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

1. Физическое тепло жидкого чугуна.

Q_ч = G_ч ^. (61,9 + 0,88 ^. t_ч) = 78,5·(61,9+0,88·1380) = 100189,55кДж,

где 61,9 –коэффициент, учитывающий энтальпию твёрдого чугуна, нагретого до температуры плавления, и теплоту плавления;

0,88 – теплоёмкость жидкого чугуна, кДж

2.Тепловой эффект окисления примесей шихты.

Q_x = 14770·[C]_ок+26970·[Si]_ок+7000·[Mn]_ок+21730·[P]_ок =

4770·3,40+26970·0,51+7000·0,22+21730·0,08 = 67251,10 кДж,

где 14470; 26970; 7000; 21730 – тепловые эффекты окисления, соответственно, углерода, кремния, марганца, фосфора.

3. Химическое тепло образования оксидов железа шлака.

Q_Fe = 37,07·G_FeO+5278·G_Fe2O3 = 3707·2,73+5278·0,91 = 14923,09 кДж

4. Тепловой эффект реакции шлакообразования.

Q_шо = 628·G_CaO+1464·G_SiO2 = 628·4,82+1464·1,38 = 5047,28 кДж

5. Тепло дожигания CO.

Q_CO = 10100·G_CO·z = 10100·0,72·0,2 = 1454,40 кДж

Общий приход тепла:

100189,55+67251,10 +14923,09 +5047,28+1454,40 = 188865,42кДж

Расход тепла

1. Физическое тепло жидкого металла.

Q_Me =(54,8+0,84·t_Me)·G_Me = (54,8+0,84·t_Me)·91,1 = 4992,28+76,524· t_Me

2. Физическое тепло шлака.

Q_Me =(2,09·t_Me -1379)·G_шл = (2,09·t_Me-1379)·11,356 = 23,734·t_Me-15659,

3. Физическое тепло отходящих газов.

Q_г=(1,32·t_г-220)·(G_CO+G_CO2)= (1,32·2000-220)·(6,434+2,638) = 21954 кДж

4. Затраты тепла на разложение оксидов железа неметаллических материалов.

FeO = 0,036 кг Fe₂O₃ = 0,457 кг

Q_Fe =3707·0,036+5278·0,457 = 2545 кДж

5. Потери тепла с выносами и выбросами.

Q_в = (54,8+0,84·t_{Me ср})·G_в = (54,8+0,84·1550)·1 = 1357 кДж

6. Затраты тепла на пылеобразование.

Q_д = (54,8+0,84·t_г)·G_п = (54,8+0,84·2000)·0,911 = 1580кДж

7. Тепло на разложение карбонатов.

Q_x = 4038·G_ик =4038·0,265 = 1070кДж

8. Тепловые потери.

Q_п = 189001·= 5670кДж

Общий расход тепла:

4992,280+76,524·t_Me+23,734·t_Me-15659,924+21954,24+2545,50+ +1356,80 +1580,40+1070,07+5670,03 = 23509,40+100,258·t_Me

Определим величину перегрева металла над температурой затвердевания:

t_пер. = 1649,305-1535 = 114,305 ⁰С (100-120 ⁰С)

Полученная величина перегрева находится в рекомендованном интервале: 100 -120 ⁰С. В противном случае, требуется пересчёт с увеличенным (если t_пер>120 ⁰С) или уменьшенным (если t_пер<100 ⁰С) по сравнению с заданным расходом охладителя (металлического лома) из расчёта: 1% лома снижает температуру металла на 15 – 20 ⁰С.

Подставив найденное значение температуры металла в конце продувки в статьи 1 и 2 расхода тепла составим сводную таблицу общего теплового баланса плавки в конвертере.

Сводная таблица общего теплового баланса

Статьи баланса		Количество тепла
		кДж	%
Приход тепла
1	Физическое тепло жидкого чугуна	100189	53,05
2	Тепловой эффект окисления примесей шихты	67251	35,61
3	Химическое тепло образования оксидов железа шлака	14923	7,90
4	Тепловой эффект реакции шлакообразования	5047	2,67
5	Тепло дожигания CO	1454	0,77
	Всего:	188865	100
Расход тепла
1	Физическое тепло жидкого металла	131203		69,47
2	Физическое тепло шлака	23484		12,43
3	Физическое тепло отходящих газов	21954		11,62
4	Затраты тепла на разложение оксидов железа неметаллических материалов	2545		1,35
5	Потери тепла с выносами и выбросами	1357		0,72
6	Затраты тепла на пылеобразование	1580		0,84
7	Тепло на разложение карбонатов	1070		0,57
8	Тепловые потери	5670		3,00
	Всего:	188865		100

Библиографический список

1. Теплотехнические расчеты металлургических печей: Учебник для студентов вузов / Гордон Я. М., Зобнин Б.Ф., Казяев М.Д. и др. 3-е изд-е. М.: Металлургия, 1993. 368 с.

2. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1975.

3. Металлургическая теплотехника/Под pед. В.А.Кpивандина. М.: Металлургия, 1986. Т.1, 2.

4. Расчеты нагревательных печей / Под ред. Тайца Н.Ю. Киев: Техника, 1969.

5. Бровкин Л.А. О тепловом балансе печи // Вопросы тепломассообмена в промышленных установках. Иваново: Верхне-Волжское изд-во, 1971. 88 с.

6. Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1986. 376 с.

7. Металлургия чугуна /Е.ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвиснев и др. М.: Металлургия, 1989, 512 с.

8. Рамм А.Н. Современный доменный процесс. М.: Металлургия, 1986.304 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Парциальное давление водяных паров и влагосодержание

газов в состоянии насыщения

Темпе-ратура, °С	Упругость водяных паров, кПа	Содержание водяных паров, г/м^3	Темпе-ратура, °С	Упругость водяных паров, кПа	Содержание водяных паров, г/м^3
-20	0,103	0,88	22	2,642	19,4
-10	0,260	2,14	24	2,982	21,8
-6	0,368	2,99	26	3,360	24,4
-2	0,517	4,13	28	3,771	27,2
0	0,611	4,84	30	4,241	30,3
2	0,705	5,60	32	4,753	33,9
4	0,813	5,40	34	5,318	37,6
6	0,934	7,30	36	5,940	41,8
8	1,072	8,30	38	6,240	46,3
10	1,227	9,40	40	7,375	51,2
12	1,401	10,7	50	12,330	83,0
14	1,597	12,1	60	19,920	130,0
16	1,817	13,6	70	31,170	198,0
18	2,062	15,4	80	47,360	293,0
20	2,337	17,3	90	70,110	424,0

Приложение 2

Теплофизические свойства стали

Параметр	Сталь	Температура,
		0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200	1300
Средняя темлоемкость, с, Дж/(кгК)	Углеродистая Низколегированная	466 469	486 486	506 503	524 520	540 536	562 549	591 591	620 645	695 695	695 686	692 675	687 670	683 670	683 -
	Жаропрочные Хромистые Хромоникелевая	452 497	469 504	486 511	506 524	532 536	561 545	598 554	636 561	683 570	691 574	682 582	682 591	678 595	678 599
Коэффициент теплопроводности, λ, Вт/(мК)	Углеродистые: Малоуглеродистые Среднеуглеродистые Высокоуглеродистые	58,6 50,6 49,2	55,6 49,4 46,6	52,.6 48,2 44,0	48,6 45,.6 40,.9	45,0 42,5 37,8	40,8 39,1 35,0	37,1 35,8 32,4	34,2 32,5 28,2	30,2 26,2 24,1	27,4 26,1 25,3	27,8 26,9 26,5	28,5 28,1 27,9	29,8 29,6 29,5	- - -
	Низколегированные: Хромистая Марганцовистая 80ХГС 50С2Г	47,3 43,1 - 26,5	44,8 41,6 37,2 28,5	42,3 40,1 40,7 30,2	39,4 38,9 38,4 31,1	36,4 37,0 37,2 31,1	35,5 35,3 36,1 31,1	32,6 34,4 34,9 30,2	31,1 31,0 33,7 28,0	26,8 26,4 32,6 25,1	27,2 - - 25,6	28,0 - - 26,4	29,3 - - 27,7	30,6 - - -	- - - -
	Жаропрочные: Хромистая Хромоникеливая	25,1 15,9	26,7 16,3	27, 17,2	27,7 18,4	27,7 20,1	27,2 21,7	26,7 23,8	25,6 25,6	25,1 26,7	26,7 26,7	27,7 28,0	28,8 28,8	30,1 29,7	- -

24