Расчет и разработка конструкции дуговой сталеплавильной печи при использовании топливно-кислородных горелок и жидкого полупродукта

Конструкция футеровки  ДСП-25

Для кладки рабочего слоя ДСП используем основные огнеупорные материалы.

Подина и  откосы

Таблица 9 – Толщина отдельных слоев и всей футеровки подины ДСП, мм

 

Емкость печи, т	< 12	25-50	100	200	300	400
Набивной слой, мм	100	100	150	150	160	180
Кирпичная кладка, мм	300-365	395-495	530	575	595	620
Изоляционный слой, мм	85	105	170	190	195	200
Общая толщина, мм	485-550	600-700	850	915	950	1000

 

Исходя из данных, приведенных  в таблице 9, принимаем общую толщину подины 600 мм. Футеровка подины состоит из рабочей части и теплоизоляционного слоя.

Нижний изоляционный слой выполняем из листового асбеста толщиной 10 мм, укладываемого на металлическое днище, шамотного порошка общей толщиной 30 мм и легковесного шамота марки ШЛБ-1,3, суммарной толщиной 105 мм (один слоя «на плашку»).

Средний огнеупорный  слой выполняется из магнезита марки МУ-91 суммарной толщиной 395 мм (пять слоёв «на плашку»).

Огнеупорная набивка  выполняется из магнезитового порошка  со связующим в виде смеси смолы  и пека толщиной 100 мм.

Откосы ниже уровня шлака  выкладываются обычным магнезитовым кирпичом марки МО-91, а в районе шлакового пояса плотным магнезитовым кирпичом.

Стены ДСП

С тем, чтобы облегчить  тепловую работу и повысить стойкость  футеровки, кладка стен обычно не имеет  тепловой изоляции. Верх стен изнашивается меньше, поэтому он выкладывается кирпичом меньшего размера, с одним - двумя уступами.

В зависимости от емкости  можно рекомендовать следующую  толщину огнеупорной кладки стен (мм)

                                                                                                          

 Таблица 10 – Толщина огнеупорной кладки стен ДСП

 

Емкость печи, т	< 12	25-50	100	200	300-400
Общая толщина на уровне откосов δ1, мм	365-445	445-495	525-575	575-610	550-650
Общая толщина в верхней  части δ2, мм	230-300	300-365	365-415	380-450	400-470

 

Толщину футеровки стены  на уровне откосов принимаем равной  445 мм (445 мм кирпич магнезитохромитовый марки МХСП и 30 мм засыпка зазора между кирпичной кладкой и кожухом печи крошкой из отходов кладки). Засыпка выполняет роль демпферного слоя, компенсирующего тепловое расширение кирпичной кладки стены.

При цилиндрическом кожухе целесообразно выполнение вертикальной стены уступами с постепенным  уменьшением толщины стены от основания до верха стены. Исходя из стандартных размеров длины огнеупорных кирпичей 300, 380 и 230 мм, принимаем три размера толщины стены, включая слой засыпки: 445 мм в нижней части, 365 мм в средней части и 300 мм в верхней части.

Выбрав материалы и  толщину огнеупорной кладки стен, определяем внутренний диаметр кожуха на уровне откосов:

, м;

 м.

и его цилиндрической части:

, м;

 м.

где δ₁ – толщина футеровки стен на уровне откосов, м;

      δ₂ – толщина футеровки цилиндрической верхней части стен, м.

Кожух сваривается из листовой котельной стали. Толщина  кожуха определяется:

, м;

 м.

В обшивке кожуха вырезают отверстия для летки и рабочего окна.

Рабочее окно печи имеет  размеры:

Ширина                             , м;

 м.

Высота  , м;

 м.

Стрела выпуклости арки рабочего окна

, м;

 м.

Свод

Футеровку сводов основных дуговых печей наиболее часто выполняют из прямого и небольшого количества клинового кирпича марки МХОП и в отдельных случаях из динасового кирпича.

        Толщина футеровки свода соответствует  длине стандартного кирпича и  обычно составляет:

 

Таблица 11 – Толщина футеровки свода ДСП

 

Емкость печи, т	≤ 12,5	25 – 50	100
δсв, мм	230 – 300	380	380 - 460

 

Свод выполняется из магнезитохромитового кирпича марки  МХСП длиной 380мм без дополнительной тепловой изоляции.

 В современных ДСП  свод опирается на кожух печи  и поэтому можно считать, что его диаметр примерно равняется диаметру верха кожуха, т.е.

 

 м.

Стрела выпуклости свода  зависит от материала и пролета (диаметра) свода. Из соображения строительной прочности рекомендуется:

 

Таблица 12 – Геометрические параметры свода в зависимости  от материала футеровки

 

Материал свода
Магнезитовый (хромомагнезитовый)	(0,11…0,12)
Динасовый	(0,08…0,1)

 

Стрела выпуклости свода  равна:

, м;

м.

При этом высота центральной  части свода над уровнем откосов  составит:

, м;

 м.

