2. Домашнее задание №2. Расчёт материального и теплового балансов сверхмощной дсп заданной ёмкости

УСЛОВИЕ РАСЧЕТА

Главными особенностями материального и энергетического балансов, вытекающими из технологии электроплавки стали из металлизованных окатышей и скрапа являются: увеличение количества шлака, реакционного углерода, уменьшение расхода кокса и газообразного кислорода.

В случае работы на холодных металлизованных окатышах их пустая порода и флюсующая известь требуют дополнительных затрат энергии соответствующих теплосодержанию увеличенного количества шлака.

В случае работы на горячих (800÷1000 °С) металлизованных окатышах это увеличение с избытком компенсируется теплосодержанием окатышей и может сопровождаться снижением расхода электроэнергии в сравнении с плавлением холодного скрапа. Эндотермическая реакция восстановления железа окатышей твердым углеродом требует дополнительного расхода энергии; образующийся при этом реакционный монооксид углерода уносит значительное количество энергии, часть которой можно использовать, дожигая СО в печи или в камере подогрева шихты.

Одна тонна металлизованных на 90÷93% окатышей вносит 25÷18 кг. кислорода, вызывающего при достаточном содержании в шихте углерода интенсивное кипение ванны, поэтому при содержании в шихте более 60% металлизованных окатышей газообразный кислород нужен только для быстрой корректировки содержания углерода в металле.

Повышение степени металлизации (95÷97 %) сопровождается уменьшением прихода кислорода с окатышами и соответствующим увеличением расхода кислорода (при отсутствии газообразного кислорода используют окисление окатышей).

Относительная величина потери тепла с водой и через футеровку определяется не только интенсивностью теплоотвода из рабочего пространства печи водоохлаждаемыми деталями и футеровкой, но, главным образом, продолжительностью плавки, напряжением и силой тока электрической дуги, интенсивностью полезной теплопередачи (от дуги металлу и шлаку) и в современных печах с удельной мощностью трансформатора 600 кВ·А и больше на тонну вместимости печи с водоохлаждаемыми стенами и сводом составляет около 20 % сверх полезного расхода энергии на тонну стали.

Электрические потери в этих печах составляют примерно 6 %.

В расчете энергетического баланса не учитывается приход тепла от окисления электродов (примерно 1 кг/т) и от реакций шлакообразования из-за незначительной величины его.

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Материального баланса составим на основе данных, полученных из расчета шихты. Кроме этого в приходной части учтем переход футеровки (F_sh) в шлак, исходя из количества шлака (D_sh) и содержания в нем и в футеровке оксида магния (MgO_sh, MgO_fut).

Переход футеровки в шлак (кг):

. (1.16)

В расходной части учтем количество монооксида углерода исходя из доли металлизованных окатышей D_mo и содержания реакционного углерода в них

. (1.17)

Результаты расчёта заносим в таблицу 2.

Таблица 2

Таблица материального баланса, в кг. на 1 т. жидкой стали

Приход	кг	%	Расход	кг	%
1. Металлизованные окатыши 1.1 1-й сорт 1.2 2-й сорт 2. Скрап 3. Известь 4. Электроды 5. Ферросплавы 6. Футеровка 7. Кислород 8. Азот ВСЕГО:			1. Сталь 2. Шлак 3. Газ 4. Пыль 5. Неучтённые потери ВСЕГО:

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС

Используя данные материального баланса и расчета шихты определим статьи прихода, расхода и по их разности расход электроэнергии.

ПРИХОД

Экзотермические реакции:

Окисление кремния скрапа:

Q_SiO2 = 223800 ккал - тепловой эффект от окисления кремния;

Si_sk = 0,2 %- содержание кремния в скрапе.

. (1.18)

Далее везде деление на 860 - перевод [ккал] в [кВт·ч].

Окисление марганца скрапа:

Q_MnO = 97550 ккал - тепловой эффект от окисления марганца;

Mn_sk = 0,5 % - содержание марганца в скрапе

. (1.19)

Сумма прихода без электроэнергии (кВт·час):

(1.20)

- без дожигания СО.

РАСХОД

Теплосодержание стали, шлака и пыли по данным Н.В. Окорокова и А.В. Егорова с учетом подогрева на 200° перед выпуском:

Сталь:

I₁ = 350 + 0,84 · 0,278 · 200; (1.21)

шлак:

; (1.22)

пыль [кВт·час]:

I₃ = D_y · 1000 · 2,1 · 0,278. (1.23)

Теплосодержание монооксида углерода, диоксида углерода и дыма при 1700 °С:

монооксида углерода:

; (1.24)

диоксида углерода:

; (1.25)

дыма:

. (1.26)

Тепловой эффект реакции FeO+Fe₃C = 4Fe+CO-H(Q) восстановления вюстита углеродом карбида железа можно определить из элементарных реакций:

FeO = Fe + 0,5 · O₂ Q₁ = -61500 [ккал];

C + 0,5 · O₂ = CO Q₂ = 28600 [ккал];

Fe₃C = 3Fe + C Q₃ = 2685 [ккал];

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃. (1.27)

Суммарный расход тепла на восстановление вюстита карбидом железа равен:

. (1.28)

Потери с охлаждающей водой и через футеровку примем из практических данных для печей с условной мощностью более 600 кВА/т емкости печи в количестве 20% сверх полезного расхода тепла:

I₇ = I₁ + I₂ + Q_S; (1.29)

I₈ = I₇ / 0,8 - I₇. (1.30)

Электрические потери примем 6% от расхода электроэнергии, которую определим для каждого варианта использования энергии монооксида углерода.

Общий расход тепла без электрических потерь равен:

I₁₁ = I₇ + I₄ + I₃ + I₈; (1.31)

после вычета теплового эффекта экзотермических реакций:

I₁₂ = I₁₁ - I₄; (1.32)

следовательно, электрические потери равны:

I_e1 = I₁₂ / 0,94 - I₁₂; (1.33)

суммарный расход электроэнергии

I_sum = I₁₂ + I_e1. (1.34)

Результаты расчетов сведем в таблицу 3.

Таблица 3.

Таблица энергетического баланса на 1 т. жидкой стали

ПРИХОД	кВт·ч/т	%
1. Электроэнергия 2. Тепло экзотермических реакций 2.1. Окисление кремния скрапа 2.2. Окисление марганца скрапа 2.3. Дожигание СО Всего:
РАСХОД	кВт·ч/т	%
1. Теплосодержание стали 2. Теплосодержание шлака 3. Восстановление вюстита углеродом карбида железа 4. Потери 4.1. Потери с пылью 4.2. Потери с газом 4.3. Потери с водой и через футеровку 4.4. Электрические потери 4.5. Неучтённые потери. Всего: