Заврин В.Г. Тепломассообменное оборудование предприятий

Подождите немного. Документ загружается.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

131

30. УКАЗАНИЯ К ПОДБОРУ ДЫМОСОСА

В ряде случаев, при установке воздухоподогревателей и котлов- утили-

заторов, дымовая труба приемлемых размеров не может обеспечить доста-

точной тяги. В этом случае устанавливают дымосос. Требуемый напор дымо-

соса определяют, исходя из полного сопротивления газового тракта за выче-

том тяги, создаваемой дымовой трубой.

Производительность дымососа определяется с учетом технологических

газов, образующихся в проце

ссе тепловой обработки материала, газов, выби-

вающихся из рабочего пространства печи и присосов воздуха в воздухопо-

догревателе и по длине газового тракта. Запас по производительности при-

нимается 15 ÷ 20 % с учетом форсирования печи.

31. УКАЗАНИЯ ПО ВЫБОРУ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ

Горелочные устройства подбираются по типовым каталогам и справоч-

ной литературе согласно расходу топлива и воздуха.

Выбор числа горелочных устройств предоставляется проектанту. При

выборе числа горелок необходимо помнить, что при большом числе горелок

отдельная их мощность меньше и проще регулирование температуры в печи.

Однако при большем числе горелок усложняются коммуникации на печном

агрегате.

32. УКАЗАНИЯ ПО ИСПОЛНЕНИЮ СХЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

Принципиальная схема газоснабжения выполняется на миллиметровке

в пояснительной записке. В состав входят: магистральный газопровод, от-

ветвления, газорегуляторный пункт (ГРП) или газорегуляторная установка

(ГРУ), а также принципиальная схема газопроводов на агрегате, включая

продувочные газопроводы и трубопроводы безопасности.

33. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

Основные энергетические особенности дуговой сталеплавильной

печи (ДСП).

ДСП – печь периодического действия: потребление мощности в различ-

ные периоды плавки (технологического процесса) меняется по времени.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

132

Периоды:

1) период расплавления;

2) окислительный период;

3) период рафинирования металла;

4) период межплавочного простоя.

Во время расплавления происходит нагрев загрузки (обычно стального

лома или скрапа) до температуры плавления и расплавления загрузки. В этот

период потребляется преобладающая часть энергии, причем, чем больше

средняя активная мощность печи, тем, при прочих равных условиях, меньше

длительность расп

лавления.

В окислительный период потребляемая печью мощность сокращается,

т. к. необходимый перегрев жидкого металла, а также нагрев и расплавление

шлакообразующих материалов в значительной степени осуществляется 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 нар

яду со стальным ломом загружаются

шлакообразующие материалы, и к концу периода расплавления в ванне печи

имеются нагретый до требуемой температуры жидкий металл и расплавлен-

ный шлак.

В период рафинировки металла печь потребляет энергию, необходимую

для расплавления восстановительного шлака, расплавления легирующих до-

бавок, перегрева металла до температуры выпуска и для покрытия потерь.

Средняя активная мощность печи в период ра

финирования обычно значи-

тельно ниже, чем в период расплавления.

В период межплавочного простоя осуществляются технологические

операции без потребления мощности из сети: слив металла, заправка футе-

ровки печи и загрузка печи для очередной плавки.

При непрерывной работе печи тепловые потери в период межпл

авочно-

го простоя компенсируются при последующей плавке.

При прерывистой работе (двухсменная или односменная) потери ком-

пенсируются в течение нескольких последующих плавок. Иногда прогрева-

ют футеровку, включая печь на пониженную мощность перед началом рабо-

чего дня. Для каждого из перечисленных периодов плавки может быть со-

ставлен свой энергетический баланс со своей совокупностью стат

ей прихода

и расхода энергии.

В периоды расплавления, окисления и рафинирования приход энергии

происходит в основном за счет электрической энергии и экзотермических ре-

акции (иногда учитывают теплоту загружаемых материалов).

Расход:

1) полезная теплота на нагрев и расплавление металла, шлака, а также

легирующих элементов и вспомогательных добавок;

2) тепловых потерь печи за соответствующий период плавки;

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

133

3) тепловых потерь печи за предшествующий период плавки, если эти

потери не были компенсированы в тот период;

4) потери энергии на разогрев футеровки до установленного теплового

режима (при прерывистом процессе работы печи).

В период обычного межплавочного простоя прихода энергии нет, а рас-

ход происходит в результате тепловых потерь.

Строгий энергетический баланс ка

ждого периода плавки составляется

с учетом материального баланса соответствующего периода и позволяет оп-

ределить расход электроэнергии и удельный расход электроэнергии.

Сводный энергетический баланс плавки в целом получается суммирова-

нием всех статей прихода и расхода энергии. Составление материально-

энергетического баланса плавки ДСП представляет собой длительную и тру-

доемкую работу, которая может быть выполнена только на действующей пе-

чи, причем достоверность полученных результатов зависит от количеств

а ба-

лансовых плавок, проведенных в равных условиях.

При проектировании ДСП обычно составляют расчетный энергетиче-

ский баланс только для периода расплавления и по результатам этого баланса

определяют необходимую мощность печного трансформатора, длительность

расплавления и удельный расход электроэнергии в период расплав

ления.

Определение полезной энергии для нагрева и расплавления металла

и шлака

1 Удельная энергия, необходимая для нагрева до температуры плавле-

ния, расплавления и перегрева до заданной температуры 1 кг металла или

шлака

= C

пл

– t

) + U + C

пер

– t

пл

где С

– средняя удельная теплоемкость в интервале t

÷ t

пл

, Втч/(кг⋅град);

пл

– температура плавления, ºС;

– начальная температура, ºС;

U – скрытая теплота плавления, (Вт ч)/кг;

– средняя удельная теплоемкость жидкого металла в интервале

пл

÷ t

пер

, Вт ч/(кг⋅ град);

пер

– заданная температура перегрева, ºС.

2. Применительно к малоуглеродистому стальному лому (содержание уг-

лерода от 0,1 % до 0,3 %) с температурой плавления около 1510 ºС рекоменду-

ют: С

= 0,194 Вт ч/(кг⋅град) (0,7 кДж/ (кг⋅град); t

= 10 ºС – среднегодовая тем-

пература загружаемого стального лома при отсутствии предварительного по-

догрева; С

= 0,232 Вт ч/(кг⋅град) (0,836 кДж/ (кг⋅град); U = 79 Вт ч/кг.

3. Заданная температура перегрева жидкого металла к концу периода

расплавления зависит от способа ведения технологического процесса плавки.

В некоторых случаях перегрев металла в период расплавления не произво-

дится, а при совмещении периода расплавления с началом окислительного

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

134

периода металл обычно перегревают приблизительно на 50 ºС выше его тем-

пературы плавления.

4. Удельная энергия, необходима для нагрева и расплавления 1 кг сталь-

ного лома (без перегрева сверх температуры плавления)

= C

пл

– t

) +U

= 0,194 (1510 – 10) + 79 = 370, (Вт·ч)/кг.

Для перегрева 1 кг жидкого металла сверх температуры плавления на 50 ºС

= C

пер

– t

пл

) = 0,232 (1560 – 1510) = 11,6, (Вт·ч)/кг.

5. Аналогично определяется удельная энергия для нагрева и расплавле-

ния шлака. Данные для расчета энергии шлакообразования: средняя удельная

теплоемкость шлакообразующих материалов и расплавленного шлака

шл

= 0,34 Вт·ч/(кг⋅

С); U

шл

= 58, (Вт·ч)/кг.

6. Если t

шл

= 1560 ºС в конце периода расплавления, то удельная энергия,

необходимая для нагрева и расплавления шлакообразующих материалов

шл

= C

шл

– t

)+ U

шл

= 0,34 (1560 – 10) + 58 = 585, (Вт·ч)/кг.

Принимая массу шлака по отношению к массе загружаемого в печь

скрапа 0,06 (6 %), то на 1 кг металлической загрузки печи требуется энергия

350,06

шл

=⋅= WW

, (Вт·ч)/кг.

8. Полезная энергия, которую необходимо выделить в ДСП в период

расплавления на 1 т металлической загрузки:

– для нагрева до 1510

С и расплавления загрузки без перегрева жидкого

металла сверх температуры плавления

= 370 ⋅ 1000 = 370000, (Вт·ч)/т;

– для перегрева жидкого металла на 50 ˚С сверх температуры плавления

= 11,6 ⋅ 1000 = 11600, (Вт·ч)/т.

