Расчет электродуговой сталеплавильной печи емкостью 100 тонн

Применение водоохлаждаемого свода снижает расход огнеупоров, уменьшает затраты на его изготовление, сокращает простои печи, что в целом обеспечивает увеличение производительности. Однако одновременно на 6-10% возрастает расход электроэнергии и увеличивается потребление воды примерно на 2м³/ч на каждый квадратный метр охлаждаемой поверхности свода. 

Сырьем  для  их  производства  служит  горная  порода  магнезит  MgCO3.  Технология  производства  магнезитовых  огнеупоров  сводится  к  обжигу  дробленого  магнезита  при  температуре  порядка  1570 ºС  с  целью  удаления  СО2  и  получения  оксида  магния  МgO,  который  затем  подвергается  дроблению,  помолу,  увлажнению,  прессованию  для  получения  изделий  требуемой  формы,  подсушиванию  и  обжигу  в  течение  120 – 150 ч  при  температуре,  возрастающей  до  1650  ºС.  Полученные  таким  образом  изделия  содержат  не  менее  85 %  МgО  и  характеризуются  высокой  предельной  температурой  службы.

При  производстве  термостойких  магнезитохромитовых  изделий  шихту  составляют  из  0 - 65 %  хромита  и  60 – 35 %  обожженного  магнезита.

Основой  шамотных  материалов  служат  оксиды  алюминия  и  кремния  (Al2O3  и  SiO2),  причем  содержание  Al2O3  составляет  в  них  от  28  до  45 %.  Шамотные  изделия  изготовляют  из  огнеупорных  глин  и  минерала,  называемого  каолином.  Это  сырье  подвергают  предварительному  обжигу,  а  затем  размалывают  и  просеивают.

2  РАСЧЕТНАЯ  ЧАСТЬ

2.1  Расчет  основных  размеров  печи

2.1.1 Рассчитываем    объем  жидкого  металла  в  дуговой  сталеплавильной  печи  емкостью  G =  100 тонн

                                          V = U × G,                                                  (1)    

где  U - удельный  объем  жидкой  стали =0,145 м3

V = 0,145 ×100 = 14, 5 м³ 

2.1.2  Вычисляем  диаметр  зеркала  металла   

D = 2000 ×С× ,                                            (2)           

где  коэффициент  С  табличное значение,  принимая  значение  D / H = 5,0

D = 2000 × 1,085 × ³√14, 5 = 5291, 5 мм = 5,3м

2.1.3  Находим  глубину  ванны  жидкого  металла

                                         Н = D / Н,                                               (3)

                                                 Н = 5,3 / 5,0 = 1,06 м

2.1.4  Находим  объем  шлака

                                        Vш = 0, 1× V,                                          (4) 

Vш = 0, 1 ×14,5 =  1,45 м³

2.1.5Определяем высоту слоя шлака

                                             Нш = ,                                                          (5)

где Vш – расчетный  объем  шлака,  мм;

       D – диаметр  зеркала  металла,  м.

                                                 Нш = = 0,0657 м = 65,7 мм

2.1.6  Определяем  диаметр  зеркала  шлака

                               Dш = D + 2 × Hш ,                                                              (6)

где  D – диаметр  зеркала  металла,  мм;

       Н – высота  слоя  шлака,  мм.

Dш = 5291, 5 + 2 × 65, 7= 5422,9 мм

Уровень  порога  рабочего  окна  должен  быть  расположен  выше  уровня  зеркала  шлака  на  40мм,  а  уровень  откосов – на  65  мм  выше  уровня  порога  рабочего  окна. 

2.1.7  Вычисляем  диаметр  ванны  на  уровне  откосов

                                 Dот = D + 2 × (Нш + 40 + 65) ,                                             (7)

где  D – диаметр  зеркала  металла,  мм;  

       Нш –  высота  слоя  шлака, мм.

