Расчет теплового баланса

Если не учитывать тот факт, что шлак, получаемый при производстве FeCr, может содержать CrO в жидком виде, тогда хром во всех процессах восстановления феррохрома восстанавливается как Cr₂O₃. Этот оксид хрома в основном связан в хромите или железохромовой руде в виде шпинеля (MgO, FeO)*(Cr₂O₃, Al₂O₃) с переменным содержанием MgO и Al₂O₃.

Оксид хрома Cr₂O₃ в углетермическом восстановлении восстанавливается углеродом, в кремний-термической трансформации - кремнием, а в металлотермических процессах - алюминием. Углетермическое восстановление оксида хрома проходит следующим образом

Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO – Q – 274 кДж (3.13)

При возможности образования карбида

Cr₂O₃ + 13/3C = 2Cr₃C₂ + 3CO – Q – 1058 кДж (3.14)

При наличии хромовой руды в виде шпинеля

MgO * Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + MgO + 3CO – Q – 1220 кДж (3.15)

В большинстве случаев основной хромовой руды является FeO*Cr₂O₃. Реакция проходит следующим образом:

3(FeO * Cr₂O₃) + 3C = 3Fe + Cr₂O₃ + 3CO – Q – 1300 кДж (3.16)

Наличие железа улучшает восстановление чистого оксида хрома, так как образование сплавов сокращает активность хрома. Если железо получается из хромовой руды восстановлением FeO, то активные центры присутствуют в оксиде хрома и руде, т.е. еще не восстановленный баланс становится полностью пористым.

Fe + Cr₂O₃ + 3C = 2FeCr + 3CO – Q – 1486 кДж (3.17)

Не имея возможности заявлять о кинетике реакций, можно увидеть, что доля FeO*Cr₂O₃ в рудах восстанавливается не только при меньших температурах, но и с существенно большей скоростью реакции, чем доля MgO*Cr₂O₃. В сложных для восстановления рудах, во основном присутствует MgO*(Cr₂O₃, Al₂O₃). В таких случаях процесс восстановления упрощается добавлением SiO₂.

В ходе углетермической реакции хромовых руд, вследствие активного образования карбида, всегда возникают углеродистые сплавы феррохрома с содержанием углерода 9-10%. Количество углерода здесь зависит от температуры реакции. При повышении температуры, Cr₃C₂ реагирует с Cr₂O₃ для образования Cr₇C₃, который затем реагирует до получения Cr₂₃C₆. При повышении температуры реакции содержание углерода в феррохроме может быть уменьшено.

Необходимый стехиометрический С-фикс получается из материального баланта (таблица 3.14), содержания углерода в выпущенном металле и восстановления оксидов Mg и Si (таблица 3.14). Часть углерода не участвует в образовании карбидов металла, и не восстанавливает оксиды, а сгорает или отводится с отходящим газом. Поэтому требуется коэффициент компенсации, который зависит (кроме прочего) от размера восстановителя.

Последствиями недостатка углерода в загрузке печи является низкое восстановление Cr, высокое содержание Cr в металле и большой расход электродов. Избыток углерода в загрузке приводит к металлу с низким содержанием Cr (восстанавливается большее количество оксида железа), и высоким содержанием C, повышенному объему отходящих газов и увеличенным затратам.

Удельный расход энергии. Реакции, описанные с 3,13 – 3,17 – эндотермические, т.е. поглощающие энергию. Также энергия необходима для доведения продуктов печи до температуры их выхода. Сумма этих двух классов составляет теоретическую потребность в энергии (см. Таблица7). Теоритический расход электроэнергии на выплавку 1т феррохрома 4117кВт*ч/т FeCr КПД печи 79%.

Удельный расход электроэнергии - это отношение поданной на печь электроэнергии к тоннам выпущенного FeCr. Так как это измеряемое значение, следует обеспечивать качественную калибровку приборов (тензодатчиков, электрических измерительных приборов).

Разница между удельным расходом энергии и теоретической потребностью в электроэнергии ("КПД печи", см. Таблица7) учитывается в потерях энергии. Большая их часть происходит в кожухе печи, дополнительную информацию см. в разделах 5.9 и 0. Электропотери составляют одну треть потерь энергии.

Приход тепла.

- Электрическая энергия. Расхода электороэнергии в цеху 4117кВт *ч на 1т ферохрома или 184,4кВт*ч на 44,8кг ферохрома (из таблицы 3.14). Электрические потери при трансформации и канализации тока составляют от 14 до 21%. Примем КПД электричества 79%; полезный расход энергии равен 184,4*0,79=145,676 кВт*ч, что дает в пересчете

860*145,676*4,186=524427,8 кДж.

- Окисление углерода по реакции (формула)

При окислении 24,743 кг С будит получено 114 кДж.

- Физическое тепло=c*m*t*4.186

0.82*136*20*4.186=9,3 кДж.

Расход тепла.

- Тепло уносимое сплавом при выпуске формула

где: t_пл =1630⁰С – температура плавления феррохрома;

t_вып = 1800⁰С – температура феррохрома на выпуске;

L = 0,31 кДж/кг – удельная теплота плавления феррохрома;

C_ж = 0,0013 кДж/кг*град. – удельня теплоемкость феррохрома при температуре выпуска;

C_тв– удельное теплосодержание феррохрома до иемпературы ликвидуса;

- Тепло уносимое шлаком при выпуске:

где t_шл = 1900⁰С – температура шлака на выпуске. формула

- Тепло эндо термических реакций, кДж: по реакции формула

Таблица 3.15 Тепловой баланс выплавки высокоуглеродистого феррохрома

Приход тепла	Расход тепла
Электро энергия	Тепло уносимое металлом
Окисление углерода	Тепло уносимое шлаком
Физическое тепло	Тепло эндотермические реакции
	Унос тепла с пылью
	Потеря тепла с отходящими газами
	Прочие не неучтенные потери тепла по разности