24.2 Расчет теплового баланса плавки

Для расчета теплового баланса необходимо использовать данные практики по составу и количеству отходящих газов и расходу электродов и электроэнергии на 1 т шихты. Расход коксика равен 2,0–3,0% от массы шихты (примем 2,5%), а расход электродов можно принять равным 0,5% от массы шихты. Расход электроэнергии на 1 т шихты составляет 500 кВт•ч. Для определения тепла, вносимого шихтой, принимаем, что шихта имеет температуру 20⁰С и среднюю удельную теплоемкости 0,2 ккал/(кг•⁰С).

Таблица 56 Полный материальный баланс электроплавки агломерата и конверторного шлака, кг

Статьи баланса	Всего	В том числе
		Ni	Cu	Fe	Co	S	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	O2	прочие
Загружено: Агломерата* Конверторного шлака	109,72 18,55	5,82 0,27	2,19 0,1	27,5 9,28	0,21 0,03	10,31 0,29	29,4+9,24 4,62	1,38 0,28	12,9 0,28	3,07 0,37	4,8 2,85	2,42+0,48 0,11
Всего	128,27	6,09	2,29	36,78	0,24	10,60	43,26	1,66	13,18	3,44	7,65	3,01
Получено: Штейна шлака	42,32 85,92	5,88 0,21	2,17 0,12	18,80 17,98	0,19 0,05	10,28 0,29	– 43,26	– 1,66	– 13,18	– 3,44	5,00 2,65	– 3,01
Всего	128,24	6,09	2,29	36,78	0,24	10,57**	43,26	1,66	13,18	3,44	7,65	3,01

*Вместе с кварцитом

**1,03 кг серы переходит в газы

Тогда количество тепла, вносимого шихтой, будет составлять 20•0,2•109,72=439 ккал.

Принимаем, что заливаемый в электропечь конверторный шлак имеет температуру 1200⁰С. Энтальпия конверторного шлака при этой температуре равна 350 ккал/кг. Тогда количество тепла, вносимого конверторным шлаком, будет составлять 18,55•350=6493 ккал.

Тепловой эффект реакции С + О₂ ↔ СО₂ равен 94050 ккал/моль.

При содержании углерода в коксике и электродах 83% получаем: количество углерода, участвующего в реакции (см. таблицу 56), равно 128,27•3,0•0,83/100=3,2 кг. При этом выделится тепла 94050•3,2/12=25080 ккал.

На 109,72 кг шихты расход электроэнергии составит 54,86 кВт•ч. Количество выделившегося при этом тепла составит 54,86•860=47180 ккал. В процессе электроплавки протекают следующие экзотермические реакции:

2FeO + SiO₂ ↔ 2FeO•SiO₂;

CaO + SiO₂ ↔ CaO•SiO₂.

Будем считать, что все FeO отвального шлака связано с SiO₂. Количество FeO в отвальном шлаке без учета поступления с конверторным шлаком равно 22,76–8,21=14,55 кг.

При образовании 1 кмоля 2FeO•SiО₂ выделяется 10900 ккал. Определяем количество тепла, выделяемого при образовании 2FeO•SiO₂ из 14,55 кг FeO: 10900•14,55/2,72=1101 ккал.

При образовании 1 кмоля CaSiO₃ выделяется 19700 ккал. Определяем количество тепла, выделившегося при образовании CaSiO₃ из 1,66 кг СаО: 19700•1,66/56=584 ккал.

Принимаем, что температура отвальных шлаков составляет 1500⁰С. Энтальпия шлаков при этой температуре составляет около 500 ккал/кг. Определяем количество тепла, уносимое шлаком: 85,92•500=42960 ккал.

Температуру штейна можно принять равной 1200⁰С. Энтальпия штейна при этой температуре равна 270 ккал/кг. Определяем количество тепла, уносимое штейном: 38,61•270=10425 ккал *. Объем газов определяется следующим расчетом.

*Написано Н. В. Гудимой.

При сгорании 2,5 кг углерода образуется 2500/12•1000•22,4=4,67 м³ СО₂. По данным замеров, содержание СО₂ в газах до многократного разбавления в газоходах (в 25–30 раз) достигает 15% и кислорода 6% (эквивалентный остаток, так как сумма СО₂ и О₂ должна быть равна 21%). Отсюда общий объем газов равен 4,67/0,15=31,1 м³, в том числе азота 31,1•0,79=24,57 м³, кислорода 31,1•0,06=1,866 с округлением 1,87 м³. К этому объему добавляется сернистый газ из 1,03 кг S, что дает 1030/(32•1000)•22,4=0,72 м³ SO₂. Следует учесть и объем водяного пара, всегда имеющегося в воздухе, и влагу коксика (3%).

Влажность воздуха сильно колеблется по районам и временам года и ее следует принимать по данным метеостанций. В данном примере примем влажность воздуха 9 г/м³, что дает объем в 1 м³ 0,011 м³, или 1%. Влага коксика дает следующий объем водяных паров: 2500•0,03/(18•1000)•22,4=0,93 м³. Итого имеем газов 31,1/0,99+0,72+0,93=31,4+0,93+0,72=33,05 м³, в том числе водяного пара 1,23 м³.

Состав и количество отходящих газов приведены ниже:

	м3	% (объемн)		м3	% (объемн)
SO2 CO2 O2	0,72 4,67 1,87	2,14 14,14 5,65	N2 H2O	24,57 1,23	74,34 3,37

Температуру отходящих газов можно принять равной 400⁰С. Теперь, пользуясь данными таблицы 18, определяем тепло, уносимое газами:

400•(0,72•0,482+4,67•0,461+1,87•0,329+24,57•0,314+1,23•0,374)=4512 ккал.

В процессе плавления шихты протекает эндотермическая реакция

3Fe₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5Fe₂SiО₄ + SO₂.

При протекании этой реакции окисляется 1,03 кг S. На окисление каждого килограмма серы расходуется тепла 148 ккал, а всего 148•1,03=152,2 ккал. Результаты теплового баланса ведены в таблице 57.

Таблица 57 Тепловой баланс электроплавки

Приход тепла			Расход тепла
статьи баланса	ккал	%	статьи баланса	ккал	%
Электроэнергия Шихта Конверторный шлак Горение кокса и электродов Экзотермические реакции	47180 439 6493 25080 1685	53,33 0,54 8,03 31,02 2,08	Отвальные шлаки Штейн Газы Эндотермические реакции Потери в окружающую среду	42960 10425 4512 152 22833	53,05 12,92 5,57 0,19 28,27
Всего	80882	100	Всего	80882	100

Примечание. Потери тепла в окружающую среду определяются по разности. Практически статьи баланса «потери с газами» и «в окружающую среду» после разбавления технологических газов подсосами значительно изменяются: газы уносят 20–26% тепла, а потери излучением, конвекцией, на нагрев охлаждающих воды и воздуха снижаются до 10–12%.