1 Задание на курсовой проект

В курсовом проекте необходимо произвести тепловой расчёт дуговой сталеплавильной печи. Определить основные размеры печи, затем, посредством составления теплового баланса печи найти значение тепла, вносимого дугами. Далее по найденному количеству тепла определить необходимую полную мощ­ность трансформатора.

Необходимые данные для расчёта взять из таблицы А.1. Вариант задания выбирается по номеру студента в списке группы.

2 Определение основных размеров печи

2.1 Объем жидкого металла в дуговой сталеплавильной пе­чи, м3:

V=v·G ,

где v =0,145 м³/т — удельный объем жидкой стали;

G - емкость печи, т.

2.2 Диаметр зеркала металла вычисляется по формуле, мм:

D = 2000·C· ,

где коэффициент С выбираем из нижеприведенной табли­цы, принимая значение D/H=5,0 (при G≥100 т); D/H=4,5 (при G<100 т)

D/H. 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 1,165.

2.3 Глубина ванны жидкого металла, мм:

Н= D/С.

2.4 Расчетный объем шлака, м³:

V_ш= 0,1· V.

2.5 Высота слоя шлака, мм:

2.6 Диаметр зеркала шлака, мм:

D_ш = D + 2H_ш.

2.7 Уровень порога рабочего окна должен быть расположен выше уровня зеркала шлака на 40 мм, а уровень откосов на 65 мм выше уровня порога рабочего окна. Тогда диаметр ванны на уровне откосов равен, мм:

D_от = D + 2(Н_ш + 40 + 65).

2.8 Диаметр ванны на уровне стен (рис. 1) равен, мм:

D_CT = D_от + 200.

2.9 Высота плавильного пространства H_пл зависит от ёмкости печи:

G, т 12 – 60 61 – 100

H_пл/D_от 0,4 – 0,45 0,34 – 0,38.

2.10 Внутренний диаметр кожуха, мм:

D_K=D_CT+2· δ_от.

2.11 Толщину магнезитовой футеровки в верхней части стен принимаем равной δ_ст. Свод выполняют из хромомагнезитового кирпича толщиной δ_св. Стрела пролета свода печи принимается равной 15% пролета (внутреннего диаметра) свода, мм:

h_cb = 0,15·D_cb = 0,15·(D_k- δ_св).

2.12 Ширину рабочего окна печи определяем, мм:

b = 0,25·D_от.

2.13 Высота рабочего окна составляет, мм:

h = 0,65·b.

3 Энергетический баланс периода расплавления

Целью составления энергетического баланса является определение суммарного количества электрической энергии, которую необходимо выделить в дуговой сталеплавильной печи в период расплавления, по которому затем определяют необходимую мощность печного трансформатора. Для современных ДСП продолжительность периода расплавления τ_Р принимаем 9504 с.

Примерно в середине периода расплавления проиcxoдит подвалка шихты, продолжительность которой составляет τ_п=2160 с. Следовательно, продолжительность расплавления «под током» составляет τ_р.т = τ_Р – 2160 с. Принимая τ_Р=9504 с, находим τ_р.т.

ПРИХОД ТЕПЛА

3.1 Тепло, вносимое шихтой, кДж:

Q_ш=G · d_ш · с_ш · t_ш

где d_ш – доля металла в шихте (d_ш=0,97 – 0,99);

t_ш – температура шихты (t_ш =20°С);

с_ш – теплоёмкость шихты (с_ш=0,469 кДж/(кг·К)).

3.2 Тепло, вносимое электрическими дугами (вычисляем после формулы (3.20)), ГДж:

Q_д = η_эл·W_эл·10^-6,

где η_эл - электрический к. п. д., равный 0,87—0,92;

W_эл - используемая в печи электроэнергия, кДж.

3.3 Тепло экзотермических реакций можно определить по материальному балансу. Однако точность его расчёта 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 данным испытаний аналогичных печей. Таким образом, тепло экзотермических реакций определим по формулам [1]:

С→СО₂ G · 0,074,

С→ СО G · 0,053,

Si→ SiO₂ G · 0,092,

Мn→МnO G · 0,0249,

Fe→ Fe₂O₃ G · 0,0098,

Fe→ FeO G · 0,0248,

Fe→ Fe₂0₃ (в дым) G · 0,2211

Q_экз = МДж

3.4 Тепло шлакообразования: SiО₂→(CaO)₂ Si0₂, МДж:

