Расчет гидравлического сопротивления

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ 5
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ 6
3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ПЕРИОДА РАСПЛАВЛЕНИЯ 7
4. МОЩНОСТЬ ПЕЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА 14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 15 
Цель курсового проекта

Целью данного курсового проекта является усвоение методики составления тепловых балансов металлургических агрегатов на примере расчёта дуговой сталеплавильной печи (ДСП). На базе изучения теоретических положений курса металлургической теплотехники студенту прививаются навыки применения теории к инженерному расчёту. Результатом расчёта является определение основных размеров печи, статей прихода и расхода тепла ДСП и определение мощности печного трансформатора.

Основные  задачи выполнения курсового проекта: являются - составление тепловых балансов промышленных печей. Инженеру-металлургу, работающему в этой области необходимо уметь определять статьи прихода и расхода теплоты различных печей.

Обоснование выбора темы курсового проекта: актуальность тепловых расчётов ДСП обосновывается всё возрастающей долей электростали, от общего количества стали, выплавляемой в печах. Для Павлодарского региона актуальность подтверждается увеличением объёмов производства ПФ ТОО «Кастинг» и вводом на предприятии новых печей (ДСП – 60).

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Электросталеплавильному способу принадлежит ведущая роль в производстве  качественной и высоколегированной стали. Благодаря ряду принципиальных особенностей этот способ приспособлен для получения разнообразного по составу высококачественного металла с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей и высоким содержанием легирующих элементов, придающих стали особые свойства – хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, вольфрама, ванадия, титана, циркония и других элементов.

Преимущества  электроплавки по сравнению с  другими способами сталеплавильного производства связаны с использованием для нагрева металла электрической  энергии. Выделение тепла в электропечах происходит либо в нагреваемом металле, либо в непосредственной близи от его поверхности. Это позволяет в сравнительно небольшом объеме сконцентрировать значительную мощность и нагревать металл с большой скоростью до высоких  температур, вводить в печь большие количества легирующих добавок; иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки, что предполагает малый угар легирующих элементов; плавно и точно регулировать температуру металла; более полно, чем других печах раскислять металл, получая его с низким содержанием неметаллических включений; получать сталь с низким содержанием серы. Расход тепла и изменение температуры металла при электроплавке относительно легко поддаются контролю и регулированию, что очень важно при автоматизации производства. Электропечь лучше других приспособлена для переработки  металлического лома, причем твердой шихтой может быть занят весь объем печи, и это не затрудняет процесс расплавления. Металлизованные окатыши, заменяющие металлический лом, можно загружать в электропечь непрерывно при помощи автоматических дозирующих устройств. В электропечах можно выплавлять сталь обширного сортамента.

 

Устройство  дуговых печей.

 

Дуговая печь состоит  из рабочего пространства (собственно печи) с электродами и токоподводами  и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение  электродов и загрузку шихты. Плавку стали ведут в рабочем пространстве, ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Съемный свод набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь питается трехфазным током. Шихтовые материалы загружают на под печи, после их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев осуществляется за счет тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.

Наиболее распространенная форма ванны дуговой сталеплавильной печи — сфероконическая с углом между образующей и осью конуса, равным 45° (рисунок 1).

 

 

Рисунок 1 – Ванна дуговой сталеплавильной печи.

 

Выпуск готовой  стали и шлака осуществляется через сталевыпускное отверстие и желоб путем наклона рабочего пространства. Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом  плавки, ремонта пода и загрузки материалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

В курсовом проекте необходимо произвести тепловой расчёт дуговой сталеплавильной печи. Определить основные размеры печи, затем, посредством составления теплового баланса печи найти значение тепла, вносимого дугами. Далее по найденному количеству тепла определить необходимую полную мощность трансформатора.

Необходимые данные для расчёта взять из таблицы  А.1. Вариант задания выбирается по номеру студента в списке группы.

 

 

 

 

ИСХОДНЫЕ  ДАННЫЕ

Вариант	Ёмкость дуговой сталеплавильной  печи G, т	Толщина подины δП, мм	Толщина слоёв футеровки подины, мм			Толщина футеровки стен на уровне откосов δот, мм		Толщина шамотного слоя в нижней части стен δст, мм
			X	Y	Z	X1	Y1
16	100	905	180	455	270	375	135	290

 

 

Вариант	Толщина свода из хромомагнезитового кирпича δсв, мм	Температура наружной поверхности
		верхней части стены Т1, оС	нижней части стены Т2, оС	свода Тсв, оС
16	455	370	287	360

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТ

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ

Объем жидкого металла в дуговой  сталеплавильной печи, м³:

 

V=v·G=0,145·100=14,5

 

где v =0,145 м³/т — удельный объем жидкой стали;

G - емкость печи, т.

