3.2 Расход теплоты

3.2.1 Физическая теплота стали, кДж:

Q_ст =d_ст·G·[c_ст^тв ·t_пл.ст +L_ст +c_ст^ж (t_ст –t_пл.ст )]=0,93*100000[0,7*1500+272,16+0,837*100]=130744980 кДж

где d_ст – выход стали (d_ст=0,91 – 0,97);

G - емкость печи, кг;

c_ст^тв – удельная теплоёмкость твёрдой стали в интервале температур 0-1500 ^оС (c_ст^тв = 0,7 кДж/(кг·К));

c_ст^ж - удельная теплоёмкость жидкой стали в интервале температур 1500-1600 ^оС (c_ст^ж = 0,837 кДж/(кг·К));

(t_ст –t_пл.ст ) – интервал температур плавления стали (1600 – 1500 ^оС);

L_ст – скрытая теплота плавления стали (L_ст = 272,16 кДж/кг).

3.2.2 Физическая теплота стали, теряемой со шлаком, кДж:

Q_ст-шл =d_щл·G·[c_ст^тв ·t_пл.ст +L_ст +c_ст^ж (t_ст –t_пл.ст )]=0,007*100000[0,7*1500+272,16+0,837*100]=984102 кДж

где d_шл – доля шлака (d_шл=0,005 – 0,008);

G - емкость печи, кг.

3.2.3 Физическая теплота шлака, кДж:

Q_шл =d_щл·G·(c_шл ·t_шл +L_шл)=0,007*100000(1,25*1700+209,35)=1634045 кДж

где c_шл – удельная теплоёмкость шлака при температуре 1700 ^оС (c_шл = 1,25 кДж/(кг·К));

G - емкость печи, кг;

L_шл – скрытая теплота плавления шлака (L_шл = 209,35 кДж/кг);

t_шл – температура шлака (1700 ^оС).

3.2.4 Теплота, уносимая газообразными продуктами реакций с температурой t_ух=1500 ^оС, Дж:

Q_yx = 295· G=29500000 Дж,

где G - емкость печи, кг.

3.2.5 Теплота, уносимая частицами Fe₂O₃, кДж:

Q_Fe2O3 =d_Fe2O3·G·(c_Fe2O3 ·t_ух +L_Fe2O3)=0,04*100000(1,23*1500+209,34)=8217360 кДж,

где c_Fe2O3– удельная теплоёмкость Fe₂O₃ при температуре 1500 ^оС (c_Fe2O3 = 1,23 кДж/(кг·К));

G - емкость печи, кг;

t_ух – температура уходящих газов (1500 ^оС);

L_Fe2O3 – скрытая теплота плавления Fe₂O₃ (L_шл = 209,34 кДж/кг).

d_Fe2O3 – доля Fe₂O₃ , уносимая с дымом (d_Fe2O3=0,04 – 0,05).

Потери теплоты теплопроводностью через футеровку

Для определения тепловых потерь через футеровку ДСП применяют формулы для плоской стенки. Для расчёта тепловых потерь через стенку печи необходимо знать:

- вид огнеупорных материалов;

- коэффициент теплопроводности огнеупорных материалов;

- коэффициент теплоотдачи с внешней стенки печи в окружающую среду;

- геометрические размеры стенки печи.

Как правило, между слоями футеровки выполняют слой засыпки из огнеупорного порошка, толщиной 20-40 мм. Тепловым сопротивлением слоя засыпки в данном расчёте пренебрегаем.

Коэффициент теплопроводности магнезита равен λ_м = 6,28-0,0027·t_ср Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности хромомагнезита: λ_хм = 4,07-71,5·10^-5·t_ср Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности шамота: λ_ш = 0,84+58·10^-5t_ср Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности диатомита λ_д = 0,11+17·10^-5·t_ср Вт/(м·К).

Для определения коэффициента теплопроводности в качестве значения t_ср принимаем полусумму значений температур на внутренней и внешней поверхностях всей толщины футеровки.

