9.2. Материальный и тепловой балансы доменной плавки

Составить материальный баланс - это значит установить количество материалов, заданных в печь и выданных из нее за определенный промежу­ток времени или в расчете на единицу чугуна, кокса, дутья. Наиболее часто материальный баланс составляют в расчете на 1 т чугуна.

Материальный баланс позволяет проверить правильность расчетов состава и количества газа, количество дутья, количество шлака и чугуна, анализ сырых материалов и продуктов плавки, а также точность взвешива­ния, если баланс рассчитывают для работающей печи.

Основой составления материального баланса является фундаменталь­ный закон химии - закон сохранения массы, - согласно которому общая масса веществ, вступающих в реакцию, равна общей массе продуктов реак­ции. В применении к доменной плавке это означает, что масса всех материа­лов, поступающих в печь (шихта, дутье), должна быть равна массе материа­лов, полученных из доменной печи (чугун, шлак, колошниковые газ и пыль).

Кроме общего материального баланса иногда рассчитывают баланс по отдельным элементам и оксидам. Это позволяет судить о том, какими мате­риалами вносится тот или иной элемент или оксид, и как он распределяется между продуктами плавки. Кроме того, суммируя поступление и расход эле­ментов и оксидов, можно более точно составить общий материальный ба­ланс и определить источник возможных ошибок. При составлении матери­ального баланса для работающей доменной печи трудно получить точные данные о количестве поступающих в печь и получаемых из нее материалов вследствие неточности взвешивания, ошибок в анализах, колебаний хими­ческого состава и пр. Поэтому приход и расход материалов всегда различа­ется на некоторую величину, которая называется невязкой и обычно выра­жается в процентах к массе исходных материалов.

При составлении расчетного (не экспериментального) материального баланса, основывающегося на предварительном расчете шихты, газа и ду­тья, невязка составляет очень малую величину вследствие округлений при подсчетах.

Для анализа тепловой работы доменной печи необходимо знать, какое количество тепла вносится в печь, сколько его образуется в печи при протека­нии тех или иных процессов, какое количество тепла используется полезно и сколько его теряется с отходящим газом, охлаждающей водой и через элемен­ты конструкции в атмосферу. Эта цель достигается составлением теплового баланса, учитывающего приход и расход тепла. Как и в материальном балансе, сумма приходных статей должна быть равной сумме расходных статей.

Составление теплового баланса основано на всеобщем законе сохра­нения энергии и термохимическом законе, открытом акад. Г.И. Гессом, со­гласно которому тепловой эффект химического превращения зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути, по кото­рому реакция протекает.

Поскольку выделение и превращение тепла связано с количеством по­ступающих в печь и выходящих из печи материалов, то расчету теплового баланса должен предшествовать расчет шихты, газа, дутья и материального баланса. Кроме того, необходимо знать сведения о температурах и теплоєм­костях веществ и тепловых эффектах превращений.

Существуют три способа расчета теплового баланса, по-разному учи­тывающие тепловой эффект в реакциях с участием углерода, и в связи с этим отличающиеся содержанием соответствующих статей прихода и расхода тепла. В первом из них (и наиболее распространенном) принимается, что при вос­становлении оксид металла диссоциирует на кислород и элемент или низ­ший оксид. Поглощающееся при этом тепло учитывается в расходе тепла, а тепло, выделяющееся при окислении восстановителя, учитывается в прихо­де тепла.

По второму способу учитываются только суммарные тепловые эффекты реакций: если реакция идет с выделением тепла, то тепловой эффект ее учитывается в приходе тепла; если реакция протекает с поглощением тепла, то тепловой эффект учитывается в расходе тепла.

По третьему способу в приходной части теплового баланса учитывает­ся тепло сгорания всего углерода до диоксида углерода, а в расходной части баланса - потенциальное тепло, которое может быть получено при сжига­нии колошникового газа и углерода, содержащегося в чугуне и колошнико­вой пыли. Расчет баланса по третьему способу у нас не применяется.

В приходной части теплового баланса, составленного по первому спо­собу, учитывается тепло:

1) образования оксида углерода при горении на фурмах и при прямом восстановлении, и тепло образования диоксида углерода при непрямом восстановлении;

2) горения добавок к дутью (если они применяются) с образованием оксида углерода и водорода;

3) вносимое нагретым дутьем;

4) вносимое материалами (обычно величина незначительная и, как правило, при расчете не учитывается);

5) шлакообразования, если в шихту дается сырой флюс. (При работе на полностью офлюсованном агломерате тепло по этой статье не приходит в связи с тем, что взаимодействие извести с другими ок­сидами протекает на агломерационной ленте, где и выделяется тепло шлакообразования).