– для нагрева и расплавления шлакообразующих материалов, а также

для перегрева до t = 1560 ˚С расплавленного шлака в количестве 6 % массы

металлической загрузки печи

шл

⋅ 1000 =35⋅ 1000 = 35000, (Вт·ч)/т.

9. Энергия W

необходима при любом виде технологического процесса

плавки стали на твердой холодной загрузке. Составляющие W

и W

не явля-

ются обязательными для периода расплавления. Поэтому при составлении

теплового баланса периода расплавления необходимо учитывать технологию

расплавления.

10.

При составлении теплового баланса периода расплавления и опре-

деления необходимой полезной мощности этого периода и длительности

расплавления необходимо учитывать нижеследующее.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

135

11. В процессе нагрева и расплавления угар обычно К

уг

= 5-6 % массы

загруженного металла. Поэтому для получения заданного количества жидко-

го металла G

в печь надо подать скрапа

1001

уг

загр

−

12.

Угар происходит в процессе нагрева скрапа, поэтому при нагреве не-

обходимо учитывать увеличенное количество скрапа.

13. Дополнительная энергия, необходимая для нагрева угорающего ме-

талла на 1 т жидкого металла

() ()

тч)кВт(16,0,0551015100,19410

100

10Δ

уг

0пл

⋅=⋅−⋅=−=

ttcW

при угаре К

уг

= 5,5 %.

14.

Для примера ДСП номинальной емкостью 300 т, работающей на

твердой завалке, в которой конечная стадия расплавления совмещается с на-

чалом окислительного периода, т. е. к концу расплавления в печи наводится

окислительный шлак и производится перегрев расплавленного металла

и шлака выше температуры плавления металла. Угар К

уг

– 5 %, t

пл

= 1510 ˚С,

пер

= 1560 ˚С.

. Масса скрапа

т315

100

1300

100

уг

жм

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Энергия для нагрева и расплавления скрапа

(

)

UGttСGW

⋅

−

⋅

ж0пл1м1

ч.Вт10115,37930000010)0,194(1510315000

⋅⋅=⋅+−⋅=W

Энергия для перегрева расплавленного металла

()

. чВт ,1048,310)150.232(1560300000

плпер2м2

⋅⋅=−⋅=−⋅= ttСGW

Количество шлака в период расплавления

т183000,060,06

жш

⋅

= GG

Энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева шлака

()

[]

(

)

[

]

чВт,1010,53581015600,3418000

ш0першш3

⋅⋅=+−=+−= UttСGW .

16. Суммарная полезная энергия периода расплавления

полезн

+ W

= 115300+3480+10530 = 129310 кВт·ч.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

136

17. Удельная полезная энергия:

на 1 т металлической завалки (скрапа)

ч/ткВт411

315

129310

полезн

⋅===

;

на 1 т жидкого металла

ч/ткВт384

300

129310

полезн

⋅===

18. Определение тепловых потерь ДСП производится после расчета

внутренних и внешних размеров печной камеры, а также схемы футеровки

и выбора материалов, огнеупорной кладки и тепловой изоляции.

Определение размеров печной камеры ДСП

Наиболее распространенным типом ванны трехфазной ДСП является

сфероконическая ванна с углом между образующей и осью конуса 45

. Для

такой ванны диаметр зеркала жидкого металла определяется (рис. 42) по

формуле

2000 VСD = , мм,

где

V – объем жидкого металла, м

;

С – коэффициент, зависящий от отношения диаметра зеркала металла D

к глубине ванны по металлу

Н.

1. Высота сферического сегмента

принимается 20 % общей глубины

жидкого металла.

Для этого случая

С= 0,875 + 0,042a, где

= .

Рис. 42. Форма плавильного

пространства ДСП

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

137

2. При

а = 4÷7 – коэффициент С

а = D/H

4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

1,043 1,064 1,085 1,106 1,127 1,149 1,169

3. При высоте сферического сегмента

, увеличенной до 25 % общей

глубины жидкого металла, коэффициент

С определяется по формуле

С = 0,9 + 0,04а.

