Проектирование ДСП-80

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра АЭТУ

Курсовая работа

По курсу «Электродуговые установки»

Проектирование ДСП-80

Выполнил:

Студентка гр.ЭММ-04

Лузанов Е.А.

Проверил:

к.т.н., доцент

Горева Л.П.

Новосибирск, 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВИЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ СТАТЕЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ДСП И ВЫБОРОМ ПЕЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

2.1 Определение полезной энергии для нагрева и расплавления металла и шлака

2.2 Определение тепловых потерь через рабочее окно

2.3 Тепловые потери с газами

2.4 Определение тепловых потерь через футеровку

2.5 Определение тепловых потерь через водоохлаждаемые панели

2.6 Определение тепловых потерь в период межплавочного простоя

2.7 Энергетический баланс периода расплавления

2.8 Определение мощности печного трансформатора

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

4. ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА НАПРЯЖЕНИЙ ДСП

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Емкость - G =80т

Активное сопротивление вторичного токоподвода - r =0,36мОм

Индуктивное сопротивление вторичного токоподвода - x =4,0 мОм

ВВЕДЕНИЕ

сталеплавильный печь трансформатор энергетический

Дуговая печь работает в нестационарном режиме с большими колебаниями температуры в рабочем пространстве. Вследствие этого тепло, аккумулированное футеровкой или отданное ею в рабочее пространство, должно учитываться при составлении энергетического баланса по периодам плавки. Простой печи в межплавочный период и связанное с ними остывание футеровки заметно влияют на расход электроэнергии и продолжительности работы печи под током, прежде всего это относится к наиболее энергоемкому периоду расплавления шихты. Период расплавления является таким периодом плавки, который, прежде всего, характеризует энергетические возможности печи. Тепло, поглощаемое или отдаваемое кладкой в рабочее пространство печи, может составлять значительную часть расхода или прихода энергии в энергетическом балансе печи.

К расходной части баланса относятся потери теплоты теплоотдающей поверхностью печи, водоохлаждаемыми элементами, излучением через рабочее окно, в результате остывания печи при открывании горячего рабочего пространства для завалки, подвалки и механизированной заправки. Остальные затраты энергии связаны с процессами плавления, наведения шлака и с доводкой металла до заданной температуры и химического состава.

Во время плавки в результате протекания экзотермических реакций окисления электродов и элементов стальной ванны в рабочем пространстве выделяется значительное количество тепла, которое должно быть учтено в приходной части баланса. Особенно велик приход энергии на плавках с применением кислорода. При выделении большого количества тепла во время продувки кислородом в отдельные моменты даже прекращают подачу электроэнергии в печь.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВИЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

Определение размеров плавильного пространства ДСП производится с учетом требований технологии и теплообмена. Наиболее распространенным типом ванны трехфазной дуговой сталеплавильной печи является сфероконическая ванна с углом между образующей и осью конуса, равным 45°. Объем ванны должен быть достаточным для того, чтобы вместить весь жидкий металл и шлак. Объем шлака составляет 20% объема металла в небольших печах и 15…17% в крупных.

Для достижения производительной и экономической работы дуговой печи необходимо придать ее плавильному пространству рациональные пропорции и форму.

Основными размерами плавильного пространства печи определяют, исходя из заданной номинальной емкости (массы жидкой стали) G, т., диаметр ванны и ее глубину по формулам

Глубина и радиус шарового сегмента (сферической части ванны) определяются по формулам

Диаметр плавильного пространства на уровне откосов D₁ определяется как

,

где значение H определяет разность по высоте уровня порога рабочего окна и уровня откосов и составляет H = (0,14...0,15)H_в. Таким образом, уровень откосов рекомендуется принимать выше уровня порогa рабочею окна на 0,04... 0,1 м во избежание усиленного размывания шлаком основания футеровки. Примем .

Высота плавильного пространства для печей емкостью 100 и больше т определяется по формуле

.

Необходимо определить достаточный объем плавильного пространства. Этот объем включает в себя объем плавильного пространства и объем ванны:

где т/м³, т/м³ - плотности жидкого металла и жидкого шлака соответственно

е =0,1…0,15- дополнительный объем ванны в долях объема жидкой стали;

b = 0,05…0,1 - масса шлака в долях массы стали;

Диаметр верхнего уровня футеровки , определяется по формуле



где т = 0,06ч 0,07 для печей емкостью более 20 т.

