Тепловой баланс

Статьи балансов	Первый способ	Второй способ
Мдж/т	%	Мдж/т	%
Приход тепла
1. Горение природного газа у фурм	208,8	1,93	208,8	4,40
2. Горение углерода кокса у фурм	2636,5	24,70	2636,5	54,60
3. Физическое тепло нагретого дутья за вычетом теплоты разложения влаги дутья	1750,1	16,30	1750,1	36,10
4. Физическое тепло природного газа	7,6	0,07	7,6	0,16
Всего в области горения		43,00		95,26
5. Окисление углерода в процессах прямого восстановления	670,4	6,22	–	–
6. Окисление СО в СО₂ в процессах непрямого восстановления	3895,6	36,46	–	–
7. Окисление Н₂ вН₂О в процессах непрямого восстановления	1299,2	12,18	–	–
Всего в области восстановления	5865,2	54,86	–	–
8. Физическое тепло шихты за вычетом теплоты разложения влаги шихты	228,8	2,14	228,8	4,74
Суммарный приход тепла	10697,0	100,0	4831,8	100,0
Расход тепла
1. Диссоциация оксидов железа, примесей чугуна и перевод в шлак серы		65,15		22,71
2. Восстановление оксидов		11,98		26,52
3. Тепло чугуна		8,43		18,90
4. Тепло шлака		5,64		12,46
5. Тепло колошникового газа		8,80		19,43
6. Потери тепла (по разности)

6. Тепловой баланс конвертерной плавки

Выплавка стали заданной марки конвертерным способом определяется составом шихты, требованиями технологического и теплового режима плавки. Тепловой режим плавки оценивается тепловым балансом, т. е. соответствием прихода и расхода тепла на процесс. Конвертерная плавка осуществляется без потребления внешнего топлива. В этих условиях основными составляющими приходной части теплового баланса плавки являются:

1. Физическое тепло чугуна. Физическое тепло 1 кг чугуна Q_чуг определяется как сумма энтальпии твёрдого чугуна, нагретого до температуры плавления 0,74 t_пл (где 0,74 – теплоёмкость твёрдого чугуна, кДж/(кг ^. К), теплоты плавления (около 217 кДж/кг) и энтальпии жидкого чугуна при данной конкретной температуре нагрева t_факт= 0,87(t_факт-t_пл), где 0,87 – теплоёмкость жидкого чугуна, кДж/(кг ^. К). Таким образом:

Q_чуг = 0,74t_пл+ 217 + 0,87 (t_{факт –}t_пл), кДж/кг

Температура плавления чугуна зависит от его состава и в среднем принимается равной 1175 ⁰С. Любое мероприятие, направленное на повышение температуры чугуна t_факт, увеличивает приход тепла.

2. Тепло окисления примесей. Основную долю тепла по этой статье прихода составляет тепло реакций окисления углерода, кремния, марганца и железа. Приход тепла заметно увеличивается, если в полости конвертера осуществляется дожигание образующейся при окислении углерода СО до СО₂. Определённое количество тепла поступает в результате окисления железа, однако по мере окисления железа уменьшается выход металла и соответственно ухудшаются показатели теплового баланса, рассчитанные не на 1 кг шихты, а на 1 кг жидкой стали.

Кроме этих двух основных составляющих приходной части теплового баланса, при точных расчётах учитывается тепло процессов шлакообразования (образование силикатов кальция и магния, алюминатов кальция и т. д.), а также физическое тепло попавшего в конвертер миксерного шлака. В тех случаях, когда шлакообразующие добавки или заваливаемый в конвертер металлический лом предварительно подогреваются, это тепло также учитывается.

6.1. Расходные статьи теплового баланса конвертерной плавки

6.1.1.Тепло нагрева стали

Физическое тепло 1 кг стали Q_ст определяется как сумма энтальпии твёрдой стали, нагретой до температуры плавления 0,7 t_пл [где 0,7 – теплоёмкость твёрдой стали, кДж / (кг ^. К)], теплоты плавления 260 кДж / кг и энтальпии жидкой стали, нагретой в процессе плавки до определённой температуры 0,84(t_факт-t_пл). Таким образом:

Q_ст = 0,7 t_пл + 260 + 0,84 (t_факт – t_пл) кДж /кг.

Температура плавления и, следовательно, значение теплоёмкости зависят от состава стали. Обычно для расчётов температуру плавления стали принимают равной 1500 ⁰С.

Из приведенных данных следует, что получение высоких значений величины нагрева металла t_факт связано с увеличением расхода тепла.

