенчанский. Электрические промышленные печи.

4. Сайт ОАО «Сибэлектротерм».

5. Сайт ОАО «Электрозавод».