Интенсивность облучения  определяется диаметром распада электродов D_p, который задает расстояние «дуга-стенка». Поэтому задача определения рационального значения D_p сводится к выбору величины соотношения  _, обеспечивающего возможно более равномерной распределение тепловой нагрузки по периметру печи и высокой стойкости футеровки стен.

  Наилучшее условия при минимальном значение _. Однако возможности его уменьшения ограничиваются соображениями конструктивного характера (необходимость размещения электрододержателей, обеспечения достаточно высокой строительной прочности центральной части свода.

Таблица 13 – Величины для различных ДСП

 

Емкость печи, т	12 – 50	100	200
	0,40 – 0,35	0,25	0,20

На основании данных таблицы 13 принимаем отношение:

 м.

 

 

 

 

4 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

ДСП является агрегатом  периодического действия, в котором  потребление электроэнергии в различные  периоды плавки неодинаково. При проектировании ДСП составляется расчетный энергетический баланс только для периода расплавления, т.к. печь потребляет наибольшую часть электроэнергии и плавка ведется на самой высокой мощности. По результатам этого баланса определяется необходимая мощность печного трансформатора и удельный расход электроэнергии в период расплавления, т.е. важнейшие параметры печи, определяющие ее производительность и технико-экономическую эффективность.

Энергетический баланс состоит из приходной и расходной частей:

  Приход энергии происходит за счет статей:

где – теплота, вносимая в печь с электроэнергией;

 – теплота, вносимая в  печь с шихтой;

 – теплота экзотермических  реакций, протекающих в ванне;

 – теплота от окисления  графитовых электродов.

Теплота  на действующей печи определяется по показаниям счетчика активной энергии, установленного на печи, а по показаниям счетчика реактивной мощности определяется средний коэффициент мощности установки (cos j). Эта статья для печей одной емкости составляет 60 – 80 %.

Теплота вносимая в печь с шихтой определяется по формуле:

, МДж;

 МДж.

где – масса жидкого чугуна вносимого в печь, кг;

    и – теплоёмкость и температура жидкого чугуна соответственно.

Теплота экзотермических  реакций  определяется только по материальному балансу:

, МДж;

 МДж.

где , , , – тепловой эффект окисления этих элементов

= 27 МДж/кг; = 3 МДж/кг; = 10 МДж/кг; =4,7 МДж/кг.

Теплоту, выделенную в  печи от окисления графитовых электродов , можно определить, зная тепловой эффект окисления графита до СО₂: 

, МДж;

 МДж.

где = 97,4 кг – количество окислившихся графитированых электродов  за период плавления ( из материального баланса );

= 27 МДж/кг – тепловой эффект окисления графита до СО₂;

 

Определение полезной энергии для нагрева и расплавления металла и шлака.

Полезная теплота  определяется как сумма теплоты, необходимой для нагрева до температуры плавления, для расплавления и перегрева до  заданной температуры металла и шлака, т.е.

, МДж;

  МДж.

 

где – масса скрапа, загружаемого в печь, кг;

 – средняя теплоемкость  металла в интервале от  – температуры загружаемого скрапа до – температуры плавления, кДж/(кг×К);

 – средняя теплоемкость  металла в интервале температур  от  до – температуры перегрева, кДж/(кг×К);

 – скрытая теплота плавления  металла, кДж/кг;

Принимаем, что завалка  имеет температуру =30 ºС.

       Температуру плавления завалки можно вычислить по формуле:

.

Для упрощения расчетов среднюю удельную теплоемкость шлакообразующих  материалов и расплавленного шлака можно принять равной =1,225 кДж/(кг×К). Скрытая теплота плавления шлака составляет 209 кДж/кг.

 кДж/кг.

Энергия, необходимая  для нагрева, расплавления и перегрева шлака:

 МДж.

Суммарная полезная энергия  периода расплавления:

 МДж.

 

Определение тепловых потерь через футеровку  .

Удельные тепловые потоки определяем раздельно для стены, свода и подины.

В соответствии с конструкцией футеровки ДСП стена имеет  три равных по высоте участка разной толщины: 460 мм на нижнем, 380 мм на среднем  и 300мм на верхнем участке. Материал огнеупорной кладки – магнезитохромит. Демпферный слой засыпки в расчет не вводим, полагая, что его тепловым сопротивлением можно пренебречь.

При работе ДСП огнеупорная кладка стен и свода с каждой плавкой  изнашивается и утончается. Принимая, что к концу компании кладка может  износиться на 50 % первоначальной ее толщины, вводить в расчет 0,75 толщины огнеупорной кладки. К футеровке подины эта рекомендация не относится.

Определим удельный тепловой поток нижнего участка стены  при толщине равной:

 м.

Коэффициент теплопроводности магнезитохромитового кирпича:

Температуру внутренней  поверхности огнеупорной кладки принимаем равной ºС, температуру окружающего воздуха ºС. Температурой внешней поверхности кладки задаемся в первом приближении ºС и для этих условий определяем коэффициент теплопроводности