CALCULUL CUPTORULUI CU ARC ELECTRIC 7.1. Calculul de dimensionare al cuptorului cu arc electric de 50t 7.1.1. Determinarea caracteristicilor băii cuptorului Se consideră capacitatea nominală a cuptorului C = 50t ca fiind egală cu greutatea băii metalice. Volumul spaţiului ocupat de oţelul topit va fi: = [m³] ; = = 7,25 m³ Unde: = 6,9 t/m³ este densitatea oţelului lichid. Volumul spaţiului superior, ocupat de zgură şi de spaţiul de rezervă pentru perioada spumării se poate admite conform relaţiei: = · [m³] ; = 0,5·7,25 = 3,625 m³ , unde 0,5 este factorul de proporţionalitate. Volumul total al spaţiului vetrei va fi: = + => = 7,25+3,625 = 10,875cm³ Acest spaţiu are forma unei calote sferice, diametrul calotei, reprezintă diametrul mediu al spaţiului vetrei. = [m³] = =5,05 m Parametrul reprezintă raportul dintre diametru şi înălţimea spaţiului băii. Înălţimea maximă a spaţiului vetrei va fi: = ; = =1,03 m Raza sferei din care face parte calota, reprezentând raza de curbura a suprafeţei vetrei, se determină cu relaţia: = [m] ; = =3,61 m Ȋnălţimea spaţiului ocupat de zgură împreună cu spaţiul de rezervă, este dat de relaţia: 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
CALCULUL CUPTORULUI CU ARC ELECTRIC
7.1. Calculul de dimensionare al cuptorului cu arc electric de 50t
Se consideră capacitatea nominală a cuptorului C = 50t ca fiind egală cu greutatea băii metalice.Volumul spaţiului ocupat de oţelul topit va fi:
= [m³] ; = = 7,25 m³
Unde: = 6,9 t/m³ este densitatea oţelului lichid.Volumul spaţiului superior, ocupat de zgură şi de spaţiul de rezervă pentru perioada spumării se poate
admite conform relaţiei:
= · [m³] ; = 0,5·7,25 = 3,625 m³ , unde 0,5 este factorul de proporţionalitate.
Volumul total al spaţiului vetrei va fi:
= + => = 7,25+3,625 = 10,875cm³
Acest spaţiu are forma unei calote sferice, diametrul calotei, reprezintă diametrul mediu al spaţiului vetrei.
= [m³]
= =5,05 m
Parametrul reprezintă raportul dintre diametru şi înălţimea spaţiului băii.
Înălţimea maximă a spaţiului vetrei va fi:
= ; = =1,03 m
Raza sferei din care face parte calota, reprezentând raza de curbura a suprafeţei vetrei, se determină cu relaţia:
= [m] ; = =3,61 m
Ȋnălţimea spaţiului ocupat de zgură împreună cu spaţiul de rezervă, este dat de relaţia:
= [m]; = = 0,18 m
Pragul uşii şi partea inferioara a secţiunii exterioare a orificiului de evacuare sunt situate sub înălţimea
maximă a spaţiului vetrei la distanţa , care reprezintă înălţimea spaţiului de rezervă:
= 0,35 [m] ; = 0,35·0,18 = 0,063 m
Rezultă înălţimea băii de oţel şi zgură până la nivelul pragului uşii:
= - [m] ; = 1,03 - 0,063 = 0,967 m
1
Din care înălţimea băii de oţel va fi:
= - [m] ; = 1,03 - 0,18 = 0,85 m
Iar înălţimea stratului de zgură:
= - [m] ; = 0,967 - 0,85 = 0,117 m
Diametrul băii la nivelul pragului ușii este dat de relaţia:
= 2 ; = 2 = 4,92 m
Axa orificiului de evacuare este înclinată faţă de axa orizontală cu un unghi = 13°; diametrul
orificiului se alege = 0,25m.
7.1.2. Dimensionarea spaţiului de topire
Ȋnălţimea pereţilor deasupra diametrului maxim al spaţiului vetrei se admite proporţional cu acesta:
= · [m] ; = 0,41 · 5,05 = 2,07 m
Diametrul spaţiului de topire crește pe înalţime, se execută cu diametru continuu crescător, obţinându-se o înclinare a pereţilor către exterior.
Unghiul de înclinare al pereţilor se alege δ =7°, în acest caz diametrul la partea superioară va fi:
= + 2 · tg 7°= 5,56 m
Uşa de lucru practicată în peretele diametral opus orificiului de evacuare are lăţimea:
= 0,20 · [m] ; = 0,20 ·5,05 = 1,01 m
Pentru înălţimea uşii se admite relaţia:
= 0,65 · [m] ; = 0,65 ·1,01= 0,657 m
7.1.3. Dimensionarea spaţiului de sub boltă
Diametrul interior al bolţii în planul de reazem al bolţii, se determină cu relaţia:
= + 1,2 [m] ; = 5,56 + 1,2 · 0,5 = 6,16 m
Unghiul la centru al arcului bolţii este de 42°.Raza sferei din care face parte calota, reprezentând raza de curbură a suprafeţei interioare a bolţii va fi:
R = [m] ; R = = 8,59 m
Săgeata bolţii se determină cu relaţia:
S = R(1 - cos ) [m] ; S = 8,59(1 - cos ) = 0,51 m
Oficiile pentru introducerea electrozilor sunt amplasate la 120° pe un cerc al cărui diametru se calculează cu relaţia:
= · [m] ; = 0,3 · 5,05=1,515 m
2
unde este factorul de proporţionalitate ( =0,3)
Diametrul orificiilor pentru introducerea electrozilor se admite conform relaţiei:
= 1,2 · d [m] ; = 1,2 · 0,6 = 0,72 m
unde d = 0,6m reprezintă diametrul electrozilor (fig 7.1)
Fig. 7.1.
7.2. Dimensionarea zidăriei cuptorului
Zidăria agregatelor termice este elementul de construcţie care delimitează spaţiul unde în prezenţa căldurii se desfășoară procesul termic de încălzire. De aceea, ea trebuie realizată din materiale rezistente la temperatura înaltă cât și la solicitări mecanice și chimice.
Pentru executarea zidăriei cuptorului se utilizează materiale refractare fasonate dense și ușoare (cărămizi) și materiale monolitice.
Calculul de dimensionare a zidariei refractare constă în determinarea grosimii totale a ei, astfel încat să se realizeze o rezistenţă termică care sa conducă la pierderi minime de caldură în exteriorul spaţiului de lucru.
7.2.1. Dimensionarea zidăriei vetrei cuptorului
Pentru element de zidărie de formă sferică rezistenţa termică a elementului de zidarie se va calcula cu relaţia:
r = )( - ) grd/W
r = ( - ) + ( - ) = 0,0471 grd/W
Densitatea fluxului termic conductiv prezintă variabilitate în direcţia radială în care se realizează transmiterea căldurii şi se calculează cu relaţia:
3
Q = [W]
Q = = 108,054 kW
Unde: – conductivitatea termică a şamotei (W/m·grd)
– conductivitatea termică a azbestului (W/m·grd)
7.2.2. Dimensionarea pereţilor
Pentru elemente de zidărie de formă cilindrică, rezistenţa termică a elementului de zidărie se va calcula cu relaţia:
r = ·ln [m·grd/W]
r = · ln + · ln = 0,0826 m·grd/W
Temperatura între stratul izolator din azbest şi zidăria refractară va fi:
= - · ln
= 1730 - · ln = 356,3°C
Expresia fluxului termic pe unitatea de lungime este dată de relaţia:
= [W/m]
= = 28,766 kW/m
În care + )/2 reprezintă diametrul mediu, iar φ coeficientul de curbură.
7.2.3. Dimensionarea bolţii
Densitatea fluxului termic conductiv este dată de relaţia:
Q = [W]
Q = = 2078,65 kW
7.3. Determinarea consumului de energie
4
Determinarea consumului de energie electrică sau de combustibil se face în scopul stabilirii dimensiunilor şi caracteristicilor instalaţiei de producere a căldurii.
Calculul consumului de energie s-a făcut pentru o şarjă care foloseşte ca materie primă fier vechi, minereu de fier, feromangan, ferosiliciu, silicomangan şi var.
Cuptorul cu arc electric este alimentat de un transformator de 50 MVA.Sub influenţa încălzirii, în cuptor se produc reacţii între componenţii încărcăturii metalice (unele
exoterme precum oxidarea C, Mn, Si, P, S şi reacţiile de formare a zgurii, altele endoterme precum descompunerea minereului de fier).