Температура внутренней поверхности футеровки печи равна t₁=1600°С, температуру внешней поверхности верхней части стены примем равной Т₁, нижней Т₂. Температура внутренней поверхности футеровки свода равна t_св=1500°С, температура внешней поверхности свода Т_св.

Принимая, что к концу кампании футеровка рабочего слоя (хромомагнезитового) может износиться на 50 %, принимаем расчетную толщину этого слоя футеровки равной 75% первоначальной толщины.

А) Потери теплоты теплопроводностью через стены (верхняя часть)

Футеровка стен в верхней части δ_в состоит из хромомагнезитового кирпича толщиной x₁ мм и магнезитового кирпича, толщиной y₁ мм.

3.2.6 Определяем коэффициент теплоотдачи от внешней стенки в окружающую среду, Вт/(м²·К):

α₂=10+0,06·T₁=10+0,06*370=32,2

где T₁ – температура внешней поверхности верхней части стены, ^оС (Приложение А).

3.2.7 Так как стены имеют два равных по высоте участка разной толщины: нижний (на уровне откосов) и верхний, то площади внешних поверхностей этих участков будут равны и определяются по формуле, м²:

F=π·D_k·H_пл/2=3,14*7,9848*2,35/2=29,45.

3.2.8 Принимая температуру в цехе (Т_ос) равной 30°С, находим потери теплоты через верхнюю часть стен печи с учётом того, что расчетная толщина хромомагнезитового слоя футеровки равна 75% первоначальной толщины, по формуле, Дж:

=

Q^ст=2584892329 Дж

где δ_i – толщина слоя, м;

λ_i – коэффициент теплопроводности слоя при средней температуре этого слоя, Вт/(м·К);

F – площадь наружной поверхности верхней части стен, м².

Б) Потери теплоты теплопроводностью через стены (нижняя часть)

Футеровка стен в нижней части состоит из хромомагнезитового кирпича толщиной x₁ мм, магнезитового кирпича, толщиной y₁ мм и шамотного кирпича, толщиной δ_ш.

По формулам (3.2.6), (3.2.8) определяем потери теплоты через нижнюю часть стен , принимая температуру поверхности нижней части стены T₂ (Приложение А), площадь внешней поверхности нижней части равной площади верхней.

Потери теплоты теплопроводностью через свод

3.2.9 Площадь внешней поверхности свода определяем по формуле, м²:

F = π·[0,15² · (D_k – δ_cт)²+(D_k – δ_cт)² ]/2=3,14[0,0225(7,9848-0,455)²+(7,9848-0,455)²]/2=90,86

3.2.10 Для определения тепловых потерь свода используем значение площади его наружной поверхности и формулы (3.2.6) и (3.2.8), принимая температуру внешней поверхности свода T_св. При этом футеровка свода состоит из одного слоя хромомагнезитового кирпича, толщиной δ_св, мм (Приложение А).

3.2.11 Коэффициент теплоотдачи конвекцией подины (обращенной вниз поверхности) равен:

α₂ = 0,7(10+ 0,06· T_под)=0,7(10+0,06*200)=15,4

где T_под – температура внешней поверхности подины, T_под =200 ^оС.

3.2.12 При определении площади наружной поверхности подины примем, что она состоит из поверхности сферического сегмента, равной площади наружной поверхности свода и цилиндрической поверхности F_под:

F_под= π·D_k·(H_под– δ_п)=3,14*7,98*(6,23-0,905)=133,4

где:

H_под = δ_п + H +H_шл + 0,04 + 0,065=0,905+4,88+0,34+0,04+0,065=6,23

3.2.13 Для определения тепловых потерь подины используем значение площади её наружной поверхности и формулы (3.2.6) и (3.2.8), принимая температуру внутренней поверхности подины 1600 °С. Футеровка подины имеет толщину δ_п, мм и состоит из огнеупорной диатомитовой набивки толщиной x мм, огнеупорной кладки из магнезитового кирпича толщиной y мм и слоя шамота толщиной z мм.