6.1.2. Тепло нагрева шлака

Физическое тепло 1 кг шлака определяется как сумма энтальпии шлака С_шл ^. t_шли теплоты его плавления Q_пл.шл (где С_шл – удельная теплоёмкость шлака при данной температуре, кДж / (кг ^. К); t_шл – температура). Величины удельной теплоёмкости шлака и теплоты его плавления для шлаков различного состава существенно отличаются. В расчётах часто принимают t_шл = 1650 ⁰С; С_шл 1,21 кДж/ (кг ^. К); Q_пл._шл = 210 кДж/кг.

6.1.3. Физическое тепло отходящих газов

Эта величина которого определяется как произведение теплоёмкости газов на температуру (т. е. как энтальпия газа). Величины теплоёмкостей таких составляющих газов, как СО, СО₂, Н₂О, N₂ существенно различаются, поэтому для точных расчётов необходимо возможно более точно знать состав газов. Чем большая доля СО догорает в полости конвертера до СО₂, тем больше приход тепла, однако при этом возрастает температура газов и соответственно увеличивается расход тепла на нагрев отходящих газов.

4. Потери тепла через футеровку конвертера, через горловину, на нагрев воды, охлаждающей фурму

Величина этих потерь зависит от степени разгара футеровки, от организации ведения плавки, продолжительности остановок продувки для отбора проб, от конструкции фурмы и т. д. и составляет обычно 3 – 5 % от общей величины прихода тепла.

Кроме перечисленных основных потерь, для точных расчётов необходимо учитывать тепло:

- на разложение окислов железа, вносимых с шихтой;

- на разложение карбонатов, содержащихся в небольшом количестве в извести;

- на нагрев и испарение влаги шихты;

- содержащееся в каплях металла и шлака, вылетающих из конвертера (выбросах) и т. п.

Если принять, что шихта состоит только из жидкого чугуна, то, произведя соответствующие расчёты, можно убедиться, что приход тепла существенно превышает расход. Для того, чтобы избежать ненужного перегрева стали (при перегреве быстро разрушается футеровка, металл насыщается газами и т. п.), в ванну вводят охладители. В качестве охладителей используют металлический лом, твёрдые охладители (обычно железную руду), а так же (в редких случаях) водяной пар.

Расчёт количества лома, которое целесообразно загрузить в конвертер с тем, чтобы исключить ненужный перегрев ванны, производят, используя приведенную выше формулу для расчёта количества тепла на нагрев стали. Ориентировочно можно принять, что на расплавление и нагрев до 1600 ⁰С 1 кг лома расходуется примерно 1,4 МДж тепла. Количество лома, которое можно загрузить в конвертер без опасения получить «холодный» металл, зависит от величины прихода тепла, и от организации работы (чем чаще одна плавка следует за другой и чем меньше продолжительность остановок конвертера, тем меньше потери тепла) и обычно составляют 20-30 % от общей массы металлошихты.

Стоимость металлического лома ниже стоимости чугуна, поэтому чем выше процент лома в шихте конвертерной плавки, тем ниже себестоимость 1 т стали. В ряде случаев экономически целесообразно предварительно подогревать лом, так как это позволяет увеличить приход тепла и повысить долю лома в шихте до 40-45%.

Охлаждающий эффект таких охладителей, как железная руда, агломерат и т.п. существенно выше, чем лома. При выполнении точных расчётов охлаждающего эффекта учитывают тепло, затраченное на разложение окислов железа, на нагрев и расплавление образующегося дополнительно шлака, на разложение содержащихся в шихте карбонатов, испарение влаги и т.п., а также тепло, поступающее в результате участия вводимых охладителей в процессе шлакообразования.

Окончательным результатом составления теплового баланса конвертерной плавки является определение температуры жидкого металла в конце продувки и уточнение расхода лома на плавку в данных конкретных условиях.

6.2. Пример теплового баланса конвертерной плавки

Исходные данные:

При выплавке стали в кислородном конвертере с верхней продувкой на 100 кг металлошихты расходуется чугуна (G_ч) с температурой (t_ч) 1380 ⁰С -78,5 кг; лома – 21,5 кг.

В процессе рафинирования:

- окисляется [C]_ок-3,40 кг, [Si]_ок– 0,51 кг, [Mn]_ок- 0,22 кг, [P]_ок – 0,08 кг;

- образуется: FeO – 2.73 кг, Fe₂O₃- 0,91 кг, СаО – 4,82 кг, SiO₂- 1.38 кг;

- дожигается в полости конвертера СО – 0,72 кг, при этом доля тепла, передаваемого ванне z = 0.2;

- выход жидкого металла – 91,1 кг,

- выход шлака –11,356 кг,

- выход газа: СО – 6,434 кг, СО₂ – 2,638 кг; температура газа –2000 ⁰С;

- поступило с неметаллической шихтой: FeO – 0,036 кг, Fe₂O₃ –0.457 кг;

-общее количество выбросов и выносов –1 кг;

-содержание недопала в загружаемой извести – 0,265 кг;

-тепловые потери – 3%.

Приход тепла