7. Выбор и определение основных параметров дсп тема № 5

Основной энергетической проблемой современных ДСП является выявление резервов для повышения их электрической мощности, т.к. тепловоспринимающая способность футеровки используется не полностью.

С точки зрения теплообменных процессов рациональные размеры рабочего пространства печи и рациональное размещение в нем источников нагрева должны обеспечивать:

1) наиболее благоприятное для проведения технологических процессов распределение мощности излучения дуг и тепловых потоков между футеровкой и поверхностью ванны при обеспечении максимальной передачи тепла металлу и исключении перегрева кладки;

2) наиболее благоприятные условия нагрева металла по всему объему ванны при минимальном перепаде температур по глубине;

3) максимально возможную равномерность интенсивности облучения стен как по высоте, так и по периметру печи;

4) наименьшую мощность тепловых потерь.

Для определения геометрических параметров ванны печи необходимо знать особенности тепловой работы печи. 90% всей излучаемой на ванну мощности дуги приходится на пятно дугиF_г на поверхности расплава под электродами: F_г=π(d_э+4ℓ_д)². На поверхности пятна температура шлака и металла намного выше средней температуры поверхности ванны и футеровки стен и свода, поэтому пятно переизлучает на кладку часть тепла, поступающего на него от дуг.

Ванна нагревается излучением по всей поверхности от кладки и от столбов дуг. Шлак, перегретый в горячих зонах под электродами, передает тепло к остальному шлаку теплопроводностью и конвекцией. Эти же виды теплообмена преобладают в передаче тепла от шлака к металлу. Причем этот процесс усиливается с увеличением перемешивания металла. Перемешивание металла усиливается:

- с увеличением электродинамического воздействия дуг на металл при увеличении силы тока I_д;

- в окислительный период при «кипении» ванны;

- при использовании электромагнитного перемешивания металла в конце периода расплавления.

В целом нагрев жидкого металла в ванне ДСП зависит от мощности дуг Р_д и их расположения относительно поверхности ванны, которые определяются длиной дуги ℓ_д ( напряжением U_д) и погружением дуги в расплав под воздействием электромагнитных сил, зависящих от тока дуги I_д.

Изучение распределения температур по объему и глубине жидкой ванны методом электротепловой аналогии показало, что глубину ванны следует выбирать при d_м/h_м=5,0…5,5 (d_м – диаметр ванны по поверхности металла, h_м – глубина металла в ванне). При таких соотношениях с теплотехнической точки зрения будет обеспечено и сравнительно равномерное облучение поверхности ванны (d_м) от дуг и кладки печи, и равномерный прогрев металла в объеме ванны (h_м).

Основные параметры рабочего пространства

Рис. 5: D_в= d_м – диаметр ванны по поверхности металла;

h_в= h_м – глубина металла в ванне

Форма и кладка рабочего пространства печи

Рис.6: 1 - асбест, 2 - порошок, 9 – шамот, 11 – огнеупорный кирпич, 12 – набивка.

При конструировании дуговых электрических печей чаще всего принимают во внимание требования технологии плавления, строительства и ремонта отдельных элементов печи и условий теплообмена в рабочем пространстве.

Объем ванны до откосов включает объемы металла V_м, шлака V_ш и дополнительный V_д, т.е. V₀=V_м+V_ш+V_д.

V_м=М/ρ_м (емкость печи на плотность жидкого металла).

Объем шлака составляет 20% объема металла в небольших печах и 15-17% в крупных, т.е. V_ш=(0,15…0,2)*V_м.

Дополнительный объем обычно принимают 10-15% от V_м.

Ванна круглой печи обычно представляет собой усеченный конус с шаровым сегментом (рис.6), с углом наклона образующей конуса β=45^о. Высота ванны h состоит из высоты конусной части h₁=0,8h и высоты сегмента h_c=0,2h.

Падающий тепловой поток от дуг на поверхность футеровки стен можно рассчитать как функцию распределения:

₃

q={Σ Р_iд* (1-К cosβ_i)/(1+К²-2Кcosβ_i+[ (Н-ℓ’_д)/x ]²)^3/2}/4πх²,

ⁱ⁼¹

где Р_iд – мощность соответствующей дуги, кВт;

Н – текущая высота стен печи, м;

ℓ’’_д – половина высоты дуги, м;

К=d_р/d_м – коэффициент, учитывающий размещение электродов;

d_р – диаметр распада электродов (окружность, на которой расположены оси электродов), м;

d_м – диаметр ванны на уровне поверхности металла, м;

cosβ_i – направляющий косинус для соответствующей дуги.

Установлено, что для 200-т ДСП в различные периоды плавки излучение от дуг составляет 65…128 кВт/м² и суммарное излучение кладки и поверхности ванны – 100…370 кВт/м².

Изменять распределение теплового потока от дуги между ванной и футеровкой и регулировать температуру кладки стен и свода можно подъемом или опусканием электродов.

