Принимая, что из атмосферы печи в ванну поступает 30% от общего количества кислорода, найдем величину последнего 3,0175+0,099+0,557+0,1 (3,0175+0,099+ +0,557) =4,04 кг.
Учитывая, что в первом периоде ванна недостаточно и неравномерно прогрета и процессы массобмена замедлены, принимаем коэффициент усвоения подаваемого в ванну кислорода, равным 0,9. Тогда расход технического кислорода составит
Здесь 0,95-доля O
Расход чистого кислорода 4,04-22,4/32 – 2,828 м3.
Расход чистого кислорода с учетом коэффициента усвоения 2,828/0,9 = 3,142 м3.
Количество неусвоенного кислорода 3,142–-2,828 = = 0,314 м3 или 0,486 кг.
Количество азота, подаваемого с техническим кислородом 3,3–3,142 = 0,158 м3 или 0,197 кг.
Количество технического кислорода, поступающего в ванну 4,04+0,486+0,197 = 4,723 кг.
Выход годного с учетом металла, уносимого скачиваемым шлаком (10 % от количества шлака)
100–3,216–2,181–0,6825–0,35–0,5–0,6=92,47 кг, где 3,216 – угар примесей; 2,181–количество окислившегося железа; 0,6825 – загрязнения скрапа; 0,35 – окалина скрапа; 0,5–миксерный шлак; 0,6 – потери металла со скачиваемым шлаком.
II период
Расчет материального баланса для второго периода плавки от расплавления до раскисления стали, проводится аналогично расчету для I периода.
2.3 Тепловой баланс
Целью расчета теплового баланса, рабочего пространства камеры печи, является определение средней тепловой нагрузки и тепловой нагрузки холостого хода. Расчет производим для одной камеры печи.
Приход тепла
Тепло, вносимое скрапом
820,75-103 кДж = 0,82 ГДж.
Здесь сск=0,469 кДж/(кг-К) – удельная теплоемкость скрапа при £CK=20°C; DCK=0,35 – доля скрапа в шихте; G –250 т емкость одной ванны печи.
2, Тепло, вносимое чугуном
Q4 = GD4 [с? ;пл.ч + К + с* ft ~ ^J ] == 250- 10s-0,65 [0,745 ■ 1200 + 217,72 + + 0,837 (1300 – 1200)3 = 194255,75 ■ 10^ кДж -= 194,26 ГДж, где Л, –0,65 – доля чугуна в шихте; с™ =0,745 кДж/
/(кг-К) –средняя удельная теплоемкость твердого чугуна в интервале температур 0–1200°С:'
cf =0,837 кДж/(кг-К) –тоже жидкого чугуна в интервале температур 1200–1300 °С;
1-4 = 217,72 кДж/кг – скрытая теплота плавления чугуна; £ч=1300°С – температура заливаемого чугуна; ^ш.ч –1200°С – температура плавления чугуна. • .
3.Тепло экзотермических реакций
С-СО2 ... 0,02405 250 103 34,09 = 204966,1
Si-SiO2 ... 0,00650 250 103 31,10 = 50537,5
Мn-МnО ... 0,00680 250 103 7,37= 12529,0
Fe-Fе2О3(в дым) ... 0,010000-250.103-7,37 = 18425,0
Р-Р2О5 ... 0,00129 250 103 25,00 = 8062,5
S-SO2 ... 0,00012 250 10 9,28 = 278,4
Fe-FeO ... (0,01940 + 0,00053)250-103 4,82 = 24015,6
Fe^Fe2O3 ... (0,00232 –0,00018) 250-103 7,37 = 3943,0
=322757,1 МДж = = 322,76 ГДж
здесь первый столбик чисел–доля выгоревшей примеси;
второй – емкость ванны, кг;
третий – тепловые эффекты реакций, отнесенные к 1 кг элемента, МДж/кг (см. приложение XII).
4.Тепло шлакообразования
SiO2-(CaO)2SiO2... 0,01393-250-103;28.60-2,32 =8075,75
Р206-(Са0)8РАСа0 ... 0,033 250 103 62 142 4,71 =738,63
QШ.о =8,81 ГДж=8814,38 МДж
здесь первая колонка – доля оксида;
третья и четвертая колонки – молекулярные массы
элемента и соединения, соответственно;
пятая колонка – тепловые эффекты реакции шлакообразования, МДж/кг (приложение XII).