 

Диаметр зеркала  металла вычисляется по формуле, мм:

 

D = 2000·C·

= 2000·1,085· =5291,5438 ,

 

где коэффициент  С выбираем из нижеприведенной таблицы, принимая значение D/H=5,0 (при G≥100 т); D/H=4,5 (при G<100 т)

 

D/H	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0
С	1,043	1,064	1,085	1,106	1,127	1,149	1,165

.

 

Глубина   ванны  жидкого  металла, мм:

 

Н= D/С= 35291,5/5=1058,3

 

Расчетный объем шлака, м³:

 

V_ш= 0,1· V= 0,1· 14,5=1,45.

 

 

Высота слоя шлака, м:

 

=0,065

 

Диаметр зеркала  шлака, м:

 

D_ш = D + 2H_ш=5291,5+2·0.065=5,4215

 

Уровень порога рабочего окна должен быть расположен выше уровня зеркала шлака на 40 мм, а уровень откосов на 65 мм выше уровня порога рабочего окна. Тогда диаметр ванны на уровне откосов равен, мм:

 

D_от = D + 2(Н_ш + 40 +65)=5291,5+2(65+40+65)=5631,5

 

Диаметр ванны  на уровне стен (рис. 1) равен, мм:

 

D_CT = D_от + 200=5631,6+0.2=5831,5

 

Высота плавильного пространства H_пл зависит от ёмкости печи:

 

G, т   12 – 60  61 – 100   

H_пл/D_от  0,4 – 0,45  0,34 – 0,38.

 

Внутренний  диаметр  кожуха, мм:

 

D_K=D_CT+2· δ_от.=5831,5+2·800=7134,5

 

Толщину магнезитовой футеровки в верхней части  стен принимаем равной δ_ст. Свод выполняют из хромомагнезитового кирпича толщиной δ_св. Стрела пролета свода печи принимается равной 15% пролета (внутреннего диаметра) свода, мм:

 

h_cb = 0,15·D_cb = 0,15·(D_k- δ_св)=0.15(7134,5-455)=1046,4

Ширину рабочего окна печи определяем, мм:

 

b = 0,25·D_от=0.25·5631,5=1407,8

 

 

Высота рабочего окна составляет, мм:

 

h = 0,65·b=0.65·1407,8=915,07

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ  БАЛАНС ПЕРИОДА РАСПЛАВЛЕНИЯ

 

Целью составления  энергетического баланса является определение суммарного количества электрической энергии, которую необходимо выделить в дуговой сталеплавильной печи в период расплавления, по которому затем определяют необходимую мощность печного трансформатора. Для современных ДСП продолжительность периода расплавления τ_Р принимаем 9504 с.

Примерно в  середине периода расплавления проиcxoдит подвалка  шихты, продолжительность которой составляет τ_п=2160 с. Следовательно,  продолжительность расплавления «под током» составляет τ_р.т = τ_Р – 2160 с. Принимая τ_Р=9504 с, находим τ_р.т.

 

 

ПРИХОД ТЕПЛА

 

Тепло, вносимое шихтой, кДж:

 

Q_ш=G · d_ш · с_ш · t_ш=100000·0.97·20·0.469=909860

 

где d_ш – доля металла в шихте (d_ш=0,97 – 0,99);

t_ш – температура шихты (t_ш =20°С);

с_ш – теплоёмкость шихты (с_ш=0,469 кДж/(кг·К)).

 

Тепло, вносимое электрическими дугами (вычисляем после формулы (3.20)), ГДж:

 

Q_д = η_эл·W_эл·10^-6=0,87•98,85·10^-6 =0,00008

 

где η_эл - электрический к. п. д., равный 0,87—0,92;

W_эл - используемая в печи электроэнергия, кДж.