Q_шл.обр. = G · 0,01474

РАСХОД ТЕПЛА

3.5 Физическое тепло стали, кДж:

Q_ст =d_ст·G·[c_ст^тв ·t_пл.ст +L_ст +c_ст^ж (t_ст –t_пл.ст )]

где d_ст – выход стали (d_ст=0,91 – 0,97);

c_ст^тв – удельная теплоёмкость твёрдой стали в интервале температур 0-1500 ^оС (c_ст^тв = 0,7 кДж/(кг·К));

c_ст^ж - удельная теплоёмкость жидкой стали в интервале температур 1500-1600 ^оС (c_ст^ж = 0,837 кДж/(кг·К));

(t_ст –t_пл.ст ) – интервал температур плавления стали (1600 – 1500 ^оС);

L_ст – скрытая теплота плавления стали (L_ст = 272,16 кДж/кг).

3.6 Физическое тепло стали, теряемой со шлаком, кДж:

Q_ст-шл =d_щл·G·[c_ст^тв ·t_пл.ст +L_ст +c_ст^ж (t_ст –t_пл.ст )]

где d_шл – доля шлака (d_шл=0,005 – 0,008)

3.7 Физическое тепло шлака, кДж:

Q_шл =d_щл·G·(c_шл ·t_шл +L_шл)

где c_шл – удельная теплоёмкость шлака при температуре 1700 ^оС (c_шл = 1,25 кДж/(кг·К));

L_шл – скрытая теплота плавления шлака (L_шл = 209,35 кДж/кг).

t_шл – температура шлака (1700 ^оС)

3.8 Тепло, уносимое газообразными продуктами реакций с температурой t_ух=1500 ^оС, Дж:

Q_yx = 295· G

3.9 Тепло, уносимое частицами Fe₂O₃, кДж:

Q_Fe2O3 =d_Fe2O3·G·(c_Fe2O3 ·t_ух +L_Fe2O3)

где c_Fe2O3– удельная теплоёмкость Fe₂O₃ при температуре 1500 ^оС (c_Fe2O3 = 1,23 кДж/(кг·К));

L_Fe2O3 – скрытая теплота плавления Fe₂O₃ (L_шл = 209,34 кДж/кг).

d_Fe2O3 – доля Fe₂O₃ , уносимая с дымом (d_Fe2O3=0,04 – 0,05).

Потери тепла теплопроводностью через футеровку.

Для определения тепловых потерь через футеровку ДСП применяют формулы для плоской стенки. Для расчёта тепловых потерь через стенку печи необходимо знать:

- вид огнеупорных материалов;

- коэффициент теплопроводности огнеупорных материалов;

- коэффициент теплоотдачи с внешней стенки печи в окружающую среду;

- геометрические размеры стенки печи.

Футеровка подины имеет толщину δ_п, мм и состоит из огнеупорной магнезитовой набивки толщиной x мм, огнеупорной кладки из магнезитового кирпича толщиной y мм и шамота-легковеса толщиной z мм. Футеровка стен на уровне откосов (δ_от) состоит из хромомагнезитового кирпича толщиной x₁ мм и магнезитового кирпича, толщиной y₁ мм.

Стены имеют два равных по высоте участка разной толщины на нижнем и на верхнем участке. Материал - магнезитовый кирпич. Тепловым сопротивлением слоя магнезитовой засыпки пренебрегаем.

Коэффициент теплопроводности магнезита равен λ_м = 6,28-0,0027·t_ср Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности хромомагнезита: λ_хм = 4,07-71,5·10^-5·t_ср Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности шамота: λ_ш = 0,84+58·10^-5t_ср Вт/(м·К).

Температура внутренней поверхности футеровки печи равна t₁=1600°С, температуру внешней поверхности верхней части стены примем равной Т₁, нижней Т₂. Температура внутренней поверхности футеровки свода равна t_св=1500°С, температура внешней поверхности свода Т_св.

Принимая, что к концу кампании футеровка стен и свода может износиться на 50 %, принимаем расчетную толщину футеровки равной 75% первоначальной толщины.

3.10 Определяем коэффициент теплоотдачи с внешней стенки в окружающую среду, Вт/(м²·К):

α₂=10+0,06·T,

где T – температура внешней поверхности, ^оС.

3.11 Так как стены имеют два равных по высоте участка разной толщины: нижний (на уровне откосов) и верхний, то площади внешних поверхностей этих участков будут равны и определяются по формуле, м²:

F=π·D_k·H_пл/2.

