Методика расчет рациональных размеров рабочего пространства дуговой электропечи

 

Составными частями печи являются: рабочее пространство, огнеупорная кладка, механическое и электрическое оборудование. Рабочее пространство печи, ограниченное внутри огнеупорной кладкой, предназначено для проведения всех процессов, связанных с получением стали. Рабочее пространство состоит из трех частей: ванны – а, свободного пространства – б и подсводового пространства – в.

Часть рабочего пространства, ограниченная снизу подом и откосами, а сверху уровнем откосов, называется ванной. Ванна является вместилищем для жидкого металла и шлака.

Свободное пространство печи, ограниченное снизу уровнем откосов, сверху уровнем пят свода, а с боков − стенами, образует дополнительный к ванне объем, необходимый для вмещения твердой шихты. Подсводовое пространство, ограниченное снизу уровнем пят свода, а сверху сводом, представляет объем, необходимый для обеспечения строительной прочности свода и отбора технологических газов СО, СО₂.

В плане наиболее приемлемой формой рабочего пространства является круг.

Ответственной частью рабочего пространства является ванна, конфигурация которой должна обеспечивать быстрый сход шихты с откосов при ее проплавлении, полноту протекания физико-химических процессов, связанных с получением стали заданной марки или группы марок, а также накопление достаточного количества расплавленного металла при подходе электродов в нижнее положение после проплавления «колодцев».

 

Рисунок 2.1 - Продольный разрез рабочего пространства ДСП

Рисунок 3.15 – Основные расчетные параметры ДСП

 

Д_М − диаметр ванны по уровню металла; Д_О − диаметр ванны на уровне откосов; Д_СФ− диаметр сферической части ванны; h_СФ− глубина сферической части ванны; h_К − глубина конической части ванны; h_Д − глубина дополнительной части ванны; Н_СТ − высота стен; Д_ПС − диаметр печи на уровне пят свода; h_СВ − высота подъема свода над уровнем пят свода; β − угол наклона стен; α − угол наклона откосов.

 

Расчет ванны

 

При расчете ванны дуговой сталеплавильной печи чаще всего принимают сфероконической формы с углом откосов 45° и уровнем откосов над уровнем металла на 100-250 мм.

При эксплуатации печей фактическая емкость (завалка) на 15-25 % больше запроектированной, поэтому уровень шлака и металла поднимается выше уровня откосов. Постепенное размывание откосов и их поплавочная заправка приводят к изменению конической формы, и фактически ванна становится сферической с углом откосов от 25 до 45° к вертикали.

В соответствии с этим более рационально рассчитывать ванну сферической с откосами, образованными касательной к окружности ванны и вертикалью.

 

 

h_В − глубина ванны; Д_М − диаметр ванны на уровне металла; Д_П − диаметр ванны на уровне порога; Д_О – диаметр ванны на уровне откосов; h_Д − высота дополнительной части ванны, образующая дополнительный объем ванны, необходимый для вмещения шлака; R_В − радиус ванны

Рисунок 3.16 - Продольный разрез сферической ванны:

 

Оценивая ванну с точки зрения полноты протекания рафинировочных процессов при ее проектировании, обычно, принимается величина:

 

а = Д_М/h _М.                                                     (3.1)

 

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 3,5-4,0.

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 5,0-5,5, 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_М до 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):

 

                                       (3.2)

 

где F_ЗМ − поверхность зеркала металла, м²; G_М − емкость печи, т; оказывается, что при одном и том же значении «а» в печах различной емкости, величина «f» меняется.

Основываясь на этом, а также на показателях работы печей, можно принять за определяющую величину ванны ее удельную поверхность, т. е. «f».

Из практических данных значение «f» 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 «f» уменьшенное на 30 %.

Основываясь на принятом значении f _РАСЧ и садке печи (G_М), параметры ванны определяют из выражений:

 

Д =1,13 , м,                                                       (3.3)

h³_М + 0,956 f G_М h_М - 0,268G_М = 0                            (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 VДОП, вмещающий шлак с запасом; т. е. помимо металла ванна должна вмещать шлак с учетом его вспенивания при кипении:

 

V_В = V_М + V_ШЛ + V_ДОП,                                                 (3.5)

 

h_В = h_М + h_ШЛ + h_ДОП.                                                    (3.6)

 

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 по выражению:

 

                                        (3.7)

 

Дополнительный объем V_ДОП принимают равным 10-16 % V_М. Уровень порога рабочего окна принимают на 20-40 мм выше зеркала шлаковой ванны:

 

Δh = 0,02 − 0,04, м.

 

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

 

h_П = h_М + h_ШЛ + Δh.

 

Этот параметр для действующих отечественных ДСП может быть описан корреляционным уравнением:

 

h_П = 0,1884 G ^0,3786 _М.                                                   (3.8)

 

Другой параметр ДСП − диаметр ванны на уровне порога рабочего окна Д_О можно определить по выражению:

 

Д_П = Д_М + 2(h_ШЛ + Δh),                                                (3.9)

 

а для действующих ДСП описать уравнением:

 

Д_П = 1,064 G ^0,33 _М.                                        (3.10)

 

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 = (0,03 − 0,10) + Δh

 

или по отношению к глубине ванны:

 

h_ДОП = (0,1 − 0,15)h_В.                                             (3.11)

 

Суммарная глубина ванны h_В определяет такой важный параметр ДСП как диаметр рабочего пространства на уровне откосов Д_О, 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)