Тепловой баланс плавки

В кислородно-конвертерном процессе нагрев металла до заданной температуры осуществляется за счет внутренних источников тепла: физического и химического тепла чугуна и теплоты шлакообразования.

Согласно заданию даны расход чугуна, их химический состав, ранее произведены расчеты, необходимые для составления теплового баланса, который содержит приходную и расходную части.

Приход тепла

1. Физическое тепло жидкого чугуна.

Физическое тепло жидкого чугуна может быть определено по формуле:

Q  ₌ G_чуг∙ [C  ∙ t  + g_чуг + (t_чуг – t ) ∙ C_чуг] ,

где C  − средняя теплоемкость чугуна до температуры плавления, равная 0,75 кДж/кг ∙ град;

 – температура плавления чугуна, равная 1200 ^оС;

g_чуг – скрытая теплота плавления чугуна, равная 217,9 кДж/кг;

t_чуг – температура заливаемого в конвертер чугуна, равная 1300 ^оС;

С_чуг – теплоемкость жидкого чугуна, равная 0,92 кДж/кг ∙ град;

G_чуг – количество жидкого чугуна в металлошихте, равное 78 кг.

Q₁ =78 ∙ [0,75 ∙ 1200 +217,9 + (1300 – 1200) ∙ 0,92] = 94372 кДж.

2. Тепло экзотермических реакций.

На основании данных таблицы 15 и тепловых эффектов реакций окисления элементов производится расчет количества тепла, приведенный в таблице 20.

 

Таблица 20 − Химическое тепло реакций окисления элементов

Элемент-оксид	Тепловой эффект реакции окисления на 1 кг элемента, кДж	Выгорело элементов, кг	Расчет	Вносится тепла, кДж
С → СО2	34094	0,311	34094 ∙ 0,311	10603,2
С → СО	10458,2	2,801	10458,2 ∙ 2,801	29293,5
Si → SiO2	30913,8	0,654	30913,8 ∙ 0,654	20217,6
Mn → MnO	7018,3	0,521	7018,3 ∙ 0,521	3656,5
P → P2O5	24327,1	0,209	24327,1 ∙ 0,209	5084,3
Fe → Fe2O3	7374,4	0,284	7374,4 ∙ 0,284	2094,3
Fe → FeO	4826,9	1,086	4826,9 ∙ 1,086	5242,0
Fe → Fe2O3 (дым)	7374,4	1,500	7374,4 ∙ 1,500	11061,6
Итого				87253,0

3. Тепло шлакообразования.

Считается, что все количество SiO₂, P₂O₅ и Fe₂O₃ связано в соединения (CaO)₂SiO₂, (CaO)₄P₂O₅ и Fe₂O₃ с выделением тепла в количестве 137432, 691350 и 211176 кДж/кг моль соответственно.

Q_шл = 1,551: 60 ∙ 137432 + 0,479 : 142 ∙ 691350 + 0,43 : 160 ∙ 211176 = 6452 кДж.

Итого приход тепла составит:

Q_прих = 94372 + 87253 + 6452 = 188077 кДж.

Расход тепла

1. Физическое тепло стали.

Физическое тепло стали Q₁ можно определить по уравнению

Q₁ = М_ст∙ [C  ∙ t_пл + q_пл + C ∙ (t_ст – t_пл)],

где C  – средняя теплоемкость стали до температуры плавления, равная 0,7 кДж/кг ∙ град;

t_пл – температура плавления стали, ^оС;

q_пл – скрытая теплота плавления стали, равная 272,4 кДж/кг;

C – теплоемкость жидкой стали, равная 0,84 кДж/кг ∙ град;

t_ст – температура стали на выпуске из конвертера, ^оС;

М_ст – выход жидкой стали до раскисления, равный 91,121 кг;

0,5 и 1,0 – потеря металла с корольками и выбросами соответственно, кг.

