2.2 Расход теплоты

Физическая теплота стали, кДж:

Q_ст =d_ст·G·[c_ст^тв ·t_пл.ст +L_ст +c_ст^ж (t_ст –t_пл.ст )]

где d_ст – выход стали (d_ст=0,91 – 0,97);

G - емкость печи, кг;

c_ст^тв – удельная теплоёмкость твёрдой стали в интервале температур 0-1500 ^оС (c_ст^тв = 0,7 кДж/(кг·К));

c_ст^ж - удельная теплоёмкость жидкой стали в интервале температур 1500-1600 ^оС (c_ст^ж = 0,837 кДж/(кг·К));

(t_ст –t_пл.ст ) – интервал температур плавления стали (1600 – 1500 ^оС);

L_ст – скрытая теплота плавления стали (L_ст = 272,16 кДж/кг).

Q_ст = 0,93*100000[0,7*1500+272,16+0,837*100]=130744980 кДж

Физическая теплота стали, теряемой со шлаком, кДж:

Q_ст-шл =d_щл·G·[c_ст^тв ·t_пл.ст +L_ст +c_ст^ж (t_ст –t_пл.ст )]

где d_шл – доля шлака (d_шл=0,005 – 0,008);

G - емкость печи, кг.

Q_ст-шл = 0,007*100000[0,7*1500+272,16+0,837*100]=984102 кДж

Физическая теплота шлака, кДж:

Q_шл =d_щл·G·(c_шл ·t_шл +L_шл)

где c_шл – удельная теплоёмкость шлака при температуре 1700 ^оС (c_шл = 1,25 кДж/(кг·К));

G - емкость печи, кг;

L_шл – скрытая теплота плавления шлака (L_шл = 209,35 кДж/кг);

t_шл – температура шлака (1700 ^оС).

Q_шл = 0,007*100000(1,25*1700+209,35)=1634045 кДж

Теплота, уносимая газообразными продуктами реакций с температурой t_ух=1500 ^оС, Дж:

Q_yx = 295· G=29500000 Дж,

Теплота, уносимая частицами Fe₂O₃, кДж:

Q_Fe2O3 =d_Fe2O3·G·(c_Fe2O3 ·t_ух +L_Fe2O3)

где c_Fe2O3– удельная теплоёмкость Fe₂O₃ при температуре 1500 ^оС (c_Fe2O3 = 1,23 кДж/(кг·К));

G - емкость печи, кг;

t_ух – температура уходящих газов (1500 ^оС);

L_Fe2O3 – скрытая теплота плавления Fe₂O₃ (L_шл = 209,34 кДж/кг).

d_Fe2O3 – доля Fe₂O₃ , уносимая с дымом (d_Fe2O3=0,04 – 0,05).

Q_Fe2O3 = 0,04*100000(1,23*1500+209,34)=8217360 кДж

Потери теплоты теплопроводностью через футеровку

Для определения тепловых потерь через футеровку ДСП применяют формулы для плоской стенки. Для расчёта тепловых потерь через стенку печи необходимо знать:

Коэффициент теплопроводности магнезита равен λ_м = 2,79 Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности хромомагнезита: λ_хм = 3,58Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности шамота: λ_ш = 1,64 Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности диатомита λ_д = 0,32 Вт/(м·К).

Для определения коэффициента теплопроводности в качестве значения t_ср принимаем полусумму значений температур на внутренней и внешней поверхностях всей толщины футеровки.

Температура внутренней поверхности футеровки печи равна t₁=1600°С, температуру внешней поверхности верхней части стены примем равной Т₁=370°С, нижней Т₂=287°С. Температура внутренней поверхности футеровки свода равна t_св=1500°С, температура внешней поверхности свода Т_св=360°С.

Определяем коэффициент теплоотдачи от внешней стенки в окружающую среду, Вт/(м²·К):

α₂=10+0,06·T₁=10+0,06*370=32,2

Так как стены имеют два равных по высоте участка разной толщины: нижний (на уровне откосов) и верхний, то площади внешних поверхностей этих участков будут равны и определяются по формуле, м²:

F=π·D_k·H_пл/2=3,14*7,9848*2,35/2=29,45.