5.Тепло от горения природного газа
QН р.г = 35069,6 В кДж - 0,035 В ГДж,
где Q=35069,6 кДж/м3 – низшая теплота сгорания природного газа (см. пример 35); В – расход природного газа на плавку, м3..
6.Тепло, вносимое подсасываемым в рабочее пространство воздухом, идущим на сжигание природного газа и СО
= (9,28В + 0,06279-250-103:28-22(4-2,38) 1,3226-20 =
= 245,47 В + 790598,34ТкДж = 0,000245 В 4- 0,79 ГДж.
Здесь и теоретические расходы воздуха для сжигания 1 м3 природного газа и 1 м3 СО, соответственно
равные 9,28 и 2,38 м3/м3; Dсо– доля образующегося СО (см. материальный баланс плавки);
Mco =28 кг– молекулярная масса СО;
Cв= 1,3226 кДж/м3 К) –теплоемкость воздуха при
t=20°С (приложение I).
3. Расход тепла
3.1 Физическое тепло стали
0,91119-250.103[0,7-1500+ 272,16+ 0,837(1600 –1500)1 - 320251,39-103 кДж - 320,25 ГДж.
Здесь Dст–0,91119 выход стали (cm. материальный баланс);
с=0,7 кДж/(кг К)–удельная теплоемкость твердой стали, средняя в интервале температур 0–1500 °С;
=0,837 кДж/(кг-К) –то же, жидкой стали средняя в интервале температур 1500–1600 °С;-
= 1500 C – температура плавления стали;
= 272,16 кДж/кг – скрытая теплота плавления стали.
2. Физическое тепло стали, теряемой со шлаком
= 0,00734-250- 100.7-1500 + 272,16 + 0,837(1600 –1500)] = 2579,753-103 кДж = 2,58 ГДж.
3. Физическое тепло шлака
Qшл = (1,25-1550+ 209,5) 0,06 250 103 +(1,25 1600+209,35) 0,0628 250 103 = 66889,545 103 кДж=66,89 ГДж.
Здесь 1,25 кДж/(кг-К) –теплоемкость шлака, средняя в интервале температур 0–1600°С;
209,35 кДж/кг – скрытая теплота плавления шлака;
0,06 и 0,0628 – доля шлака скаченного и конечного соответственно (см. материальный балане).
4. Тепло, уносимое продуктами сгорания при средней
температуре 1yx= 1600 °С
=BiyxVyx В 2592,64 10,34=26807,9 В кДж =0,0268 В ГДж. Здесь:
ico2...0,0955 3815,86 = 364,41
iо...0,1875 2979,13 = 558,59
,...0,7170.2328,65 = 1669,64
= 2592,64 кДж/м3.
Доли СО2, Н2О, N2 и Vyx заимствованы из табл. 17, их энтальпии – из приложения II при tух== 1600 °С.
5. Тепло, расходуемое на разложение известняка
1779,5 0,0507 250 103=22555 103кДж=22,56 ГДж.
Здесь 1775,5 кДж/кг – теплота разложения 1 кг известняка; .
0,0507 –доля известняка (см. материальный баланс).
6. Тепло, затрачиваемое на испарение влаги и нагрев
паров воды до tyx=1600°C.
= 0,000786 250 104,187 100+ 2256,8+1,88(1600– 100)]22,4 18 = 1297594,2 кДж - 1,3 ГДж.
Здесь 4,187 кДж/(кг-К) –теплоемкость воды, средняя в интервале температур 0–100 °С;
1,88 кДж/(кг-1<) –то же, пара в интервале температур 100–1600°С;
2256,8 кДж/кг – скрытая теплота испарения 1 кг воды;
0,000786 –доля Н2О в продуктах плавки (см. материальный баланс).
7. Тепло, затраченное на нагрев выделяющихся из ванны газов до t=1600°C.
СО2...3815,86-0,02146-250.103-22,4:44 = 10422,15-Ю3
СО,..2526,85-0,0б279.250.108.22,4:28 = 31732Д8-1б3
SO2,..3815,86-0,00101.250-103-22,4;64-337,23.103
N2...2328,65-0,00320.250-103-22,4;28 1490,33-103
О2…24б3,97-О,00664-250-Ю3-22,4:32 = 2863,13-103
= 46845,02-103 кДж = 46,85 ГДж
Здесь первый столбик чисел – энтальпия газов при tух =1600°С (приложение 2); второй столбик чисел –доля газа от массы садки (см. материальный баланс).
8. Тепло, теряемое с уносимыми частицами Fe2O3
= 0,01571 250 103(1,23 1600 +209,35)= 16773,76 103 кДж =16,78 ГДж.
9. Потери тепла с охлаждающей водой.
В рабочем пространстве двухванной печи водой охлаждаются заслонки окон (расход воды по 1,67- 10м3/с)„ змеевики столбиков (по 0,56-103 м3/с), амбразура шлаковой летки (1,12-103 м3/с) и кислородные фурмы (по 0,28 103 м3/с). Принимая, что повышение температуры воды в водоохлаждаемом элементе не должно превышать 20 К, находим потери тепла с охлаждающей водой;
Заслонки 3-1,67-10-3-4,187- 103-14400-20=6041,34 103
Змеевик 6-0,56- 10.4,187-103-14400.20=4051,68- 103
Амбразура 1-1,12-10.4,187- 103-14400-20=1350,56- 103
Фурмы 3-0,28-10-4,187-103=6840-20-481,14-103
=11924,72- 10Дж= 11,92ГДж
Здесь первый столбец чисел – количество водоохлаждаемых элементов; второй – расход воды, м3/с; третий – теплоемкость воды, кДж/(м3К); четвертый – время теплового воздействия на водоохлаждаемый элемент, с; пятый – разность температур выходящей и входящей воды, К.
Рамы завалочных окон и пятовые балки свода имеют испарительное охлаждение. Принимая расход химически очищенной воды на каждый элемент 0,11- 10м3/с найдем общий расход воды:
Рамы завалочных окон 3-0, 11 10=0,33- 10
Пятовые балки передней
Стенки 3-0,11 103=0,33-I0
Пятовые балки задней стенки 3.0,11-10=0,33-.10
Всего =0,99-103 м/с
Считая, что выход пара составляет 90 % (0,89- 103м3/с), найдем потери тепла с испарительным охлаждением.
4,187-103 0,99.10 (100 – 30) 14400 + [2256,8 +1,88(150 -100) 103-0,89-10 14400 18:22,4 =27952,17-103 кДж = 27,95 ГДж.
Суммарные потери тепла с охлаждающей водой равны
Qохл = 11,92 + 27,95=39,87 ГДж.
10. Потери тепла через футеровку [формула (155)].
Потери тепла через свод
14042,073-103 кДж = 14,04 ГДж
Коэффициент теплопроводности магнезитохромита согласно приложению XI при средней температуре свода 0,5 (1580+300)=940°С равен =4,1- 0,0016-940=2,6 Вт/(м К). Коэффициент теплоотдачи конвекцией равен
=10+0,06 300=28 Вт/(м2 К). Толщина футеровки 0,5(0,46+0,10)=0,28 м взята средней за кампанию печи.
Потери тепла через стены печи
Задняя стенка имеет слой магнезита средней толщиной 0,75 м и слой легковесного шамота толщиной =0,065 м. Принимая температуру наружной поверхности футеровки равной 200°С, а на границе раздела слоев 1100°С, согласно приложению XI получим
м - 6,28 0,0027 0,5 (1580 + 1100) = 2,66 Вт/(м К) и
= 0,314 + 0,00035 0,5(1100 + 200) = 0,54 Вт/(м К) и
а = 10 + 0,06-200 = 22 Вт/(м К).
Тогда
= 1159,32 10 кДж=1,16 ГДж
Потеря тепла через переднюю стенку
12,54 14400=1398,8 10кДж=1,4 ГДж
Здесь = 6,28–0,0027(1580 + 200)/2 = 3,88 Вт/(м К).
Потери тепла через под равны
= 5100 102,4 14400 = 6475,78-103 кДж = 6,48 ГДж.
Здесь: 5100 Вт/м2 –удельные потери тепла через под; 102,4 м2 – площадь пода. Всего теряется через футеровку
=14,04 + 1,16 + 1,4 + 6,48= 23,08 ГДж.
11. Потери тепла излучением через окна печи
[формула
(156)]
5,7 0,65 () 1,6 1,7 5400 =
= 6697,34 103 кДж = 6,7 ГДж.
12. Потери тепла на диссоциацию СО2 и
Н2О примем
равными 2 % от тепла, получаемого при сжигании природного газа, т. е.
Qдисс = 0,02 0,035 В = 0,0007 В ГДж.
13. Потери тепла с выбивающимися газами и примем
равными 2,5 % от тепла, получаемого при сжигании природного газа
= 0,025-0,035 3 = 0,00088 В ГДж.
Расход природного газа найдем из уравнения теплового баланса
0,82 + 194,26 + 322,76 + 8,81 + 0,035 В + 0,000245 В + 0,79 = 320,25 + 2,58 + 66,89 + 0,0268 В 22,56 +1,3 + 46,85 + 16,78 + 39,87 + 23,08 + 6,7 + 0,0007 В + +0,000885 или
0,006865 В = 20,21,
откуда
В=2943,9 м3.
Тепловой баланс рабочего пространства камеры двухванной печи представлен в табл. 43.
Средняя тепловая нагрузка равна
Qcp = 35, 0 2943, 9:14400 = 7,155 МВт. Тепловая нагрузка холостого хода равна (39,87+ 23,08+ 6,7): 14400 =4,84 МВт.
Таблица 2. Тепловой баланс камеры двухванной печи
Статья прихода
ГДж {%)
Статья расхода
ГДж (%)
Физическое тепло: скрапа .... чугуна .... воздуха . . . Тепло реакций: экзотермических шлакообразования ..._.. Тепло от горения природного газа
0,82(0,13) 194,26(30,78) 1,51(0,24)
322,76(51,13) 8,81(1,39) 103,04(16,33)
Физическое тепло:
стали ....
металла в шлаке
шлака ....
Разложение известняка ....
Испарение влаги
Нагрев газов
Вынос с частица
ми Fe2O3 ....
Водяное охлаждение
Потери тепла:
через футеровку
излучением . .
на диссоциацию
с выбивающимися газами . . .
с продуктами сгорания
320,26(50,74) 2,58(0,41) 66,89(10,55)
22,56(3,57) 1,30(0,21) 46,85(7,42)
16,78(2,66) 39,87(6,33)
23,08(3,66) 6,70(1,08) 2,09(0,33)
2,63(0,42) 79,60(12,62)
Итого
631,20(100,0)
Итого
631,20 (100,0)
Расход топлива по периодам плавки
Период выпуска и заправки (продолжительность 1440 с). Примем, что тепловая нагрузка в период выпуска и заправки равна 75 % средней тепловой нагрузки. Тогда
= 0,75-7,155=5,366 МВт, а расход природного газа
5,366-1440/35,0 = 220,64 м3/период.
Период завалки и прогрева (продолжительность 4680 с). В этом периоде поддерживают максимальную тепловую нагрузку, составляющую 125 % от средней. Тогда
Q2 = 1,25-7,155 = 8,94 МВт
и В2 - 8,94-4680/35,0 = 1195,69м/период.
Период заливки чугуна и плавления (продолжительность 4680 с). Обычно период заливки и плавления проходит при средней тепловой нагрузке. Тогда
Q3 = 7,155 МВт и В = 7,155 4680/35,0=956,87 м/период.
Период доводки (продолжительность 3600 с) Q4 ==(7,155 14400- 5,366 1440- 8,94 4680- 7,155 4680)/3600=5,55 МВт. Тогда В4 = 5,55 3600/35,0=570,7 м3/период.
Правильность расчета проверяем, суммируя расходы природного газа по периодам
220,64 + 1195,69 + 956,87 +570,70 - 2943,9 м3, что соответствует значению, найденному из теплового баланса.
Заключение
Таким образом, двухванная печь имеет много эксплуатационных и сантехнических недостатков. В связи с этим и несмотря на то, что двухванные печи имеют значительную производительность, их следует рассматривать как временную, промежуточную конструкцию, соответствующую сложному (в техническом и экономическом отношении) периоду полного перехода нашей металлургии с мартеновского на конвертерный способ производства стали.
Список использованных источников
1 Металлургическая теплотехника в 2-х томах 1. Теоретические основы: Учебник для вузов В. А. Кривандин, В. А. Арутюнов, Б. С.Мастрюков и др. М.: Металлургия, 1986. 424. с.
2 Металлургические печи: Атлас учебное пособие для вузов В. И. Миткалинный, В. А. Кривандин, В. А. Морозов и др. М.: Металлургия 1987.
