 |
Расчет oсhobhыx размеров шахтной печи и определение параметров воздуходувной машины
|
|
|
|
Расчет ведем по способу, разработанному профессором Д.А. Диомидовским.
Расчет оптимального количества дутья. Для определения этого параметра воспользуемся выражением:
Ко=(0,6–0,9)•К м3/(м2 мин),
где (0,6–0,9) – коэффициент, зависящий от классификации шихты по крупности при загрузке печи, меньшее значение коэффициента берут в случае значительной классификации, принимаем для расчета 0,6;
К – предельное количество дутья, при котором нарушается стабильное состояние столба шихты.
Для случая, когда поперечное сечение печи по высоте меняется незначительно и общая высота столба шихты в печи не превышает 4–5 м, К находят по формуле
К = 
,
где ω1, ω2, ω3 – свободные площади проходов в слоях шихты между кусками (доли единицы); для кокса, окатышей, круглых брикетов это 0,215, для агломерата, оборотных шлаков, известняка, кварцита, сульфидных руд 0,15;
а – безразмерный коэффициент, учитывающий неточности при определении ω, а также трение кусков (а =0,6–0,65, для расчета принимаем 0,6);
φ – количество отходящих газов, образующихся на единицу дутья (в нашем случае это 74,57/65,4=1,14 м3/м3);
h1, h2 – доля высоты слоя каждого из шихтовых материалов колоши в единице объема шихты, в нашем случае агломерата и кокса.
Расчет производим на 100 т агломерата. Насыпную массу агломерата принимаем 1,1 т/м3. Объем агломерата 100/1,1=90,91 м3. Насыпная масса кокса 0,45 т/м3. Объем кокса 11,5/0,45=25,56 м3. Суммарный объем шихты 90,91+25,56=116,47 м3. Доля высоты кокса в единице объема шихты h1=25,56/116,47=0,22, агломерата h2=90,91/116,47=0,78);
g1, g2 – кажущаяся плотность шихтовых материалов (для кокса g1=970 кг/м3; для агломерата g2=1400 кг/м3);
g0г – приведенная плотность газов в печи (102,34/74,57=1,38 кг/м3);
tcpг – средняя температура газов в печи (принимаем, что температура фокуса печи 13000С и температура отходящих газов 250 °С, тогда tcpг=(1300+250)/2=775 0С);
|
|
|
l1, l 2 – средний размер кусков шихтовых материалов, м.
Средний размер кусков агломерата и кокса рассчитывают на основании данных ситовых анализов этих материалов, %:
| +100 мм | -100 мм+50 мм | -50мм+20 мм | -20 мм+5 мм | -5 мм | |
| Агломерат Кокс | - | - |
Средний размер кусков агломерата. Для определения средней размера кусков агломерата рассматриваем отдельно крупную и мелкую части его. В крупной части агломерата средний размер кусков составляет l кр=(100+50)/2=75 мм, их доля по массе 13/(13+67)•100=16,3%; l мелк=(50+20)/2=35 их доля по массе 67/(13+67)•100=83,7%.
Для смесей, в которых l мелк>0,415• l кр, при объемном содержании мелких кусков 10-90%: l` ср=0,9•[b• l мелк+(1–b)• l кр]=0,9•[0,837•35+0,163•75]=37,4 мм,
где l кр и l мелк – размер крупных и размер мелких кусков соответственно;
b – объемное содержание мелких кусков в смеси, доли единицы.
В мелкой части агломерата средний размер кусков составляет l кp=(20+5)/2=12,5 мм,. их доля по массе 16/(16+4)•100=80%; l мелк=(5+0)/2=2,5 мм, их доля по массе, 4/(16+4)•100=20%.
Для смесей, в которых l мелк≤0,415• l кр, при объемном содержании мелких кусков 20-30%
l ″сp=0,3• l кр+0,7• l мелк=0,3•12,5+0,7•2,5=5,5 мм.
Весь агломерат состоит на 80% из кусков 37,4 мм и на 20% из кусков 5,5 мм:
l сp=0,3• l кр+0,7• l мелк=0,3•37,4+0,7•5,5=15,1 мм=0,015 м; l 2=0,015 м.
Средний размер кусков кокса. По аналогии с предыдущим расчетом: в крупной части кокса средний размер кусков составляет
1 кр=100 мм, их доля по массе 10/(10+40)•100=20%; l мелк=(100+50)/2=75 мм, их доля по массе 40/(10+40)•100=80%.
l ′ср=0,9•(0,80•75+0,20•100)=72 мм.
