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:

= [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:

- ajustare 15'- încărcare 7'- topire 2450'- fierbere activă 35'- fierbere liniştită 28'- predezoxidare 10'- dezoxidare şi aliere 25'- evacuare 10'

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.

7

Material Total C Si Mn P S Fe

Intrări kg/t % kg/t % kg/t % kg/t % kg/t % kg/t % kg/t %

Fier vechi 1082 0,4 4,330,2

5 2,72 0,6 6,490,02

5 0,270,025 0,27 98,7

1067,9

Feromangan 2,1 6 0,126 2 0,04271,

71,50

6 0,290,00

60,0

11E-04 20 0,42  

Ferosiliciu 0,6  0,096

544,

6 0,2680,3

50,00

2 0,042E-05

0,02

2E-05 53,4

0,032

Silicomangan 12,7 0,8   20 2,54 70 8,89 0,08 0,01     9,151,16

2  

Minereu 21,2               60,212,7

625,

8

Var 40,3                          

Cocs 4,2 85 3,75           1,10,04

6    Consum 14,6 95 13,87                      

8

electrozi

Aer 254,21                   21

Total intrări 1413,9

1  21,99

2   5,569  16,8

9  0,28

7  0,31

8  1082

,6  Ieşiri                            

Oţel lichid 1000 0,2 2,40,0

8 0,81,3

5 1,35 0,02 0,20,0

2 0,297,5

9975,

9  

Zgură lichidă 166,11       4,773,38

9  0,08

7  106,

68

Gaze arse273,44

44  19,59

3              0,11

8      

Total ieşiri1439,5

54  21,92

5   5,57  16,8

9  0,28

7  0,31

8  1082

,6  

Tabelul 7.2. Centralizatorul bilanţului de materiale

7.3.2. Bilanţul energic real

I. Călduri intrate1. Consum de energie electrică

= 860 · [kcal/t]

Unde:

este consumul de energie electrică [kWh/t]

= 860 · 697 = 599420 kcal/t

2. Căldura sensibilă a încărcăturii

= · · [kcal/t]

Unde:

- greutatea materialului încărcat [kg/t]

9

- căldurile specifice ale materialului [kcal/kg·grd]

Fe vechi = 0,120; FeMn = 0,162; FeSi = 0,178; SiMn = 0,158; var = 0,174; cocs = 0,193; oţel la

= 0,168 şi peste = 0,209

- temperatura materialului încărcat [°C]

= (1082·0,12+2,1·0,162+0,6·0,178+12,7·0,158+21,2·0,196+40,3·0,174+4,2·0,193)·15

= 2163 kcal/t

3. Căldura sensibilă a aerului din atmosferă

= · · [kcal/t]

Unde:

- volumul de aer din atmosfera cuptorului

= 0,21·32+0,79·0,28 = 28,87 kg/kmol

= 254,21 = 197 Nm³/t

- căldura specifică a aerului

- temperatura aerului

= 197·0,311·15 = 918 kcal/t

4. Căldura reacţiilor exoterme

C + + 97650 kcal/kmol

= · = · 19,5925 = 156500 kcal/t

Si + Si + 207850 kcal/kmol

= · = · 4,7696 = 35400 kcal/t

Mn + MnO + 96720 kcal/kmol

= · = ·3,3881 = 5950 kcal/t

2 P + + 370000 kcal/kmol

= · = ·0,0865 = 516 kcal/t

S + S + 70720 kcal/kmol

= · = ·0,1176 = 260 kcal/t

10

CaO + Si (Ca · Si + 32240 kcal/kmol

= · Si = · 10,2 = 5480 kcal/t

CaO + (Ca · + 159500 kcal/kmol

= · = · 0,198 = 222 kcal/t

= - 204328 kcal/t

Total călduri intrate : = + + + = 806829 kcal/t

II. Călduri ieșite1. Căldura sensibilă a oţelului lichid

= 1000 ( · + + ( - )) [kcal/t]

Unde:

; - căldurile specifice medii ale oţelului înainte și după topire (0,168 și respectiv 0,209

kcal/kg·grd)

- temperatura de topire a oţelului (1540°C)

- temperatura de evacuare a oţelului (1680°C)

- căldura latentă de topire a oţelului 67 kcal/kg

= 1000(0,168 · 1540 + 67 + 0,209(1680 - 1540) – 356620 kcal/t

2. Căldura sensibilă a zgurei la evacuarea din cuptor

= · · ) + · [kcal/t]

Unde:

- cantitatea de zgură lichidă evacuată la sfârşitul topirii (20%) ; sfârşitul predezoxidării (30%) ;

sfârşitul şarjei (50%);

- căldura specifică medie a zgurei (0,298 kcal/kg·grd);

- căldura latentă de topire a zgurii (50 kcal/kg);

- temperatura medie a zgurei, se consideră:

- la sfârşitul topirii = 1640°C;

- la sfârşitul predezoxidării = 1690°C;

- la sfârşitul şarjei = 1750°C

= 0,2 · 166,11 · 0,298 · 1640 + 0,3 · 166,11 · 0,298 · 1690 + 0,5 · 166,11 · 0,298 · 1750 + 166,11 ·

50 = 96510 kcal/t

11

3. Căldura consumată pentru descompunerea minereului de fier

2 Fe + - 1758 kcal/kg Fe

2 FeO + - 608 kcal/kg Fe

Descompunerea la Fe se produce în proportie de 80%, iar descompunerea la FeO în proporţie de

20%.

= 0,8 · · 1758 = 0,8 · 12,76 · 1758 = 17950 kcal/t

= 0,2 · · 608 = 0,2 · 12,76 ·608 = 1550 kcal/t

= + = 17950 + 1550 = 19500 kcal/t

4. Căldura necesară evaporării apei din încărcătură şi supraîncălzirii vaporilor de apă

= [ (100 - ) + + ( - 100)] kcal/t

Unde:

- greutatea umidităţii materialului încărcat (0,2%);

= · 1163,1 = 2,33 kg/t

; - căldurile specifice ale apei de la 0°C la 100°C = 0,446 kcal/kg·grd;

810°C = 0,494 kcal/kg·grd

- căldura latentă de vaporizare a apei (539 kcal/kg)

= 2,33[0,046(100 – 15) + 539 + 0,494 (810 – 100)] = 2167 kcal/t

5 . Căldura pierdută cu gazele arseGazele arse sunt evacuate la 810°CCompoziţia gazelor arse:

= 36,50 Nm³/t

= 0,082 Nm³/t

= 172 Nm³/t = 0,79 · 273,4444 · Nm³/t

= ( · + · + · ) · t.g.a. kcal/t

= (36,5 · 0,516 + 0,082 · 0,512 + 172 · 0,328) · 810 = 60863 kcal/t

6. Căldura pierdută prin radiaţie, prin deschideri, orificii și neetanșeităţi

6.1. Căldura pierdută prin radiaţie prin orificiul de vizitare :

12

= 4,96 · S · [( - ] · [kcal/t]

Unde:S - secţiunea orificiului, m²;

S = ( = 0,013 m²

- coeficient de diafragmare (0,5);

- temperatura medie a cuptorului = 1700 + 273 = 1973 K;

- temperatura mediului ambiant = 15 + 273 = 288 K;

p - productivitatea cuptorului [t/h]

= 4,96 · 0,013 · 0,5 [( – ( ] · = 348 kcal/t

6.2. Căldura pierdută prin radiaţie prin spaţiile dintre ușă și peretele cuptorului și dintre ușă și pragS = (0,04 + 0,1) · 1,14 = 0,168 m²

= 0,85

= 4,96 · 0,168 ·0,85 [( – ( ] · = 7646 kcal/t

6.3. Căldura pierdută prin radiaţie, prin deschiderea ușii în timpul încărcării materialelor de adaos sau tragerii zgurii

S = 1,14 · 0,738 = 0,84 ; = 0,85

Durata totală a deschiderii uşii cuptorului pe durata unei şarje medii de 5 ore este de 5 minute.

= = 0,017

= 4,96 · 0,84 · 0,85 · 0,017 [( - ] · = 650 kcal/t

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

de 5 ore.

= = 0,073 ; S = · 5,05² = 25,5 m² ; = 0,85

= 4,96 · 25,5 · 0,073 · 0,85 [( - ( ] · = 38858 kcal/t

Total căldură radiată prin deschideri și orificii și neetanșeităţi :

= 348 + 7646 + 650 + 38858 = 47502 kcal/t

7. Căldura radiată de boltă și pereţii cuvei, vatra cuptorului către mediul ambiant

7.1.Căldura pierdută prin radiaţia bolţii

13

= · S( - ) · ;

Unde:

- coeficient de transmitere a căldurii de la suprafaţa exterioară a bolţii către mediul ambiant

[kcal/m²·h·grd]

- temperatura mediului ambiant

= (6,8 + 0,046 · 350) · 37(350 - 15) · = 18208 kcal/t

7.2.Căldura pierdută prin radiaţia pereţilor lateraliTemperatura medie a mantalei pereţilor 85°C.

= 6 + 0,037 · = 6 + 0,037 · 85 = 9,145 kcal/m²·h·grd

= · ( - ) · = 9,145 · 71,5(85 - 15) · = 3270 kcal/t

7.3.Căldura pierdută prin radiaţia ușii cuptoruluiTemperatura suprafeţei exterioare a ușii 40°C.

= 6 + 0,037 · 40 = 7,48 kcal/m²·h·grd

= 7,48 · 0,84(40 - 15) · = 12 kcal/t

7.4.Căldura pierdută prin radiaţia mantalei vetreiTemperatura medie a mantalei vetrei = 60°C.

= 6 + 0,037 · = 6 + 0,037 · 60 = 8,2 kcal/m²·h·grd

= 8,2 · 33(60 - 15) · = 870 kcal/t

8. Căldura pierdută prin radiaţia suprafeţei interioare a bolţii rabatateTemperatura medie a suprafeţei interioare a boltei = 1350°C.

= 6,8 + 0,046 · 1350 = 68,9 kcal/m²·h·grd

= · S · ( - ) · [kcal/t]

= 48,9 · 37 · 0,073 (1350 - 15) · = 17746 [kcal/t]

9. Căldura preluată de apa de răcire

= · ( - ) ·

Unde:

- debit orar de apă de răcire m³/h

- căldura specifică a apei ( 1000 kcal/ m³·h·grd)

14

- temperatura apei la ieșire, respectiv intrare

= 34 · 1000(35 - 5) · = 72858 kcal/t

10. Căldura acumulată în zidărie

= · · ( - ) · [kcal/t]

Unde:

- densitatea șamotei = 2580 kg/m³

- volumul zidăriei = 25m³

- căldura specifică a șamotei

= (0,879 + 0,23 · 10³ ( ))

- temperatura medie a pereţilor la sfârșitul șarjei

- temperatura medie a pereţilor la începutul șarjei

= = 920°C

= = 550°C

- durata mediei a șarjei [ore/șarjă]

p - productivitatea cuptorului

= 2580 · 25 · 0,251(920 - 555) · = 84417 kcal/t

Unde: = 0,251 kcal/kg·grd

15

Material Total C Si Mn P S Fe O2 Diverse

Intrări kg/t % kg/t % kg/t % kg/t % kg/t % kg/t % kg/t % kg/t % kg/t

Fier vechi 1082 0,4 4,33 0,25 2,72 0,6 6,49 0,025 0,270,02

5 0,27 98,7 1067,9      

Feromangan 2,1 6 0,126 2 0,042 71,7 1,506 0,29 0,006 0,01 1E-04 20 0,42        

Ferosiliciu 0,6   0,0965 44,6 0,268 0,35 0,002 0,04 2E-05 0,02 2E-05 53,4 0,032   1,59 0,0096

Silicomangan 12,7 0,8   20 2,54 70 8,89 0,08 0,01     9,15 1,162        

Minereu 21,2               60,2 12,76 25,8 5,47 14 2,97

Var 40,3                             100 40,3

Cocs 4,2 85 3,75           1,1 0,046       13,9 0,584

Consum electrozi 14,6 95 13,87                         5 0,73

Aer 254,21                   21 53,38 79 200,83

Total intrări 1413,91   21,992   5,569   16,89   0,287   0,318   1082,6   58,85   245,419

Ieșiri                                  

Oţel lichid 1000 0,2 2,4 0,08 0,8 1,35 1,35 0,02 0,2 0,02 0,297,5

9 975,9     0,7 7

Zgură lichidă 166,11       4,77 3,389   0,087   106,68 6,53   44,64

Gaze arse 273,4444   19,593               0,118       52,31   201,41

Total ieșiri 1439,554   21,925   5,57   16,89   0,287   0,318   1082,6   58,84   253,05

16

Pierderile electrice

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.

Tabelul 7.3.

Treaptă U (V) Îs (A) Rt (mΩ) Xt (mΩ) R (Ω) X (Ω)14 Δ 609,7 47342 0,143 1,362 0,783 3,76313 Δ 570,3 50615 0,125 1,192 0,765 3,59212 Δ 537,6 50615 0,11 1,059 0,75 3,45911 Δ 508,6 50615 0,099 0,948 0,739 3,34810 Δ 477,7 50615 0,087 0,836 0,727 3,2369 Δ 450,5 50615 0,078 0,744 0,718 3,1448 Δ 426,1 50615 0,069 0,665 0,709 3,0657 Δ 398,9 50615 0,061 0,583 0,701 2,9836 Δ 375 50615 0,054 0,515 0,694 2,9155 Δ 353,8 50615 0,048 0,459 0,688 2,8594 Δ 337,8 50615 0,044 0,418 0,684 2,8183 Δ 323,3 50615 0,04 0,383 0,68 2,7832 Δ 309,3 50615 0,037 0,351 0,677 2,7511 Δ 296,4 50615 0,034 0,322 0,674 2,72214 Y 352 53459 0,047 0,454 0,687 2,85413 Y 329,3 53459 0,042 0,397 0,682 2,79712 Y 310,4 53459 0,037 0,353 0,677 2,75311 Y 293,6 53459 0,033 0,316 0,673 2,71610 Y 275,8 53459 0,029 0,276 0,669 2,6799 Y 260 53459 0,026 0,248 0,666 2,6488 Y 246 53459 0,023 0,222 0,663 2,6227 Y 230 53459 0,02 0,194 0,66 2,5946 Y 216,5 53459 0,018 0,172 0,658 2,5725 Y 204,3 53459 0,016 0,153 0,656 2,5534 Y 196,2 53459 0,015 0,141 0,655 2,5413 Y 178,6 53459 0,012 0,117 0,652 2,517

20

2 Y 171,1 53459 0,011 0,107 0,651 2,507

Tabelul 7.4.

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.

= 6601kcal/t

Căldura totală necesară va fi:

= 356620 + 96510 + 19500 + 2167 + 60863 + 47502 + 22320 + 17746 + 72858 +

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 %.

21

Tabelul 7.5. Centralizatorul bilanţului energetic optim

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

= · = · r · sin ( ) · g

Unde:

- greutatea cuptorului [tf]

= arctg

r =

- unghi de basculare

e = 2,030mf = 1,425m

+ basculare stânga Fig.

7.3.

- basculare dreapta

r = = 2,48 m

= arctg = 54°

22

= 62 · 9,81 · 2,48 · sin (54° - 42°) = 313,611 tfm

Greutatea cuptorului este aproximativă.

Calculul momentului datorat greutăţii topiturii

V = · · ( 3 + )

= ( 2 - )

V = · ( - )

= - ( cos (

= ( 1 – cos ( Fig.7.4.

23

Fig. 7.5. Fig. 7.6.

= · [1 – cos ( [ 1 – ] m³

= · 3,61² [1 – cos (47° - 42°)]² [1 - ] = 5,92 · m³

= · = 4,085 · t

= · b = · n · sin

24

= 4,085 · · 1,526 · sin54° = 0,00504 tfm

Calculul momentului forţelor de frecare

= ( + ) · f

= ( 902,52 + 4,382 · ) · 0,11 = 99,28 tfm

= + +

= 313,611 + 0,00504 + 99,28 = 412,896 tfm

Calculul forţei de basculare

Fig. 7.7.

N: = R (1 – sin ) ptr. = 0

= 3,61 (1 – sin 40°) = 1,289 m

= R (1 – sin ( ) ) ptr. =

= 3,61 [1 – sin (40° + 42°)] = 1,194

m

= 3,61 [1 – sin (40° - 42°)] = 3,736

m

= R (1 – cos ) ptr. = 0

= 3,61 (1 – cos 40°) = 0,845 m

= R (1 – cos ( ) ) ptr.

= 3,61 (1 – cos (40° + 42°)) = 3,107 m

= 3,61 (1 – cos (40° - 42°)) = 0,0021 m

P: = R = 3,61 m

= 0

Y - = (X - )

25

+ + C = 0

A = ; B = 1; C = – A

m = ; m =

m =

A = = 5,814 m

A = = 6,068 m basculare stânga

A = = -2,947 m basculare dreaptă

m = = 6,99 m;

m = = 2,778 m

m = = 0,010 m

= ;

= = 41289,6 tf

·P =F basc => D =

D = => D = 0,651 m

φ = 120 atm = 120 · 1,0325 · = 1239 · N/m²

Deci D = 651mm diametrul interior al pistonului cilindrului hidraulic.

7.4.2. Mecanismul de deplasare al electrozilor

Mecanismul de deplasare al electrozilor la un cuptor cu arc electric de 50t capacitate are următoarele caracteristici:

26

- greutatea căruciorului portelectrod, Q=10500 kgf- greutatea contragreutăţii, Gk=6500kgf- distanţele: a=2500mm

b= 2250mm c=1300mm e=2100mm m=1250mm

Fig. 7.8.

- 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 =

4kW > P = 3,73 kW.

28