Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Энергетический баланс дуговой сталеплавильной печи




 

 

Составление энергетического баланса такого крупного и слож­ного агрегата, как дуговая печь, требует длительного и кропотливо­го ее обследования и обходится весьма дорого. Тем не менее для любой ДСП следует настоятельно рекомендовать такое обследование, так как составленный баланс дает ясную энергетическую картину все­го процесса и позволяет наметить меры по улучшению использования печи и ее расходных показателей.

Энергетический баланс ДСП состоит из приходных и расходных статей. Введем обозначения их за время одной плавки:

 

а). Приход энергии: — тепло, вносимое в печь с электрической энергией; — тепло, вносимое в печь с шихтой; — тепло, выде­ляемое в печи при протекании в ванне экзотермических реакций; — тепло, выделяемое в печи при окислении электродов.

 

б). Расход энергии: — тепло продуктов плавки — стали и шла­ка; — тепло, поглощаемое при эндотермических реакциях в ванне; — все виды тепловых потерь печи; — электрические потери установки.

 

Работу агрегата характеризуют следующие энергетические показа­тели:

 

1. Тепловой КПД, %

; (2. 1)


 

2. Электрический КПД, д.е.

; (2.2)

 

3. Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т

 

, (2.3)

 

где G — масса стали, выплавлен­ной за плавку.

 

В перечисленных статьях энер­гетического баланса не учтено из­менение тепла, аккумулированного кладкой печи за время плавки, т. е. принято, что это тепло остается не­изменным. Это имеет место лишь при непрерывном процессе и хоро­шей повторяемости плавок, так что это допущение приемлемо для крупных печей, выплавляющих слитки. Для малых печей, плавя­щих сталь для фасонного литья и часто работающих в две или даже одну смену, это допущение непра­вомерно.

Подсчет изменения аккумули­рованного кладкой тепла весьма труден, так как требует измерений и внутренних, и наружных темпе­ратур кладки в начале и конце плавки. Даже по результатам из­мерений подсчет носит весьма при­ближенный характер, поскольку нестационарный реальный процесс при расчете приходится заменять стационарным. Однако энергетиче­ский баланс можно составить до­вольно точно и для периодически работающих печей, если вместо из­мерения аккумулированного кладкой тепла учитывать тепловые по­тери печи за время ее простоя. В этом случае тепловые потери печи должны включать потери тепла как за время плавки, так и за вре­мя простоя.

Определение статей энергетиче­ского баланса дуговой печи произ­водится как экспериментальным, так и расчетным путем.

Тепло , вносимое в печь с электрической энергией, определя­ют по показаниям электрических счетчиков активной энергии, уста­новленных на печи. Его значение в соответствии с характеристиками обычных счетчиков можно опреде­лить с точностью до 2 %. При на­личии на печи счетчика реактивной энергии можно одновременно опре­делить средневзвешенный коэффи­циент мощности установки за пе­риод плавки. Если при плавке в печь не вводят кислород, то доля электроэнергии в общем приходе энергии является подавляющей, до­стигая 80–90 %. При использова­нии кислорода эта доля может снизиться до 60–70 %.

Тепло представляет собой теплосодержание продуктов, вво­димых в печь в течение плавки: скрапа, руды, кокса, ферросплавов, легирующих добавок, шлакообразующих и других материалов. Для расчета их теплосодержания по их теплоемкости (берется из справоч­ников) следует организовать их взвешивание и измерение темпера­туры. Значение в печах, рабо­тающих на твердой завалке, мало, и его можно не учитывать, но на печах, работающих на жидкой за­валке, оно может составлять ос­новную приходную статью баланса. В последнем случае его определить трудно, так как надо взвесить за­ливаемый в печь металл, а обычно в цехах нет весов, на которых мож­но было бы взвесить ковш с метал­лом. Поэтому массу металла при­ходится определять по объему ков­ша, т. е. приблизительно. Темпера­тура заливаемого в печь металла может быть определена оптиче­ским пирометром или с помощью термопары погружения.

Теплоту экзотермических реак­ций можно определить только металлургическим расчетом при проведении одновременно с энерге­тическим материального баланса плавки, который дает количествен­ные соотношения реагирующих элементов. Приближенно эту статью баланса можно принимать по литературным данным — ба­лансам аналогичных технологиче­ских процессов. Величина при отсутствии ввода кислорода состав­ляет от 8 до 12 % общего прихода тепла. Однако при использовании кислорода она может составлять до 30–40 %.

Теплоту от окисления электродов легко найти, взвешивая или обмеряя электроды в начале и конце плавки.

