7.1.3. Мощность тепловых потерь

Рабочее пространство дуговой печи теряет тепло через футеровку, с охлаждающей водой, с отходящими газами, излучением через открытые свод или рабочее окно, теплопроводностью через электроды, за счет испарения железа и компонентов шлака и т.п.. Расчет тепловых потерь возможен, однако расчетные схемы громоздки и не гарантируют получения надежного результата. Особенно много неопределенности возникает при расчете тепла, уносимого отходящими газами. При интенсификации электроплавки путем использования топливо-кислородных горелок (ТКГ), вдувания в ванну кислорода и кислорода совместно с угольной пылью (вспенивание шлака) суммарные тепловые потери с отходящими газами возрастают. Замена кирпичной кладки водоохлаждаемыми панелями, при прочих равных условиях, также приводит к росту мощности теплопотерь. Если для 100-тонной дуговой печи с кирпичной кладкой мощность тепловых потерь составляла 4…6 МВт, то для печи такой же вместимости с водоохлаждаемыми стенами и сводом, с ТКГ и сводовыми кислородными фурмами суммарная мощность тепловых потерь оценивается величиной 14…20 МВт и даже 35 МВт [11]. Не следует, однако, полагать, что эти 35 МВт мощности отобраны от электрических дуг. Так же как и вводимая в печь энергия, подразделяемая на электрическую ( ), химических реакций сталеплавильной ванны ( ) и топлива ТКГ ( ), суммарная мощность тепловых потерь складывается

Необходимая нам для расчета P_{тп э} или в дальнейшем просто P_тп составляет:

При прочих равных условиях увеличивается с ростом суммарной мощности тепловых потерь , вместимости печи , номинальной мощности печного трансформатора , доли и площади водоохлаждаемых элементов футеровки, доли электрической энергии в общем, приходе тепла , продолжительности перерывов внутриплавочных и межплавочных. Кроме этого, мощность тепловых потерь зависит от технологии плавки, от соотношения доли среди неэлектрических источников тепла и ряда других факторов.

Для современных условий электроплавки стали, рекомендуется определять по следующим эмпирическим формулам, для дуговых печей с водоохлаждаемыми сводом и стенами, выполненными на 70% из водоохлаждаемых панелей.

Для периода плавления:

7.1.4. Полезный расход электроэнергии

Полезным расходом называют такое количество электроэнергии, которое необходимо ввести в сталеплавильную ванну в расчете на 1 т жидкой стали для того, чтобы полностью реализовать технологические задачи периода или плавки в целом. В данном рассматривается получение стали марки 20.

Общий полезный расход:

Необходимый для расчетов полезный расход электроэнергии или просто равен:

определяется потребностями процесса для периода плавления:

Для периода рафинировки:

где - удельный расход тепла на нагрев, расплавление и перегрев металлических шихтовых материалов в период плавления (1) и рафинировки (2), МВт-ч/т, - то же для шлакообразующих материалов, МВт-ч/т, удельный расход тепла на осуществление эндотермических реакций (например, разложение известняка, испарение влаги, восстановление железа из оксидов и др.), МВт-ч/т, удельный расход тепла на нагрев, расплавление, перегрев и растворение легирующих ферросплавов, МВт-ч/т.

Размерность везде одинакова, расход тепла отнесен к 1 тонне стали (а не шлака или ферросплава).

Расчетные формулы и вычисление:

где T_о, Т_ош - исходная температура металлических и шлакообразующих материалов, К;

Т_пл, Т_п, Т_в - температуры плавления металлической шихты, конца периода плавления и выпуска стали, К;

С_тв, С_ж, С_шл - средние удельные теплоемкости твердой стали, жидкой стали и шлака, равные соответственно 1.95∙10 ^-4, 2.34∙10 ^-4, 2.92∙10 ^-4МВт∙ч / (т∙К);

q - теплота плавления стали, 7.23∙10 ^-2 ( МВт∙ч/т);

В₁, В₂, В₁₂ - отношение массы шлака к массе стали в период плавления, вновь наведенного в период рафинировки и для шлака рафинировки, оставшегося от периода плавления. Принимаем их равными 0,10; 0,07 и 0,03 , соответственно;

С, Д - коэффициенты, равные соответственно 5.81∙10 ^-4МВт∙ч/(т∙К) и 38.36∙10 ^-2МВт∙ч/т.

Т_пл в зависимости от среднего содержания углерода (0,5%C) приблизительно соответствует 1793 К.

Перегрев металла к концу периода плавления колеблется в пределах 10...90 К, увеличиваясь с ростом удельной мощности трансформатора S_н/G. Для расчетов принимаем:

Т₀ и Т_ош при работе без предварительного подогрева шихты принимаем равными 293К.