Стрела свода К обычно составляет

Размер рабочего окна должен соответствовать размерам мульды ( мульда - в сталеплавильном производстве -- стальная, обычно литая коробка для загрузки шихты в сталеплавильную печь завалочной машиной) загрузочной машины, обеспечивать возможность заправки через него подины и стен, а также наблюдения за состоянием подины, стен и свода.

Ширина рабочего окна определяется по формуле

,

где р составляет 0,25…0,22 для печей емкостью свыше 40 т.

Высота рабочего окна определяется по формуле

.

Для ограничения тепловых потерь через подину и уменьшения температурного перепада по глубине ванны жидкого металла суммарную толщину футеровки подины принимают:

Диаметр кожуха электропечи

Где P₀, P_т - толщины огнеупорного и теплоизоляционного слоев

Диаметр электродного отверстия в своде d₀ должен быть больше диаметра электрода d_эл

где величина зазора d для графитированных электродов диаметром 0,5м и более - 0,02м

Диаметр распада электродов - диаметр окружности, на которой расположены их оси, должен быть достаточным для того, чтобы размешенные внутри него электрододержатели не соприкасались при движении. Кроме того, диаметр распада электродов должен обеспечить прочность центральной части свода. При этом расстояние между электродами не должно быть слишком большим, чтобы не увеличить размеры плавильного пространств и тем самым, избежать увеличения габаритов, массы печи и ее тепловых потерь. Поэтому диаметр распада электродов определяется как с учетом размеров диаметра электрода, так и диаметра плавильного пространства.

Диаметр распада электродов определяется по эмпирической формуле



Рисунок 3. Эскиз плавильного пространства ДСП

2. ПОСТРОЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ПРОЕКТИРУЕМОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Определение полезной энергии для нагрева и расплавления металла и шлака

Полезная энергия периода расплавления определяется по формуле

где - энергия, необходимая для нагрева и расплавления скрапа;

- энергия, необходимая для перегрева расплавляемого металла;

- энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева шлака.

В процессе нагрева и расплавления в дуговой печи происходит угар некоторой части загруженного в печь металла. Поэтому для получения заданного количества жидкого металла в печь необходимо загрузить увеличенное количество скрапа. Масса загружаемого в печь скрапа определяется по формуле

где - требуемое количество жидкого металла в конце расплавления;

- угар металлической завалки (7…10%).

т.

Масса шлаков составляет 15-20% от массы, загружаемой в печь металлической завалки .

т.

Энергия, необходимая для нагрева и расплавления скрапа, определяется по формуле

где - средняя удельная теплоемкость стального лома в интервале от начальной температуры до температуры плавления; - температура плавления металла; - температура загружаемого в печь скрапа; - скрытая теплота плавления металла.

Энергия, необходимая для перегрева расплавленного металла, определяется по формуле

где - средняя удельная теплоёмкость стального лома в интервале от температуры плавления до температуры перегрева; - температура перегрева металла и шлака.

Энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева шлака, определяется по формуле



где - средняя удельная теплоёмкость шлака; - скрытая теплота плавления шлака.

Тогда полезная энергия периода расплавления

2.2 Тепловые потери с газами

В современных крупных дуговых сталеплавильных печах отсос газов обычно осуществляют через специальное отверстие в своде, а вытяжка запыленных газов в систему газоочистки производится мощными вентиляторами высокой производительности (дымососами). В энергетическом балансе ДСП потери тепла с отходящими газами W_газ составляют в среднем 15-17 %. Кроме того, удаление и очистка газов требуют дополнительных энергетических затрат, увеличивающих расход электроэнергии на выплавку стали на 10-20 %. Доля стоимости систем газоудаления в стоимости ЭСПЦ составляет 10 - 15 %. Характерной особенностью ДСП являются резкие колебания мощности тепловых потерь с отходящими газами Q_газ по ходу плавки. Значительное влияние на Q_газ оказывает выделение химической энергии W_хим при окислении углерода шихты. При использовании топливно-кислородных горелок и интенсивной подаче кислорода в слой шихты в период плавления наибольшие значения Q_газ (около 20 МВт) имеют место в начале плавки. Это объясняется тем, что при таком ведении процесса окисление углерода происходит по ходу плавления и к концу этого периода в основном заканчивается.

Найдем тепловые потери с отходящими газами по таблице 1.

Для нашего случая больше всего подойдет печь №5 с характеристиками:

Показатель	Кол-во
Расход кислорода, м3/т	30,5
Расход вдуваемого угля, кг/т	21
Интенсивность подачи природного газа, м3/ч	700
Суммарная энергия пыли и газов, отводимых из печи, кВт·ч/т	243

2.3 Определение тепловых потерь через футеровку

Тепловые потери через футеровку дуговой сталеплавильной печи определяются по формулам для плоской стенки. Учитывая, что различия в значениях внутренней и внешней поверхностей футеровки сравнительно невелико, для упрощения расчетов рекомендуется определить удельные тепловые потери на 1 м² футеровки (раздельно для стен, свода и подины) и умножить удельные потери на соответствующие внешние поверхности футеровки.

Плотность теплового потока через футеровку определяется значениями температуры Т₀ свода, кожуха и днища ДСП, которые мало зависят от емкости ДСП, но значительно увеличиваются по мере износа футеровки в ходе ее кампании. По измерениям, проведенным на ДСП емкостью от 5 до 200т, значения Т₀ для свода составляют 150 - 400, для кожуха 80 - 350 и для днища 60 - 200°С. Соответствующие удельные значения теплового потока с наружной поверхности при температуре окружающего воздуха 20°С составляют: для свода 3-15, для кожуха 0,8 - 10 и для днища 0,4 - 3 кВт/м². Потери тепла через свод и стены значительно возрастают при работе ДСП в конце компании при сильно изношенной футеровке.

Для определения мощности тепловых потерь через футеровку стен свода и днища необходимо на основании результатов расчета параметров плавильного пространства рассчитать площади поверхностей пода и футерованных частей свода и стен. Задаться плотностью теплового потока из вышеуказанных диапазонов для соответствующих частей футеровки. Определить тепловые потоки через футеровку свода, стен и подины и просуммировать их.

При этом следует руководствоваться следующими соображениями:

При определении диаметра футерованной части свода следует учесть, что между краем электродного отверстия и краем футеровки свода расстояние равно диаметру электрода. Центральная часть свода плоская, периферийная - конусообразная.

Стены футерованы по высоте до 0,35 м. Выше - водоохлаждаемые панели. Площадь футеровки стен - площадь боковой поверхности цилиндра диаметром, равным внешнему диаметру футеровки.

Для упрощения расчета площади подины центральную сферическую часть подины принять плоской.

Толщину футеровки стены принимаем равной из магнезита обычного марки М-91. Тепловые потери через стену составляют

,

где t ₁ - температура внутренней поверхности огнеупорной кладки, t ₁ = 1600 ⁰С;

t ₂ - температура внешней поверхности кладки, t ₂ = 300 ⁰C;

д - толщина огнеупорного слоя, м;

- коэффициент теплопроводности огнеупорного материала, Вт/(м⁰С),

,

где .

- плотность теплового потока через стенку.

Расчетная внешняя поверхность стен, определяется по формуле

где H_фут - высота футеровки, - диаметр кожуха печи, определяется по формуле:

Тепловые потери стен, определяется по формуле

Тепловые потери через футеровку свода, определяется по формуле

где - боковая поверхность для сферического сегмента, определяется по формуле

где - диаметр распада электродов, м; - диаметр электродов.

- плотность теплового потока через свод

Тепловые потери через футеровку подины, определяется по формуле

где - внешняя поверхность футеровки подины, определяется по формуле

,

где r_сф - радиус шарового сегмента пода, l - образующая конусообразной части пода, вычисляется по формуле:

,

.

Отсюда получаем площадь поверхности:



Тепловые потери через футеровку подины, определяется по формуле

Суммарные потери через футеровку, составляют

Сведем полученные данные тепловых потерь через футеровку в таблицу 2.3.1.

Таблица 2.3.1 - Тепловые потери через футеровку.

Наименование поверхности	ТНАР,°С	q, кВт/м2	F, м2	Q, кВт
Свод	400	15	4,95	56,55
Стена	300	10	7,26	72,6
Под	200	3	46,42	139,26
Итого				268,5

2.4 Определение тепловых потерь через водоохлаждаеймые панели

Тепловые потери через водоохлаждаемые панели, определяется по формуле

где - площадь водоохлаждаемой поверхности; - тепловые потери через водоохлаждаемую поверхность площадью 1 м².

где - высота пояса водоохлаждаемых панелей,

,

L_св - образующая конической части свода, определяется по формуле:

,

где ДК - стрела свода.

