3.3 Тепловой баланс плавки

Тепловой баланс рабочего пространства двухванной печи рассчитывается для одной камеры (расчет ведется на 100 кг металлошихты).

3.3.1 Приход тепла

Физическое тепло чугуна

Физическое тепло чугуна считается по формуле:

Q_чуг = М_чуг · [С_тв · t_пл + q + С_жид · t _жид - t _пл )], (8)

где Q_чуг - физическое тепло чугуна, кДж;

М_чуг – масса чугуна, кг;

С_тв – средняя удельная теплоемкость твердого чугуна, кДж/(кг.°С);

t_пл – температура плавления чугуна, °С;

q – скрытая теплота плавления, кДж/кг;

С_жид – средняя удельная теплоемкость жидкого чугуна, кДж/(кг ∙ °С);

t _жид - температура жидкого чугуна, °С.

Q_чуг = 65 · [0,75 · 1150 + 218 + 0,814 · (1300 – 1150) = 78,67 МДж.

Тепло шлакообразования

Реакции шлакообразования имеют вид:

2СаО + SiO₂ = 2CaO · SiO₂; (9)

4CaO + P₂O₅ = 4 CaO(P₂O₅). (10)

Теплота шлакообразования определяется по формуле:

Q_шл = 2,04 + ΣSiO₂ + 4,7 · ΣP₂O₅ , (11)

где Q_шл – тепло, выделяемое при шлакообразовании, кДж;

ΣSiO₂ – количество SiO₂ в шлаке, кг;

ΣP₂O₅ – количество P₂O₅ в шлаке, кг.

Q_шл = 2,04 · 0,608 + 4,7 · 0,046 = 1,45 МДж.

Тепло экзотермических реакций

Тепло экзотермических реакций определяется по формуле:

Q_экз = Δ Н₁ · Δ С₁, (12)

где Q_экз – тепло, выделяемое экзотермическими реакциями, кДж

Δ Н₁ – тепловой эффект химической реакции, МДж/кг;

Δ С₁ – изменение концентрации 1 компонента, кг.

В объеме печи 30, объемной доли, % СО дожигается СО₂ благодаря чему выделяется дополнительное количество энергии.

Тепло экзотермических реакций, МДж:

С → СО₂ 86,420;

Si → SiO₂ 15,146;

Mn → MnO 1,620;

P → P₂O₅ 2,650;

Fe → Fe₂ O₃ (в дым) 8,102;

Fe → Fe₂O₃ (в шлак) 1,259;

Fe → FeО 7,001;

S → SO 2 0,064;

Итого: Σ Q_экз = 122,262 МДж.

Химическое тепло природного газа

Средний расход природного газа принимаем согласно заводским данным, который составляет 4500 м³ на плавку (1,8 м³/100 кг металлошихты). Определим количество тепла, вносимого природным газом:

Q_пр.г. = 1,8 · 34,4 = 61,92 МДж.

3.3.2 Расход тепла

Физическое тепло стали

Физическое тепло стали определяется по формуле:

Q_ст = М_ст · [С_тв · t_пл + q + С_жид · t _жид - t _пл )], (13)

где Q_ст – физическое тепло стали, кДж;

М_ст – масса стали, кг;

С_тв – средняя удельная теплоемкость твердой стали, кДж/(кг ∙ °С);

t_пл – температура плавления стали, °С;

q – скрытая теплота плавления стали, кДж/кг;

С_жид – средняя удельная теплоемкость жидкой стали, кДж/(кг ∙ °С);

t _жид - температура жидкой стали, °С.

Температура плавления стали определяется по формуле:

t_пл = Т_лик – 71 · [% С] , (14)

где Т_лик – температура ликвидуса, °С.

[% С] – содержание углерода в металле, массовая доля, %;

t_пл = 1539 – 71 · (0,1) = 1531,9 °С.

Q_ст = [0,7 · 1531,9 + 272 + 0,84 · (1600 – 1531,9) ] · 90,896 = 128,8 МДж.

Физическое тепло шлака

Физическое тепло шлака определяется по формуле:

Q_шл = (1,246 t_шл + 209) М_шл, (15)

где Q_шл – физическое тепло шлака, кДж;

t_шл – температура шлака, °С;

М_шл – масса шлака, кг;

Q_шл¹ = (1,246 · 1580 + 209) · 5 = 10,88 МДж;

Q_шл² = (1,246 · 1650 + 209) · 4,858 = 8,73 МДж;

Q_шл = Q_шл¹ + Q_шл², (16)

где Q_шл¹ - физическое тепло шлака первого периода;

Q_шл² – физическое тепло шлака второго периода;

Q_шл = 10,88 + 8,73 = 19,61 МДж.

Тепло, уносимое продуктами сгорания и аргоном

Тепло на нагрев газов до t_yx = 1600 °С найдем по формуле:

Q_{выд.газа} = G₁ · C_i · T , (17)

где G₁ – количество i-го газа, кг;

Ci ― теплоемкость i-го газа, кДж/(кг °С);

Т – температура, °С.

СО₂ 6,695 МДж;

H₂O 10,328 МДж;

N₂ 0,993 МДж;

Аr 0,00029 МДж;

ΣQ_{выд.газ.} 18,016 МДж.

Количество тепла, пошедшего на разложение известняка

Q_изв = q · m , (18)

где q – тепловой эффект реакции разложения, МДж/кг;

m – масса известняка, кг.

Q_изв = 1,78 · 3,582 = 6,375 МДж.

Тепло для нагрева СО, выделяющегося из ванн

Газ СО окисляется в рабочем пространстве, поэтому принята теплоемкость как для СО₂.

Тепло для нагрева CO найдем по формуле:

Q = Ci ∙ Мгаз ∙ Т ∙ 22,4 / 28, (19)

где Сi - теплоемкость газа, кДж/(кг∙ºС);

Мгаз – масса газа, кг;

Т – температура газа, ºС.

Q = 2,406 · 1700 · 5,913 · 22,4 : 28 = 19,348 МДж.

Тепло ушедшее с Fe₂O₃ (в дым)

Тепло ушедшее с Fe₂O₃ рассчитывается по формуле:

Q_Fe2O3 = G₁ · C_i · T; (20)

где G₁ – количество Fe₂O₃ кг;

Ci ― теплоемкость Fe₂O₃, кДж/(кг °С);

Т – температура °С.

Q_Fe2O3 = 1,231 ∙ 1700 ∙1,571 = 3,29 МДж.

Неучтенные потери

Неучтенные потери составляют 25,9 %.

Тепловой баланс плавки

Тепловой баланс одной ванны приведен в таблице 23.

Таблица 23 – Тепловой баланс плавки на 100 кг металлошихты

Приход тепла			Расход тепла
1	2	3	4	5	6
Статья баланса	МДж	%	Статья баланса	МДж	%
Физическое тепло чугуна	78,67	29,78	Физическое тепло стали	128,79	48,78

Продолжение таблицы 23

1	2	3	4	5	6
Тепло экзотер-мический реакций	122,26	46,31	Тепло уносимое продуктами сгоран.	18,02	6,84
Тепло шлакооб-разования	1,45	0,55	Тепло на разло-жение известняка	6,37	2,41
Химическое тепло природного газа	61,92	23,36	Тепло ушедшее с Fe2O3 в дым	3,29	1,25
			Тепло для нагрева СО	19,35	7,42
			Физическое тепло шлака	19,61	7,4
			Потери тепла	68,57	25,9
Итого	264,00	100	Итого	264,00	100