Проектирование и устройство электросталеплавильных агрегатов

                                                          α=Д_м/h_м                                                (3.1)

где   α- угол наклона откосов ванны

α=5.38

Это отношение Д_м/h_м является основным параметром ванны, который определяет форму ванны, ее глубину и эффективность расплавления и прогрева металла дугами; определяет диаметр печи, близость стен к дугам и тепловую напряженность на стенах; определяет величину поверхности металла в контакте со шлаком и скорость обменных процессов.

Для кислых дуговых печей, где удельная поверхность раздела  шлак-металл не имеет большого значения, это соотношение находится в  пределах 3,5-4.

При проектировании основных дуговых печей малой и средней  емкости, выплавляющих высоколегированные стали электропечного сортамента под  двумя шлаками, можно рекомендовать  Д_м/h_м в пределах 5-5,5, а для большегрузных ДСП при одношлаковом процессе с внепечной обработкой уменьшить это отношение до 4,5 - 5,0; для ДСП, работающих на металлизированном сырье, увеличить Д_м/h_мдо 5,5...6,0, что дает возможность снизить тепловую напряженность футеровки основания стен печи. Однако при сопоставлении этой величины с другой, характеризующей ванну, а именно с удельной поверхностью ванны (f):

     , м²/т                                          (3.2)

 =0,273 м²/т

где F_ЗМ- поверхность зеркала металла, м²;

G_M- емкость печи, т; оказывается, что при одном и том же значении «α» в печах различной емкости, величина «» меняется.

Основываясь на этом, а также  на показателях работы печей , можно принять за определяющую величину ванны ее удельную поверхность, т. е. «». Из практических данных значение «» дуговых печей колеблется от 0,18 до 0,6 м²/т. Малые значения относятся к крупнотоннажным печам. Наличие на печах емкостью более 25 т устройства электромагнитного перемешивания металла позволяет принимать для расчета ванны значение «» уменьшенное на 30 %. Основываясь на принятом значении и садке печи , параметры ванны определяют из выражений:

Д_м=1,13, м                                         (3.3)

где G_м- емкость печи по металлу

 

Д_м = 1,13·,=5.280 м

 

 

                                       h_м = 5,28/5,38= 0,981 м                                       (3.4)

 

Для обеспечения стойкости  нижней части стен (на стыке с  откосами) на уровне шлакового пояса  при бурном кипении ванны, возможности  заправки откосов, компенсации возможного зарастания подины, в ванне создается дополнительный объем V_доп, вмещающий шлак с запасом; т. е. помимо металла ванна должна вмещать шлак с учетом его вспенивания при кипении.

V_в=V_M+ V_шл + V_доп,                                         (3.5)

где V_M –объем  металла, м³;

      V_шл- объем шлака, м³;

      V_доп- дополнительный объем

V_M=11,267 м³

V_шл=0,7741 м³

V_доп=1,4647 м³

V_B= 10,3 м³

h_в⁼h_м + h_шл + h_доп                                                                (3.6)

где h_м- глубина металла, м;

       h_шл- уровень шлака, м;

  h_доп- дополнительная высота, м;

h_м=0,981

h_шл=0,086

h_доп=0,1 
        h_B= 1,167 м

Объем V_шл шлаковой ванны зависит от количества шлака и его плотности,  составляющей в зависимости от состава и температуры шлака 2,9-3,2 т/м³.

Кратность шлака G_шл (количество шлака, выраженное в процентах от массы металла) составляет 3-7 % в зависимости от марки выплавляемой стали.

Толщину шлака можно оценить, пренебрегая конусностью шлаковой ванны.

     Дополнительный объемV_ДОП принимают равным 10-16%V_M. Уровень порога рабочего окна (рис. 2.1) принимают на 20-40 мм выше зеркала шлаковой ванны:

                                               Δh = 0,02 - 0,04 м                                    (3.7)

 

Паспортной характеристикой, т. е. параметром ДСП, является глубина  ванны от уровня порога рабочего окна:

h_п= h_м + h_шл + Δh                                                   (3.8)

h_п= 0,981+0,086+0,03=1,098 м

Другой параметр ДСП - диаметр  ванны на уровне порога рабочего окна Д_п можно определить по выражению:

                                             Д_п = Д_м + 2·(h_шл + Δh)                                 (3.9)

где Д_м - диаметр  металлической ванны, м;

 

Д_п= 5,28+2·(0,086+0,02)=5,493 м

Уровень откосов ванны  принимают выше уровня порога рабочего окна на 30-100 мм во избежание размывания шлаком основания футеровки стен и возможного аварийного выхода жидкого металла. С учетом этого:

h_доп= 0,07 + Δh                              (3.10)

h_доп = 0,07+0,03=0,1 м

или по отношению к глубине  ванны:

                                      h_доп = (0,1 - 0,15)h_B                                           (3.11)

Суммарная глубина ванны  h_Bопределяет такой важный параметр ДСП как диаметр рабочего пространства на уровне откосов Д₀, являющийся также паспортной характеристикой ДСП:

        Д_о⁼Д_м + 2(h_шл + h_доп)⁼Д_м + 2(h_шл + Δh) + (0,06.. .0,20)                   (3.12)

        Д_о= 5,2+2·(0,086+0,1 )=5,653 м

3.2 Расчет размеров свободного плавильного пространства

 

Профиль и размеры свободного пространства должны обеспечить завалку  шихты в один прием, максимальную строительную прочность свода, т. е. минимальный его диаметр, минимальную  рабочую длину электродов и электрических  и тепловых потерь, равномерней и  минимальный тепловой поток oт электрических дуг на участки футеровки.

Объем завалки при насыпной плотности шихты 1,4 т/м³ и при расходном коэффициенте, 1,06:

                                                      V_3aв = 0,75·G_m,   м³                                                (3.13)

V_3aв = 0,75·80=60 м³

Профиль плавильного пространства для равномерного облучения от дуг, как точечного источника тепла  приближается к сфере. Наиболее теплонапряженными  участками футеровки печи являются центр свода и нижний, горячий  пояс стен.

   Около 90 % теплового потока от дуг первоначально падает на горячий пояс стен, поэтому помимо цилиндрических(вертикальных) стен применяют ступенчатые, наклонные или сложного профиля с меняющимся углом наклона стены.

Высота стен определяется из условия обеспечения равномерной  и допустимой тепловой напряженности  центра свода. В то же время равномерное  и допустимое тепловое напряжение на стены определяется диаметром распада  электродов.

Высота центра свода над  уровнем металла должна составлять (0,5+0,6)Д_о, т.е.

                                 Н_ц.св= h_д + Н_ст + h_св = (0,5 - 0,6)Д_о                        (3.14)

где Н_ст – высота стен, м 
       h_св - выпуклости свода, м

     Н_ц.св =  0,848+2,061+0,2 = 3,109 м.

Принимая h_д = 0,2 м,

 h_св =0,15До,

 h_св= 0,848 м.

получим уравнение:

 

Н_ст=0,4До - (0,15 - 0,25), м,                  (3.15)

           Н_ст=0,4·5,65-0,2=2,061 м

справедливое для печей  средней емкости

Диаметр распада электродов (диаметр окружности, проходящей через  центры электродов) определяется из условия  обеспечения допустимого теплового  напряжения на кладку стен.

Допустимая и одинаковая тепловая напряженность в нижнем поясе стен достигается при диаметре распада электродов, равном:

Д_р=(0,25 - 0,33)Д₀, м 
          Д_р = 1,639 м                                                       (3.16)

3.3 Расчет размеров подсводового пространства

Строительная прочность  свода определяется стрелой подъема  его (h_CB) над уровнем пят свода (Д_пс).

По данным ряда авторов  эту величину можно принимать в пределах (0,12 - 0,15)До.

Диаметр на уровне пят свода  зависит от высоты стен и угла их наклона:

                                          Д_пс=Д_о+2Н_ст·tg β                                         (3.17)

Для конических стен угол наклона  принимают равным β = 10 - 12° С. Предпочтительно  изменение угла наклона по высоте стен. В серии ДСП для печей емкостью 25 и более тонн предусмотрен комбинированный кожух. Поэтому при проектировании рабочего пространства печи, необходимо на 1/3 общей высоты стен принять угол стен β' = 18 - 22°С и определить диаметр рабочего пространства на этом уровне Д’₀.

Если верхняя часть  стен выполняется вертикальной, то Д’₀=Дп_С.