3.12 Принимая температуру в цехе (Т_ос) равной 30°С, находим потери тепла через стены печи для двух равных по высоте участков с соответствующими толщинами футеровок по формуле, Дж:

где δ_i – толщина слоя, м;

λ_i – коэффициент теплопроводности слоя при средней температуре этого слоя, Вт/(м·К);

F – площадь наружной поверхности стен, м².

Полученные значения потерь тепла суммируем.

3.13 Площадь внешней поверхности свода определяем по формуле, м²:

F = π·[0,15² · (D_k – δ_cт)²+(D_k – δ_cт)² ]/2

3.14 Для определения тепловых потерь свода используем значение площади его наружной поверхности и формулы (3.10) и (3.12), принимая температуру внешней поверхности свода T_св.

3.15 Коэффициент теплоотдачи конвекцией подины (обращенной вниз поверхности) равен:

α₂ = 0,7(10+ 0,06· T_под)

где T_под – температура внешней поверхности подины, T_под =200 ^оС.

3.16 При определении площади наружной поверхности подины примем, что она состоит из поверхности сферического сегмента, равной площади наружной поверхности свода и цилиндрической поверхности F_под:

F_под= π·D_k·(H_под– δ_п),

где:

H_под = δ_п + H +H_шл + 0,04 + 0,065.

3.17 Для определения тепловых потерь подины используем значение площади её наружной поверхности и формулы (3.10) и (3.12), принимая температуру внутренней поверхности подины 1600 °С.

3.18 Подсчитываем общие потери тепла теплопроводностью через футеровку печи. Они выражаются суммой потерь тепла через стены, свод и подину печи. Потерями тепла с водой, охлаждающей рабочее окно дуговой сталеплавильной печи пренебрегаем.

3.19 Потери тепла в период межплавочного простоя.

В период подвалки шихты печь раскрывается и потери тепла в этот период складываются из потерь тепла излучением через раскрытый свод, потерь тепла с газами, с ох­лаждающей водой и теплопроводностью через футеровку печи. Расчет этих величин в случае раскрытой печи достаточно сложен, так как температура внутренней поверхности футеровки быстро падает. Поэтому ориентировочно примем, что потери тепла в период межплавочного простоя будут равны, ГДж:

Q_мп = (Q_тепл + Q_oxл + 0,5·Q_yx)· k_н · τ_п/ τ_р

где k_н - коэффициент неучтенных потерь, k_н=1,1-1,2.

Q_oxл – потери тепла от охлаждения печи, Q_oxл = 14 ГДж.

3.20 Расход электроэнергии найдем из уравнения теплового баланса периода расплавления дуговой сталеплавильной печи. Для чего необходимо все составляющие перевести в ГДж и из теплового баланса получить значение Q_д:

Q_прих = Q_расх

Q_ш+ Q_д+ Q_экз+ Q_шл.обр. = Q_ст+ Q_ст-шл+ Q_шл+ Q_yx+ Q_Fe2O3+ Q_тепл+ Q_мп

Откуда из формулы (3.2) находим W_эл - используемую в печи электроэнергию.

Результаты расчета теплового баланса периода расплавления дуговой сталеплавильной печи сводятся в таблицу 1.

Т а б л и ц а 1. Тепловой баланс периода расплавления дуговой сталеплавильной печи

Статья прихода	ГДж (%)	Статья расхода	ГДж (%)
1. Тепло, вносимое шихтой		1. Физическое тепло стали
		2. Физическое тепло стали, теряемой со шлаком
2. Энергия, вносимая дугами
		3. Тепло, уносимое газами частицами Fe203
3. Тепло экзотермических реакций		4. Потери тепла теплопроводностью
4. Тепло шлакообразования		5. Потери тепла в период межплавочного простоя
Итого		Итого

3.21 Удельный расход электроэнергии на 1 кг металлической завалки, ГДж/кг:

ω₂ = W_эл /G

3.22 Тепловой коэффициент полезного действия равен:

η_Т= (Q_ст+ Q_ст-шл+ Q_шл)/ Q_прих

3.23 Учитывая, что η_эл = 0,9, общий коэффициент полезного действия будет равен:

η_общ= η_эл· η_Т

Несколько повышенный расход электроэнергии и соответственно пониженные значения величин η_Т и η_общ обусловлены большой потерей тепла с уходящими газами. Для уменьшения этих потерь целесообразно подать в ванну в период расплавления технический кислород.