Тепловой баланс доменной плавки

Тепловой баланс плавки характеризует количество тепла, затраченного на производство 1 кг чугуна, поэтому тепловой баланс основан на материальном балансе плавки.

Существуют различные способы составления теплового баланса. Наиболее распространенным является способ диссоциаций, основанный на предположении, что реакции компонентов шихты с восстановителями (твердым углеродом, оксидом углерода, водородом) протекают в две стадии. На первой происходит диссоциация оксида с переводом кислорода в газовую фазу; тепловой эффект реакции при этом отрицательный. На второй стадии взаимодействия имеет место окисление восстановителя, сопровождающееся положительным тепловым эффектом. Например, реакция прямого восстановления

FeО + С = Fe + СO - 152,67 МДж

представляется в следующем виде:

FeО = Fe + ¹/₂О₂ - 270,61 МДж;

С + ¹/₂О₂ = СО + 117,94 МДж.

Преимуществом этого метода теплового баланса является упрощение расчетов, поскольку все реакции первой стадии всегда связаны с расходными статьями баланса, а второй с приходными. Однако разделение реакций на две стадии соответственно увеличивает общую величину приходных и расходных статей баланса, что придает ему условный вид, поскольку общая сумма баланса не отвечает действительному расходу тепла на процесс.

Приходные статьи баланса:

1. Тепло окисления углерода, доходящего до фурм, кислородом дутья до оксида углерода.

Тепловой эффект горения составит

С + ¹/₂О₂ = СО + 117,94 МДж, или 9830 кДж/кгС.

2. Тепло окисления углерода прямого восстановления кислорода шихты. Тепловой эффект не отличается от приведенного в статье 1.

3. Тепло окисления монооксида углерода кислородом железорудного материала.

Поскольку углерод может выступать в различных модификациях с соответственно разными тепловыми эффектами окисления, условно принимают, что углерод кокса находится частично в аморфном, частично в кристаллическом состояниях. Тогда

С + О₂ = СО₂ + 402,19 МДж, или 33,52 МДж/кг С;

СО + ¹/₂О₂ = СО₂ + 284,26 МДж, или 2,36 МДж/кг С.

4. Тепло неполного горения природного газа, мазута или других вдуваемых добавок.

При этом возможны реакции

СН₄ + ¹/₂О₂ = СО + 2Н₂ + 37,250 МДж, или 1660 кДж/м³ СО;

С₂Н₆ + О2 = 2СO + ЗН₂ + 136,010 МДж, или 3040 кДж/м³ СО;

С₃Н₈ + ³/₂О₂ = 3СО + 4Н₂ + 227,300 МДж, или 3380 кДж/м³ СО;

С₄Н₁₀ + 2О₂ = 4СO + 5Н₂ + 310,040 МДж, или 3460 кДж/м³ СО

и т. д.

5. Тепло окисления водорода кислородом шихты

Н₂ + ¹/₂О₂ = Н₂O + 242,8 Мдж, или 1,08 МДж /м³ Н₂.

6. Физическое тепло дутья.

Рассчитывают по температуре, составу и теплоемкости компонентов дутья.

7. Другие источники.

Физический нагрев шихтовых материалов, тепло, выделяемое при образовании шлака, которое может быть рассчитано по формулам М. С. Вологдина

q = 4,2 ∙ (3,14СаО — 17) кДж/кг чугуна

или А. Н. Рамма

q = 4,2 – 2,7СаО кДж/кг чугуна

где СаО — содержание извести в шлаке или компоненте шихты).

Иногда тепло шлакообразования учитывают в расходной части баланса, несколько снижая величину тепла, требуемого для нагрева и расплавления шлака.

В последнее время названные источники тепла учитывают редко в результате эффективного охлаждения агломерата, использования в печах полностью офлюсованной шихты и др. Из-за отсутствия данных и небольшой абсолютной величины в балансе не учитывают тепло образования карбидов, силицидов, фосфидов и других соединений.

Расходные статьи баланса:

1. Диссоциация восстанавливаемых оксидов.

По теплоте образования оксидов и степени их восстановления до металла можно рассчитать расход тепла на эту статью баланса. Кроме химического состава соединений, следует иметь сведения об их минералогическом состоянии. Например, оксид железа FеО может находиться в виде магнетита Fе₃О₄, фаялита Fе₂SiO₄ и других соединений (оливинов, сидеритов и т. д.), теплоты образований которых различны, а следовательно, и различны затраты тепла на диссоциацию.