Присгорании 1 кг графита выделяется около 33 500 кДж, и если угар электро­дов за плавку равен , то . Коэффициент 0,6 учитывает, что не все тепло от сгорания элект­родов выделяется внутри печи.

Значение составляет 2–4 % общего прихода тепла.

Тепло продуктов плавки на­ходят подсчетом теплосодержания выливаемых из печи металла и шлака. Температура их определя­ется оптическим или термоэлектри­ческим пирометром, а масса метал­ла — путем взвешивания слитков или отливок и всплесков после ос­тывания. Шлак также взвешивают. Тепло продуктов плавки составля­ет 50– 65 % общего расхода тепла, в том числе на долю шлака прихо­дится 7–10 %.

Тепло эндотермических реакций определяют расчетным путем по данным материального баланса, как и тепло экзотермических реак­ций, или по литературным данным. Оно составляет 4–8 % общего рас­хода тепла.

Тепловые потери печи составля­ют 25–35 % общего расхода тепла; их определяют по отдельным со­ставляющим. Потери через футе­ровку подсчитывают по формулам теплопередачи через сложную стен­ку отдельно для свода, стен и по­дины, причем приходится задавать­ся температурами внутри печи и окружающего воздуха. Более точные результаты дает опытное опре­деление тепловых потерь через фу­теровку, когда измерены темпера­туры внутри печи и на поверхности ее кожуха. Практически потери через футеровку составляют от 6 до 12 % общего расхода тепла, при­чем большая их часть приходится на свод.

Существенными могут оказать­ся также потери излучением через открытые дверки печи, а также от­крытой печью во время загрузки и отведенным при этом в сторону сводом, излучающим тепло на пол цеха. В течение плавки рабочая дверка открыта 20–40 % времени плавки; соответствующие потери составляют 2,5–3,0 %. Потери теп­ла сводом и открытой печью со­ставляют при упорядоченной за­грузке 1,5–3,0 %.

Через сводовые отверстия в вен­тиляцию или через газоотвод из печи выходят газы, уносящие с со­бой физическое и химическое теп­ло. Определить потери тепла с эти­ми газами очень сложно, так как для этого надо рассчитать на основании их химического анализа ре­акции, приведшие к их образова­нию.

Тепловые потери с газами со­ставляют обычно 2–4 %, но в слу­чае введения в печь кислорода их значение намного больше, доходя до 15– 20 % общего расхода тепла.

Потери с охлаждающей водой , кВт на действующих печах легко определяются путем измере­ния расхода воды , м3/ч, счетчи­ком, ротаметром или мерными бач­ками и ее температур на входе и выходе t2. Тогда , где — время плавки.

 

На каждой ветви охлаждающей воды должен быть свой кран, а расход воды по ветви должен под­держиваться таким, чтобы ее тем­пература на выходе не превышала 40– 45°С во избежание повышен­ного выделения накипи. Тогда при С потребный расход воды в кубических метрах в час будет ра­вен .

Количество тепла, удаляемого охлаждающей водой, может соста­вить 3–7 %.

Электрические потери обычно составляют 8–10 % общего расхо­да электроэнергии.

На рис. 2.7 представлена схе­ма энергетического баланса печи емкостью 20 т при выплавке хро­мистых сталей с применением кис­лорода. Полный КПД печи ока­зался равным 55,5; а электриче­ский КПД — 92 %.

После загрузки металлошихты в печь электроды опускают до короткого замыкания с шихтой и зажигают электрические дуги (рис. 2.8).

По мере оплавления шихты под и вокруг электродов образуются «колодцы» в слое шихты, в которые опускаются дуги и электроды. Наступает этап «закрытого» горения дуг, когда плав­ление шихты происходит в «колодцах» снизу путем теплопереда­чи излучением на близлежащие слои шихты и теплопроводнос­тью через слой жидкого металла, накопившегося на подине. В этот этап футеровка рабочего пространства экранирована от из­лучения дуг и целесообразно вводить максимальную тепловую мощность с учетом электротехнических возможно­стей печного трансформатора.

 

  Рис. 2.7. Схема энергетического баланса печи емкостью 20 т при работе с кислоро­дом

 

  Рис. 2.8. Изменение условий тепловой работы печи в различные периоды плавки:   I — подготовка печи; II — плавление; III — окислительный; IV — восстановительный; 1 — металлошихта; 2 — жидкий металл; 3 — шлак

 

По мере наплавления количества жидкого металла, достаточно­го для заполнения пустот между кусками твердой шихты, электри­ческие дуги открываются и горят над зеркалом металлической ван­ны. Наступает этап «открытого» горения дуг, когда происходит ин­тенсивное прямое излучение дуг на футеровку стены и свода и возникает необходимость снижения электрической мощности дуг в соответствии с тепловоспринимающей способностью футеровки.

