Переплав високоякісних інструментальних сталей методом ешп

 

 

3.1.1 Розрахунок температурних умов

Температуру початку плавлення (Т_с) обчислюють з урахуванням хімічного складу витратного електрода( вихідної шихти):

 

Т_с=Т_пл-∑(ΔT_c)_i·n, K                                        (3.1)  

                           

де n-вміст елементу у витратному електроді(шихті), %;

  (Т_с)_i- питоме (на 1,0% вмісту елемента) зниження температури плавлення чистого заліза(1812К)

Т_с=1812-((410·0.1+186.4·(0.4-0.1)+1·18.6+0.3·20+0.6·2+0.7·3.4+0.01·940+

      +0.01·184+5·4)=1812-178.82=1644 К

Температуру кінця плавлення (Т_л) обчислюють:

 

Т_л=Т_пл-∑(ΔT_л)_i·n, K                                      (3.2)                              

Т_л=1812-(80.4·0.4+13.6·1+1.2·0.7+5·1.4+0.03·34+0.03·34+0.5·2.0+4·0.3)=

=1758.44 К

 

Відношення температури  поверхні рідкої ванни до температури плавлення (Т_пов/ Т_пл), тобто величина перегрівання визначається поверхневим натягом рідкого металу і дорівнює 1.1-для легкоплавких металів

Таким чином температура  поверхні ванни рідкого металу складе:

 

Т_пов=1.1·Т_л , К                                         (3.3)                             

Т_пов=1.1·1758.44 =1934 К

 

3.1.2 Обчислення корисної потужності переплаву

Корисна потужність разом  із потужністю теплових втрат складає  загальну потужність агрегату.

Корисна потужність( Р_кор) витрачається на нагрівання  металу до температури плавлення (Т_пл), його перегрівання(ΔT_пер=Т_пов-Т_пл) і складає:

 

                        Р_кор = [C_тв(Т_пл - Т_п)+q+C_р+ΔТ_пер]·М_пл, кВт                        (3.4) 

 

де Т_п – початкова температура металічної шихти, К;

    C_тв– середня теплоємність твердого металу в інтервалі температур

    (Т_п – Т_пл), кДж/(кг·К);

    q - питома теплота фазових переходів першого роду, кДж/кг;

    С_р – теплоємність рідкого металу, кДж/(кг·К);

     М_пл – маса рідкого металу, кг.

 

                                           (3.5)

 

де - сторона виливка; м

    – висота виливка; м

     – густина сталі; т/м³

 

Середня питома теплоємність С_тв для сталей різного хімічного складу становить, для хромонікелевих – 0,55 – 0,65 МДж/(т·К);

  Питома теплота (q) всіх фазових переходів при нагріванні та плавленні становіть, для сталей різного хімічного складу – 240 – 285 МДж/т;

Середня теплоємність рідкого металу (С_р) для сталей в залежноті від

хімічного складу становить 0,65 – 0,85 МДж/(кг·К)

 

ΔT_пер=1934-1758=176 К

 

Р_кор=[0,58(1758-293)+225.2+0,726*176]∙0,8/3,6=267,26кВт*год 

3.1.3.Розрахунок геометричних розмірів робочого простору печі

За заданим розміром виливка  в изначимо розміри кристалізатора:

 

                                       (3.6)

 

де -сторона виливка; м

       -коофіциент лінійної усадки.

 

м

 

  За заданим діаметром електроду необхідно визначити діаметр верхньої частини кристалізатора. Для одноелектродної ЕШП  . Обираємо це значення рівним 0,7 , тоді

 

                                                  (3.7)

0,71 м

 

3.1.4.Положення електроду у ванні

Рисунок 3.1 - Ескіз робочого простору монофілярної печі ЕШП (N=1)

 

Визначимо висоту переплавляємої частини електроду:

 

                                                  (3.8)

 

 

 

Відстань між кристалізатором і електродом становитиме:

 

м           (3.9)

м

 

5. Розрахунок параметрів шлакової ванни

Занурення електрода у шлак:

 

м               (3.10)

 

Висота шлакової ванни  складає =0,5м

Кристалізатор має Т-подібну форму:

Рисунок 3.2 - Схема Т-подібного кристалізатора

Верхня частина, в яуій перебуває шлак має циліндричну  форму тому:

 

                                                                   (3.11)

/4=0,197 м³

 

Відповідно маса шлаку  буде:

 

 

 

 

 Витрат шлаку на  утворення гарнісажу:

 

, т             (3.12)

                                       (3.13)

                                                (3.14)   

м

                                                (3.15)

год

т

 

     Зменшення маси шлаку внаслідок його випаровування з поверхні шлакової ванни:

 

 кг       (3.16)

кг

 

3.2Тепловий баланс

Рисунок 3.2 Схема теплового балансу ЕШП

3.2.1 Визначення теплових втрат від шлакової ванни через шлаковий гарнісаж

Наявність рухомого кордону, поверхні гарнісажу,в робочому просторі ЕШП і маючий температуру плавлення Тшл.(с), дозволяє розрахувати теплові втрати через стінку кристалізатора.

 

                               (3.17)

 

де Т_шл. - температура розплавленого шлаку

     Т_шл.(с) -  температура солідуса шлакового гарнісажу

     S_т.в.- площа теплосприймаючої поверхні

     α_шл-г –коефіціент конвективної тепловіддачі між шлаковою ванною і гарнісажем(3,85-4,05 кВт,(м²К))

 

                                    (3.18)

=1,11

 

 

3.2.2  Втрати тепла випромінюванням

         Потік випромінюванням ( ) частково випромінюється на електрод, тим самим збільшуючи його температуру поблизу шлакової ванни, а частково губиться через радіальний зазор між тиглем та електродом, тепловипромінювальна поверхня котрого складає:

                          

                                 (3.19)

     

Згідно умовам ЕШП температура  поверхні шлакової ванни, в залежності від складу шлаку приймається  на 170-200⁰С вище температури плавлення метала, а ступінь чорноти рідкого шлаку .

 

                                 (3.20)

 

     де C₀-коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла,

                C₀=5.67 Вт/(м^2·К⁴); 

         T_шл-температура шлакової ванни, ⁰С

 

 

3.2.3 Визначення теплових витрат фазового переходу

       Потік тепла Qизл частково випромінюється на витратний електрод, підвищуючи його температуру поблизу шлакової ванни; частково втрачається через кільцевий зазор в навколишнє середовище і через водо охолоджуваний кристалізатор. У зв’язку з можливим випаровуванням шлака при ЕШП теплові втрати, які обумовлені енергозатратами фазового переходу першого роду, W_ф складають МДж:

 

                                     (3.21)

 

де, mшл – маса рідкого шлаку; кг

      λ_ф – питома теплота фазового переходу при випаровуванні (7 МДж/кг)

 

кВт*год

 

3.2.4 Визначення потужності, яку потрібно виділити у шлаковій ванні

   Виходячи з отриманих  даних, потужність яку потрібно  виділити в шлаковій  ванні,  для даного процесу повинна дорівнювати:

 

                                   (3.22)

 

3.3 Енергетичний розрахунок

3.3.1Визначення активного електричного опору шлакової ванни

Визначення активного електричного опору шлакової ванни проводиться з урахуванням прийнятих симплексів геометричних параметрів:

                                        мОм                                       (3.23)

З таблиці 1.1 вибираємо k₁ та k₂ 

Таблиця 1.1 Значення коефіцієнтів k₁і k₂

h'/hшл	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
k1	1,01	1,04	1,13	1,20	1,33	1,49	1,70	1,95
kз.кр	0,45	0,5	0,55	0,6	0,65	0,70	0,75	0,8
k2	0,47	0,43	0,40	0,36	0,33	0,31	0,28	0,26

 

У нашому випаку k₁=1,04, k₂ =0,43, k₃ =0,92, k₄ =0,5, =4мОм

 

 

3.3.2 Визначення електричних параметрів

        Робочий  струм печі складає:

 

                                   , кА                                                   (3.24)

 

де Р_шл = Р_пол / η_т

Тепловий ККД печі ЕШП  приймаємо η_т =0,4     

 Р_шл = 267/0,4=667,5 кВт*год

Тоді

 

, кА

 

  Напруга на шлаковій  ванні :

  В   (3.25)

В

 

3.3.3 Визначення електричного опору електрода (R_ел)

Для низько та середньо вуглецевих сталей відносна магнітна проникність  матеріалу електрода, що залежить від  напруженості магнітного поля, яка  створюється струмом I_шл , може бути визначена за рівнянням:

                                           (3.26)

де I_шл-робочий струм печі, А

     П-периметр поперечного перерізу витратного електрода, м

 

 

Еквівалентна глибина  проникнення електромагнітного  поля в матеріал електрода ( ), при частоті f=50Гц дорівнює:

    м                                                 (3.27)

 

де  - питомий електроопір сталей від температури нагріву,       ( при температурі електрода 700⁰С ):

• для вуглецевих та підшипникових сталей - ;
• для хромистих сталей - ;
• для корозійностійких сплавів - ;
• для жаростійких сталей - ;
• для жароміцних (на нікелевій основі) - ;
• для електротехнічних сталей - .

 

Активний опір електрода на змінному струмі відрізняється від його опору на постійному струмі та може бути визначений по наступному виразу:

                                (3.28)

де k_м – коефіцієнт, що враховує вплив поверхового ефекту, який залежить від магнітних властивостей металу (що дорівнює 3,16- для не магнітних металів; 4,45-для магнітних)

       k_д – коефіцієнт додаткових втрат, що враховує ефект близькості, втрати в контактах, металоконструкціях (для одноелектродних печей k_д=1,1-1,15; для багато електродних - k_д=1,15-1,3).

      - опір, котрий слабко залежить від довжини електрода;

       - омічний опір, що розраховується по закону Ома:

 

                                                       (3.29)

 

де l_ел, F_ел- відповідно довжина та площа поперечного перерізу електрода, м, м²,

- питомий опір матеріалу електрода, ;

Відповідно, для даних  умов активний опір витратного електрода складе:

 

_(3.30)

мОМ

                                      (3.31)

мОм

 

Аналогічно активний електроопір огарка електрода:

 

                  (3.32)