Q₁ = (91,121 + 0,5 + 1,0) ∙ [ 0,7 ∙ 1535 +272,4 + 0,84 ∙ (1630 – 1535)] = 132142 кДж.

2. Физическое тепло шлака

Физическое тепло шлака Q₂  определяется из выражения

Q₂ = М _шл ∙(C_шл∙t_шл + q_шл),

где М_шл – выход шлака, равный 10,74 кг;

C_шл– средняя теплоемкость шлака, равная 1,2 кДж/кг ∙ град;

t_шл – температура шлака, принятая равной выше температуры металла на выпуске на 10 ^оС, т.е. 1640 ^оС;

q_шл – скрытая теплота плавления шлака, равная 209,5 кДж/кг;

Q₂ = 10,74∙(1,2∙1640 + 209,5) = 23386 кДж .

3. Потеря тепла конвертером принимается равной 3 % от прихода тепла (обычно 1,5 – 4 %).

Q₃ =188077 ∙ 0,03 = 5642 кДж.

4. Тепло, уносимое частицами Fe₂O₃ (дым)

,

где  – количество частиц пыли, Fe₂O₃ (дым), кг;

 – теплоемкость пыли, равная 1,23 кДж/кг ∙ град;

 – температура частиц пыли, ^оС;

Q₄ =2,143 ∙1,23 ∙ 1465 = 3862 кДж.

5. Тепло, уносимое дымовыми газами

Тепло, уносимое дымовыми газами (Q₅) определяется как

Q₅  = ∑ (C _газ ∙ V_газ ∙ t_газ),

где C_газ – теплоемкость газа, кДж/ м³ ∙ град;

V_газ – объем газа, м³;

t_газ – температура отходящих газов, принятая равной 1465 ^оС.

СО₂          1,48 ∙ 0,782∙1465 = 1696

СО        2,34 ∙ 5,229 ∙1465 = 17926

H₂O       1,84 ∙ 0,157∙1465 = 423

О₂          1,54 ∙ 0,237 ∙1465 =535

N₂          1,44 ∙ 0,027∙1465 = 57

Суммарное количество тепла, уносимое отходящими газами,

Q₅  = 20637 кДж.

Итого расход тепла составит:

Q_расх = 132142 + 23386 + 5642 +3862 + 20637 = 185669 кДж.

Избыток тепла:

Q_изб = Q_прих − Q_расх = 188077 – 185669 = 2408 кДж.

Тепловой баланс плавки приведен в таблице 21.

Корректировка теплового баланса плавки

Энтальпия 1 кг стали при температуре 1630 ^оС составит 1440 кДж.

Таблица 21 − Тепловой баланс плавки

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
Физическое тепло чугуна	94372	50,18	Физическое тепло жидкой стали	132142	70,26
Тепло экзотермических реакций	87253	46,39	Физическое тепло шлака	23386	12,43
Тепло шлакообразования	6452	3,43	Потери тепла с газами	20637	10,97

 

Продолжение таблицы

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
			Потери тепла через футеровку и горловину	5642	3,00
			Потери тепла с частицами Fe2O3	3862	2,06
			Избыток тепла	2408	1,28
Итого	188077	100,00	Итого	188077	100,00

В данном случае избытка тепла достаточно на расплавление

2408 : 1440 = 1,7 кг скрапа дополнительно. Следовательно, в данных расчетах следовало бы принять в шихте 76,3 % (кг) чугуна и 23,7 % (кг) скрапа.

При недостатке тепла исправление теплового баланса возможно за счет:

− изменения в допускаемых пределах температур заливаемого чугуна и стали на выпуске;

− присадок углеродсодержащего материала (кокса, графита, антрацита и т.д.) с учетом их теплотворной способности, равной 27000 − 29500 кДж/кг, и коэффициента полезного использования тепла η = 0,27 – 0,35.

 

 

Приложение А

Вариант	Чугун					Расход, кг/т					Влажность дутья, г/м3	Марка стали	Доля чугуна, %	Химический состав  скрапа, %
						Кокс	Руда	Агломерат	Окатыши	Мет. доб.
	Марка	Группа	Класс	Категория	С, %									C	Mn	Si	P	S
1	П1	1	А	1	4,2	480	30	40	30	20	25	70Г	80	0,15	0,45	0,20	0,040	0,035
2	П1	1	А	1	4,3	490	40	30	30	25	35	08кп	70	0,17	0,48	0,07	0,038	0,034
3	П1	1	А	1	4,4	500	20	50	30	30	50	65Г	75	0,19	0,51	0,25	0,036	0,033
4	П1	1	А	1	4,5	510	25	35	40	35	65	08пс	72	0,21	0,53	0,12	0,025	0,032
5	П1	1	А	1	4,6	470	15	30	55	40	50	60Г	74	0,23	0,56	0,30	0,035	0,031
6	П1	1	Б	2	4,2	480	45	35	20	45	20	08	71	0,25	0,59	0,29	0,032	0,030
7	П1	1	Б	2	4,3	490	30	30	40	50	50	10кп	70	0,27	0,61	0,05	0,034	0,029
8	П1	1	Б	2	4,4	500	10	65	25	10	40	85	79	0,29	0,63	0,35	0,030	0,028
9	П1	1	Б	2	4,5	510	15	60	25	15	50	10пс	73	0,30	0,65	0,12	0,024	0,027
10	П1	1	Б	2	4,6	480	25	55	20	20	15	80	78	0,31	0,68	0,33	0,026	0,026
11	П2	1	А	1	4,2	480	30	40	30	25	25	75	77	0,28	0,71	0,31	0,028	0,030
12	П2	1	А	1	4,3	490	40	30	30	30	35	15кп	75	0,26	0,73	0,05	0,015	0,032
13	П2	1	А	1	4,4	500	20	50	30	35	45	15пс	74	0,24	0,76	0,11	0,015	0,020
14	П2	1	А	1	4,5	510	25	35	40	40	60	70	78	0,22	0,75	0,34	0,030	0,027
15	П2	1	А	1	4,6	470	15	30	55	10	40	15	71	0,20	0,74	0,17	0,020	0,018
16	П2	1	Б	2	4,2	480	35	35	30	15	20	20кп	72	0,18	0,70	0,04	0,025	0,019
17	П2	1	Б	2	4,3	490	30	30	40	20	60	20	75	0,16	0,78	0,18	0,024	0,025
18	П2	1	Б	2	4,4	500	10	65	25	25	40	65	80	0,15	0,77	0,20	0,030	0,030
19	П2	1	Б	2	4,5	510	15	60	25	30	45	60	78	0,24	0,76	0,24	0,035	0,032
20	П2	1	Б	2	4,6	470	25	55	20	35	10	20пс	74	0,23	0,72	0,14	0,020	0,025
21	П1	1	А	1	4,2	480	30	40	30	20	25	25	75	0,35	0,68	0,20	0,025	0,023
22	П1	1	А	1	4,3	490	40	30	30	25	35	55	77	0,37	0,66	0,25	0,031	0,024
23	П1	1	А	1	4,4	500	20	50	30	30	50	30	73	0,39	0,65	0,25	0,030	0,022
24	П1	1	А	1	4,5	510	25	35	40	35	65	35	72	0,50	0,63	0,30	0,035	0,027
25	П1	1	А	1	4,6	470	15	30	55	40	50	40	74	0,33	0,69	0,32	0,038	0,028
26	П1	1	Б	2	4,2	480	45	35	20	45	20	45	76	0,34	0,52	0,27	0,037	0,029
27	П1	1	Б	2	4,3	490	30	30	40	50	50	50	78	0,29	0,87	0,28	0,036	0,030
28	П1	1	Б	2	4,4	500	10	65	25	10	40	08Ю	77	0,25	0,51	0,15	0,030	0,045
29	П1	1	Б	2	4,5	510	15	60	25	15	50	12ГС	78	0,26	0,50	0,17	0,032	0,044
30	П1	1	Б	2	4,6	480	25	55	20	20	15	09Г2С	79	0,27	0,52	0,19	0,034	0,043
31	П2	1	А	1	4,2	480	30	40	30	25	25	30ХГС	80	0,28	0,54	0,21	0,036	0,040
32	П2	1	А	1	4,3	490	40	30	30	30	35	55С2	75	0,29	0,56	0,27	0,038	0,038
33	П2	1	А	1	4,4	500	20	50	30	35	45	50	76	0,30	0,58	0,26	0,040	0,036
34	П2	1	А	1	4,5	510	25	35	40	40	60	40Х	74	0,31	0,60	0,25	0,042	0,034
35	П2	1	А	1	4,6	470	15	30	55	10	40	35ГС	73	0,32	0,59	0,23	0,044	0,032
36	П2	1	Б	2	4,2	480	35	35	30	15	20	30	72	0,33	0,57	0,28	0,040	0,030
37	П2	1	Б	2	4,3	490	30	30	40	20	60	09Г2	75	0,34	0,54	0,30	0,041	0,028
38	П2	1	Б	2	4,4	500	10	65	25	25	40	25Г2С	75	0,35	0,49	0,17	0,043	0,029
39	П2	1	Б	2	4,5	510	15	60	25	30	45	65Г	73	0,25	0,47	0,37	0,039	0,031
40	П2	1	Б	2	4,6	470	25	55	20	35	10	20ХН	70	0,24	0,45	0,35	0,037	0,033
41	П1	1	А	1	4,2	480	30	40	30	20	25	35Г2	72	0,23	0,48	0,34	0,035	0,035
42	П1	1	А	1	4,3	490	40	30	30	25	35	50Г	71	0,22	0,49	0,33	0,033	0,037
43	П1	1	А	1	4,4	500	20	50	30	30	50	10Г2	75	0,21	0,78	0,31	0,031	0,039
44	П1	1	А	1	4,5	510	25	35	40	35	65	33ХС	76	0,20	0,74	0,30	0,029	0,040
45	П1	1	А	1	4,6	470	15	30	55	40	50	40ХС	77	0,22	0,50	0,27	0,027	0,042
46	П1	1	Б	2	4,2	480	45	35	20	45	20	9Х2	78	0,27	0,48	0,26	0,025	0,043
47	П1	1	Б	2	4,3	490	30	30	40	50	50	35	79	0,24	0,66	0,24	0,020	0,041
48	П1	1	Б	2	4,4	500	10	65	25	10	40	17ГС	80	0,25	0,65	0,23	0,022	0,038
49	П1	1	Б	2	4,5	510	15	60	25	15	50	14Г2	75	0,28	0,63	0,20	0,024	0,037
50	П1	1	Б	2	4,6	480	25	55	20	20	15	18ХГТ	73	0,30	0,61	0,27	0,025	0,035

Приложение Б

Атомные и молекулярные веса элементов и оксидов

Химический элемент	Атомный вес	Оксид элемента	Молекулярный вес оксида
Fe	56	FeO	72
Fe	56	Fe2O3	160
Si	28	SiO2	60
C	12	CO	28
C	12	CO2	44
Ca	40	CaO	56
Mg	24	MgO	40
Mn	55	MnO	71
Al	27	Al2O3	102
Ti	48	TiO2	80
V	51	V2O5	182
P	31	P2O5	142
Cr	52	Cr2O3	152
Ni	58	NiO	74
Cu	64	Cu2O	144
W	184	WO3	232
O	16
N	14
H	1

 

 

Учебное издание

 

Составители:

Чернышева Наталья Анатольевна

Ганзер Лидия Альбертовна

Числавлев Владимир Владимирович

Фейлер Сергей Владимирович