3.2.14 Подсчитываем общие потери теплоты теплопроводностью через футеровку печи, ∑Q_тепл. Они выражаются суммой потерь теплоты через стены (верхнюю и нижнюю часть), свод и подину печи. Потерями тепла с водой, охлаждающей рабочее окно дуговой сталеплавильной печи пренебрегаем:

∑Q_тепл = + + + =2401293421+2584892329+8420791932+2073436200=15480 МДЖ

3.2.15 Потери теплоты в период межплавочного простоя.

В период подвалки шихты печь раскрывается и потери теплоты в этот период складываются из потерь теплоты излучением через раскрытый свод, потерь теплоты с газами, с ох­лаждающей водой и теплопроводностью через футеровку печи. Расчет этих величин в случае раскрытой печи достаточно сложен, так как температура внутренней поверхности футеровки быстро падает. Поэтому ориентировочно примем, что потери теплоты в период межплавочного простоя будут равны, ГДж:

Q_мп = (∑Q_тепл + Q_oxл + 0,5·Q_yx)· k_н · τ_п/ τ_р=(15,4+14+0,5*0,0295)*1,1*2160=7,3 ГДЖ

где k_н - коэффициент неучтенных потерь, k_н=1,1-1,2;

Q_тепл – потери теплопроводностью, ГДж;

Q_oxл – потери тепла от охлаждения печи, Q_oxл = 14 ГДж;

Q_yx - тепло, уносимое газообразными продуктами реакций, ГДж.

3.2.16 Расход электроэнергии найдем из уравнения теплового баланса периода расплавления дуговой сталеплавильной печи. Для чего необходимо все составляющие перевести в ГДж и из теплового баланса получить значение Q_д:

Q_прих = Q_расх

Q_ш+ Q_д+ Q_экз+ Q_шл.обр.+ Q_т-ва = Q_ст+ Q_ст-шл+ Q_шл+ Q_yx+ Q_Fe2O3+ Q_тепл+ Q_мп

0,91+Q_д+49,9+1,4+0,01=130,7+0,98+1,63+0,029+8,21+15,4+7,3

Q_д=112

Откуда из формулы (3.1.2) находим W_эл - используемую в печи электроэнергию.

W_эл=112/0,9*10^-6=124,4*10⁶

Результаты расчета теплового баланса периода расплавления дуговой сталеплавильной печи сводятся в таблицу 1.

Т а б л и ц а 1. Тепловой баланс периода расплавления дуговой сталеплавильной печи

Статья прихода	ГДж (%)	Статья расхода	ГДж (%)
1. Теплота, вносимая шихтой	0,91	1. Физическая теплота стали	130,7
2. Энергия, вносимая дугами	112	2. Физическая теплота стали, теряемой со шлаком	0,98
3. Теплота экзотермических реакций	49,9	3.Физическая теплота шлака	1,63
4. Теплота шлакообразования	1,4	4.Теплота, уносимая газообразными продуктами реакций	0,029
5. Теплота, вносимая в ДСП с топливом	0,01	5.Теплота, уносимая частицами Fe203	8,21
		6. Потери теплоты теплопроводностью	15,4
		7. Потери теплоты в период межплавочного простоя	7,3
ИТОГО	164,2	ИТОГО	164,2

3.2.17 Удельный расход электроэнергии на 1 кг металлической завалки, ГДж/кг:

ω₂ = W_эл /G=124,4*10⁶/10⁵=1244 ГДж/кг

3.2.18 Тепловой коэффициент полезного действия равен:

η_Т= (Q_ст+ Q_ст-шл+ Q_шл)/ Q_прих=(130,7+0,98+1,63)164,2=0,81

3.2.19 Учитывая, что η_эл = 0,9, общий коэффициент полезного действия будет равен:

η_общ= η_эл· η_Т=0,9*0,81=0,729

Несколько повышенный расход электроэнергии и соответственно пониженные значения величин η_Т и η_общ обусловлены большой потерей теплоты с уходящими газами. Для уменьшения этих потерь целесообразно подать в ванну в период расплавления технический кислород.