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, равномерный и минимальный тепловой поток от электрических дуг на участки футеровки.
Объем завалки при насыпной плотности шихты 1,4 т/м3 и при расходном коэффициенте, 1,06
VЗАВ = 0,75GМ, м3. (3.13)
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, тепловой поток на которые от дуг нормален к поверхности, кВт/м2
q = KЭ РД cos ϕ / (4πr2). (3.14)
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 (0,50 + 0,6)ДО, т.e.:
НЦ.СВ= hД + НСТ + hСВ = (0,5 − 0,6)ДО. (3.15)
Принимая hД = (0,15 – 0,25), м, hСВ = 0,15ДО, получим уравнение:
НСТ = 0,4ДО – (0,15 – 0,25), м, (3.16)
справедливое для печей средней емкости. На крупных печах относительная высота стен уменьшается, поэтому возможно применение следующих рекомендаций:
НСТ = (0,525...0,45)ДО, малые печи, (3.17)
НСТ = (0,35...0,325)ДО, крупные печи. (3.18)
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:
ДР = (0,25 – 0,33)ДО, м. (3.19)
Расчет размеров подсводового пространства
Строительная прочность свода определяется стрелой подъема его (hСВ) над уровнем пят свода (ДПС).
По данным ряда авторов эту величину можно принимать в пределах (0,12 − 0,I5)ДО.
Диаметр на уровне пят свода зависит от высоты стен и угла их наклона:
ДПС = ДО + 2НСТ tg β. (3.20)
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'О.
Если верхняя часть стен выполняется вертикальной, то Д'О = ДПС.
При наклоне верхней части стен на угол β′′:
ДПС = Д'О + 2 · 2/3 НСТ · tg β′′, м. (3.21)
Так как сводовое кольцо устанавливается на металлической арматуре кожуха печи, то диаметр свода должен включать толщину верхней части стен и тогда:
ДСВ = ДПС + 2δСТ = ДК, м. (3.22)
Расчет параметров печного трансформатора
Выбор мощности
Показателем качества работы ДСП как электротехнического и теплотехнического агрегата служит удельный расход электрической энергии за энергетический период на расплавление (без предварительного подогрева, без применения ТКГ и без совмещения с окислительным периодом) 100 % металлошихты с насыпной плотностью ≥1,4 т/м3, загружаемой с расходным коэффициентом КР = 1,05 в один прием, без подвалки (WУ). Показатель WУ входит в паспорт технической характеристики ДСП согласно ГОСТ 7206-80.
При выборе мощности трансформатора исходят из его удельной мощности РУД = Ртр.н / GМ, составляющей 500-1000 кВА/т. Учитывают, что на современных ДСП уровень тепловых потерь достигает 30-35 % от общего расхода энергии на плавку, при этом значение теплового КПД (ηТ) в отдельные периоды плавки составляет: в энергетический 0,75-0,85, снижаясь до 0,7 при дополнительном вводе тепловой энергии за счет ТКГ; в окислительный − 0,2-0,45; в восстановительный − 0,25-0,45, а электрический КПД (ηЭ) по данным ВНИИЭТО за плавку составляет 0,85-0,95, увеличиваясь для более крупных и мощных ДСП.
В энергетический период плавки полезный расход энергии WПОЛ с изменением энтальпии при нагреве и плавлении металла и шлака с компенсацией энергозатрат на эндотермические процессы с учетом возможного поступления тепла от футеровки, ТКГ, с нагретой шихтой, от экзотермических процессов.
Теплосодержание большинства сталей при температурах сталеплавильного процесса (1600° С) составляет 1,40-1,45 ГДж/т (~400 кBт·ч/т), кислых шлаков 1,73 ГДж/т (480 кBт·ч/т) и основных 1,90 ГДж/т (530 кBт·ч/т).
Исходя из приведенных энергозатрат и планируемого времени энергетического периода, выбирают удельную мощность трансформатора (РУД). Использование высоких удельных мощностей целесообразно в случаях выплавки в основном углеродистых марок стали одношлаковым процессом, когда длительность окислительного периода по возможности сокращена, а восстановительный период в печи не проводится.
Мощность трансформатора трехфазного тока, кВА:
Р тр.н = UЛmax JН 10-3 (500 - 1000)GМ (3.23)
где 500-1000 – удельная мощность трансформатора, кВА/т.
Для определения максимального вторичного напряжения используют выражения, В:
− для основного процесса:
UЛmax = 15 ; (3.24)
− для кислого процесса:
UЛmax= 70+15 . (3.25)