4. Диаметр зеркала металла можно определить также, исходя из задан-

ной глубины металла

Н. Для сфероконической ванны с углом конуса 45

и глубиной сферического сегмента Нс = 0,2Н диаметр зеркала, мм

841

1750

−

где

Н – глубина металла, мм.

5. Объем жидкого металла

V, м

, определяется из удельного объема

жидкого металла

υ, м

/т, и заданной вместимости печи G, т: V=υ ⋅ G. Прини-

мают

υ = 0,145 м

/т.

6. Над жидким металлом в ванне должно быть оставлено пространство

для шлака

, которое принимают в % объема жидкого металла.

7. Высота слоя шлака определяется

0,785

1000

= мм,

где

D – диаметр зеркала металла, м.

8. Значение отношения

а = D/H влияет на условия проведения техноло-

гического процесса плавки в дуговой сталеплавильной печи. Чем больше

при заданной вместимости 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 чрезмерное увеличе-

ние

а вызывает увеличение габаритных размеров и массы печи, что может

привести к ухудшению технико-экономических показателей. Поэтому

а =

4,5-5,5. Величина

а меньше для печей небольшой вместимости, для процесса

не требующего тщательной рафинировки расплавленного металла. Для печей

большой вместимости

а = 5,5.

Для печей 100

÷200 т и больше отношение а может диктоваться предель-

но допустимой по технологическим соображениям глубиной ванны, в том

числе по допустимой разности температур верхнего и нижнего слоев жидко-

го металла в ванне.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

138

9. Уровень порога рабочего окна принимается на уровне зеркала шлака

или на 20

÷40 мм выше. Уровень откосов принимают на 30÷70 мм выше уров-

ня порога рабочего окна, во избежание усиленного размывания шлаком ос-

нования футеровки стены.

10. Высоту плавильного пространства

, т. е. расстояние от уровня от-

косов до верха стены выбирают с учетом того, что с увеличением

возрас-

тает вместимость печи – можно загрузить большую массу металлического

лома определенной плотности и улучшить условия работы огнеупорной

кладки свода, воспринимающей излучение электрических дуг.

Но увеличение

связано с недостатками:

а) увеличением габаритных размеров, массы и стоимости печи;

б) увеличением реактивного сопротивления электрода;

в) ухудшением условий службы огнеупорной кладки высокой стены;

г) повышенной опасностью поломок длинных электродов.

Уменьшение

приводит к соответствующему уменьшению внутренне-

го объема печи и к некоторому ухудшению условий службы огнеупорной

кладки свода, но при этом снижается роль перечисленных выше недостатков.

11. В современных условиях нет необходимости ориентироваться на од-

норазовую загрузку печи по следующим причинам:

а) в ряде случаев приходится использовать металлический лом плотно-

стью, значительно мень

шей 1250 кг/м

(800÷1000 кг/м

);

б) по условиям технологии часто оказывается более целесообразным за-

гружать 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 соображений для современных ДСП:

0,5

÷ 6 т – Н

= (0,5÷0,45) D

от

;

÷50 т – Н

= (0,45÷0,4) D

от

;

≥ 100 т – Н

= (0,38÷0,34) D

от

12. После выбора внутренних размеров печной камеры необходимо оп-

ределить ее внешние размеры, для чего должны быть хотя бы предваритель-

но намечены конструктивные решения футеровки печи с выбором огнеупор-

ных и теплоизоляционных материалов для отдельных участков футеровки –

подины, стен и свода.

13. В отличие от других печей, у ДСП высокие теплоизоляционные ка-

чества ст

ен и свода не улучшают технико-экономические показатели печей.

Причина: при температуре металла равной 1600 ºС внутренняя поверхность

огнеупорной кладки стен и свода подвергается разрушающим воздействиям

теплового излучения электрических дуг, имеющих температуру (5

÷7) 10

ºС.

В этих условиях, даже для огнеупоров самого высокого качества, целесооб-

разно добиваться снижения внутренней поверхности футеровки стен и свода

за счет отказа от теплоизоляционного слоя футеровки, а в отдельных случаях

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

139

– за счет принудительного охлаждения внешней поверхности футеровки

(воздушного или водяного).

По этой причине своды подавляющего большинства ДСП выкладывают-

ся огнеупорными кирпичами без теплоизоляции, а в процессе эксплуатации

рекомендуется систематическое сдувание пыли с внешней поверхности фу-

теровки свода.

14. Футеровка стен ДСП имеет в большинстве случаев небольшой по

толщине слой тепловой изоляции между огнеупорн

ой кладкой и кожухом

печи.

В мощных печах толщина стен 300

÷350 мм при полном отсутствии теп-

лоизоляции, часто выполняется с водоохлаждаемыми кессонами вблизи

электрических дуг.

15. Особенности службы футеровки подины:

а) огнеупорная часть футеровки должна быть достаточно надежной

против прорыва жидкого металла через подину (длительный простой);

б) иметь высокие теплоизоляционные свойства для уменьшения пе-

репада температур по глубине ванны жидкого металла.

в) в отличие от футеровки стен и сво

да футеровка подины надежно

защищена от теплового излучения электрических дуг.

16. Для ограничения тепловых потерь через подину и уменьшения тем-

пературного перепада по глубине ванны жидкого металла суммарную тол-

щину футеровки подины ДСП средней вместимости принимают равной глу-

бине ванны жидкого металла.

17. У ДСП с элекр

омагнитным перемешиванием жидкого металла тол-

щина подины может быть уменьшена и толщина футеровки стен принимает-

ся по конструктивным соображениям и практически не зависит от емкости

печи.

18. Толщина футеровки свода 230 мм (стандартный кирпич) для печей

вместимостью до 12 т, 300 мм – для 25

÷30 т, 380÷460 мм для печей 100 т

и выше.

Пример

Определить внутренние и внешние размеры печной камеры ДСП

номинальной емкостью 300 т

1. Вместимость жидкого металла в количестве, равном номинальной

вместимости печи:

V=υ ⋅ G = 0,145 ⋅ 300 = 43,5 м

где

υ – удельный объем жидкой стали, принимается 0,145 м

/т.

2. Для сфероконической ванны принимаем отношение диаметра зеркала

металла к глубине ванны

255,

== .

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

140

3. Коэффициент

С = 0,875 + 0,042 ⋅ 5,25 = 1,096.

4. Диаметр зеркала жидкого металла

мм 7700543096120002000

=⋅== ,,VСD

5. Глубина ванны по жидкому металлу

мм 1470

255

7700

,а

===

6. Принимаем расчетный объем шлака 10 % жидкого металла

= 0,1V = 0,1 ⋅ 43,5 = 4,35 м

7. Высота слоя шлака

мм 95

7,70,785

4,351000

0,785

1000

⋅

8. Диаметр зеркала шлака

= D + 2Н

= 7700 + 2 ⋅ 95 = 7890 мм.

9. Диаметр ванны на уровне порога рабочего окна выбираем с таким

расчетом, чтобы уровень порога был на 40 мм выше уровня зеркала шлака

= D

+ 2 ⋅ 40 = 7890 + 80 = 7970 мм.

10. Уровень откосов принимаем на 65 мм выше уровня порога рабочего

окна. Тогда диаметр ванны на уровне откосов

от

= D

+ 2 ⋅ 65 = 7970 + 130 + 8100 мм.

11. Внутренний диаметр футеровки стены

ст

принимаем на 200 мм

больше диаметра ванны на уровне откосов, чтобы защищать основание стены

от разрушения при размывании откосов шлаком, а также несколько отдалить

стены от источников высокотемпературного излучения – электрических дуг:

ст

= D

от

+ 200 = 8100 + 200 = 8300 мм.

12. Высоту плавильного пространства от уровня откосов до верха стены

принимаем

= 0,36D

от

= 0,36 ⋅ 8100 ≈ 2900 мм.

13. Толщину футеровки стены на уровне откосов принимаем равной

500 мм из расчета выкладки основания стены магнезитовым кирпичом

длиной 460 мм с засыпкой 40 мм зазора между кирпичной кладкой и кожу-

хом печи (например, крошкой из отходов магнезитовой кладки). Эта засыпка

играет роль демпферного слоя, компенсирующего тепловое расширение кир-

пичной кладки ст

ены. С точки зрения теплоизоляции роль засыпки незначи-

тельна, причем, чем выше теплопроводность засыпки, тем легче условия ра-