 

Тепло экзотермических  реакций можно определить по материальному  балансу. Однако точность его расчёта невысокая, так как весьма трудно установить начальную массу элементов в шихте из-за разнородности скрапа. Выгорание элементов зависит от количества кислорода поданного в печь. При недостатке кислорода элементы будут выгорать не полностью, а при большом его избытке начинает усиленно гореть железо. Поэтому определение тепла экзотермических реакций в период расплавления принимают по данным испытаний аналогичных печей. Таким образом, тепло экзотермических реакций определим по формулам [1]:

 

С→СО₂   G · 0,074=1000000·0,074=7400,

С→  СО   G · 0,053=1000000·0,053=5300,

Si→  SiO₂   G · 0,092=1000000·0,092=9200,

Мn→МnO   G · 0,0249=1000000·0,0249=2490,

Fe→ Fe₂O₃   G · 0,0098=1000000·0,0098=980,

Fe→ FeO   G · 0,0248=1000000·0,0248=2480,

Fe→ Fe₂0₃ (в дым)  G · 0,2211=1000000·0,2211=22110

Q_экз = 49960 МДж

 

3.4 Тепло шлакообразования: SiО₂→(CaO)₂ Si0₂, МДж:

 

Q_шл.обр. = G · 0,01474=1000000·0,01474=1474

 

 

 

 

 

 

РАСХОД ТЕПЛА

 

Физическое тепло  стали, кДж:

 

Q_ст =d_ст·G·[c_ст^тв ·t_пл.ст +L_ст +c_ст^ж (t_ст –t_пл.ст )]= =0,95·1000000·[0,7·1500+272,16+0,837(1600-1500)]=127933260

 

где d_ст – выход стали (d_ст=0,91 – 0,97);

c_ст^тв – удельная теплоёмкость твёрдой стали в интервале температур 0-1500 ^оС (c_ст^тв = 0,7 кДж/(кг·К));

c_ст^ж - удельная теплоёмкость жидкой стали в интервале температур 1500-1600 ^оС (c_ст^ж = 0,837 кДж/(кг·К));

(t_ст –t_пл.ст ) – интервал температур плавления стали (1600 – 1500 ^оС);

L_ст – скрытая теплота плавления стали (L_ст = 272,16 кДж/кг).

 

Физическое  тепло стали, теряемой со шлаком, кДж:

 

Q_ст-шл =d_щл·G·[c_ст^тв ·t_пл.ст +L_ст +c_ст^ж (t_ст –t_пл.ст )]=

=0,005·1000000 [ 0,7·1500+272,16+0,837(1600-1500)]=702930

 

где d_шл – доля шлака (d_шл=0,005 – 0,008)

 

Физическое  тепло шлака, кДж:

 

Q_шл =d_щл·G·(c_шл ·t_шл +L_шл)=0,005·1000000 (1,25·1500+209,34)=1167,175*10³

 

где c_шл – удельная теплоёмкость шлака при температуре 1700 ^оС (c_шл = 1,25 кДж/(кг·К));

L_шл – скрытая теплота плавления шлака (L_шл = 209,34 кДж/кг).

t_шл – температура шлака (1500 ^оС)

 

Тепло, уносимое газообразными продуктами реакций  с температурой t_ух=1500 ^оС, Дж:

 

Q_yx = 295· G=295·1000000=29500000

 

Тепло, уносимое частицами Fe₂O₃, кДж:

 

Q_Fe2O3 =d_Fe2O3·G·(c_Fe2O3 ·t_ух +L_Fe2O3)=

=0,04·1000000 (1,23·1500+209,34)=8217360

 

где  c_Fe2O3– удельная теплоёмкость Fe₂O₃ при температуре 1500 ^оС (c_Fe2O3 = 1,23 кДж/(кг·К));

L_Fe2O3 – скрытая теплота плавления Fe₂O₃ (L_шл = 209,34 кДж/кг).

d_Fe2O3 – доля Fe₂O₃ , уносимая с дымом (d_Fe2O3=0,04 – 0,05).

 

Потери  тепла теплопроводностью через  футеровку.

Для определения  тепловых потерь через футеровку  ДСП применяют формулы для  плоской стенки. Для расчёта тепловых потерь через стенку печи необходимо знать:

• вид огнеупорных материалов;
• коэффициент теплопроводности огнеупорных материалов;
• коэффициент теплоотдачи с внешней стенки печи в окружающую среду;
• геометрические размеры стенки печи.

Футеровка подины имеет толщину δ_п, мм и состоит из огнеупорной магнезитовой набивки толщиной x мм, огнеупорной   кладки из магнезитового кирпича толщиной y мм и шамота-легковеса толщиной z мм. Футеровка стен на уровне откосов (δ_от) состоит из хромомагнезитового кирпича толщиной x₁ мм и магнезитового кирпича, толщиной y₁ мм.

Стены имеют  два равных по высоте участка разной толщины на нижнем и  на верхнем участке. Материал - магнезитовый кирпич. Тепловым сопротивлением слоя магнезитовой засыпки  пренебрегаем.

