Общая характеристика задач проектирования и расчетов металлургического оборудования

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 17Следующая ⇒

Выделяют следующие виды расчетов металлургического оборудования: расчеты типового и нетипового оборудования, механические и комбинированные расчеты.

При расчетах типового оборудования устанавливают количество выпускаемых промышленностью стандартных аппаратов, обеспечивающее заданную производительность операции. Такие аппараты имеют паспортные технические характеристики, по которым можно легко вычислить его производительность. В зависимости от условий, при которых определена паспортная производительность, расчеты количества типового оборудования проводят одним из следующих двух способов.

Если в паспортных данных отражена производительность в условиях, точно отражающих условия проектируемой технологической операции, число аппаратов определяют отношением заданной производительности операции к паспортной производительности аппарата с учетом его технологических и нетехнологических простоев.

Если условия, для которых в паспорте аппарата определена его производительность, отличается от проектируемых, производят специальный расчет. Он преследует ту же цель определения количества аппаратов, однако может производиться с использованием следующих двух приемов. Первый предусматривает непосредственный расчет производительности, второй – расчет косвенного параметра, входящего в состав технической характеристики.

При непосредственном расчете производительности используют аналитические и эмпирические методы.

Методы аналитического расчета применяют к аппаратам, для которых достаточно хорошо разработана теория осуществляемых в них процессов. Примерами таких аппаратов могут служить химические и гидрометаллургические реакторы. В тех случаях, когда производительность определяется скоростью химических превращений, протекающих в реакторах, для расчета используют законы химической кинетики. Законы массообмена применяют для расчета производительности аппаратов, в которых осуществляются процессы перехода компонента из одной фазы в другую. Для непрерывных процессов указанные законы применяют совместно с законами гидродинамики.

Эмпирические методы используются в тех случаях, когда процесс в аппарате описан недостаточно. В этом случае с помощью статистических методов обработки экспериментальных данных и планирования эксперимента устанавливают зависимость производительности от параметров аппарата.

В основу второго приема (использование косвенного параметра) положено сравнение значения одного из параметров паспортных данных аппарата с рассчитанным значением этого параметра. Количество аппаратов в этом случае определяют отношением рассчитанного значения параметра к паспортному его значению с учетом его технологических и нетехнологических простоев.

В качестве косвенного параметра выбирают такой, который можно легко рассчитать и который имеется в технической характеристике типового аппарата. Это чаще всего геометрический параметр (площадь, объем или размер какого-либо элемента аппарата) или расходный параметр (пропускная способность по реагенту). Примерами косвенных параметров являются поверхность фильтрования для фильтров, пропускная способность по воздуху для конвертеров и др. Иногда используют количество элементов в аппарате, например, число фурм конвертера. Расчет оборудования фактически сводится к определению этого параметра.

Расчеты нетипового оборудования предусматривают определение размеров аппарата, количество элементов в аппарате и их размеров, энергетических, расходных и других параметров элементов и аппарата, а также количество аппаратов для обеспечения заданной производительности.

Нетиповые аппараты составляют большую часть оборудования металлургических заводов. Они характеризуются большим разнообразием конструкций. В связи с этим разнообразны и методы расчетов, каждый из которых в значительной степени уникален и требует отдельного рассмотрения.

Расчеты типового оборудования в такой постановке оказываются применимыми к выбору типов и количества оборудования, т. е. используются при проектировании металлургических цехов и заводов. Расчеты нетипового оборудования позволяют определить лишь его структуру и основные геометрические параметры, используются на этапе эскизного проектирования.

При проектировании того или иного класса оборудования возникает ряд специальных задач, которые делают расчетные алгоритмы в значительной степени уникальными. Рассмотрим, например, задачи, возникающие при проектировании различных классов металлургического оборудования.

Комплекс проектных расчетов печей цветной металлургии (печи обжига в кипящем слое, шахтные печи, барабанные печи цветной металлургии, отражательные и электрические рудоплавильные печи, конвертеры) может быть представлен следующим укрупненным алгоритмом.

Расчет технологического процесса состоит из расчета шихты, определения времени отдельных операций, установления режима отдельных стадий процесса. В свою очередь расчет шихты, являясь основой расчета технологического процесса, включает расчеты количества флюсов и реагентов, количества и состава продуктов процесса, показателей процесса и т. д.

В итоге технологических расчетов составляют предварительный материальный баланс технологического процесса.

Расчет топлива или электроэнергии состоит из расчета горения топлива и определения расхода топлива или электроэнергии. При расчете горения определяют количество воздуха, необходимого для горения, состав и количество продуктов горения, теплотворность, температуру горения. Расход топлива или электроэнергии определяют на основании предварительного теплового баланса печи или практических данных с последующей проверкой по тепловому балансу печи.

Определение основных размеров печи состоит из определения длины, ширины и высоты рабочего пространства. Иногда вместо определения основных размеров печи подбирают типовые размеры по каталогам или предложениям заводов-изготовителей.

Составление материального и теплового балансов печи выполняется с целью проверки всех проделанных ранее расчетов.

Расчет газоотводящей системы состоит из выбора схемы обработки газов и расчетов пылеулавливающих устройств, приборов для утилизации тепла отходящих газов, газоходов и боровов, дымовой трубы или дымососной установки. Этот расчет следует проводить на основании полного расчета механики газов по всей газоходной системе.

Расчет деталей печи и вспомогательного оборудования включает в себя расчет приборов для сжигания топлива, расчет крепления печи, трубопроводов, электрических нагревателей, фурм, охлаждаемых деталей, выбор воздуходувок, вентиляторов, трансформаторов, насосов, загрузочных устройств и транспортного оборудования.

Конструктивные расчеты состоят из подбора огнеупорных материалов для кладки всех элементов печи, определения размеров кладки стен и свода, определения конструкции и размеров фундамента печи, решения вопросов компоновки печи и ее обслуживающих устройств в цехе.

Составление схемы контроля и автоматизации включает в себя выбор параметров работы печи, подлежащих контролю и автоматическому регулированию, подбор и расчет аппаратуры для контроля и автоматизации и ее размещение у печи.

Технико-экономические расчеты состоят из сметы на сооружение печи, калькуляции себестоимости переработки сырья в печи, экономического обоснования отдельных технических решений и технико-экономических показателей.

При проектировании вакуумных дуговых печей (ВДП) с расходуемым электродом в черной металлургии могут быть поставлены различные задачи, главные из которых могут быть сведены к следующим:

1. Спроектировать печь, имеющую при заданной массе слитка оптимальные экономические показатели (производительность печи и себестоимость металла).

2. Спроектировать печь заданной годовой производительности, обеспечивающую минимальную себестоимость металла.

3. Спроектировать печь для выплавки слитков данного диаметра, имеющую оптимальные экономические показатели.

Первая задача обычно ставится тогда, когда масса переплавляемого электрода ограничена в каких-то пределах технологией его получения. Например, при любом дуплекс-процессе, в котором ВДП играет роль второго агрегата, масса получаемого в ВДП слитка будет определяться массой слитка-электрода, полученного в первом агрегате.

При решении этой задачи проблема заключается в выборе рациональных геометрических размеров слитка и электрода, определении электрического режима плавки, подборе источника питания, расчете откачной системы и выборе вакуумного оборудования.

При решении второй задачи расчет следует начинать с определения экономически наиболее целесообразной массы слитка и его размеров. После решения этого вопроса задача сводится к предыдущему случаю.

Третья задача фактически сводится к выбору рациональной длины слитка, т. е. его массы. Дальнейшие расчеты проводятся так же, как и в предыдущих случаях.

К указанным трем задачам близко примыкает задача о проектировании цеха заданной годовой производительности. Если при этом указывается желаемая масса получаемых слитков, то задача сводится к расчету печи с заданной массой слитка, определению ее производительности и нахождению по этим данным необходимого количества печей в цехе.

Аналогично решается задача, если в проектном задании указан диаметр требуемых слитков.

Наоборот, если в проектном задании указывается годовая производительность цеха и количество печей в нем, задача сводится к расчету печи заданной производительности.

В большинстве случаев технологические процессы в металлургии могут быть отнесены к классу химических, следовательно, и оборудование можно рассматривать как химические аппараты.

Целью расчета химических процессов и аппаратов является определение массовых потоков перерабатываемых материалов, определение энергетических затрат, необходимых для осуществления процессов, и вычисление основных размеров машин и аппаратов [4]. При конструировании оборудования важно не столько определение материальных и энергетических соотношений процесса, сколько глубокий анализ его кинетических закономерностей. Это позволяет найти оптимальные условия процесса, при которых размеры машин и аппаратов минимальны.

Анализ процессов и расчет оборудования проводят в определенной последовательности. Сначала, исходя из законов гидродинамики или термодинамики, выявляют условия равновесия и определяют направление течения процесса. По данным о равновесии устанавливают начальные и конечные значения параметров процессов.

На основании закона сохранения материи составляют материальный баланс.

Далее определяют тепловой эффект процесса и, исходя из закона сохранения энергии, составляют тепловой баланс.

По величинам, характеризующим рабочие и равновесные параметры, определяют движущую силу процесса (перепад давления, разность температур, разность между равновесной и рабочей концентрациями…).

На основании законов кинетики (гидромеханической, тепловой, диффузионной, химической) находят коэффициент скорости процесса.

По полученным данным определяют основной размер аппарата: емкость, площадь поперечного сечения, поверхность нагрева, поверхность фазового контакта и т. д. Движущая сила и коэффициент скорости процесса являются основными величинами при определении размеров аппаратов. Нахождение количественных значений этих двух величин является самой сложной частью расчета аппаратуры, т. к. при этом возникает необходимость обоснованно решать вопросы масштабных переходов – распространения данных, полученных в лабораторных исследованиях, на промышленные объекты.

Рассмотрим далее особенности алгоритмов проектных расчетов в гидро-, пиро- и электрометаллургии с целью выделения специфических постановок задач и применяемых методов для оборудования этих различных классов.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