При наклоне верхней части  стен на угол β"

                                 Д_пс=Д’₀+2·1/ЗН_ст·tgβ", м                                      (3.18)

Д_пс=5,653+2· 1/3·2,06·tg (18) =7,027 м

Так как сводовое кольцо устанавливается на металлической арматуре кожуха печи, то диаметр свода должен включать толщину верхней части стен и тогда

Д_св=Д_пс+2δ_ст=Д_к, м

                                      Д_св=7,027+2·0,495=8,017 м                            (3.19)

 

4 РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ГАЗООТВОДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ

Выплавка стали в дуговых  электросталеплавильных печах сопровождается обильным выделением газов, насыщенных пылью. Особенно большое количество пылегазовой смеси образуется при  выплавке стали с применением  кислородного дутья. Газовую фазу в  электропечи создают: углерод, вводимый в печь шихтой,и электродами и добавками, кислород окислов различных элементов, азот и кислород подсасываемого воздуха, а также водород, получаемый в результате диссоциации водяных паров.

Газовая фаза меняется по составу  на всем протяжении плавки. Количество образующегося газа и его состав зависят главным образом от скорости выгорания углерода. Средний выход  газа за одну плавку составляет от 50 до 60 нм³/ч на одну тонну стали, а максимальный - при кислородном дутье - до 80 нм³/ч [8]. Температура выходящих из печи газов составляет 1100-1400°С. В состав газов входят 5-70% СО, 5-15% СО₂, 0,5-5% Н₂, 3-10% О₂, остальное-азот. Газы, отводимые от электропечи, взрывоопасны. Запыленность газа зависит от качества шихты и составляет от 5 до 15 г/м³ без продувки ванны кислородом и от 20 до 150 г/м³ при продувке. Плотность пыли равна 4 г/см. Пыль мелкодисперсна, особенно при применении кислорода.

Химический состав пыли колеблется в широких пределах:

0,59...75% Fe₂0₃; 9...51% FeO; 1...25% CaO; 2...22% MgO; 1...12% MnO; 0,2...6% Cr₂0₃; 0,1...9,4% Si0₂; 0,3... 13,0 %A1₂0₃.

Отвод газа из рабочего пространства может осуществляться через отверстие  в стенке или своде печи. В серии  печей ДСП предусматривается  отвод газа через отверстие в  своде. Прямой отбор газа через отверстие  может быть с разрывом или без разрыва струи.

Расчет диаметра сводового отверстия и диаметра газоотводящего рукава ведется по уравнениям, м:

                               (4.1)

H_co=h_д + Н_ст +1/2h_cв

H_co=0,2+2,061+0,5·0,848=2,685 м             (4.2)

Д_г=(1,34- 1,65)d_co; 
         Д_г=1,55· 2,685=1,1965 м   (4.3)

φ=0,65d_co                                 (4.4)

φ=0,546 м

где d_co - диаметр сводового отверстия, м;

     Д_г - диаметр газоотводящего стационарного газоотхода, м;

     φ— положение стационарного газоотхода над сводовым отверстием, м;

      V₀=40...80 нм³/ч·т; V₀ = 40 нм³/чт;

        G_m - емкость печи, т;

      Н_со - высота сводового отверстия над уровнем металла, м.

Н_со=h_д+h_CT+1/2h_CB   (4.6) 
          Нсо = 2,858 м.

Для приблизительной оценки d_co рекомендуют следующее уравнение

                                           d_co = (0,16 - 0,19)Д_к, м,    (4.5)

где Д_к - наружный диаметр кожуха печи на уровне откосов, м.

      V_o - количество выделяющегося газа, нм³/ч·т;

 

 

5 ВЫБОР КЛАДКИ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ

5.1 Конструкция пода

Исходя из условий работы, кладка пода дуговой электропечи  должна обладать механической прочностью при высоких температурах, а также  достаточно высоким тепловым сопротивлением. Чем больше тепловое сопротивление  пода, тем меньше перепад температуры  металла по глубине ванны, т. е. тем  больше равномерность нагрева металла  в объеме. Учитывая вышесказанное, кладка подадуговой печи должна быть двухслойной, т. е. включать в себя слой, выполненный 
из теплоизоляционных материалов.

Общая толщина кладки пода обычно принимается равной глубине  ванны, т.е. δ_П=h_м.

В дуговых печах с электромагнитным перемешиванием жидкого металла  для усиления эффекта перемешивания  толщина пода может быть уменьшена  до (0,75...0,88)h_M [1].

Для обеспечения нормального  теплового сопротивления кладки и недопущения перегрева кожуха более 200° С изоляционный слой пода дуговых печей, независимо от их емкости, должен составлять около 100...200 мм. В этот слой включаются: