Файл: А. С. Бильгенов 2022 г.docx

При составлении теплового баланса необходимо исходить из условия, что в процессе работы агрегата количество введенной в агрегат энергии равно количеству энергии, затраченной на проведение технологических операций с учетом тепловых потерь. В процессе плавки происходит нагрев и плавление металла и шлака до заданной температуры (полезно используемое тепло), а также нагрев конструкций печи и окружающего воздуха, нагрев воды в стеновых и сводовых панелях, нагрев воздуха в печи и унос тепла с ним в систему газоочистки; помимо того тепло теряется со шлаком.

Тепловой баланс может быть составлен на всю плавку, на определенный период плавки, на тонну стали или на 1 час работы агрегата. Наиболее распространенным является баланс, приводимый на плавку и выражаемый в процентах

4.1 Тепло, вносимое электрической энергией Q1

На действующей печи реальный расход электрической энергии фиксируется приборами учета электроэнергии. Важным параметром, характеризующим использование электроэнергии, является коэффициент полезного действия, учитывающий потери энергии при подводе ее к рабочему пространству печи (при проектных расчетах принимается _э = 88…91%). При проектировании печи расход электроэнергии на плавку зависит от наличия или отсутствия предварительного подогрева лома, количества газокислородных горелок и времени их работы. В среднем для современной ДСП-1,5 с учетом подогрева лома и установки газокислородных горелок можно принять расход электроэнергии 250…400 кВт·ч/т. Для пересчета кВт·ч в МДж используется переводной коэффициент 3,6

(1 Вт/ч = 3600 Дж/ч).

Расчет проведем на 100 кг шихты. Зададимся расходом электрической энергии, равным 250 кВт·ч/т стали, или 25 кВт·ч на 100 кг. Тогда с учетом электрического КПД  = 0,9

Q₁ =41*3,6*0,9= 132,84 МДж

---

4.2 Тепло, вносимое газокислородными горелками Q₂

Вносимое горелками тепло определяется по формуле

Q_гор =N_гор··P_гор·3,6

где N_гор – число горелок на печи, шт.;  – время работы горелки, ч; Р_гор – мощность горелки, кВт; 3,6 – переводной коэффициент кВт·ч в МДж.

В условиях действующего производства известно время работы горелок и их количество. Кроме того, известны или легко могут быть измерены расход топлива и его химический состав (а значит, и теплотворная способность).

Для расчета вновь проектируемой печи целесообразно принять, что типовая 100 т. печь оборудуется 4 газокислородными горелками по 2…4 МВт каждая. Продолжительность их работы за плавку 10…15 мин. Примем без расчета мощность горелок по МВт каждая, время работы – 10 минут (0,17 часа). Тогда за всю плавку в ДСП-100

Q_гор = 4*0,17*7*3,6*10³=17136 МДж.

С учетом емкости печи количество тепла, внесенного горелками, приведенное к 100 кг металлошихты составит Q₂ = 17,136МДж.

4.3 Тепло, вносимое в печь шихтовыми материалами Q₃

(сумма энтальпий компонентов, вводимых в печь)

В зависимости от технологии выплавки в печь могут вводить следующие материалы: скрап, железную руду, кокс, ферросплавы, легирующие и шлакообразующие материалы, на ряде печей предусмотрена заливка жидкого чугуна. Для каждого вводимого компонента можно записать следующее выражение для расчета энтальпии:

∆H_к′ =M_к·с_к·∆t_к,


i

где ∆H_к′ – изменение энтальпии соответствующего компонента, M_к – масса компонента, с_к – теплоемкость компонента, ∆t_к – изменение температуры компонента. Полная энтальпия компонента равна либо энтальпии нагрева твердого компонента (например лома), либо, если чугун подается в жидком виде должна учитывать затраты тепла на его плавление и перегрев (нагрев от температуры плавления до температуры заливки). Физическое тепло шихты равно сумме энтальпий компонентов:

---

Q_физ

В зависимости от применяемой технологии материалы перед подачей в печь могут подаваться холодными или подогреваться. В первом случае энтальпия холодных компонентов шихты не учитывается. Во втором случае, например при подаче в печь прокаленных ферросплавов или жидкого чугуна, энтальпия таких компонентов значительна и должна учитываться в общем балансе.

В качестве примера покажем, как определяется энтальпия лома, подогретого перед подачей в ДСП до 300 °С. Энтальпия стали марки 45Х составит

H_45X = 70*0,536*10^-3*300=11,256 МДж,

а стали У13

H_У13 =30*0,540*10^-3*300=4,86 МДж.

Учитывая, что непосредственно в печь дается небольшое количество ферросплавов, энтальпией остальных компонентов пренебрегают.

Итого энтальпия шихты составит Q₃ =11,256+4,86=16,116 МДж.

4.4 Тепло, вносимое при протекании экзотермических реакций Q₄

В процессе ведения плавки происходит окисление имеющихся в шихте компонентов (в первую очередь Si, Mn, C и Fe). Точно учесть количество тепла, выделившееся при их протекании, на практике сложно из-за неоднородности химического состава шихты. Кроме того, при введении в печь избытка кислрода происходит избыточное окисление железа, а при введении малого количества кислорода часть углерода может не окислиться.

Q₄ =M_Si·q_Si+M_Mn·q_Mn+M_C·q_C+M_Fe·q_Fe+ M_Cr·q_Cr,

где М_i– масса соответствующего элемента, окислившегося за всю плавку по материальному балансу, q_i– тепловой эффект реакции его окисления (см. табл. П.2). В расчете условно принимаем, что все элементы окисляются по реакции

---

хМе + уО = Ме_хО_у. С учетом материального баланса запишем, что окислится:

Si до SiO₂: 0,341·28,4 = 9,68 МДж,

Mn до MnO: (0,168 + 0,140)·6,99 = 2,15 МДж,

Cr до Cr₂O₃: (0,028 + 0,027)·11 = 0,61 МДж,

Fe до FeO: (0,196 + 0,332)·4,76 = 2,51 МДж,

Fe до Fe₂O₃: (0,196 + 0,058)·7,36 = 1,87 МДж,

С до СО: (0,033+0,755)·11,3 = 8,90 МДж. Итого Q₄ = 25,72 МДж.

В процессе плавки часть графита окисляется до СО, часть – до СО₂, часть попадает в металл, а часть выносится в виде пыли с отходящими газами. При составлении теплового баланса принимают те же допущения, что и при составлении материального баланса (расход электродов 2 кг/т, ²/₃ этого количества попадает в металл и учитывается при окислении углерода из расплава, остальное сразу окисляется до СО).

Итого за плавку приход тепла в печь Q_п=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄, Дж,

Q_п =132,84+17,136 +16,116 +25,72=192,812 МДж.

Расход тепла.

---

4.5 Тепло, идущее на нагрев, плавление и перегрев до заданной температуры металла, шлака и легирующих добавок Q₅

В процессе плавки происходит расплавление лома, шлакообразующих и легирующих элементов (если они вводятся в шихту). Количество тепла каждой составляющей определяется исходя из материального баланса по формулам:

H_м =М_м·[c₁·(t_пл – t_о) + q_м + c₂·( t_вып. – t_пл)],

где М_м – масса компонента данного вида, вносимого в печь за плавку, с₁ – средняя теплоемкость этого материала в интервале температуры от загрузки до плавления, с₂ – средняя теплоемкость металла в интервале температуры от плавления до выпуска, t_о – температура скрапа при завалке, t_пл – температура плавления стали, t_вып – температура стали на выпуске, q_м – теплота плавления металла. Теплоемкость компонентов определяется по справочным данным. В табл. П.1 приложения приведены значения теплоемкости некоторых материалов. Средняя теплоемкость определяется следующим образом. Если лом перед завалкой не подогревали, то берется максимальное значение в соответствующей колонке. Если лом подогревали, скажем до 300 °С, то берется средняя теплоемкость материала в диапазоне от

---