Т_в для разливки с последующей ВПО можно принять:

Расчет:

Тепло окислительных химических реакций W_хр развивающихся в ванне, усваивается ванной практически без потерь.

При этом тепловой к.п.д. процесса окисления элементов растворенных в ванне η_хр =1.

W_хр определяют термодинамическим расчетом основных окислительных реакций электроплавки. Окислителем является оксид железа или газообразный кислород (А₀), а окисляющимся элементом (А_i) – железо, углерод, кремний, марганец, хром или другие компоненты ванны. Химическая реакция в общем виде записывается:

где A^'_i – продукт реакции окисления элемента A;

υ_i, υ₀, υ'_I – число молей окисляющегося элемента, окислителя и продукта реакции соответственно.

Для расчетов необходимо знать массу окисляющихся компонентов м_i в кг/т отдельно для периода плавления и рафинировки, а также температуры реагирующих веществ и продуктов реакции.

При определении W_хр рекомендуется воспользоваться методом полных энтальпий I ⁰(А,Т) позволяющим в простой и доступной форме учесть различие температур веществ, участвующих в реакции. Расчетные формулы следующие:

где W_шо - теплота шлакообразования, приблизительно определяемая как 0.2 W_ш1 для периода плавления и 0.2 W_ш2 для периода рафинировки, МВт ч/т;

N - число окисляющихся элементов ( Fе, С, Мn, Si, Cr…);

∆H_{рез i} - результирующее выделение тепла при окислении 1 кг или 1 моля элемента i, МВт*ч/кг или кДж/моль. Для перевода ∆H_рез в МВт ч/кг надо ∆H_рез в кДж/моль умножить на два коэффициента K₁ = 1000/Ат моль/кг и

К₂ = 2.78 10 ^-7 Мт*ч/кДж, где Ат - грамм-моль окисляющегося элемента, что для металлов равно атомному весу, выраженному в граммах (грамм-атом).

м_i - масса окисляющегося элемента, кг/т стали;

I⁰(А,Т) - полная энтальпия окисляющегося элемента А_i , окислителя A₀ и продукта реакции A'_i при соответствующих температурах Т, Т₀ , T';

∆H_р - теплота растворения вещества в жидком железе, кДж/моль.

В период плавления окисление элементов происходит на 15% за счёт закиси железа и на 85% за счёт газообразного кислорода. Из таблиц приложения [1] выписываем энтальпии, кДж/моль:

	I(A,T)	ΔHp	m, кг/т
I(Fe,1800)	58,3	0	14,047
I(C,1800)	30,7	22,6	6,500
I(Si,1800)	89,6	-119,3	5,073
I(Mn,1800)	77,6	0	3,134
I(Cr,1800)	51,3	20,9	0,050
I(FeO,1800)	-144,8
I(CO,1800)	-61
I(SiO2,1800)	-808,4
I(MnO,1800)	-304,4
I(Cr2O3,1800)	-949,8
I(Fe2O3,1800)	-604,2
I(O2,298)	0	-117,3
I(FeO,1800)	-144,8
I(O2,2200)	66,8

Реакции окисления элементов следующие:

Окисление железа под дугами:

Окисление углерода:

Окисление кремния:

= -0,00771, МВт*ч/кг

*2.78*10 ^-7 = -0,00362, МВт*ч/кг.

Окисление марганца:

= -0,00193, МВт*ч/кг

Окисление хрома:

∆

Тепло окислительных химических реакций:

Тепло, усвоенное ванной от сжигания топлива в топливно-кислородных горелках равно:

Использование ТКГ на современном этапе преследует в большей мере технологические цели. В большинстве случаев это подрезка шихты кислородом в тех зонах печи, где плавление шихты затягивается.

В период рафинировки окисление элементов происходит на 100% за счёт газообразного кислорода. Из таблиц приложения [1] выписываем энтальпии, кДж/моль:

Реакции окисления элементов (7.1.4.11) следующие:

Окисление железа:

1880	I(A,T)	ΔHp	m, кг/т
I(Fe,1850)	68,1	0	14,047
I(C,1850)	32	22,6	4,500
I(Si,1850)	91	-119,3	1,268
I(Mn,1850)	80	0	2,090
I(Cr,1850)	53,8	20,9	0,211
I(FeO,1950)	-133,8
I(CO,1950)	-55,6
I(SiO2,1950)	-789,4
I(MnO,1950)	-395,7
I(Cr2O3,1950)	-928,9
I(Fe2O3,1950)	-580,9
I(O2,298)	0
I(O2,2200)	66,8
I(FeO,1950)	-133,8

Окисление углерода:

Окисление кремния:

Окисление марганца:

Окисление хрома:

Тепло окислительных химических реакций:

Полезный расход:

период плавления:

период рафинировки: