Доронин С.В. Проектные расчеты конструкций металлургического оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

Д69

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития металлургии важное значение

имеет создание новых и совершенствование известных конструкций ма-

шин и оборудования всех переделов металлургического производства,

повышение их производительности и надежности.

Для обеспечения эффективной работы металлургических цехов

необходимо проектировать основное и вспомогательное оборудование,

отвечающее ряду требований, таких как соответствие технологии произ-

водства, высокие технико-экономические показатели, надежная и безава-

рийная работа, возможность автоматизации, совершенство конструкций,

ремонтопригодность, долговечность узлов и деталей, максимальный

межремонтный период, удобство и безопасность обслуживания и экс-

плуатации. Создание такого оборудования является важной и сложной

проблемой, охватывающей многие вопросы, связанные с его проектиро-

ванием, изготовлением, исследованием, эксплуатацией и ремонтом с уче-

том всех особенностей металлургического производства.

Повышение эффективности металлургического производства

осуществляется по двум основным направлениям: совершенствование

технологических процессов производства металлов с использованием

новейших достижений науки; создание новых рациональных конструк-

ций на основе детального исследования и анализа конструкций машин и

оборудования с применением новейших методов расчета.

Создание машин и конструкций высокого качества требует ис-

пользовать в полной мере современные достижения науки в области тео-

рии, расчета и оптимального проектирования металлургического обору-

дования. В настоящем учебном пособии выполнена систематизация про-

ектных расчетов металлургического оборудования. Основной задачей

при его написании являлся максимально широкий охват алгоритмов и

методов расчетов конструкций различных типов и назначения, дающий

достаточно полное представление о многообразии и сложности вопросов,

решаемых при проектировании металлургического оборудования.

В основу систематизации положены два принципа: учет нераз-

рывной связи параметров оборудования и технологии металлургического

производства; выделение в качестве теоретических основ проектных рас-

четов моделей и методов ряда фундаментальных научных дисциплин –

физики, химии, теплотехники, гидравлики, аэромеханики, электротехни-

ки, механики деформируемого твердого тела.

1. ВЗАИМОСВЯЗЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

РЕЖИМОВ И КОНСТРУКТИВНЫХ

ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

При рассмотрении структуры технологического оборудования

металлургического производства можно выделить в его составе несколь-

ко функциональных подсистем. Из них основными являются подсистема,

обеспечивающая непосредственное протекание технологического про-

цесса в заданных режимах, и подсистема, задачей которой оказывается

выполнение условий конструкционной целостности, прочности, надеж-

ности, безопасности (несущая конструкция). Другие подсистемы можно

считать вспомогательными, их характеристики предопределяются пара-

метрами указанных основных двух подсистем. Между этими двумя под-

системами не всегда можно провести четкую физическую границу, одна-

ко при выполнении проектных расчетов удается четко разделить алго-

ритмы обеспечения технологических параметров и прочностных харак-

теристик.

Очевидно, технический уровень проектируемого оборудования

определяется именно расчетным обоснованием параметров технологиче-

ской подсистемы. Рассмотрим основные методы и алгоритмы расчета

параметров оборудования в связи с необходимыми условиями и режима-

ми технологических процессов.

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАДАЧ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТОВ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Выделяют следующие виды расчетов металлургического обору-

дования [1]: расчеты типового и нетипового оборудования, механические

и комбинированные расчеты.

При расчетах типового оборудования устанавливают количест-

во выпускаемых промышленностью стандартных аппаратов, обеспечи-

вающее заданную производительность операции. Такие аппараты имеют

паспортные технические характеристики, по которым можно легко вы-

числить его производительность. В зависимости от условий, при которых

определена паспортная производительность, расчеты количества типово-

го оборудования проводят одним из следующих двух способов.

Если в паспортных данных отражена производительность в ус-

ловиях, точно отражающих условия проектируемой технологической

операции, число аппаратов определяют отношением заданной произво-

дительности операции к паспортной производительности аппарата с уче-

том его технологических и нетехнологических простоев.

Если условия, для которых в паспорте аппарата определена его

производительность, отличается от проектируемых, производят специ-

альный расчет. Он преследует ту же цель определения количества аппа-

ратов, однако может производиться с использованием следующих двух

приемов. Первый предусматривает непосредственный расчет производи-

тельности, второй – расчет косвенного параметра, входящего в состав

технической характеристики [1].

При непосредственном расчете производительности используют

аналитические и эмпирические методы.

Методы аналитического расчета применяют к аппаратам, для ко-

торых достаточно хорошо разработана теория осуществляемых в них

процессов. Примерами таких аппаратов могут служить химические и

гидрометаллургические реакторы. В тех случаях, когда производитель-

ность 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 про-

цесс в аппарате описан недостаточно. В этом случае с помощью стати-

стических методов обработки экспериментальных данных и планирова-

ния 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 аппа-

ратов 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 характеристи-

ке типового аппарата. Это чаще всего геометрический параметр (пло-

щадь, объем или размер какого-либо элемента аппарата) или расходный

параметр (пропускная способность по реагенту). Примерами косвенных

параметров являются поверхность фильтрования для фильтров, пропуск-

ная способность по воздуху для конвертеров и др. Иногда используют

количество элементов в аппарате, например, число фурм конвертера.

Расчет оборудования фактически сводится к определению этого парамет-

ра.

Расчеты нетипового оборудования предусматривают определе-

ние размеров аппарата, количество элементов в аппарате и их размеров,

энергетических, расходных и других параметров элементов и аппарата, а

также количество аппаратов для обеспечения заданной производительно-

сти.

Нетиповые аппараты составляют большую часть оборудования

металлургических заводов. Они характеризуются большим разнообрази-

ем конструкций. В связи с этим разнообразны и методы расчетов, каж-

дый 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. исполь-

зуются 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 возни-

кает ряд специальных задач, которые делают расчетные алгоритмы в зна-

чительной степени уникальными. Рассмотрим, например, задачи, возни-

кающие при проектировании различных классов металлургического обо-

рудования.

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 алго-

ритмом [2].

Расчет технологического процесса состоит из расчета шихты,

определения времени отдельных операций, установления режима отдель-

ных стадий процесса. В свою очередь расчет шихты, являясь основой

расчета технологического процесса, включает расчеты количества флю-

сов 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, со-

став и количество продуктов горения, теплотворность, температуру горе-

ния. Расход топлива или электроэнергии определяют на основании пред-

варительного теплового баланса печи или практических данных с после-

дующей проверкой по тепловому балансу печи.

Определение основных размеров печи состоит из определения

длины, ширины и высоты рабочего пространства. Иногда вместо опреде-

ления основных размеров печи подбирают типовые размеры по катало-

гам или предложениям заводов-изготовителей.

Составление материального и теплового балансов печи выпол-

няется с целью проверки всех проделанных ранее расчетов.

Расчет газоотводящей системы состоит из выбора схемы обра-

ботки газов и расчетов пылеулавливающих устройств, приборов для ути-

лизации 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 включа-

ет в себя расчет приборов для сжигания топлива, расчет крепления печи,

трубопроводов, электрических нагревателей, фурм, охлаждаемых дета-

лей, выбор воздуходувок, вентиляторов, трансформаторов, насосов, за-

грузочных устройств и транспортного оборудования.

Конструктивные расчеты состоят из подбора огнеупорных ма-

териалов 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 автоматическо-

му регулированию, подбор и расчет аппаратуры для контроля и автома-

тизации и ее размещение у печи.

Технико-экономические расчеты состоят из сметы на сооруже-

ние печи, калькуляции себестоимости переработки сырья в печи, эконо-

мического обоснования отдельных технических решений и технико-

экономических показателей.

При проектировании вакуумных дуговых печей (ВДП) с рас-

ходуемым электродом в черной металлургии могут быть поставлены раз-

личные задачи, главные из которых могут быть сведены к следующим

[3].

1. Спроектировать печь, имеющую при заданной массе слитка

оптимальные экономические показатели (производительность печи и се-

бестоимость 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 переплавляе-

мого электрода ограничена в каких-то пределах технологией его получе-

ния. 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 ра-

циональных геометрических размеров слитка и электрода, определении

электрического режима плавки, подборе источника питания, расчете от-

качной системы и выборе вакуумного оборудования.

При решении второй задачи расчет следует начинать с определе-

ния экономически наиболее целесообразной массы слитка и его разме-

ров. После решения этого вопроса задача сводится к предыдущему слу-

чаю.

Третья задача фактически сводится к выбору рациональной дли-

ны слитка, т. е. его массы. Дальнейшие расчеты проводятся так же, как и

в предыдущих случаях.

К указанным трем задачам близко примыкает задача о проекти-

ровании цеха заданной годовой производительности. Если при этом ука-

зывается желаемая масса получаемых слитков, то задача сводится к рас-

чету 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 произ-

водительность цеха и количество печей в нем, задача сводится к расчету

печи заданной производительности.

В большинстве случаев технологические процессы в металлур-

гии могут быть отнесены к классу химических, следовательно, и обору-

дование можно рассматривать как химические аппараты.

Целью расчета химических процессов и аппаратов является

определение массовых потоков перерабатываемых материалов, опреде-

ление энергетических затрат, необходимых для осуществления процес-

сов, и вычисление основных размеров машин и аппаратов [4]. При конст-

руировании оборудования важно не столько определение материальных и

энергетических соотношений процесса, сколько глубокий анализ его ки-

нетических закономерностей. Это позволяет найти оптимальные условия

процесса, при которых размеры машин и аппаратов минимальны.

Анализ процессов и расчет оборудования проводят в определен-

ной последовательности. Сначала, исходя из законов гидродинамики или

термодинамики, выявляют условия равновесия и определяют направле-

ние течения процесса. По данным о равновесии устанавливают началь-

ные и конечные значения параметров процессов.

На основании закона сохранения материи составляют матери-

альный баланс.

Далее определяют тепловой эффект процесса и, исходя из закона

сохранения энергии, составляют тепловой баланс.

По величинам, характеризующим рабочие и равновесные пара-

метры, 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, поверх-

ность 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 воз-

никает необходимость обоснованно решать вопросы масштабных пере-

ходов – распространения данных, полученных в лабораторных исследо-

ваниях, 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 раз-

личных классов.

1.2. РАСЧЕТЫ ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Главной целью расчета оборудования для проведения гидроме-

таллургических процессов является вычисление основных размеров ап-

паратов и машин с помощью кинетических уравнений движения потока

материалов (жидкости или газа), движения (переноса) тепла, переноса

вещества из одной фазы в другую, химических превращений [4].

Рассмотрим связь между размерами аппарата и основными пара-

метрами процесса на общем примере массопередачи вещества. Пусть

имеется аппарат полного вытеснения (рис. 1), в котором протекает неко-

торый процесс, изменяющий концентрацию перерабатываемого материа-

ла от начального значения x

до конечного x

, предельная концентрация