2.2 Расчет технологических параметров периода нагрева лома

Соотношение между жидким чугуном и стальным скрапом в металлической завалке выбирается с учетом состава и температуры заливаемого чугуна, а также требуемых показателей процесса окончания плавки.

Таблица 4 – Состав исходных материалов

Наименование материала	Содержание компонентов, %
	CaO	SiO2	MgO	FeO	Fe2O3	Al2O3	CaF2	MnO	P2O5	S	CO2	H2O
Известь	89,00	1,23	1,52		0,82	0,45				0,04	6,25	0,69
Марганцевый агломерат	3,0	20,0	1,0	12,00	31,0	5,0		27,80	0,20
ИМФ	55,0	6,0	36,0			3,0
Алюминиевая выбойка						15,10	34,40			0,08	50,42
Зола ТБО	18,50	54,4	0,70		7,0	19,4
Футеровка	5,80	3,0	88,70		1,25	1,25
Миксерный шлак	7,50	54,50	3,30	18,70		10,6		5,0	0,20	0,20
Загрязнение стального скрапа	3,00	68,0	2,00		3,0	24,0
Зола угля	2,40	69,40	0,50		5,70	22,0

Таблица 5 - Химический состав топлива, %

Химический состав угля	Содержание элементов
	C^P	H^P	S^P	O^P	N^P	W^P	A^P
Уголь	66	4,7	0,5	7,5	1,8	8,5	11
ТБО	42,6	5,90	0,2	46,3	0,5	0,5	4,0

В зависимости от условий работы, количество лома в шихте обычно составляет 20-30% от веса металлической завалки и обеспечивается предварительный нагрев лома. Нагрев лома осуществляется в конвертере за счет сжигания топлива (угля и ТБО) в потоке кислорода.

Расход угля на подогрев определяется расходом ТБО. Расчет расхода угля выполняетсяс целью обеспечения замкнутого теплового баланса плавки.

Расчет выполняется в несколько этапов ().

С учетом теплотворной способности, химического состава угля и ТБО, их расходами на предыдущей плавке, и коэффициента усвоения тепла от топлива определяется тепловой эффект предварительного нагрева лома. В данном расчете расход угля принят равным 0,65 кг на 100 кг металлической завалки.

Q_нагр = Q_уголь + Q_тбо; (2.1)

Q_уголь = ·M_уголь · К₁; (2.2)

Q_тбо = ·M_тбо · К₂, (2.3)

где К₁, К₂ − коэффициенты усвоения тепла угля и ТБО, соответственно, %;

= 26267,95 кДж/кг;

= 20845,25 кДж/кг;

К₁ = К₂ = 35%;

Q_нагр = 26267,95 ∙ 0,65 ∙ 35 / 100 + 20845,25 ∙ 0,8 ∙ 35 / 100 =

= 11812,63 кДж/100 кг.

Затем определяется температура лома после нагрева по формуле:

= Q_нагр / (М_л · С_л) + t_л, (2.4)

где С_л − теплоемкость твердого лома, равная 0,7 кДж/кг∙град;

М_л − количество лома, кг;

− температура лома после нагрева, ^оС;

t_л − температура лома до нагрева, ^оС (принимаем равной 0 ^оС);

= 11812,63 / (30 · 0,7) = 562,51 ^оС.

Избыточное тепло чугуна Q_изб рассчитывается на 100 кг чугуна. Во время продувки выгорит следующее количество основных примесей чугуна:

Q_изб = 10³ · [(8,35 - 0,1 · В) · Si + 1,6 · Mn + 3,8 · C + 2 + 0,0195 · t_чуг] –

– [(0,44 + 0,64 · В) · Si + 0,17 · Mn + 0,785 · С + 20,4] · t_м,

где Si, Mn, C – окислившееся их количество, % от веса чугуна;

В – основность шлака (CaO/SiO₂ = 3,2);

С = 4,25%; Mn = 0,35%; Si = 0,6 %;

t_чуг – температура заливаемого чугуна, ^оС;

t_м – температура металла на выпуске, ^оС;

Q_изб = 10³ · [(8,35 - 0,1 · 3,2) · 0,6 + 1,6 · 0,35 + 3,8 · 4,25 + 2 + 0,0195 · 1420] –

− [(0,44 + 0,64 · 3,2) ·0,6 + 0,17 · 0,35 + 0,785 · 4,25 + 20,4] · 1610 · 4,19 =

= 44009,39 кДж/100кг чугуна.

Далее рассчитывается величина охлаждающего эффекта лома, которая в зависимости от температуры его нагрева будет иметь разную величину:

q_л = · (- ) + q_скр. + (t_м - ) ·, (2.5)

где – теплоемкость лома, равная 0,7 кДж/кг∙град;

– температура плавления лома, ^оС (принимается равной температуре плавления выплавляемой стали);

– температура лома после нагрева;

q_скр – скрытая теплота плавления лома, равная 284,9 кДж/кг;

t_м – температура металла в конце продувки, ^оС;

– теплоемкость расплавленного лома, равная 0,84 кДж/кг∙град;

q_л = 0,7 · (1529 - 562,5) + 284,9 + (1610 - 1529) · 0,84 =

= 1029,49 кДж/кг.

