Факультет информационных

технологий

Кафедра информационных

технологий в металлургии

Расчет теплового баланса металлургического процесса

Новокузнецк

2009

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра информационных технологий в металлургии

Расчет теплового баланса металлургического процесса

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по дисциплинам «Математические модели и автоматизированные технологии», «Физико-химические модели в металлургии». Специальность: 230201 - Информационные системы и технологии

Новокузнецк

2009

УДК 669.162.275.012.34(07)

Р 248

Рецензент:

Доктор технических наук, профессор СибГИУ

К.М. Шакиров

М 341 Расчет теплового баланса металлургического процесса: Метод. указ./ Сост.: И.А. Рыбенко, С.П. Мочалов: СибГИУ.- Новокузнецк, 2009.- 28с.

Изложены принципы расчета теплового баланса металлургического процесса. Рассмотрен пример расчета, приведены варианты заданий.

Предназначено для студентов специальности: 230201 – Информационные системы и технологии.

1. Общие принципы расчета теплового баланса металлургического процесса

При выводе уравнений теплового баланса принято, что основными определяющими процессами для теплового состояния системы являются: физическое тепло входных и выходных потоков, химические реакции с соответствующими тепловыми эффектами и теплообмен с окружающей средой. Уравнения теплового баланса базируются на законе сохранения энергии Q_прих=Q_расх.

С учетом теплосодержания входных - выходных потоков, общего тепла химических реакций, протекающих в системе, тепла от внешних источников, а также потерь в окружающую среду уравнение теплового баланса имеет вид:

(1)

где -энтальпия единицы массы k-го входного и l-го выходного потоков относительно температуры 298К, кДж/кг; К, L - общее количество входных и выходных потоков; G_k, G_l – массы входных и выходных потоков соответственно, кг; Q_ист, - приход тепла в систему от внешних источников, кДж; Q_пот - тепловые потери в окружающую среду, кДж; , - тепловой эффект экзотермических и эндотермических химических реакций, кДж.

Основными статьями приходной части теплового баланса являются тепло жидкого чугуна, тепло экзотермических реакций окисления компонентов шихты газообразным кислородом, тепло реакций шлакообразования и тепло внешних источников тепла.

К расходной части теплового баланса относятся затраты тепла на нагрев металла, шлака, газа, на разложение карбонатов, оксидов железа, испарение влаги и тепловые потери в окружающую среду.

Энтальпия единицы массы жидкого чугуна относительно T= 298 K определяется следующим образом:

, (2)

где - изменение энтальпии 1 моля m-го вещества жидкого чугуна при нагреве от 298 К до T_k, кДж/моль; R_mчуг- концентрация вещества R_m в чугуне, %; M_Rm - молярная масса вещества R_m, кг/моль; N_чуг – количество веществ в чугуне.

Тепловой эффект экзотермических реакций определяется суммой тепловых эффектов реакций окисления железа, углерода, примесей и горения метана.

, (3)

где W_экз – число экзотермических реакций; H_w - тепловой эффект w-ой химической реакции, кДж.

Тепловой эффект w-ой химической реакции рассчитываем по формуле:

, (4)

где - стандартный тепловой эффект w-ой химической реакции; - количество молей вещества R, прореагировавшего в w-ой реакции.

Число молей участвовавшего в реакции вещества R_w определяется разностью его содержания во входных - выходных потоках:

. (5)

Таким образом, тепловой эффект экзотермических реакций равен:

(6)

К экзотермическим реакциям относятся также реакции шлакообразования, тепловой эффект реакций шлакообразования рассчитывается по формуле:

, (7)

где - количество соответствующих оксидов в шлаке, кг.

Энтальпию единицы массы металла, шлака и газа рассчитываем аналогично энтальпии единицы массы чугуна:

(8)

,

где - изменение энтальпии 1 моля n-го вещества при нагреве от 298 К до T_k, кДж/моль; [R_n], (R_n), {R_n}, - концентрация вещества R_n в металле, шлаке и газе соответственно, %; M_Rn - молярная масса вещества R_n, кг/моль; N_м, N_шл, N_г – количество веществ в металле, шлаке и газе.

К эндотермическим реакциям относятся реакции разложения оксидов железа, разложения карбонатов и испарения влаги, суммарный тепловой эффект эндотермических реакций рассчитаем по формуле:

(9)

С учетом вышеизложенного уравнение теплового баланса имеет вид:

(10)

В таблице 1 представлен расчет теплового баланса по статьям.

Таблица 1 – Расчет теплового баланса по статьям

Статья	Тепловой эффект
Приходная часть
Физическое тепло чугуна
Тепло экзотермических реакций
Тепло шлакообразования
Тепло внешних ист-ков
Расходная часть
Тепло металла
Тепло шлака
Тепло газа
Тепло эндотермических реакций
Тепловые потери	Qпот