Dот = 5291,5 + 2 × (65,7 + 40 + 65) = 5632,9 мм

2.1.8  Находим  диаметр  стен

                                            Dст =  Dот + 200 ,                                                            (8)

Dст  = 5632,9+ 200 =  5832,9 мм

Высота  плавильного  пространства  Нпл  и  толщина  футеровки  для 100 тонной  печи равна

  Hпл/Dom=0,42

δom=825 мм

δ n=905 мм

δсв =300 мм

δcm=525 мм

2.1.9  Вычисляем  высоту  плавильного  пространства

                                    Нпл = Нпл × Dот ,                                                                      (9)

где  Dот - диаметр  ванны  на  уровне  откосов

                                            Нпл = 0,42×3843 = 1614,1 мм

Футеровка подины имеет толщину 905 мм и состоит из огнеупорной магнезитовой набивки толщиной 160 мм, огнеупорной кладки из магнезитового кирпича толщиной 575 мм и шамота-легковеса толщиной 95 мм. Два теплоизоляционных слоя и асбест по 25 мм.

Откосы толщиной 825 мм состоят из следующих материалов: из огнеупорной магнезитовой набивки толщиной 160 мм, магнезитового кирпича толщиной 1162,5 мм, трех теплоизоляционных огнеупорных материалов: шамотного легковеса, магнезитовой набивки и асбеста.

2.1.10  Определяем  внутренний  диаметр  кожуха:

                                          Dк = Dст + 2 ×,                                                        (10)

где  Dст – диаметр  стены,  мм;

       - футеровка  стен  на  уровне  откосов,  мм

Dк = 5632,9+ 2 × 825 = 7282,9 мм

Толщину  магнезитовой  футеровки  в  верхней  части  стен  принимаем  равной  δст = 525 мм.

Свод  выполняют  из  хромомагнезитового  кирпича  толщиной  δсв = 300 мм.  Стрела  пролета  свода  печи  принимается  равной  15 %  пролета  (внутреннего  диаметра)  свода.

2.1.11  Находим  высоту  свода

                               hсв = 0,15 × Dсв = 0,15 × (Dк – δсв)               ,                            (11)

где  Dк – внутренний  диаметр  кожуха,  мм;

        δсв – футеровка  в  верхней  части  стен,  мм.

                                       hсв = 0,15 × (7282,9 -300 ) = 1047,43 мм

Размеры  рабочего  окна  выбираем  из  условий  удобства  загрузки  в печь  шлакообразующих  и  легирующих  материалов  мульдами:  b × h = 1180 × 1050 мм.

2.2  Расчет  энергетического  баланса

Рассчитываем суммарное количество электрической энергии, которую необходимо выделить в дуговой сталеплавильной печи период расплавления τ р.m = 3420с

2.2.1   Рассчитываем  приход  тепла

2.2.1.1  Тепло,  вносимое  шихтой  (tш=20˚С)

Qш  = 100 × 0,98 × 0,469 × 20=919,24×103 кДж=0,919 ГДж

2.2.1.2  Тепло,  вносимое  электрическими  дугами

Qд = ηэл × Wэл × 10ˉ, 

где  ηэл  – электрический  к.п.д.,  равный  0,87 – 0,92; 

       Wэл – вводимая  в  печь  электроэнергия;  кДж.

                                                Qд = 0,9 × Wэл × 10ˉ,

2.2.1.3  Тепло  экзотермических  реакций

      С → СО2                          0,002173 × 100× 10³× 34,09 = 7407,75

      С → СО                           0,005070× 100× 10³ × 10,47 = 5308,29

      Si → SiO2                        0,002965 × 100 × 10³× 31,10 = 9221,15

      Mn → MnO                     0,003384 × 100× 10³ ×7,37 =  2494,00

      Fe → Fe2O3                                 0,001335 × 100 × 10³ × 7,37 = 983,89

      Fe → FeO                         0,005152 × 100 × 10³ ×4,82 = 2483,26  

      Fe → Fe2O3 (в дым)       0,003000 × 100 × 10³ × 7,37 = 22110

                           –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

                                                  Qэкз = 50008,34 МДж = 50,0 ГДж.