При этом расчетный расход лома составит:

, (2.6)

где q_л – охлаждающий эффект лома, кДж/кг;

= 44009,4 / (1029,49 + 0,01 · 44009,4) = 29,95% лома.

Получив значение величины , определяется разность между фактическим расходом лома и расчетным:

∆G = .

Дальнейший расчет периода нагрева лома заключается в сведении этой величины к нулю несколькими путями:

• если ∆G < 0, следовательно фактическое количества лома меньше расчетного и для сведения баланса необходимо снижать расход топлива или увеличивать процент лома в шихте;

• если ∆G > 0, значит фактическое количество лома больше чем расчетное, необходимо добавлять количество топлива. Операция повторяется до тех пор, пока величина ∆G не будет сведена к нулю.

После того, как рассчитано необходимое количество угля и ТБО на плавку, определяется количество кислорода на нагрев, а также состав и объем отходящих газов этого периода. Основываясь на практических данных работы конвертеров, принимаем, что углерод угля и ТБО сгорает с образованием 40% СО и 60% СО₂. Также необходимо учитывать кислород для сжигания находящегося в угле и ТБО водорода (окисление происходит по реакции 2H₂ + O₂ = 2H₂O).

Учитывая тот факт, что операция нагрева ограничена по времени (5-7 мин), в данном расчете принято, что в процессе нагрева сгорают летучие компоненты топлива, а также 40-70% углерода. Перед заливкой чугуна в конвертере остается не окислившийся углерод топлива и зола. Количество неокислившегося углерода может быть принято 50%.

С учетом усвоения кислорода ванной, равной 95%, чистоты технического кислорода 99,6%, а также количества азота, поступившего в металл с кислородом, определяется его количество на прогрев:

1,01 ∙ 95 / 100 = 0,96 кг или 0,96 ∙ 22,4 / 32 = 0,672 м³;

0,672 / 99,6 ∙ 100 = 0,675 м³.

Вместе с кислородом поступит азота:

0,675 - 0,672 = 0,003 м³ или 0,004 кг.

Всего технического кислорода на прогрев требуется:

0,96 + 0,004 = 0,964 кг.

В процессе продувки образуются газы: CO₂, CO, N₂, H₂O от водорода топлива, H₂O, неусвоенный O₂.

Тогда общее количество газов, выделившихся за период нагрева, составит:

1,05 + 1 = 2,05 кг.

Рассчитанные количества угля, ТБО, кислорода и газов входят в итоговую таблицу материального баланса.

Таблица 6 − Количество кислорода и образовавшихся оксидов

Элемент	Количество окислившегося элемента, кг	Потребное количество кислорода, кг	Количество образовавшегося окисла, кг
Уголь	66 ∙ 0,65 / 100 ∙ 0,6 ∙ 0,5 = 0,129	0,129 ∙ 32 / 12 = 0,343	0,472
C - {CO2}
C - {CO}	66 ∙ 0,65 / 100 ∙ 0,4 ∙ 0,5 = 0,086	0,086 ∙ 16 / 12 = 0,114	0,200
H2 - {H2O}	4,7 ∙ 0, 65 / 100 = 0,031	0,03 / 4 ∙ 32 = 0,244	0,275
ТБО	42,60 ∙0,8 / 100 ∙ 0,6 ∙ 0,5 = 0,102	0,102 ∙ 32 / 12 = 0,273	0,375
C - {CO2}
C - {CO}	42,60 ∙ 0,8 / 100 ∙ 0,4 ∙ 0,5 = 0,068	0,068 ∙ 16 / 12 = 0,091	0,159
H2 - {H2O}	5,9 ∙ 0,8 / 100 = 0,047	0,047 / 4 ∙ 32 = 0,378	0,425
Итого:	0,463	1,433 - 7,5 ∙ 0,65 / 100 - 46,3 ∙ 0,8 / 100 = 1,01^1)	1,474
^1) вычитаем кислород топлива, где 7,5 и 46,3 − кислород угля и ТБО, соответственно

Таблица 7 – Количество и состав газов

Уголь		ТБО
CO2	(66 ∙ 0,65 / 100 ∙ 0,6 ∙ 44) / 12 ∙ 0,5 = 0,47	CO2	(42,6 ∙ 0,8 / 100 ∙ 0,6 ∙ 44) / 12 ∙ 0,5 = 0,37
CO	(66 ∙ 0,65 / 100 ∙ 0,4 ∙ 28) / 12 ∙ 0,5 = 0,20	CO	(42,6 ∙ 0,8 / 100 ∙ 0,5 ∙ 28) / 12 ∙ 0,5 = 0,2
N2	0,65 ∙ 1,8 / 100 = 0,0117	N2	0,5 ∙ 0,8 / 100 = 0,004
H2O(от H)	(4,7 ∙ 0,65) / 100 ∙ 18 / 2 = 0,27	H2O(от H)	5,9 ∙ 0,8 / 100 ∙ 18 / 2 = 0,425
H2O	8,5 ∙ 0,65 / 100 = 0,055	H2O	0,5 ∙ 0,8 / 100 = 0,004
O2	1,01 - 0,96 = 0,05*
Итого:	1,06 кг	Итого:	1,01 кг
* – не усвоенный ванной кислород