Tabelul 7.1. Compoziţia medie a încărcăturii şi adaosurilor
Material kg/şarjă Compoziţia chimică % C Si Mn P S Fe diverseFe vechi 51000 0,4 0,25 0,6 0,025 0,025 98,7 Cocs 200 85 1,1 13,9Var 1600 100FeMn 100 6 2 71,7 0,29 0,01 20 FeSi 25 44,6 0,35 0,04 0,02 53,4 1,59SiMn 600 0,76 20 70 0,08 0,01 9,15 min. de Fe 1000 60,2 25,8 14
Greutatea medie a şarjei: 47,15t/şarjăConsum specific de electrozi: 14,6kg/tDurata medie a şarjei:
Total 5h 0.00 minDurata anuală efectivă de funcţionare 6.833 ore; producţia cuptorului 47831 t oţel/an; productivitate
cuptor 7t/h.Compoziţia medie a oţelului la evacuare:0,24% C; 0,08% Şi; 1,35% Mn; 0,02% P; 0,02% S; 97,59%
Fe; 0,7% (Cr+Ni+Cu).Consumul de energie electrică: 697kWh/tTemperatura materialelor încărcate în cuptor: 15°CTemperatura de evacuare a gazelor arse:810°CUmiditatea materialelor încărcate:0,2%Caldura de vaporizare a apei: 539 kcal/kgTemperatura suprafeţei exterioare a bolţii: 350°CTemperatura suprafeţei exterioare a pereţilor cuptorului: 110°CDebit orar apă răcire: 34m³/hTemperatura medie a apei de răcire:
- intrare 5°C- ieşire 35°C
Densitatea şamotei:2580kg/m³Temperatura suprafeţei interioare a peretelui cuptorului:
- început şarjă:1025°C
5
- sfârşit şarjă: 1730°C
7.3.1. Bilanţul de materiale
=21,9925kg/t
= 2,4 kg/t
= 19,5925kg/t
= · 19,5925 kg/t = 71,8kg/t
Sau ·19,5925 = 36,5 Nm³
= ·19,5925 = 52,20 kg/t
Sau 36,5 Nm³
= 16,8881 kg/t
= 13,5 kg/t
= 3,3881 kg/t
= ·3,3881 kg/t = 5,02 kg/t
= ·3,3881 = 0,986 kg/t
Sau ·3,3881 = 0,69 Nm³
= 5,5696 kg/t
= 0,8 kg/t
= 4,7696 kg/t
= ·4,7696 = 10,5 kg/t
= ·4,7696 = 5,44 kg/t
Sau · ·4,7696· · = 3,81 Nm³/t
= 0,2865 kg/t
= 0,2 kg/t
6
= 0,0865 kg/t
= · 0,0865 = 0,198 kg/t
= · 0,0865 = 0,111 kg/t
Sau · ·0,0865 = 0,078 Nm³/t
= 0,3176 kg/t
= 0,2 kg/t
= 0,1176 kg/t
= · 0,1176 = 0,235 kg/t
Sau ·0,1176 = 0,082 Nm³/t
= ·0,1176 = 0,1176 kg/t sau 0,082 Nm³/t
Total = 58,8546 kg/t
Aer în atmosfera cuptorului: 254,21 kg/t
în atm cuptorului = 53,3846 kg/t
în minereu = 5,47 kg/t
= 1082,5824 kg/t
= 975,9 kg/t
= 106,6824 kg/t
Cantitatea de zgură : = 5,02 kg + 10,2 kg + 0,198 kg + 106,6824 kg Fe + 0,97·40,3kg
CaO + (0,0096 + 0,03·40,3 + 0,73)diverse = 166,11 kg/t
Cantitatea de gaze arse : = 71,8 kg C + 0,235 kg S + 200,8254 kg + 0,584 kg diverse volatile =
273,4444 kg/tToate aceste date sunt prezentate în tabelul 7.2.
6.4. Căldura radiată de pereţii cuptorului şi vatră în timpul rabaterii bolţii:Bolta stă rabatată cca 15 min în timpul ajustării și în medie 7 min la încercare la o durata medie a șarjei
Echipamentul electric (fig. 7.2.) are rolul de a trasmite şarjei din cuptorul cu arc, valorile necesare ale curentului şi tensiunii obţinute din puterea absorbită de la reţeaua de înaltă tensiune.
Valorile curentului şi tensiunii trebuiesc astfel alese, încât puterile maxime de topire să corespundă unui consum minim de energie electrică şi unei eroziuni reduse a căptuşelii pereţilor refractari.
Instalaţia de alimentare a cuptorului electric cu arc:- aparate de măsură a curenţilor, tensiunilor, puterilor şi energiilor;- condensatoare de înaltă tensiune pentru compensarea factorului de putere;- transformatorul de alimentare;- reţea scurtă.
Transformatorul este un transformator special trifazat, în ulei, cu reglaj sub sarcină pe partea de înaltă tensiune, cu sistem de răcire forţată cu apă. Are un domeniu mare de reglare a tensiunii secundare, realizat prin 25 trepte de tensiune 15÷20V amplasate în înfăşurarea primară.
Puterea transformatorului este constantă şi egală cu 50 MVA pe primele trei trepte de reglaj. Pe celelalte trepte puterea scade proporţional cu tensiunea secundară.
Caracteristicile tehnice ale transformatorului sunt:
- puterea =50 MVA
17
Fig. 7.2.
- tensiunea nominală primară = 30000V
- tensiunea nominală secundară = 609,76V
- curent nominal primar = 962A
- curent nominal secundar =4 7347A
- tensiunea de încercare la impuls = 195kV
- tensiunea de scurtcircuit la 50 MVA = 6,11%
- pierderile nominale de mers în gol = 60kW
- pierderile nominale datorate sarcinii Δ = 320kW
Conexiunea transformatorului pe partea de înaltă tensiune este triunghi-stea, schimbabilă în absenţa tensiunii de alimentare, iar pe partea de joasă tensiune este conexiune triunghi, închisă în intervalul transformatorului.
18
Reţeaua scurtă reprezintă legătura electrică dintre electrozii cuptorului şi transformatorului şi se compune din:
- ţevile portelectrod răcite cu apă;- cablurile flexibile – conductoare de cupru răcite cu apă;- barele transformatorului, răcite forţat cu apă.Pentru a calcula pierderile electrice ale instalaţiei am calculat în tabelul 7.3. parametrii
instalaţiei, rezistenţa R și reacţia X: R +
X = +
unde: , – rezistenţa și reactanta transformatorului;
– rezistenţa și reactanta reţelei scurte.
Acești parametrii s-au calculat pentru fiecare treaptă de tensiune a transformatorului de alimentare.
Rezistenţa si respectiv reactanta raportate la secundarul transformatorului se calculează cu relaţiile:
= 3 · [
= 3 · [
Ȋn care:
– pierderile de putere activă la scurtcircuit [W];
– puterea aparentă;
U – tensiunea de faza secundară pe treapta respectivă de tensiune;
– tensiunea de scurtcircuit la 50MVA.
Pentru parametrii reţelei scurte s-au ales pentru cuptor de 50t: = 0,64Ωm; =2,4Ωm
Puterea activă a instalaţiei se calculează cu relaţia:
= · Prod
Ȋn care: – consum specific de energie electrică kWh/t
Prod – productivitatea cuptorului
= 697 · 14 = 9758 Kw
Pierderile electrice se calculează cu relaţia:
= 3 · R · kW
Ȋn care:
- curentul cuptorului pe treapta ”t”
= [kW]
19
- tensiunea secundară a transformatorului pe treapta „t”
cosφ - factorul de putere ( cosφ = 0,707)
= 3 · 0,688 · · ( )² = 348 kW
Calculul pierderilor electrice s-a efectuat având în vedere faptul că transformatorul lucrează majoritatea timpului pe treapta 5Δ.
Călduri intrate kcal/t % Călduri ieşite kcal/t %Consum energie electrica 599420 74,3 Căldura sensibilă a oţelului lq 356620 44,2Căldura sensibilă a încărcăturii 2163 0,3 Căldura sensibilă a zgurii 96510 12 Căldura consumată pentru 19500 2,4 descompunerea minereului Căldura sensibilă a aerului din 918 0,1 Căldura necesară evaporării apei 2167 0,3atmosfera cuptorului şi supraîncălzirii vaporilor Căldura pierdută a gazelor arse 60863 7,5Căldura reacţiilor exoterme 204328 25,3 Căldura pierdută prin radiaţii 47502 5,9 Căldura pierdută prin pereţi 22360 2,8
Căldura pierdută prin radiaţia bolţii rabătute 17746 2,2
Căldura preluată de apa de răcire 72858 9
Căldura acumulată în zidărie 84417 10,5 Pierderi electrice 21502 2,7 Eroare de bilanţ 4784 0,6Total 806829 100 Total 806829 100
7.3.3. Bilanţul energetic optim
La calculul pierderilor electrice, fiecare treaptă de tensiune a transformatorului de alimentare îi corespunde o caracteristică de funcţionare, reprezentând variaţia randamentului electric a puterii (factorului de putere), a pierderilor electrice şi a consumurilor specifice de energie electrică.
În prezent pentru alimentarea cuptorului cu energie electrică se utilizează în majoritatea timpului treapta de tensiune 5Δ care se dovedeşte a nu fi treapta optimă pe care să funcţioneze randamentul electric fiind 96,4%.
Pentru îmbunătăţirea randamentului electric s-a ajuns la concluzia că functionarea optimă, corespunzătoare treptei de tensiune 11Δ conduce la pierderi electrice minime.
84417 + 6601 = 787144 kcal/tScăzând din aceasta, căldura sensibilă a încărcăturii, căldura sensibilă a aerului din
atmosferă şi căldura reacţiilor exoterme, se calculează consumul de energie electrică în situaţia optimizării conducerii electrice a cuptorului.
= 787144 - (2163 + 918 + 204328) = 579735 kcal/t
Pe baza măsurilor de optimizare, conform calculelor efectuate în bilanţul optim rezultă o reducere a consumului de energie electrică de la 697 Kwh/t la 674 kWh/t, procentual aceasta reprezentând o reducere de 3,3 %.
Călduri intrate kcal/t % Călduri ieşite kcal/t %Consum energie electrică 597935 73,7 Căldura sensibilă a oţelului lq 356620 45,3Căldura sensibilă a încărcăturii 2163 0,3 Căldura sensibilă a zgurii 96510 12,3 Căldura necesară 19500 2,5 descompunerii minereului Căldura sensibilă a aerului din 918 0,1 Căldura necesară evaporării apei 2167 0,3atmosfera cuptorului şi supraîncălzirii vaporilor Căldura pierdută cu gazele arse 60863 7,7
Caldura reacţiilor exoterme 204328 25,9Căldura pierdută prin radiaţii, prin orificii 47502 6
Căldura pierdută prin pereţi 22360 2,8 Căldura pierdută prin radiaţia bolţii 17746 2,3 rabătute Căldura preluată de apa de răcire 72858 9,3 Căldura preluată de zidărie 84417 10,7 Pierderi electrice 6601 0,8 Diverse 0 0Total 787144 100 Total 787144 100
7.4. Calculul mecanismelor cuptorului cu arc electric
7.4.1. Mecanismul de basculareCalculul momentului datorat greutăţii proprii
- diametrul rolelor de ghidare ale căruciorului, D = 300mm- diametrul fusurilor rolelor de ghidare, d = 100mm- coeficientul de frecare în lagăre μ = 0,08- braţul frecării de rostogolire f = 0,08cm- coeficient de frecare la rabordurile rolelor α' = 3- viteza maximă de deplasare a electrozilor v = 2,8m/min
- randamentul roţii de lanţ la contragreutate = 0,97
- randamentul planului de antrenare a electrodului = 0,83
- randamentul mecanismului de antrenare = 0,7
- diametrul manşonului de înfăşurare a cablului Δm = 450mm
1. Determinarea forţei de acţionare a cărucioruluiPentru determinarea acestei forţe facem proiecţiile pe orizontală şi verticală şi ecuaţia de
momente:
Unde:
- = · W = · · α'
- = · W = · · α'
Înlocuind expresiile ecuaţiilor şi rezultă:
27
F = [kgf]
Unde: T – este forţa datorată contragreutăţii
T =
T = 6500 · = 6100 kgfÎnlocuind rezultă F = 4720 kgf pentru W = 0,096
2. Forţa în cablurile mecanismului
S = = = 2850 kgf
3. Determinarea puterii motorului de antrenare
= 2V; = 2 · 2,8 = 5,6 m/min (plan dublu)
P = ; P = = 3,73 kW
Alegem motorul asincron trifazat cu rotor în scurcircuit tip ASI 112M – 28 – 2 cu =