Мелкая часть кокса. Средний размер кусков 1 кр=(20+50)/2=35 мм, их доля по массе 80%; 1 мелк=(5+20)/2=12,5 мм, их доля по массе 20%..
l ″сp=0,3• l кр+0,7• l мелк=0,3•35+0,7•12,5=19,2 мм.
Весь кокс состоит на 50% из кусков 72 мм и на 50% из кусков 19,2 мм. Для смесей, в которых l мелк£0,415• l кр, при объемном содержании мелких кусков 30—50%
|
|
|
l ср=0,1• l кр+0,9• l мел=0,1•72,0+0,9•19,2=24,54 мм=0,025 м*.
l 1=0,025 м.
* Для смесей, в которых l мелк £ 0,415• l кр, при объемном содержании мелких кусков 10—20% lср =0,5• l kp+0,5• l мелк; 50—70% lср =0,05• l кр+0,95• l мелк.
Теперь определяем К:
К1= 
=
=51,2 м3/(м2 мин).
Ко=0,6•51,2=30,7 м3/(м2 мин.).
Расчет удельной производительности печи. В расчете исходят из предположения, что производительность печи находится в прямой зависимости от интенсивности горения топлива. Удельная производительность шахтной печи, т/(м2 сут):
,
где τ – количество часов работы печи в сутки (принимаем 22);
m – удельный расход топлива, % (в нашем расчете 11,5);
n – удельный расход воздуха на единицу топлива, м3/кг, тогда 65,4/11,5=5,69.
Подставляя значения, определяем а:
а =6•30,7•22/(11,5•5,69)=61,9 т/(м2 сут).
Определение основных размеров печи. Количество дней работы печи в году 330.
Площадь поперечного сечения шахтной печи на уровне фурм, необходимая для проплава 697 т/сут агломерата: F=А/ а =697/61,9=11,26 м2. Принимаем ширину шахтной печи на уровне фурм В=1,45 м. Длина печи равна 11,26/1,45=7,8 м. Стандартная ширина кессонов 800 мм и зазор между ними 10 мм. При установке 11 кессонов l =10•0,8+9•0,1=8,09 м. Уточненная площадь сечения печи на уровне фурм равна 8,09•1,45=11,73 м, а проплав 6,97/11,73=59,4 т/(м2 сут).
Рабочая высота печи Нр= a •V•τ1/τ,
где V - удельный объем шихты в печи (подсчитан ранее) равен (90,91+25,6)/(100+11,5)=1,04 м3/т;
τ1 – минимальное время пребывания шихты в печи, необходимое для завершения физико-химических процессов; принимаем τ1 = 1,5 ч, учитывая самоплавкость агломерата;
τ – время работы печи в сутки, ч, τ = 22 ч.
Тогда
Нр=59,4•1,04•1,5/22=4,3 м.
Общая высота печи от лещади до уровня колошника
Н=(1,2-1,4)•Нр+1=1,3•4,3+1=6,6 м.
Расчет количества тепла, которое может быть передано газами шихте. Расчет теплообмена производим по формуле Б.И. Китаева:
Q= a v•(tг–tш)•Vш•τш.
Здесь a v – коэффициент суммарной теплопередачи, ккал/(м3- ч-0С), определяемый по формуле
a v=160 
,
где ω0 – условная скорость газов в свободном сечении шахты печи [при τш (время переработки 100 кг агломерата, шихты), равном 22•100/(697•100)=0,0032 ч или 11,5 с и Vc (количество газов, образующееся в 1 с), равном =74,57/11,5=6,48 м3, ω0=6,49/11,73=0,55 м/с];
Т – средняя температура газов, 0К (Т=775+273=1048 0К);
d – средний диаметр кусков шихты, равный (75•0,13+35•0,67+12,5•0,16+2,5 •0,04)•0,78+(100•0,10+75•0,40+35•0,40+12,5•0,10)•0,22=39,7 мм»0,040 м;
|
|
|
М – коэффициент, зависящий от содержания мелочи в шихте; при отсутствии мелочи М=1; при содержании 20% мелочи М=0,5;
a v=160•0,550,9•10480,3 •0,5/0,400,75=4207 ккал/(м3 ч 0С);
tг–tш – разность температур газов и поверхности шихты в шахтных печах; обычно tг–tш=50-1000С, для расчета принимаем 750С;
Vш – объем шихты в печи, участвующий в теплообмене (Vш=F•HP=11,73•4,3=50,4), м3;
τ – время теплообмена между газами и шихтой или время пребывания газов в слое шихты, ч
[τ=Hр/(ωt`•3600)=4,3/(12,8•3600)=9,33•10-5,
где ω't – действительная скорость газов в печи, заполненной шихтой:
м/c].
Средневзвешенное значение коэффициента ω=0,15•0,78+0,215•0,22=0,165.
Таким образом, количество передаваемого тепла
Q = 4207•75•50,4•9,33•10-5 = 1484 ккал.
Далее (после составления теплового баланса), эта цифра будет использована для проверки расчета.
Определение требуемой производительности воздуходувной машины и давления дутья. Расход воздуха для плавки 1 т агломерата составляет 654 м3, а на 697 т агломерата, проплавляемых в сутки, потребуется 697•654 = 455838 м3.
Производительность воздуходувной машины с учетом коэффициента потерь воздуха в сети и необходимого резерва принимаем (К = 1,15) при 22 ч работы печи в сутки составит
Vвозд=1,15•455838/(22•60)=397 м3/мин.
Давление дутья на воздуходувке. Сопротивление шихты в шахтной печи определяем по формуле
.
Здесь коэффициент К= a /V2,
где V – объем пустот в шихте, равный (gкуc–gших)/gкус. В свою очередь здесь:
gкус=1,4•0,78+0,97•22=1,3 т/м3,
где 1,4 и 0,97 – кажущиеся плотности агломерата и кокса;
0,78 и 0,22 – доли объема агломерата и кокса в единице объема шихты;
gших=(100+11,5)/116,47=0,96 т/м3 (здесь 116,47 – суммарный объем шихты).
Таким образом, V=(1,3–0,96)/1,3=0,26 м3/м3.
Коэффициент a определяется в зависимости от значения критерия Рейнольдса по таблице 65.
ТАБЛИЦА 65 Значения коэффициента a для различных шихтовых материалов
| Шихтовые материалы | Значения a в зависимости от критерия Re | |||||
| ³ 6000 | ||||||
| Кокс Руда Агломерат | 14,0 20,0 24,2 | 12,0 16,5 20,5 | 11,0 14,0 18,5 | 10,3 12,3 16,6 | 9,8 11,3 15,5 | 9,5 10,5 15,0 |
Значение же критерия Rе определяем по формуле
|
|
|
Re= 
.
2 3 4 5 7 10 2 3 4 5 7 102 2 3 4 5 7 103 2 3 4 5
Число Рейнольдса Re = 
Рис. 7. График для определения коэффициента сопротивления слоя кусковых материалов:
1 – антрацит, 10 мм; 2 – сланец, 9,5 мм; 3– уголь, 15 мм; 4 – агломерат; 5 – кокс; 6 – дробь
Ниже приведены значения коэффициента внутреннего трения η для газов печей цветной металлургии при различной средней температуре:
| tср, 0С | |||||||||||
| ηt•10-5, кг/м c | 2,7 | 3,0 | 3,5 | 3,7 | 4,0 | 4,5 | 4,7 | 5,0 | 5,4 | 5,7 | 6,0 |
При средней температуре газов 750 °С η=4,6 10-5 кг/(м-с), в нашем случае
Re= 
=2520.
По таблице 65 при Re=2520 значение α для агломерата составляет около 19,5; для кокса около 11,5.
Среднезвешенное значение α=19,5•0,78+11,5•0,22=17,7 Тогда К=17,7/0,262=260.
По графику (рис. 7) К=60; среднее значение К=(260+60)/2=160. В итоге находим
h сопр= 
мм вод. ст.
С учетом потерь давления на фурмах и в сети давление дутья на воздуходувке будет составлять Р=1,3 h сопр=1,3•1355»1762 мм вод. ст. По данным практики, давление воздуха составляет 1400–2400 мм вод. ст.
Число и размеры фурм. По данным практики, общая площадь сечения фурм составляет 5–6% от площади сечения шахтной печи в области фурм, для расчета принимаем 5,3%. Суммарная площадь сечения фурм ∑Sф=11,73•0,053=0,622 м2. Принимаем диаметр фурмы d =100 мм, или 0,01 м. Площадь сечения одной фурмы
Sф= 
м2.
Тогда общее число фурм n равно 0,622/7,85•10-5=79,2; принимаем 80 шт. Число фурм на одном боковом кессоне равно 80/2/10=4 шт. Принимаем двухрядное расположение фурм с расстоянием между рядами 200 мм.
|
|
|