2.2.1.4  Тепло  шлакообразования

SiO2 → (CaO)2        

SiO2            0,006354 × 100 × 10³ × 2,32 = 1474,12 МДж                                    

Qшл = 1,47 ГДж   

    2.2.2  Рассчитываем  расход тепла:

   2.2.2.1  Физическое  тепло  стали

Qст = 0,965739 × 100 × 10³ × [0,7 × 1500 + 272,16 + 0,837 × (1600 – 1500)]

Qст = 135769,38 × 10³ кДж = 135,76 ГДж

2.2.2.2  Физическое  тепло  стали,  теряемой  со  шлаком

Qст-шл = 0,005 × 100 × 10³ × [0, 7 ×1500 + 272, 16 + 0,837 ×(1700 – 1500)] =

= 744,78 × 10³кДж = 0,74 ГДж

2.2.2.3  Физическое  тепло  шлака

Qшл = 0,068350 × 100× 10³ × (1,25 × 1700 + 209,35)=

= 15943,61× 10³ кДж = 15,94 ГДж

2.2.2.4  Тепло,  уносимое  газообразными продуктами  реакций  с  температурой   tyx = 1500˚C

Qyx  = 0,131229 × 100 × 10³ × 2301,42 = 30201,30 × 10³ кДж = 30,201 ГДж

2.2.2.5  Находим  энтальпию  газообразных  продуктов  реакции:

       i СО2                  0,0495 × 3545,34 = 175,49

       i Н2О                  0,1014 × 2758,39 = 279,70

       i О2                     0,0188 × 2296,78 = 43,18

       i N2                     0,8308 × 2170,55 = 1803,3

                     ––––––––––––––––––––––––––

                                           i = 2301, 42 кДж/м³

2.2.2.6  Тепло,  уносимое  частицами   Fe2O3

Q Fe2O3 = 0,042854 × 100×10³ × (1, 23 × 1500 + 209, 34) =

= 8803,95× 10³ кДж = 8,8 ГДж

2.2.3  Потери  тепла  теплопроводностью  через  футеровку

     Стены  имеют  два  разных  по  высоте  участка  разной  толщины: 525 мм  на  нижнем  и 425 мм  на  верхнем  участке. 

     Принимая,  что  к  концу  кампании  футеровка  стен  и  свода  может  износиться  на  50%,  принимаем  расчетную  толщину  футеровки   75% первоначальной  толщины  участков  стен  равными  соответственно: 

0,75 × 525 =  393 мм  и  0,75 × 425 = 318 мм

    Коэффициент  теплопроводности  магнезитохромита 

λм = 4,1 – 0,0016 Вт / (м К)

    Температура  внутренней  поверхности  футеровки  равна  t1 = 1600˚С,  температуру  наружной  поверхности  верхней  части  стены  примем  равной    t = 320˚С,  нижней    t = 300˚С. 

Тогда:

λ = 4,1 – 0,0016 × (1600 + 320) /2 = 2,56 Вт/(м К)

λ = 4,1 – 0,0016 × (1600 + 300) /2 = 2,58 Вт/(м К)

2.2.4  Определяем  коэффициент  теплоотдачи  конвекции  верхней  и  нижней  части: 

α = 10 + 0,06 × 320 = 29,2 Вт/(м² К)

                                       α = 10 + 0,06 × 300 = 28 Вт/(м² К)

2.2.5  Находим  площадь  наружной  поверхности  верхней  и  нижней  частей  стен  печи 

                                                F = Dk Hпл /2              ,                                         (12)

F= 3,14 × 7,282 × 2,365 / 2 = 27,0 м²

2.2.6  Находим тепло верхней части стен,  принимая  температуру  в  цехе  30ºС

                                         Q = ,                                          (13)

где -  площадь наружной поверхности верхней и нижней частей стен печи,  м²;

          - период  расплавления,  С;

          и - коэффициент теплопроводности магнезита верхней  и  нижней  части  стен,  Вт/(м К).

Q = × 27,0 × 3420 = 1,61 × 10Дж =1,61ГДж

2.2.7  Находим  тепло  нижней  части  стен

                                       Q=,                                      (14)