.

Теперь возможно найти площадь водоохлаждаемой поверхности:

.

Тепло на поверхности гарнисажа передается главным образом за счет излучения. Источниками излучения являются электрические дуги, сильно запыленные газы, заполняющие рабочее пространство и поверхность жидкой ванны. Если дуги погружены в пенистый шлак, то для расчета плотности тепловых потерь с водой в первом приближении можно воспользоваться формулой, описывающей теплообмен между излучающим газом и его оболочкой:

,

где , - температура и степень черноты оболочки; , - температура и степень черноты газа; =5,67 Вт/м²К⁴ коэффициент излучения черного тела. Можно принять, что средняя степень черноты поверхности гарнисажа на панелях и поверхности ванны _С, а также степень черноты запыленных газов _Г примерно одинаковы и близки к 0.9. Температуры газов и поверхности ванны можно принять близкими к 1600 С (Т_Г = 1873 К), а среднюю температуру поверхности гарнисажа на панелях - равной 1300 С (Т_С = 1573 К).

2.5 Определение тепловых потерь через рабочее окно

Тепловые потери через рабочее окно составляют заметную долю общих тепловых потерь. Это объясняется тем, что при значительных размерах оконного проема, принимаемых по условиям обслуживания печи, дверца рабочего окна, как правило, выполняется водоохлаждаемой; кроме того, для защиты футеровки от разрушения окно обрамляется изнутри П-образной водоохлаждаемой коробкой. В этих условиях тепловые потери через рабочее окно определяются средней температурой излучающей поверхности печной камеры и суммарной тепловоспринимающей поверхностью дверцы и коробки, причем эти потери существуют независимо от того, закрывает ли дверца оконный проем или же проем открыт: в последнем случае тепло в том же количестве излучается не на поверхность дверцы, а в окружающее пространство.

При наличии водоохлаждаемого обрамления оконного проема коэффициент диафрагмирования отверстия должен приниматься равным 1,0.

Поверхность, воспринимающая излучение печной камеры, приближенно определяется как

,

где М - ширина рабочего окна, м; N - высота рабочего окна, м.

Среднюю расчетную температуру излучающей поверхности печной камеры для периода расплавления принимают равной 1450 С. При такой температуре удельные тепловые потоки излучением составляют q изл = 410 кВт/м², тогда тепловые потери излучением через рабочее окно составят

2.6 Определение тепловых потерь в период межплавочного простоя.

Во время межплавочного простоя тепловые потери ДСП, складываются из потерь через футеровку и потерь через водоохлаждаемые панели и определяются по формуле:

где - коэффициент неучтенных потерь,

2.7 Определение энергии экзотермических реакций периода расплавления

Для определения W_xим необходимо предварительно составить материальный баланс, с помощью которого устанавливают состав и количество исходных материалов и продуктов плавки. В современных печах, работающих с применением кислорода и ТКГ, тепловыделение W_xим может достигать 30-35 %, а в отдельные периоды плавки и более высоких значений. Определение W_xим вызывает известные трудности. Энергию экзотермических реакций периода расплавления можно оценить значением, приблизительно равным 30 % полезной энергии периода расплавления

2.8 Определение энергии дополнительных источников

Приход тепла W_доп зависит от мощности Q_гкг и длительности работы _гкг топливно-кислородных горелок и может достигать значений, сопоставимых с W_эл.

Если в задании не оговорены значения Q_гкг и _гкг, то можно принять, что тепло дополнительных источников энергии не превышает 25...30 %, общего расхода энергии

,

где _р = 0,8 ч - длительность периода расплавления;

_пр - 0,3 ч - длительность периода межплавочного простоя.

2.9 Энергетический баланс плавки

Недостающее количество энергии компенсируется электроэнергией. С учетом рассчитанных составляющих баланса уравнение (3.1) для W_эл принимает вид

,

где _эл - электрический КПД.

Таблица 2.9.1 - Энергетический баланс.