В расходной части теплового баланса учитывается тепло:

1) затрачиваемое на диссоциацию оксидов и перевод серы в шлак;

2) разложения карбонатов (при работе на полностью офлюсованном агломерате тепло по этой статье не расходуется);

3) на диссоциацию влаги дутья;

4) испарения влаги шихты;

5) унесенное чугуном;

6) унесенное шлаком;

7) унесенное колошниковым газом;

8) потерянное с охлаждающей водой;

9) потерянное во внешнем пространстве лучеиспусканием, конвекцией и теплопроводностью через фундамент в почву.

При расчете теплового баланса работающей доменной печи потери теп­ла во внешнее пространство (п. 9) определяют по разности прихода тепла и расхода тепла по пи. 1—8, так как экспериментальным путем определить по­тери тепла в пространство конвекцией и лучеиспусканием не представляется возможным.

При расчете теплового баланса для проектируемой печи п. 8 и 9 объе­диняются. Иногда такое объединение допускают при расчете теплового ба­ланса для работающей печи, если определение перепада температуры охлаж­дающей воды и ее расхода затруднено.

После составления теплового баланса по всем статьям прихода и рас­хода в абсолютных единицах тепла определяют относительное значение каж­дой статьи от суммы баланса в процентах.

О правильности расчета теплового баланса и принятого расхода кокса судят по величине потерь тепла с охлаждающей водой и в атмосферу (пп. 8, 9). Обычно считают, что сумма потерь тепла по этим статьям должна состав­лять 6-9% при выплавке передельного чугуна, 9-14% при выплавке литей­ного чугуна и 20% при выплавке ферросплавов. Если при расчете баланса суммы потерь по пп. 8, 9 окажутся, например, больше указанных верхних пределов, то это свидетельствует либо о допущенной в расчете ошибке, либо о чрезмерно высоком принятом в расчете расходе кокса. В этом случае не­обходимо уточнить величину принятых исходных величин.

Расход тепла по пп. 1-6 считают полезно затраченным теплом, а рас­ход тепла по пп. 7-9 - потерянным теплом. Отношение полезного расхода тепла к общему его расходу или приходу выражает тепловой коэффициент полезного действия доменной печи k_T При выплавке передельного чугуна в зависимости от условий работы доменной печи коэффициент k_т изменяется в пределах 78-88%.

Важной характеристикой доменного процесса является коэффициент использования углерода в печи k_c, вычисляемый по данным теплового ба­ланса. Он показывает отношение количества тепла, выделившегося при окис­лении углерода в СО и СО₂ в доменной печи, к количеству тепла, которое выделилось бы, если бы весь углерод окислился до СО₂. При выплавке передельного чугуна значение k_c может изменяться в пределах 0,5-0,68 На значение k_c главным образом влияет расход кокса и соотношение между пря­мым и непрямым восстановлением железа Чем ниже расход кокса и степень прямого восстановления, тем больше величина k_c .

Общий тепловой баланс, основанный на учете только начального и конечного состояния веществ, не дает возможности проанализировать ис­пользование тепла по высоте печи. Между тем потребность в тепле в различ­ных зонах по высоте печи не одинакова Может оказаться, что при избытке тепла в одной зоне будет ощущаться его недостаток в другой зоне, причем этот недостаток в тепле не может быть покрыт за счет избытка тепла в пер­вой зоне В зависимости от расположения зоны его можно устранить только увеличением расхода кокса или нагрева дутья

Для анализа тепловой работы газов по высоте печи рассчитывают так называемый зональный или дробный баланс Для этого доменную печь по высоте условно делят на две или более зон и рассчитывают тепловой баланс для каждой зоны в отдельности с учетом тепла, которое вносится и выделя­ется в этой зоне, и тепла, которое поглощается или уносится из этой зоны Расчет зонального или теплового баланса позволяет определить напряжен­ную в тепловом отношении зону, которая ограничивает дальнейшее сниже­ние расхода кокса. Созданием условий, уменьшающих теплопотребность этой зоны, можно добиться снижения расхода кокса Здесь имеется полная ана­логия общего и зонального тепловых балансов с общим и частными перепа­дами давления газа по высоте печи При помощи расчета зонального балан­са устанавливается определяющая зона по теплу точно так же, как при помо­щи системы частных перепадов устанавливается определяющая зона по га­зопроницаемости

В приложении 1 ко второму разделу учебника приводится полный при­мерный расчет шихты, газа и дутья, материального и теплового балансов до­менной плавки передельного чугуна с применением полностью офлюсован­ного агломерата и комбинированного дутья в условиях заводов Украины.