Коэффициент теплопроводности магнезита равен λ_м = 6,28-0,0027·t_ср Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности хромомагнезита: λ_хм = 4,07-71,5·10^-5·t_ср Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности шамота: λ_ш = 0,84+58·10^-5×t_ср Вт/(м·К).

Температура внутренней поверхности футеровки печи равна t₁=1600°С, температуру внешней поверхности верхней части стены примем  равной Т₁, нижней Т₂. Температура внутренней поверхности футеровки свода равна t_св=1500°С, температура внешней поверхности свода Т_св.

Принимая, что  к концу кампании футеровка стен и свода может износиться на 50 %, принимаем расчетную толщину  футеровки равной 75% первоначальной толщины.

 

Определяем  коэффициент теплоотдачи с внешней  стенки в окружающую среду, Вт/(м²·К):

 

α₂=10+0,06·T=10+0,06·370=32,2

 

где T – температура внешней поверхности, ^оС.

 

Так как стены  имеют два равных по высоте участка  разной толщины: нижний (на уровне откосов) и верхний, то площади внешних поверхностей этих участков будут равны и определяются по формуле, м²:

 

F=π·D_k·H_пл/2=3,14·7,4315·2,027/2.=23,65

 

Принимая температуру  в цехе (Т_ос) равной 30°С, находим потери тепла через стены печи для двух равных по высоте участков с соответствующими толщинами футеровок по формуле, Дж:

 

 

где δ_i – толщина слоя, м;

λ_i – коэффициент теплопроводности слоя при средней температуре этого слоя, Вт/(м·К);

F – площадь наружной поверхности стен, м².

Полученные  значения потерь тепла суммируем.

 

Площадь внешней  поверхности свода определяем по формуле, м²:

5

F = π·[0,15² · (D_k – δ_cт)²+(D_k – δ_cт)² ]/2 = 3,14·[0,15² · (7,4315 – 0,455)²+(7,4315 –0,455)² ]/2 = 78,13366

 

Для определения тепловых потерь свода используем значение площади его наружной поверхности и формулы (3.10) и (3.12), принимая температуру внешней поверхности свода T_св.

 

α₂=10+0,06·T=10+0,06·360=31,6

 

 

Коэффициент теплоотдачи  конвекцией подины (обращенной вниз поверхности) равен:

 

α₂ = 0,7(10+ 0,06· T_под)=0,7(10+0,06·200)=15,4

 

где T_под – температура внешней поверхности подины, T_под =200 ^оС.

 

При определении  площади наружной поверхности подины примем, что она состоит из поверхности сферического сегмента, равной площади наружной поверхности свода и цилиндрической поверхности F_под:

 

F_под= π·D_k·(H_под– δ_п)= 3,14·7,4315 ·(2,1333–0,905)=28,66,

 

где:

 

H_под = δ_п + H +H_шл + 0,04 + 0,065=0,905+1,0583+0,065+0,04+0,065=2,1333

 

Для определения  тепловых потерь подины используем значение площади её наружной поверхности и формулы (3.10) и (3.12), принимая температуру внутренней поверхности подины 1600 °С.

 

 

Подсчитываем  общие потери тепла теплопроводностью  через футеровку печи. Они выражаются суммой потерь тепла через стены, свод и подину печи. Потерями тепла с водой, охлаждающей рабочее окно дуговой сталеплавильной печи пренебрегаем.

 

Q_общ=Q_тепл^в+Q_тепл^н+Q_тепла^с+Q_под=1967640380,7+9168905607,48+7054129347,5+288850986=10,2275ГДж

 

Потери тепла в период межплавочного простоя.

В период подвалки шихты печь раскрывается и потери тепла в этот период складываются из потерь тепла излучением через  раскрытый свод, потерь тепла с  газами, с охлаждающей водой и теплопроводностью через футеровку печи. Расчет этих величин в случае раскрытой печи достаточно сложен, так как температура внутренней поверхности футеровки быстро падает. Поэтому ориентировочно примем, что потери тепла в период межплавочного простоя будут равны, ГДж:

 

Q_мп = (Q_тепл + Q_oxл + 0,5·Q_yx)· k_н · τ_п/ τ_р=(10,2275+14 + 0,5·0,0295)·1,1 ·2160/9504=6,06

 

где k_н - коэффициент неучтенных потерь, k_н=1,1-1,2.

Q_oxл – потери тепла от охлаждения печи, Q_oxл = 14 ГДж.

 

Расход электроэнергии найдем из уравнения теплового баланса  периода расплавления дуговой сталеплавильной печи. Для чего необходимо все составляющие перевести в ГДж и из теплового баланса получить значение Q_д:

 

Q_прих = Q_расх

Q_ш+ Q_д+ Q_экз+ Q_шл.обр. = Q_ст+ Q_ст-шл+ Q_шл+ Q_yx+ Q_Fe2O3+ Q_тепл+ Q_мп

 

Q_прих = Q_расх

0,909+ 88,906+49,96+1,47+13,029 =127,93+0,703+ 1,167+0,0295+8,217+10,2275+6,06

 

Откуда из формулы (3.2) находим W_эл - используемую в печи электроэнергию.

 

Результаты  расчета теплового баланса периода  расплавления дуговой сталеплавильной  печи сводятся в таблицу 1.

 

 

Таблица 1 - Тепловой баланс периода расплавления дуговой сталеплавильной печи

 

Статья прихода	ГДж (%)	Статья  расхода	ГДж (%)
1. Тепло,  вносимое шихтой	0,969	1. Физическое  тепло стали	127,93
2. Энергия, вносимая  дугами	88,966	2. Физическое тепло стали, теряемой со шлаком	0,703
3. Тепло  экзотермических реакций	49,96	3. Тепло, уносимое  газами частицами Fe203	8,217
4. Тепло шлакообразования	1,47	4. Потери тепла  теплопроводностью	10,2275
5,Теплота вносимая  в ДСП топливом	13,029	5. Потери тепла  в период межплавочного простоя	6,06
		6. Теплота уносимая  газообразными продуктами	0,0295
		7. Физическая  теплота шлака	1,167
Итого	154,334	Итого	154,334

 

 

 

 

Удельный расход электроэнергии на 1 кг металлической  завалки, ГДж/кг:

 

ω₂ = W_эл /G= 98,85/100000=988,5

 

Тепловой коэффициент  полезного действия равен:

 

η_Т= (Q_ст+ Q_ст-шл+ Q_шл)/ Q_прих=(127,93+0,703+1,167)/154,334=0,756

 

Учитывая, что η_эл = 0,9, общий коэффициент полезного действия будет равен:

 

η_общ= η_эл· η_Т= 0,9· 0,841=0,756

 

Несколько повышенный расход электроэнергии и  соответственно пониженные значения величин η_Т и η_общ обусловлены большой потерей тепла с уходящими газами. Для уменьшения этих потерь целесообразно подать в ванну в период расплавления технический кислород.

 

МОЩНОСТЬ  ПЕЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

 

Средняя мощность в период расплавления, кВт:

 

N_cp = 98850000 /7344=13459,9

 

Максимальную  мощность определим, учитывая, что коэффициент  использования мощности К=0,75-0,9, кВт:

 

N = N_ср /K= 13459,9/0,8=16824,8

 

Принимая значение средневзвешенного коэффициента мощности cos φ=0,707, найдем необходимую полную мощность трансформатора, кВА:

 

N' = N /cos φ= 16824,8 /0,707=23797,5

 

N'

25000 квА

 

 

Это значение округляется  до ближайшего значения стандартной  мощности трехфазного трансформатора, которая выбирается по таблице 2.

Таблица 2

Мощность  трёхфазного трансформатора, кВ·А
8000	12500	20000	25000	32000	50000	125000

 

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

Основная  литература:

1. Теория, конструкции и расчёты металлургических печей / Под ред. В.А. Кривандина. – М.: Металлургия, 1984.
2. Исаченко В.М., Осипова В.А., Сухомел А.С. Теплопередача. - М.; Энергоиздат, 1981.
3. Рафалович И.М. Теплопередача в расплавах, растворах и футеровках печей и аппаратов. М.: Энергия, 1977. – 304 с.
4. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки./Под ред. Ключникова А.Д. М.Энергия, 1989.-328 c.

 

Дополнительная  литература:

1. Промышленная теплоэнергетика – теплотехника. Справочник / Под общей ред. Григорьева В.А. и Зорина В.М. М: Энергоиздат, 1983. – 552 с.
2. Баскакова А.П. Теплотехника.- М.: Энергоиздат, 1982.
3. Егорушкин В.Е., Цеплович Б.И. Основы гидравлики и теплотехники. - М. 1981.
4. Каблуковский А.Ф. Производство стали и ферросплавов. – М. Академкнига, 2003.