Отечественные дуговые сталеплавильные печи, в которых в настоящее время выплавляют до 15 % всей стали, имеют вмести­мость от 0,5 до 200 т, номинальную мощность от 0,63 до 125 MB·А. Уровень электрической мощности оценивают удель­ной величиной (табл. 2.6).

 

Таблица 2.6

 

Энергетическая характеристика дуговых сталеплавильных печей

 

Уровень мощности Удельная мощность, кВ ∙А/т Максимальная мощность периода плавления
кВт/т жидкого металла кВт/м3 рабочего пространства кВт/м2 площади зеркала ванны
Обычный 200–300 130–210 180–300 650–1000
Повышенный 350–450 220–290 320–420 1000–1300
Высокий 500–750 330–500 530–1100 1300–2000

 

Особенности тепловой работы

 

Согласно классификации электрических печей ду­говые сталеплавильные печи являются печами-теплообменниками с радиационным режимом тепловой работы, поскольку энергети­ческие условия на границе зоны технологического процесса, т. е. на зеркале ванны жидкого металла, создают электрические дуги. Особенность ра­диационного теплообмена связана с тем, что его условия опре­деляются не только теплотехническими свойствами внутренней поверхности футеровки — степенью черноты, температурой (рис. 2.8) и коэффициентом развития футеровки, но и усло­виями существования дуг — длиной дуги, электродинамическим выдуванием дуг из-под торцов электродов (в ДСП), экранирова­нием дуг кусками металлошихты в период плавления или слоем пенистого шлака в окислительный период плавки, химическим составом и температурой металла и шлака, влияющими на элек­трофизические условия формирования дугового разряда перемен­ного (в ДСП) или постоянного (в ДСП ПТ) тока. Вертикально расположенные графитированные электроды создают эксцентри­ситет излучения дуг, зависящий от диаметра электродов и па­раметров электрического режима в виде соотношения или , где — длина дуги, зависящая от напряжения дуги . Поэтому в ДСП и ДСП ПТ возможно создание направленного радиационного теплообмена — прямого и косвенного (рис. 2.9).


Режим прямого направленного теплообмена (см. рис. 2.9, б)возникает, когда короткие дуги при низких ступенях напряжения горят под толстым слоем шлака в вогнутом мениске на зеркале жидкометаллической ванны и передают тепловой поток излуче­ния металлу и шлаку вблизи электродов; нагрев металла проис­ходит за счет внутренней теплопередачи теплопроводностью и электродинамической конвекцией; шлак нагревается за счет бо­лее нагретого металла; свободное излучение дуги на футеровку практически отсутствует и Тф ш м (нижний предел).

  Рис. 2.9. Схемы теплообмена в рабочем пространстве ДСП  

Такой режим способствует повышению стойкости футеров­ки, но затягивает расплавление шихты на откосах ванны в кон­це периода плавления, создает градиент температуры по радиу­су шлаковой ванны и затрудняет проведение технологического процесса плавки. При недостаточной мощности дуг возможно даже снижение температуры жидкого ме­тала.

Режим косвенного направленного теплообмена (рис. 2.9, а)имеет место при работе печи на длинных дугах, на высоких сту­пенях напряжения, с малым количеством шлака, когда преобла­дает свободное тепловое излучение дуг в рабочее пространство печи, на футеровку стены и свода. Нагретая до 1900–2100 К футеровка (рис. 2.8) становится мощным излучателем для зеркала шлаковой ванны; металл нагревается частично от горя­чих зон под дугами за счет теплопроводности и электродинами­ческой конвекции и в основном теплопроводностью через шла­ковую ванну, т.е. Тф ш > Тм (верхний предел).

Это условие менее благоприятно для стойкости огнеупор­ной футеровки, но способствует более равномерной теплопере­даче на поверхность ванны, повышению температуры и хими­ческой активности шлака. Если Тф > Тм , металл получает до­полнительное количество тепла от футеровки и коэффициент теплоусвоения в виде отношения мощности, израсходованной на нагрев металла, к мощности, введенной в печь, может быть боль­ше единицы.

Рассмотренные режимы тепловой работы зависят от электри­ческих параметров печи — ступени вторичного напряжения и силы тока, которые при заданных значениях активного и индук­тивного сопротивления токоподвода определяют напряжение и длину дуги. Поэтому управление электрическим режимом дуго­вых сталеплавильных печей связано с регулированием температу­ры футеровки Тф по верхнему и нижнему пределам.

В условиях радиационного режима тепловой работы ДСП боль­шое значение имеет расположение дуг в рабочем пространстве, определяемое взаимным расположением электродов (рис. 2.10).

 

  Рис. 2.10. Эпюра (а) и сравнение (б) облученности стены ДСП на уровне дуг: 1 - ; 2 - ; 3 - ; соответствует облученности стены ДСП ТП

 

В круглых трехфазных дуговых печах три электрода располагают по вершинам равностороннего треугольника. Такое расположение ха­рактеризуют диаметром описанной окружности, называемым диа­метром распада электродов

Примерные значения плотности тепловых потоков излучения на футеровку ДСП в различные периоды плавки приведены в табл. 2.7.

 

Стойкость футеровки подины составляет 1200–5000 плавок (один — два года).

 


Таблица 2.7

 

Тепловая нагрузка футеровки ДСП обычной мощности

 

Период плавки Тепловая нагрузка, кВт/м2
свода стены
Конец периода плавления 100–130 170–220 140–185
Окислительный 70–100 100–140 85–120
Восстановительный (выдержка металла) 40–50 70–90 60–75

 

Стойкость футеровки стены зависит от конструкции огнеупор­ной кладки, вида и качества кирпича, сортамента выплавляемых сталей, вместимости и мощности печи:

 

Вместимость, т ………………………. До 12 25–50 100–200
Стойкость, число плавок …………… 350–1650 110–190 60–115

 

На мощных и сверхмощных печах вместо огнеупорной кладки применяют водоохлаждаемые панели, выдержи­вающие тепловую нагрузку до 400–600 кВт/м2 и имеющие стойкость до 5000 плавок.

Купольный свод круглой печи выкладыва­ют в сводовом водоохлаждаемом кольце в один слой периклазохромитовым, динасовым или высокоглиноземистым кирпичом без тепловой изоляции толщиной 230–380 мм. Стойкость кирпично­го свода составляет 50–250 плавок, уменьшаясь с увеличением вместимости печей. Применение комбинированных сводов с водоохлаждаемыми панелями позволяет довести стойкость до 1500–4500 плавок.

Необходимо отметить, что применение водоохлаждаемых эле­ментов футеровки экономически оправдано только на мощных и сверхмощных дуговых сталеплавильных печах, когда сокращение длительности плавки при одношлаковой технологии до 1 ч спо­собствует снижению расхода электроэнергии, несмотря на значи­тельное увеличение мощности тепловых потерь из рабочего про­странства.

 

Технико-экономические показатели

 

Для современных дуговых печей электрический КПД со­ставляет 0,90–0,95, тепловой КПД 0,65–0,70, общий КПД 0,55–0,65, удельный расход электроэнергии на расплавление твердой шихты » 200–400 кВт·ч/т, на всю плавку » 300 –550 кВт·ч/т при различной технологии выплавки стали.

Повышение технико-экономических показателей ДСП возмож­но за счет совершенствования технологии выплавки стали и при­менения внепечных методов обработки стали в ковше, интенси­фикации тепловой работы печи, особенно в период плавления. Такими мероприятиями может быть предварительный подогрев металлошихты отходящими печными газами (на 200–300 К в заг­рузочной бадье, на 400–600 К в шахтных или двухванных печах), применение топливно-кислородных горелок (ТКГ), дожигание монооксида углерода в рабочем пространстве для ускорения на­грева холодной металлошихты, применение в завалке жидкого чугуна (до 30–40 %), ускорение теплообменных процессов в ван­не жидкого металла путем электромагнитного перемешивания, сокращение межплавочных простоев электропечной установки за счет механизации вспомогательных операций по подготовке печи к плавке.

Энергетический баланс современной ДСП с донным выпуском вместимостью 100 т имеет вид:

Приход, %: Расход, %:
Электроэнергия ( = 240 кВт·ч/т)…………….. 31,5 Энтальпия металла………..47,1 Энтальпия шлака…………..9,3
   
Энтальпия материалов: Тепловые потери:
остаток (10 %) жидкого металла…4,8 с поверхности ……………...1,2
остаток шлака……………………..1,7 с газами……………………...31,1
жидкий чугун (30 %)……………..15,1 с водой………………………5,0
Металлошихта………………………3,3 аккумуляция………………...4,7
ТКГ…………………………………5,7 Электрические потери..……1,6
Экзотермические реакции……….18,1  
Дожигание...................... …………19,8  
Всего..................... ………..100,0 Всего……………………..100,0

 

Суммарная энергоемкость ∑Wy = 2,75 ГДж/т = 765 кВт·ч/т.







Дата добавления: 2015-10-19; просмотров: 3386. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2019 год . (0.009 сек.) русская версия | украинская версия