Энергетический баланс дуговой сталеплавильной печи

Составление энергетического баланса такого крупного и слож­ного агрегата, как дуговая печь, требует длительного и кропотливо­го ее обследования и обходится весьма дорого. Тем не менее для любой ДСП следует настоятельно рекомендовать такое обследование, так как составленный баланс дает ясную энергетическую картину все­го процесса и позволяет наметить меры по улучшению использования печи и ее расходных показателей.

Энергетический баланс ДСП состоит из приходных и расходных статей. Введем обозначения их за время одной плавки:

а). Приход энергии: — тепло, вносимое в печь с электрической энергией; — тепло, вносимое в печь с шихтой; — тепло, выде­ляемое в печи при протекании в ванне экзотермических реакций; — тепло, выделяемое в печи при окислении электродов.

б). Расход энергии: — тепло продуктов плавки — стали и шла­ка; — тепло, поглощаемое при эндотермических реакциях в ванне; — все виды тепловых потерь печи; — электрические потери установки.

Работу агрегата характеризуют следующие энергетические показа­тели:

1. Тепловой КПД, %

; (2. 1)

2. Электрический КПД, д.е.

; (2.2)

3. Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т

, (2.3)

где G — масса стали, выплавлен­ной за плавку.

В перечисленных статьях энер­гетического баланса не учтено из­менение тепла, аккумулированного кладкой печи за время плавки, т. е. принято, что это тепло остается не­изменным. Это имеет место лишь при непрерывном процессе и хоро­шей повторяемости плавок, так что это допущение приемлемо для крупных печей, выплавляющих слитки. Для малых печей, плавя­щих сталь для фасонного литья и часто работающих в две или даже одну смену, это допущение непра­вомерно.

Подсчет изменения аккумули­рованного кладкой тепла весьма труден, так как требует измерений и внутренних, и наружных темпе­ратур кладки в начале и конце плавки. Даже по результатам из­мерений подсчет носит весьма при­ближенный характер, поскольку нестационарный реальный процесс при расчете приходится заменять стационарным. Однако энергетиче­ский баланс можно составить до­вольно точно и для периодически работающих печей, если вместо из­мерения аккумулированного кладкой тепла учитывать тепловые по­тери печи за время ее простоя. В этом случае тепловые потери печи должны включать потери тепла как за время плавки, так и за вре­мя простоя.

Определение статей энергетиче­ского баланса дуговой печи произ­водится как экспериментальным, так и расчетным путем.

Тепло , вносимое в печь с электрической энергией, определя­ют по показаниям электрических счетчиков активной энергии, уста­новленных на печи. Его значение в соответствии с характеристиками обычных счетчиков можно опреде­лить с точностью до 2 %. При на­личии на печи счетчика реактивной энергии можно одновременно опре­делить средневзвешенный коэффи­циент мощности установки за пе­риод плавки. Если при плавке в печь не вводят кислород, то доля электроэнергии в общем приходе энергии является подавляющей, до­стигая 80–90 %. При использова­нии кислорода эта доля может снизиться до 60–70 %.

Тепло представляет собой теплосодержание продуктов, вво­димых в печь в течение плавки: скрапа, руды, кокса, ферросплавов, легирующих добавок, шлакообразующих и других материалов. Для расчета их теплосодержания по их теплоемкости (берется из справоч­ников) следует организовать их взвешивание и измерение темпера­туры. Значение в печах, рабо­тающих на твердой завалке, мало, и его можно не учитывать, но на печах, работающих на жидкой за­валке, оно может составлять ос­новную приходную статью баланса. В последнем случае его определить трудно, так как надо взвесить за­ливаемый в печь металл, а обычно в цехах нет весов, на которых мож­но было бы взвесить ковш с метал­лом. Поэтому массу металла при­ходится определять по объему ков­ша, т. е. приблизительно. Темпера­тура заливаемого в печь металла может быть определена оптиче­ским пирометром или с помощью термопары погружения.

Теплоту экзотермических реак­ций можно определить только металлургическим расчетом при проведении одновременно с энерге­тическим материального баланса плавки, который дает количествен­ные соотношения реагирующих элементов. Приближенно эту статью баланса можно принимать по литературным данным — ба­лансам аналогичных технологиче­ских процессов. Величина при отсутствии ввода кислорода состав­ляет от 8 до 12 % общего прихода тепла. Однако при использовании кислорода она может составлять до 30–40 %.

Теплоту от окисления электродов легко найти, взвешивая или обмеряя электроды в начале и конце плавки.

Присгорании 1 кг графита выделяется около 33 500 кДж, и если угар электро­дов за плавку равен , то . Коэффициент 0,6 учитывает, что не все тепло от сгорания элект­родов выделяется внутри печи.

Значение составляет 2–4 % общего прихода тепла.

Тепло продуктов плавки на­ходят подсчетом теплосодержания выливаемых из печи металла и шлака. Температура их определя­ется оптическим или термоэлектри­ческим пирометром, а масса метал­ла — путем взвешивания слитков или отливок и всплесков после ос­тывания. Шлак также взвешивают. Тепло продуктов плавки составля­ет 50– 65 % общего расхода тепла, в том числе на долю шлака прихо­дится 7–10 %.

Тепло эндотермических реакций определяют расчетным путем по данным материального баланса, как и тепло экзотермических реак­ций, или по литературным данным. Оно составляет 4–8 % общего рас­хода тепла.

Тепловые потери печи составля­ют 25–35 % общего расхода тепла; их определяют по отдельным со­ставляющим. Потери через футе­ровку подсчитывают по формулам теплопередачи через сложную стен­ку отдельно для свода, стен и по­дины, причем приходится задавать­ся температурами внутри печи и окружающего воздуха. Более точные результаты дает опытное опре­деление тепловых потерь через фу­теровку, когда измерены темпера­туры внутри печи и на поверхности ее кожуха. Практически потери через футеровку составляют от 6 до 12 % общего расхода тепла, при­чем большая их часть приходится на свод.

Существенными могут оказать­ся также потери излучением через открытые дверки печи, а также от­крытой печью во время загрузки и отведенным при этом в сторону сводом, излучающим тепло на пол цеха. В течение плавки рабочая дверка открыта 20–40 % времени плавки; соответствующие потери составляют 2,5–3,0 %. Потери теп­ла сводом и открытой печью со­ставляют при упорядоченной за­грузке 1,5–3,0 %.

Через сводовые отверстия в вен­тиляцию или через газоотвод из печи выходят газы, уносящие с со­бой физическое и химическое теп­ло. Определить потери тепла с эти­ми газами очень сложно, так как для этого надо рассчитать на основании их химического анализа ре­акции, приведшие к их образова­нию.

Тепловые потери с газами со­ставляют обычно 2–4 %, но в слу­чае введения в печь кислорода их значение намного больше, доходя до 15– 20 % общего расхода тепла.

Потери с охлаждающей водой , кВт на действующих печах легко определяются путем измере­ния расхода воды , м³/ч, счетчи­ком, ротаметром или мерными бач­ками и ее температур на входе и выходе t₂. Тогда , где — время плавки.

На каждой ветви охлаждающей воды должен быть свой кран, а расход воды по ветви должен под­держиваться таким, чтобы ее тем­пература на выходе не превышала 40– 45°С во избежание повышен­ного выделения накипи. Тогда при С потребный расход воды в кубических метрах в час будет ра­вен .

Количество тепла, удаляемого охлаждающей водой, может соста­вить 3–7 %.

Электрические потери обычно составляют 8–10 % общего расхо­да электроэнергии.

На рис. 2.7 представлена схе­ма энергетического баланса печи емкостью 20 т при выплавке хро­мистых сталей с применением кис­лорода. Полный КПД печи ока­зался равным 55,5; а электриче­ский КПД — 92 %.

После загрузки металлошихты в печь электроды опускают до короткого замыкания с шихтой и зажигают электрические дуги (рис. 2.8).

По мере оплавления шихты под и вокруг электродов образуются «колодцы» в слое шихты, в которые опускаются дуги и электроды. Наступает этап «закрытого» горения дуг, когда плав­ление шихты происходит в «колодцах» снизу путем теплопереда­чи излучением на близлежащие слои шихты и теплопроводнос­тью через слой жидкого металла, накопившегося на подине. В этот этап футеровка рабочего пространства экранирована от из­лучения дуг и целесообразно вводить максимальную тепловую мощность с учетом электротехнических возможно­стей печного трансформатора.

Рис. 2.7. Схема энергетического баланса печи емкостью 20 т при работе с кислоро­дом

Рис. 2.8. Изменение условий тепловой работы печи в различные периоды плавки:   I — подготовка печи; II — плавление; III — окислительный; IV — восстановительный; 1 — металлошихта; 2 — жидкий металл; 3 — шлак

По мере наплавления количества жидкого металла, достаточно­го для заполнения пустот между кусками твердой шихты, электри­ческие дуги открываются и горят над зеркалом металлической ван­ны. Наступает этап «открытого» горения дуг, когда происходит ин­тенсивное прямое излучение дуг на футеровку стены и свода и возникает необходимость снижения электрической мощности дуг в соответствии с тепловоспринимающей способностью футеровки.

Отечественные дуговые сталеплавильные печи, в которых в настоящее время выплавляют до 15 % всей стали, имеют вмести­мость от 0,5 до 200 т, номинальную мощность от 0,63 до 125 MB·А. Уровень электрической мощности оценивают удель­ной величиной (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Энергетическая характеристика дуговых сталеплавильных печей

Особенности тепловой работы

Согласно классификации электрических печей ду­говые сталеплавильные печи являются печами-теплообменниками с радиационным режимом тепловой работы, поскольку энергети­ческие условия на границе зоны технологического процесса, т. е. на зеркале ванны жидкого металла, создают электрические дуги. Особенность ра­диационного теплообмена связана с тем, что его условия опре­деляются не только теплотехническими свойствами внутренней поверхности футеровки — степенью черноты, температурой (рис. 2.8) и коэффициентом развития футеровки, но и усло­виями существования дуг — длиной дуги, электродинамическим выдуванием дуг из-под торцов электродов (в ДСП), экранирова­нием дуг кусками металлошихты в период плавления или слоем пенистого шлака в окислительный период плавки, химическим составом и температурой металла и шлака, влияющими на элек­трофизические условия формирования дугового разряда перемен­ного (в ДСП) или постоянного (в ДСП ПТ) тока. Вертикально расположенные графитированные электроды создают эксцентри­ситет излучения дуг, зависящий от диаметра электродов и па­раметров электрического режима в виде соотношения или , где — длина дуги, зависящая от напряжения дуги . Поэтому в ДСП и ДСП ПТ возможно создание направленного радиационного теплообмена — прямого и косвенного (рис. 2.9).

Режим прямого направленного теплообмена (см. рис. 2.9, б)возникает, когда короткие дуги при низких ступенях напряжения горят под толстым слоем шлака в вогнутом мениске на зеркале жидкометаллической ванны и передают тепловой поток излуче­ния металлу и шлаку вблизи электродов; нагрев металла проис­ходит за счет внутренней теплопередачи теплопроводностью и электродинамической конвекцией; шлак нагревается за счет бо­лее нагретого металла; свободное излучение дуги на футеровку практически отсутствует и Т_ф <Т_ш <Т_м (нижний предел).

Рис. 2.9. Схемы теплообмена в рабочем пространстве ДСП

Такой режим способствует повышению стойкости футеров­ки, но затягивает расплавление шихты на откосах ванны в кон­це периода плавления, создает градиент температуры по радиу­су шлаковой ванны и затрудняет проведение технологического процесса плавки. При недостаточной мощности дуг возможно даже снижение температуры жидкого ме­тала.

Режим косвенного направленного теплообмена (рис. 2.9, а)имеет место при работе печи на длинных дугах, на высоких сту­пенях напряжения, с малым количеством шлака, когда преобла­дает свободное тепловое излучение дуг в рабочее пространство печи, на футеровку стены и свода. Нагретая до 1900–2100 К футеровка (рис. 2.8) становится мощным излучателем для зеркала шлаковой ванны; металл нагревается частично от горя­чих зон под дугами за счет теплопроводности и электродинами­ческой конвекции и в основном теплопроводностью через шла­ковую ванну, т.е. Т_ф >Т_ш > Т_м (верхний предел).

Это условие менее благоприятно для стойкости огнеупор­ной футеровки, но способствует более равномерной теплопере­даче на поверхность ванны, повышению температуры и хими­ческой активности шлака. Если Т_ф > Т_м , металл получает до­полнительное количество тепла от футеровки и коэффициент теплоусвоения в виде отношения мощности, израсходованной на нагрев металла, к мощности, введенной в печь, может быть боль­ше единицы.

Рассмотренные режимы тепловой работы зависят от электри­ческих параметров печи — ступени вторичного напряжения и силы тока, которые при заданных значениях активного и индук­тивного сопротивления токоподвода определяют напряжение и длину дуги. Поэтому управление электрическим режимом дуго­вых сталеплавильных печей связано с регулированием температу­ры футеровки Т_ф по верхнему и нижнему пределам.

В условиях радиационного режима тепловой работы ДСП боль­шое значение имеет расположение дуг в рабочем пространстве, определяемое взаимным расположением электродов (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Эпюра (а) и сравнение (б) облученности стены ДСП на уровне дуг: 1 - ; 2 - ; 3 - ; соответствует облученности стены ДСП ТП

В круглых трехфазных дуговых печах три электрода располагают по вершинам равностороннего треугольника. Такое расположение ха­рактеризуют диаметром описанной окружности, называемым диа­метром распада электродов

Примерные значения плотности тепловых потоков излучения на футеровку ДСП в различные периоды плавки приведены в табл. 2.7.

Стойкость футеровки подины составляет 1200–5000 плавок (один — два года).

Таблица 2.7

Тепловая нагрузка футеровки ДСП обычной мощности

Период плавки	Тепловая нагрузка, кВт/м2
свода	стены
Конец периода плавления	100–130	170–220	140–185
Окислительный	70–100	100–140	85–120
Восстановительный (выдержка металла)	40–50	70–90	60–75

Стойкость футеровки стены зависит от конструкции огнеупор­ной кладки, вида и качества кирпича, сортамента выплавляемых сталей, вместимости и мощности печи:

На мощных и сверхмощных печах вместо огнеупорной кладки применяют водоохлаждаемые панели, выдержи­вающие тепловую нагрузку до 400–600 кВт/м² и имеющие стойкость до 5000 плавок.

Купольный свод круглой печи выкладыва­ют в сводовом водоохлаждаемом кольце в один слой периклазохромитовым, динасовым или высокоглиноземистым кирпичом без тепловой изоляции толщиной 230–380 мм. Стойкость кирпично­го свода составляет 50–250 плавок, уменьшаясь с увеличением вместимости печей. Применение комбинированных сводов с водоохлаждаемыми панелями позволяет довести стойкость до 1500–4500 плавок.

Необходимо отметить, что применение водоохлаждаемых эле­ментов футеровки экономически оправдано только на мощных и сверхмощных дуговых сталеплавильных печах, когда сокращение длительности плавки при одношлаковой технологии до 1 ч спо­собствует снижению расхода электроэнергии, несмотря на значи­тельное увеличение мощности тепловых потерь из рабочего про­странства.

Технико-экономические показатели

Для современных дуговых печей электрический КПД со­ставляет 0,90–0,95, тепловой КПД 0,65–0,70, общий КПД 0,55–0,65, удельный расход электроэнергии на расплавление твердой шихты » 200–400 кВт·ч/т, на всю плавку » 300 –550 кВт·ч/т при различной технологии выплавки стали.

Повышение технико-экономических показателей ДСП возмож­но за счет совершенствования технологии выплавки стали и при­менения внепечных методов обработки стали в ковше, интенси­фикации тепловой работы печи, особенно в период плавления. Такими мероприятиями может быть предварительный подогрев металлошихты отходящими печными газами (на 200–300 К в заг­рузочной бадье, на 400–600 К в шахтных или двухванных печах), применение топливно-кислородных горелок (ТКГ), дожигание монооксида углерода в рабочем пространстве для ускорения на­грева холодной металлошихты, применение в завалке жидкого чугуна (до 30–40 %), ускорение теплообменных процессов в ван­не жидкого металла путем электромагнитного перемешивания, сокращение межплавочных простоев электропечной установки за счет механизации вспомогательных операций по подготовке печи к плавке.

Энергетический баланс современной ДСП с донным выпуском вместимостью 100 т имеет вид:

Приход, %:	Расход, %:
Электроэнергия ( = 240 кВт·ч/т)…………….. 31,5	Энтальпия металла………..47,1 Энтальпия шлака…………..9,3
Энтальпия материалов:	Тепловые потери:
остаток (10 %) жидкого металла…4,8	с поверхности ……………...1,2
остаток шлака……………………..1,7	с газами……………………...31,1
жидкий чугун (30 %)……………..15,1	с водой………………………5,0
Металлошихта………………………3,3	аккумуляция………………...4,7
ТКГ…………………………………5,7	Электрические потери..……1,6
Экзотермические реакции……….18,1
Дожигание...................... …………19,8
Всего..................... ………..100,0	Всего……………………..100,0

Суммарная энергоемкость ∑W_y = 2,75 ГДж/т = 765 кВт·ч/т.