Расход тепла на диссоциацию оксида железа(III) по реакции

Fе₂О₃ = 2Fе + 1,5О₂ - 827 020 кДж;

q '_1Fe(III) = ∙0,01∙ М _м∙Fe₂O_3м∙

Расход тепла на диссоциацию оксида железа(II) по реакции

FеО = Fе + 0.5О₂ - 270 610 кДж;

q '_1Fe(II) = ∙0,01∙ M _м∙FeO_м∙

Расход тепла на диссоциацию оксида марганца(II) по реакции

MnО = Mn + 0,5О2 - 406 220 кДж;

q '_1Mn(II) = ∙0,01∙ М _м∙MnO_м∙

Расход тепла на диссоциацию оксида фосфора по реакции

P₂O₅ = 2P + 2.50₂ - 1 554 000 кДж;

q '_1P = ∙0,01∙ М _м∙P₂O_5м∙

Расход тепла на диссоциацию оксида кремния по реакции

SiО₂ = Si + О₂ - 872 970 кДж;

q '_1Si= ∙0,01∙[Si]∙

Общий расход тепла на диссоциацию оксидов

q '₁ = q '_1Fe(III) + q' _1Fe(II) + q '_1Mn(II) + q' _1P + q '_1Si

2. Перевод серы в шлак.

При расходе тепла учитывают тип сернистого соединения для сульфидной и органической серы реакция имеет вид

СаО + S = СаS + 0,5О₂ - 173,63 МДж, или 5,426 МДж/кг S;

FеО и FеS, участвующие в реакции, образуются и распадаются в самой печи. По этой причине изменение эффекта из-за учета участия в реакции этих соединений на общий расход тепла не влияет.

Для сульфатной серы следует учитывать вид сульфата.

для СаSО₄ = СаS + 2O₂ - 921,19 МДж, или 28,79 кДж/кг S.

3. Разложение карбонатов.

Поскольку в доменной печи углекислые соли разлагаются полностью, по их количеству в шихте можно определять затраты тепла на эти реакции. На 1 кг СО₂ от разложения карбоната расходуется, МДж: 4,057 для СаСО₃ 2,451 для МgСO₃ и 2,188 для МnСО₃.

4. Разложение СО₂ флюса.

В приходной части баланса учтено тепло от реакций прямого восстановления, поэтому следует выделить расход тепла на диссоциацию части углекислоты флюса. Точная доля разлагающегося СО₂ неизвестна. А. Н. Рамм считает ее равной общей степени прямого восстановления.

5. Испарение влаги шихты, разложение гидратов и перегрев паров до температуры колошникового газа.

В этой статье учитывают нагрев гигроскопической воды до 100 °С, ее испарение и перегрев до температуры колошника, тепло разложения гидратов и перегрев паров воды до той же температуры. Тепло разложения гидратов с учетом парообразования, по данным В. В. Михайлова и С. Г. Братчикова, составляет 4,935 МДж/кг или, по данным Г.Сабатье, ~4,200 Мдж/кг.

6. Разложение влаги дутья и гидратной воды.

Водяной пар дутья полностью диссоциирует в фурменной зоне печи (с одновременным образованием монооксида углерода, тепло которого учтено в приходной части). Частично разлагается и гидратная вода. По данным А. Н. Рамма, диссоциирует 20-50% всей гидратной воды.

7. Тепло, затраченное на нагрев чугуна.

Зависит от сорта выплавляемого чугуна.

8. Тепло, затраченное на нагрев шлака.

Зависит от сорта выплавляемого чугуна.

9. Тепло, унесенное из печи колошниковым газом.

При имеющихся данных о составе, количестве и температуре газа общая потеря тепла с газом равна сумме произведений содержания компонентов газа на их теплоемкость и температуру.

10. Тепловые потери.

К тепловым потерям относят тепло, уносимое охлаждающей водой, а также наружные тепловые потери через стены лучеиспусканием и конвекцией и через фундамент теплопроводностью. В практике расчетов величину тепловых потерь находят по разности прихода и известных статей расхода тепла. В число потерь входит и величина невязки баланса. Поскольку истинное значение невязки неизвестно, неопределенными остаются и действительные потери тепла.

При расчетах допускают, что величина тепловых потерь (вместе с невязкой баланса) должна оставлять при выплавке передельного чугуна 4-10, литейного чугуна 8-13%. При выплавке ферросплавов величина тепловых потерь больше. Это является ориентировочной (но недостаточной) оценкой точности расчета.

Дата добавления: 2015-07-18