Статьи энергетического баланса	Обозначение	Значение	%
Приход энергии, кВтч
1. Активная электроэнергия	Wэл	51,155	63,15
2. Теплота химических реакций	Wхим	12,165	13,42
3. Тепло дополнительных источников энергии	Wдоп	19,402	23,43
Итого		82,722	100
Расход энергии, кВтч
1. Потери излучением через рабочее окно	Qо?фр	0,00035	0,0003
2. Тепловые потери с отходящими газами	Qгаз	19,440	21,45
3. Потери теплоотдающей поверхности	Qф•фр	0,00022	0,0002
4. Потери с охлаждающей водой	Qвод?фр	17,109	18,87
5. Электрические потери	0,1•Wэл	5,115	6,34
6. Полезная энергия периода расплавления	Q	40,552	44,74
7. Тепловые потери во время межплавочного простоя	Qпр·	7,796	8,6
Итого		82,722	100

2.10 Определение мощности печного трансформатора

Средняя активная мощность печи определяется по формуле

,

где _р.т. = 1,03 ч - длительность расплавления “под током”.

Необходимая кажущаяся мощность печного трансформатора

где К_исп - коэффициент использования мощности печного трансформатора в период расплавления, который учитывает возможность работы печи в течение всего периода расплавления на максимальной мощности (в частности, из-за опасности перегрева футеровки стен и свода длинными электрическими дугами к концу расплавления), а также колебания вводимой в печь мощности за счет несовершенства системы автоматического регулирования мощности печи и за счет нестабильности напряжения питающей сети. При проектировании Кисп обычно принимают в пределах 0,8…0,9, принимаем К _исп = 0,9.

cos - средний коэффициент мощности электропечной установки в период нагрева металла, равный сos=0,8



В соответствии с расчетными электрическими характеристиками ДСП-50, принимаем при номинальном токе трансформатора коэффициент мощности, равным 0,9. Фактический (рабочий) сos,будет ниже из-за протекания токов с частотой больше основной (промышленной).

Считается, что дуга является генератором высокочастотных составляющих тока и напряжения. Увеличение действующего значения тока за счет снижения Cos выше номинального возможно, так как используемый трансформатор позволяет допускать кратковременные перегрузки до 20%.

По рассчитанному значению выбираем трансформатор ЭТЦНДМ-160000/35-86УХЛ4, первичное напряжение трансформатора, мощность S_ТР=80 . Пределы регулирования вторичного напряжения

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДСП

Электрические характеристики строятся на основе схем замещения печных установок. Активные и индуктивные сопротивления считаются условно постоянными, кроме сопротивления дуги R_Д. поэтому схема замещения имеет вид цепочки из сопротивлений х, r и R_Д.

Активное сопротивление вторичного токоподвода - r = 0,36, мОм.

Индуктивное сопротивление вторичного токоподвода - х = 4,0, мОм.

Рассчитывается напряжение по формуле:

где - предел регулирования вторичного напряжения на трансформаторе.

.

Определим ток короткого замыкания по формуле:

где . Получаем ток короткого замыкания равным:

Рассчитываются и строятся электрические характеристики в функции от тока I₂ во вторичной цепи схемы замещения цепи :

- мощность электрических потерь



- напряжение на дуге

- мощность дуги

- полная активная мощность фазы печи

- мощность дуги

- коэффициент мощности

- электрический КПД установки

Рассчитывается максимальная активная мощность печи Р', мощность дуги Р^”_Д и соответствующие им значения токов I'_Д и I^”_Д по формулам

Рассчитываются и строятся рабочие характеристики печи

- удельная производительность, т/ч

где - теоретически необходимый расчет электроэнергии для расплавления 1 тонны стали;

- тепловые потери на одну фазу при приближенном расчете.

- удельное время расплавления, ч/т

- удельный расход электроэнергии, Вт·ч/т



Характеристики строятся в функции от тока дуги (цепи) в одном масштабе по оси тока.

Напряжение - ; Ток КЗ - ;

Напряжение - .

Сведем полученные данные в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 - Электрические и рабочие характеристики.

Построим графики по полученным данным:

График 3.1 - Зависимость cosц и КПД от рабочего тока.



График 3.2 - Зависимость мощностей от рабочего тока.

График 3.3 - Зависимость удельного расхода электроэнергии и удельной производительности от рабочего тока.

График 3.4 - Зависимость удельного времени расплавления от рабочего тока.



График 3.5 - Зависимость напряжения на дуге от рабочего тока.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основы электротехнологии. Дуговые печи и установки. Методические указание. Составители : А. Н. Ведин, Н. Б. Тесля.

2. Горева Л.П. Электротехнологические установки и системы. Электродуговые установки: учеб. Пособие для вузов.

3. А. Д. Свенчанский. Электрические промышленные печи.

Размещено на Allbest.ru