Минимальную высоту сводового пространства печи h_св определяют, исходя из необходимости разместить в объеме ванны и этом пространстве всю твердую завалку в один прием. При плотности шихты 1,5-1,6 т/м³, объем завалки примерно в 5 раз превосходит объем жидкого металла, а при скрапе с объемной массой 1 т/м³ объем свободного пространства должен быть еще большим.

В отечественных ДСП: h_св/d₀=0,6…0,5 для малых печей;

h_св/d₀=0,45…0,38 для крупных.

(h_св/d₀ = высота свода/диаметр ванны на уровне откосов).

С учетом процессов теплообмена, рациональными были бы стены сводового пространства наклоненные внутрь печи. Однако в этом случае нельзя было бы вести загрузку шихты сверху и невозможно было бы заправлять разрушившиеся боковые стены. Поэтому стены наклоняют наружу на угол 25^о по отношению к вертикали. В этом случае увеличивается стойкость огнеупоров кладки, т.к. по высоте стен увеличивается расстояние от дуг и уменьшается плотность теплового потока на верхний пояс. Это позволяет также выполнять кладку верхней части стен тоньше.

Стрелу выпуклости свода Δh_с необходимо выбирать из условий получения достаточной строительной прочности свода в разогретом состоянии, т.к. он испытывает усилия от распора. Чем больше диаметр свода d_св, и чем меньше Δh_с, тем больше механические напряжения в своде. С учетом коэффициента теплового расширения огнеупорного материала сводового кирпича на практике принимают:

• Δh_с=(0,08…0,1) d_св для кислых огнеупоров;

• Δh_с=(0,11…0,12) d_св для магнезитохромитового свода.

Размер рабочего окна, расположенного на противоположной стороне печи по отношению к сливному желобу, определятся:

1) размерами мульд загрузочной машины и заправочных механизмов,

2) возможностями:

• ремонта подины и горячего пояса,

• удаления из печи обломков электродов,

• осмотра состояния огнеупоров кладки стен и свода печи.

Средние размеры рабочего окна составляют:

- ширина окна b=(0,22…0,33)d₀;

- высота окна h₀=(0,65…0,7)b при стреле арки Δh₀=(0,13…0,14)b.

Весьма важным размером в ДСП является диаметр распада электродов d_р. Этот диаметр определяется необходимостью обеспечить прочность центральной части свода и должен быть достаточным для размещения электродержателей без замыкания при перемещении электродов. С учетом опыта действующих печей рекомендуется отношение d_р/d_э=2,5…3,5.

Таким образом исследования и опыт эксплуатации ДСП показывают, что главным фактором увеличения теплопередачи от дуг жидкой ванне является экранирование дуг электродами, определяемое отношением d_э/U_д (диаметр электрода, м / падение напряжения в дуге, В)

Цель теплового расчета электрической печи обычно является определение потребной и установленной мощности и определение теплотехнических и экономических показателей ее работы. Эти показатели предопределяются емкостью ванны и мощностью трансформатора. Если последняя недостаточна для данной емкости,то:

• затягивается плавление,

• увеличивается газонасыщение металла,

• уменьшается производительность печи,

• повышается расход электроэнергии

• возрастает себестоимость стали

• возрастают удельные капитальные затраты.

При чрезмерной мощности трансформатора при данной емкости печи:

• увеличиваются расходы на оплату за установленную мощность cosφ,

• возрастают тепловые потери и удельные капитальные затраты на электрооборудование как печи, так и печного пролета цеха,

• ухудшаются условия службы кладки печи.

Максимальную мощность печного трансформатора S можно определить, используя формулу:

S=Р_э/(τ_рКcosφ),

где Р_э – расход энергии на плавку, кВт*ч;

τ_р - время плавления «под током», ч;

К – коэффициент использования мощности печного трансформатора в период расплавления, К=0,85…0,90;

cosφ =0,75…0,68.

Время расплавления определяют по формуле:

т_р= Р_э/(SКcosφ-Q_т.п)= p_тМ/ (SКcosφ-Q_т.п),

где p_т – теоретический удельный расход энергии на расплавление металла, кВт*ч/т (для стали равен 340 кВт*ч/т);

М – емкость печи, т.

Q_т.п – тепловые потери, МДж

Для определения удельного расхода электроэнергии (р, кВт*ч/т) на выплавку 1т стали используют формулу:

Р= Scosφp_т/(SКcosφ-Q_т.п)+q_прт_пр/Мη_э+(q_вτ_в+Q^’₂)/M,

где q_пр – потери тепла печью за время простоев, ч;

q_в - потери тепла печью за время рафинирования, ч;

т_пр и τ_в – продолжительности этих периодов, ч;

Q^’₂ – тепло, затрачиваемое на эндотермические реакции и подогрев металла в период восстановления, Дж.