Контрольная работа: Расчет основных размеров восстановительной и рафинировочной печей

Министерство образования

Российской Федерации

Липецкий Государственный технический университет

Кафедра металлургии

Домашнее задание

по предмету «Электрометаллургия»

Расчет основных размеров восстановительной и рафинировочной печей

выПОЛНИЛ: вАЛУЙСКИХ е. в.

ЧМ – 98 - 2

ПРИНЯЛ: ВЕЧЕР в. н.

Липецк-2002

ЗАДАНИЕ

Определить основные размеры восстановительной печи для выплавки 45% FeSi для суточной производительности.

Производительность печи в сутки = 50 т.

Определить основные параметры рафинировочной печи для выплавки низкоуглеродистого FeCr для суточной производительности.

Производительность печи в сутки = 10 т.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Определение основных параметров восстановительных электропечей

1.1 Определение мощности трансформатора и электрических параметров восстановительной печи

1.2 Определение геометрических размеров восстановительной печи

2. Определение основных параметров рафинировочных электропечей

2.1 Определение электрических параметров рафинировочной печи

2.2 Определение геометрических параметров рафинировочной печи

Библиографический список.

ВВЕДЕНИЕ

В ниже проведенной работе мы производим расчет основных размеров и параметров ферросплавных печей, в которых мы получаем различные ферросплавы. Ферросплавы — это сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом и другими элементами, применяемые при производстве стали для улучшения ее свойств и легирования. Вводить в сталь нужный элемент не в виде чистого металла, а в виде его сплава с железом удобнее вследствие более низкой температуры его плавления и выгоднее, так как стоимость ведущего элемента в сплаве с железом ниже по сравнению со стоимостью технически чистого металла.

Исходным сырьем для получения ферросплавов служат руды или концентраты. Для производства основных сплавов - ферросилиция, ферромарганца и феррохрома - используют руды, так как в них высоко содержание окислов элемента, подлежащего восстановлению. При производстве ферровольфрама, ферромолибдена, феррованадия, ферротитана и других сплавов руду вследствие малой концентрации в ней полезного элемента обогащают, получая концентрат с достаточно высоким содержанием окислов основного элемента.

Ферросплавы получают восстановлением окислов соответствующих металлов. Для получения любого сплава необходимо выбрать подходящий восстановитель и создать условия, обеспечивающие высокое извлечение ценного (ведущего) элемента из перерабатываемого сырья. Пользуясь законами термодинамики, можно определить химическое сродство элементов к кислороду. По возрастанию этого сродства элементы распределяются в следующий ряд: Ni, Fе, Мn, V, Сг, Si, Ti, Al, Mg, Ca. Каждый нижестоящий элемент может служить восстановителем для вышестоящего. Особое место занимает углерод, который может восстанавливать эти элементы лишь при превышении температуры выше определенных значений, возрастающих по мере увеличения химического сродства к кислороду каждого элемента, например, расчеты показывают, что для марганца эта температура составляет около 1150°С, для кремния 1450 °С и для алюминия 1900 оС.

Восстановительные процессы облегчаются, если они проходят в присутствии железа или его окислов. Растворяя восстановленный элемент или образуя с ним химическое соединение, железо уменьшает его активность, выводит его из зоны реакции, препятствует обратной реакции- окислению. В ряде случаев температура плавления сплава с железом ниже температуры плавления восстанавливаемого элемента, следовательно, реакция может протекать при более низкой температуре.

В зависимости от вида применяемого восстановителя различают три основных способа получения ферросплавов: углевосстановительный, силикотермический и алюминотермический. Наиболее дешевым является углерод, поэтому его используют при производстве углеродистых ферромарганца и феррохрома, а также всех сплавов с кремнием (кремний препятствует переходу углерода в сплав). Реакции восстановления металлов и их окислов углеродом эндотермичные, поэтому углевосстановительный процесс требует подвода тепла. Полнота извлечения ведущего элемента зависит от температуры и давления, при которых ведут процесс, от состава шлака и сплава.

Силикотермическим и алюминотермическим способами получают ферросплавы с пониженным или очень низким содержанием углерода: среднеуглеродистые и малоуглеродистые ферромарганец и, безуглеродистый феррохром, металлические хром и марганец, ферросплавы и лигатуры с титаном, ванадием, вольфрамом, молибденом, цирконием, бором и другими металлами. Когда выделяющегося при экзотермических реакциях тепла достаточно для получения металла и шлака в жидком виде, плавку проводят в обособленных очагах - футерованных шахтах. При нехватке тепла плавку проводят в дуговых печах сталеплавильного типа.

Теперь проведем краткое описание самих ферросплавных печей.

Восстановительные ферросплавные печи работают непрерывно. В работающей печи электроды погружены в твердую шихту, которую пополняют по мере ее проплавления; сплав и шлак выпускают периодически. Печи этого типа оснащены мощными трансформаторами (7,5—65 MB . A). Печи трехфазные, стационарные или вращающиеся ранее изготовляли открытыми, а новые печи закрыты сводами.

Дуговые руднотермические печи предназначены для производства различных ферросплавов, кристаллического кремния, технического хрома и марганца, карбида кальция, а также для получения титанистых, марганцевых и синтетических шлаков. Подводимая к печи мощность выделяется в дуговом разряде, в шихте и расплаве. При этом распределение мощности определяется типом печи и свойствами шихтовых материалов, шлака и металла. В печах, выплавляющих, например, высококремнистые ферросплавы, в большей степени выражен дуговой режим, а при выплавке углеродистого ферромарганца - режим сопротивления. В работающей печи ток протекает как по электродам через дуговой разряд по схеме "звезда", так и через шихту по схеме "треугольник" и "звезда". Поэтому для трехфазной печи необходимо рассматривать совмещение вертикального и горизонтального электрических полей, т. е. трехмерное поле.

В процессе плавки электрическая энергия превращается в тепловую. За счет тепла, выделяемого в дуговом разряде и в шихте, а также за счет тепла экзотермических реакций (и физического тепла шихтовых материалов) совершаются физико-химические процессы плавки. С уровня колошника в зону высоких температур (при выплавке ферросилиция и ферромарганца температура дуги достигает 6000-7000°К) постепенно опускаются все новые и новые порции шихты, а снизу вверх направлен поток газов и паров перерабатываемых материалов. Таким образом, в действующей дуговой печи при выплавке ферросплавов получают развитие сложные электрические, тепловые и металлургические процессы. В табл. 1 приведен размерный ряд производства рафинировочных и восстановительных электропечей для производства ферросплавов. Рафинировочные печи обычно работают периодическим процессом, а восстановительные - непрерывным с периодическимвыпуском продуктов плавки (металла и шлака).

Таблица 1 Размерный ряд рафинировочных и восстановительных электропечей для производства ферросплавов.

Примечание: первая буква (Р) означаетпринцип нагрева - руднотермический (дуговой, смешанный);вторая буква-форма ванны: К-круглая, П-прямоугольная; третья буква: О-открытая, 3-закрытая;

Цифра после обозначения печи соответствует мощности в мВА.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ

восстановительная рафинировочная электропечь ферросплав

Основными элементами восстановительной электропечи непрерывного действия являются: ванна,футеровка, кожух, электроды, электродержатели, печной трансформатор, короткая сеть, устройство для перепуска электродов, свод, механизм вращения ванны и др. В печах, работающих бесшлаковым процессом, ~70% активной мощности выделяется в ванне, поэтому и расчет следует начинать с определения геометрических и электрических параметров ванны. Отправным моментом расчета является производительность печи при выплавке данного сплава. В качестве примера произведем расчет печи с производительностью 130 тонн 45%-го ферросилиция (ФС 45) в сутки.

1.1 Определение мощности трансформатора и электрических параметров восстановительной печи

Мощность трансформатора печной установки определяется по формуле

(1)

где G-суточная производительность, т/сутки; А-удельный расход электроэнергии, кВт. ч/т; для ФС 45 А=4800 кВт.ч/т;

-коэффициент загрузки трансформатора за время фактической работы, равный 0,95-0,98 для печей, работающих непрерывным процессом. Принимаем= 0,98;

-коэффициент использования рабочего времени, равный 0,97-0,98, Если принять 10 суток на планово-предупредительные ремонты, то =(365-10):365=0,972;

k3 -коэффициент, учитывающий условия, осложняющие работу печи (например, падение напряжения в сети). Обычно k3=0,98.

Коэффициент мощности действующих восстановительных печей колеблется в пределах 0,82-0,92. Учитывая показатели работы мощных печей при выплавке ФС 45, принимаем ориентировочно = 0,88, Тогда при 0.94

Принимаем ближайшую большую мощность печи (см. табл.1), т.е. 16,5МВА. При этом фактическая, производительность составит 69,3 т. в сутки. С целью получения симметричной нагрузки фаз предусматриваем питание печи РКЗ-16,5.

1 .Определим активную мощность установки

кВт (2)

кВт

2. Полезная мощность кВт (3)

Электрический кпд действующих печей находится в пределах 0,85-0,95. При выплавке ферросилиция = 0,90. Тогда кВт.

Полезное фазное напряжение

3. Важной характеристикой работы печи является полезное фазное напряжение Под полезным фазным напряжением понимают напряжение между частью электрода, находящего в шихте, и металлом. При этом фазное напряжение на выводах печного трансформатора равносуммеи падения напряжения в свободной части электрода, контактах и короткой сети

т.е.

Полное фазное напряжение

(4)

где с, и п – постоянные (см. Табл.2),

Коэффициент п характеризует распределение мощности в ванне печи в зависимости от вида процесса. Для безшлаковых процессов (например, при выплавке FeSi) с преобладающим объемным распределением энергии, значение n следует принимать равным 0,33 (см. Табл.2), а для многошлаковых процессов с преобладанием распределения мощности по поверхности n=0,25,

Плотность тока на электроде принимают в зависимости от вида сплава и диаметра электрода (см. Табл. 4).

Таблица 2 Значения с' при разных сплавах и коэффициентах п .

Сплав	<13500 кВа		> 13500кВа
	n=0,25	n=0,33	n=0,25	n=0,33
Ферросилиций (45% Si)	-	3,2	-	3,3
Ферросилиций (75% Si)	-	3,4	-	3.4
Ферромарганец углерод	5,3	.	5,4	-
Силикомарганец	5,7	-	6,0	-
Силикохром (50% Si)	6,8	-	7,0	-
Феррохром передельный	7,6	-	7.9	-
Силикокальций	5,7	.	6.0	-
Рафинированный феррохром	17	-	-	-

Таким образом, зная величину,определяем

0,33=75,87 (В)

Ток электрода:

(5)

кА

4. Ранее были приняты ориентировочные значения cos и . Для определения указанных величин необходимо знать активное сопротивление ванны, реактивное сопротивление (Xк ) и активное сопротивление короткой сети (Rк. )

Активное сопротивление ванны:

(6)

Ом.

Принимаем следующие значения

Хкс и Rкс:

Ом;

Ом.

Электрический коэффициент полезного действия

(7)

, это хорошо согласуется с ранее принятым значением

Коэффициент мощности можно приближенно определить из выражения:

(8)

.

Если не представляется возможность получить заданное (или более высокое) значение cosφ, то с целью повышения этой величины для мощных печей применяют установку продольно-емкостной компенсации (УПК).

5. Линейное напряжение печного трансформатора, соответствующее величине Unф, определяется по формуле:

(9)

(В).

Учитывая необходимость наличия пониженного при разогреве печи в пусковой период, а также возможность повышения мощности установки, определяем низшее и высшее значения рабочего напряжения из соотношения: .

Низшее напряжение (В).

Высшее напряжение (В).

Промежуточные значения ступеней напряжения между Uв;Uн„ отличаются на 5-6 вольт.

1.2 Определение геометрических размеров восстановительной печи

Для определения геометрических размеров ванны необходимо знать размер диаметра электродов.

1. Диаметр самоспекающегося электрода определяется исходя из его теплового баланса. Между током и диаметром электрода (в метрах) установлена степенная зависимость вида: (10)

Величины с1 и т (см. Табл. 3), учитывающие вид сплава и условия теплообмена электродов, получены на основании анализа работы промышленных печей, имеющих лучшие технико-экономические показатели. Одну из таких печей принимают за "образцовую".

Таблица 3 Значение коэффициентов с1 и т

Тогда для ферросилиция

или

Откуда dэ принимаем равным в соответствие с принятым рядом 1200 мм.

В России принят следующий ряд самоспекающихся электродов (мм): 750, 850,1000, 1200, 1400, 1700 и 2000. Ведется разработка электродов диаметром 2400 мм,

Таблица 4 Допустимые значения плотности тока в самоспекающемся электроде

Проверяется плотность тока электрода:

А/см2,

что меньше допустимой величины (см. Табл. 4).

2. Размеры ванны определяются исходя из геометрического подобия проектируемой и "образцовой" печи. В качестве определяющего параметра принимается размер диаметра электрода. Геометрическое подобие обоих печей будет соблюдено при равенстве относительных значений

; ; ; (11)

(см. рис. 1) и одинаковой величины критерия подобия

. (12)

Формула выражает связь диаметра электрода с электрическими параметрами (Jф и Unф) и физической характеристикой шихты в виде усредненного удельного сопротивления фазы печи р.

Усредненное удельное сопротивление фазы р зависит от гранулометрического состава шихты, температуры в различных ее слоях и других факторов. Таким образом, величина р действительно отражает электрические свойства шихтовых материалов, а поэтому с достаточной точностью можно считать, что при одинаковой шихте р "образцовой" печи будет равно р проектируемой печи.

В качестве "образцовой" печи примем печь с Wmp= 21000 кВА и следующими характеристиками:

Если вычертить ванну "образцовой" печи в определенном масштабе (рис. 1) и определить для нее значения

, ,

то при dЭ =1400 мм можно определить значения в, f, L проектируемой печи

мм,

мм,

мм.

3. Диаметр ванны на уровне угольных блоков определяется по формуле:

, (13)

мм.

Диаметр ванны выше угольных блоков можно определить из соотношения:

мм. Внутренний диаметр кожуха .

Толщина футеровки стен () выбирается по тепловому расчету с обеспечением на кожухе температуры не выше 1500 С. Эти условия реализуются при = 750 мм. Тогда мм.

4. При определений диаметра распада электродов необходимо:

а) обеспечить равномерный прогрев материалов избежать возможности быстрого разгара футеровки;

б) предусмотреть не9бходимое расстояние между токонесущими элементами конструкций разных фаз печи. Диаметр распада электродов

; (14)

мм.

Авторы работы рекомендуют определять Dрэ из соотношения:

. (15)

В данном расчете получено: .

Для печи с вращающейся ванной мм.

Уменьшение для печи с вращающейся ванной объясняется тем, что при вращении ванны уменьшается объем и изменяется форма подэлектродной полости, уменьшается слой вязкого и высокоэлектропроводного вещества вокруг газовой полости, интенсивнее разрушается карбид кремния и обеспечивается более глубокая и устойчивая посадка электродов в шихту.

5. Определение высоты шахты и глубины погружения электрода в шихту.

Высота шахты L определяется условиями фильтрации и конденсации печных газов в слое шихты и конструктивными соображениями

L=l+H+h

где l-расстояние от торца электрода до подины (рис.1): Н - глубина погружения электродов в шихту; h- расстояние от поверхности колошника до верхнего края ванны: Величины l и h для ряда печей и процессов изменяются в следующих пределах: l=600-900 мм и h=100-200 мм.

Глубина погружения электродов в шихту (Н) оказывает существенное влияние на работу печи. От нее зависит скорость схода шихты, фильтрация печных газов (содержащих пары восстановленного окисла и пыль), а также механическое давление столба шихты на поверхность подэлектродного пространства. Для нормальной работы печи все эти факторы должны быть увязаны с электрическими параметрами установки ( и др.).

Оценочные подсчеты фильтрации позволили получить зависимость между величиной Н, линейной скоростью схода шихты (Vсх) и коэффициентом В, зависящим от запыленности газа и характера процесса.

Для печей с Wmp =20 мВА при бесшлаковом процессе В=160/Н и

м/мин

Тогда минимальное значение

и Н=0,93 м.

Рис.1 Расчетный эскиз ванны круглой рудовостановительной печи: 1-угольные блоки, 2- огнеупорная кладка

Однако из опыта работы действующих печей глубина погружения электродов в шихту при выплавке ФС45 не менее 1200 мм, а в случае ФС75 Н≥ 1300 мм. Полагая, что в проектируемой печи будет выплавляться не только ФС45, но и ФС75, следует иметь Н ≥1300 мм.

Из выражения Н=L -1 - h. Принимая l= 600мм и h= 100 мм, получим Н =2260 - 600 -100 =1560мм.

Исследования, проведенные профессором И.Т. Жердевым с сотрудниками, показывают, что на развитие физико-химических процессов в ванне ферросплавной печи и технико-экономические показатели производства оказывают существенное влияние форма и размер газовой полости, характер распределения тока и расположения активной зоны электроводов по отношению к угольной футеровке стен печи. В этой связи важно иметь вполне определенную высоту угольной обстановки h1. (Рис.1).

Согласно мм.

Толщина подины на мощных печах составляет около 2 м. Под изготовляется из следующих материалов (см. рис. 2): '

1.Асбест30 мм

2. Шамотная крупка80 мм

3. Шамотный кирпич на плашку530 мм

4. Угольные блоки и подовая масса 1360 мм

Итого2000 мм

Рис. 2 Схема устройства футеровки пода печи: угольные блоки; 2 – шамотный кирпич; 3- шамотная крупка; 4 – асбест листовой

Таким образом, высота печи мм.

В результате проведенного расчета получены следующие параметры печи РКЗ-33:

Wтр=16500 кВА; Wa=14850 кВт;Wпол=13365 кВт;

Unф=75,87 В;JЭ=58,7 кА; dЭ=1200 мм;

Dв=6060 мм;dв=6030 мм;Dк=7530 мм;

Dрэ=3200 мм;L=2260 мм;Н=1560 мм;LП=3200 мм.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАФИНИРОВОЧНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ

В рафинировочных печах осуществляется производство безуглеродистого феррохрома, мало- и среднеуглеродистого ферромарганца и феррохрома, металлического марганца и других сплавов. Отличительной чертой процессов производства является их периодический характер, в печи расплавляется шихта, происходит восстановление окислов металлов другим металлом (например, кремнием) и после необходимых технологических операций сливается металл и шлак. Печи имеют, как правило, магнезитовую футеровку и при выплавке сплавов с низким содержанием углерода работают на графитированных электродах.

Расчет энергетических параметров Печей периодического действия следует вести с учетом обеспечения максимально быстрого плавления шихты в период расплавления.

В качестве примера произведем расчет основных размеров рафинировочной печи с суточной производительностью 10 тонн малоуглеродистого феррохрома.

2.1 Определение электрических параметров рафинировочной печи

1. Мощность трансформатора определяется по формуле (1). Для печей, работающих периодическим процессом, можно принять следующие значения коэффициентов

и : k1=0,92; k2=0,92; k3=0,98; =0,93

При удельном расходе электроэнергии

кВА.

Принимаем Wmp=2500 кВА. При этом фактическая производительность будет σ = 15 тонн/сутки.

2. Полезная мощность печи

Принимая произведение ; получим

Wпол = кВт.

3. Полезное фазовое напряжение (рабочее)

.

Из таблицы 3 значение коэффициентов с=17 и n=0,25.

Тогда В.

4. Линейное напряжение на выводах трансформатора

В.

Для рафинировочного процесса производства феррохрома достаточно иметь 5-7 ступеней напряжения, причем в первый период быстрого проплавления шихты напряжение должно быть

В.

Тогда интервал напряжений печного трансформатора будет равен

или 180-270 В.

5. Линейный ток в электроде (максимальный)

А.

6. Рабочий ток в электроде

А.

7. Диаметр графитированного электрода определяем по допустимой плотности тока j = 10 A/см2

Из определения следует, что

откуда

см.

Принимаем электроды диаметром 300 мм.

8. Сопротивление ванны

Ом.

9. Проверяем значение и :

Ом

; { Ом

Тогда произведение отличается от принятого примерно на 2%, и не требует пересчета.

2.2 Определение геометрических параметров рафинировочной печи

При выборе диаметров распада электродов и ванны расчет следует вести по максимальным допустимым мощностям на соответствующую площадь поверхности ванны. Удельные мощности для различных процессов приведены в табл. 5.

1. Диаметр ванны. Принимаем комбинированную форму ванны, состоящую из нижней цилиндрической и верхней конической частей с углом наклона в 45°(см. рис. 3).

Рис. 3 Форма ванны рафинировочной печи

Мощность приходящаяся на площадь пода,

кВа/м2 ( табл. 5)

м.

Таблица 5 Удельные поверхностные мощности, выделяющиеся в ванне печей периодического действия

2. Диаметр распада электродов

м.

Отношение Dрэ:dЭ=900:300= 3, что хорошо согласуется с практикой действующих печей, в которых Dрэ:dЭ = 2,8 - 3,66.

3. Расстояние между осями электродов

мм.

4. Определение глубины ванны. Цилиндрическая часть ванны должна вместить все продукты плавки, т.е. объем ее не должен быть меньше объема металла и шлака.

Из расчета шихты определяется состав колоши, вес и объем продуктов плавки.

Примерный состав колоши

Хромовая руда (50% Cr2O3)

Силикохром (50% Si) 700 кг

Известь (90% CaO) 1800 кг

При работе с проплавлением трех колош указанного состава вес металла и вес шлака кг,

кг.

Объем металла

м3.

Объем шлака

м3.

Объем продуктов плавки.

vm=vм+vш=0,428+3,12=3,548 м3.

Рм и Рш - плотность металла и шлака; 61,68 кг сплава получено из 100 кг хромовой руды, а в колоше 1600 кг руды.

Высота цилиндрической части ванны

м.

Объем конической части ванны (vк) определяется из предположения одновременной загрузки двух колош

м3,

где G - вес составляющих колоши;

γр; γсх; γu - насыпной вес руды, силикохрома и извести.

Объем конической части ванны

.

Поскольку угол наклона огнеупорной кладки стен принят равным 45°, диаметр верхней части ванны

.

Если подставить значение в выражение для vк, то получим hк=0,61 м.

Глубина ванны

hв=hц+hк=0,61+0,64=1,25 м.

5. Диаметр верхней части ванны

м.

6. Диаметр кожуха

.

Толщину верхней части ванны принимаем из практических данных

мм.

Приняв мм, Dк= 3800+2 . 200=4200 мм.

7. Высота печи

.

Толщина пода печей, выплавляющих рафинированный феррохром, составляет 1250-1300 мм. Принимая=1250 мм, получим высоту печи Нп=1250+1250=2500 м.

В результате расчета получены следующие параметры печи:

Wmp=2500 кВА;WП=2250 кВт;Uпол=117 В;

UЛ=225 В;Jp=6410 A;dЭ=300 мм;

Dв=2650 мм;Dрэ=900 мм;мм;

hв=1250 мм;Dк=4200 мм;НП=2500 мм.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Д.Я. Поволоцкий, В.А.Кудрин, А.Ф. Вишкарев Внепечная обработка стали Москва «Мисис» 1995.

2. В.И. Явойский Теория процессов производства стали. 2-е издание, дополненное и переработанное Издательство «Металлургия» Москва 1967.

3. МУ. к выполнению контрольных заданий и курсового проекта по курсу «электрометаллургия стали и ферросплавов» для студентов очного и очно-заочного обучения специальности 110100-«Металлургия черных металлов» Составитель Вечер В.Н. Липецк 1999.

4. В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев Общая металлургия Москва «Металлургия» 1985.