Принимая температуру в цехе (Т_ос) равной 30°С, находим потери теплоты через верхнюю часть стен печи с учётом того, что расчетная толщина хромомагнезитового слоя футеровки равна 75% первоначальной толщины, по формуле, Дж:

где δ_i – толщина слоя, м;

λ_i – коэффициент теплопроводности слоя при средней температуре этого слоя, Вт/(м·К);

F – площадь наружной поверхности верхней части стен, м².

_Дж

2584892329 Дж

Потери теплоты теплопроводностью через свод

Площадь внешней поверхности свода определяем по формуле, м²:

F = π·[0,15² · (D_k – δ_cт)²+(D_k – δ_cт)² ]/2=3,14[0,0225(7,9848-0,455)²+(7,9848-0,455)²]/2=90,86 м²

Определяем тепловые потери через свод:

_Дж

Коэффициент теплоотдачи конвекцией подины (обращенной вниз поверхности) равен:

α₂ = 0,7(10+ 0,06· T_под)

где T_под – температура внешней поверхности подины, T_под =200 ^оС.

α₂ = 0,7(10+0,06*200)=15,4

Определяем площадь наружной поверхности подины :

F_под= π·D_k·(H_под– δ_п)

где:

H_под = δ_п + H +H_шл + 0,04 + 0,065=0,905+4,88+0,34+0,04+0,065=6,23

F_под= 3,14*7,98*(6,23-0,905)=133,4 м²

Определяем тепловые потери через подину:

_Дж

Подсчитываем общие потери теплоты теплопроводностью через футеровку печи, ∑Q_тепл. Они выражаются суммой потерь теплоты через стены (верхнюю и нижнюю часть), свод и подину печи. Потерями тепла с водой, охлаждающей рабочее окно дуговой сталеплавильной печи пренебрегаем:

∑Q_тепл = +++=2401293421+2584892329+8420791932+2073436200=15480 МДЖ

Потери теплоты в период межплавочного простоя.

В период подвалки шихты печь раскрывается и потери теплоты в этот период складываются из потерь теплоты излучением через раскрытый свод, потерь теплоты с газами, с ох­лаждающей водой и теплопроводностью через футеровку печи. Расчет этих величин в случае раскрытой печи достаточно сложен, так как температура внутренней поверхности футеровки быстро падает. Поэтому ориентировочно примем, что потери теплоты в период межплавочного простоя будут равны, ГДж:

Q_мп = (∑Q_тепл + Q_oxл + 0,5·Q_yx)· k_н · τ_п/ τ_р

где k_н - коэффициент неучтенных потерь, k_н=1,1-1,2;

Q_тепл – потери теплопроводностью, ГДж;

Q_oxл – потери тепла от охлаждения печи, Q_oxл = 14 ГДж;

Q_yx - тепло, уносимое газообразными продуктами реакций, ГДж.

Q_мп =(15,4+14+0,5*0,0295)*1,1*2160=7,3 ГДЖ

Расход электроэнергии найдем из уравнения теплового баланса периода расплавления дуговой сталеплавильной печи. Для чего необходимо все составляющие перевести в ГДж и из теплового баланса получить значение Q_д:

Q_прих = Q_расх

Q_ш+ Q_д+ Q_экз+ Q_шл.обр.+ Q_т-ва = Q_ст+ Q_ст-шл+ Q_шл+ Q_yx+ Q_Fe2O3+ Q_тепл+ Q_мп

0,91+Q_д+49,9+1,4+0,01=130,7+0,98+1,63+0,029+8,21+15,4+7,3

Q_д=112 ГДж

Откуда из формулы

Q_д = η_эл·W_эл·10^-6,

находим W_эл - используемую в печи электроэнергию.

W_эл=112/0,9*10^-6=124,4*10⁶

Результаты расчета теплового баланса периода расплавления дуговой сталеплавильной печи сводятся в таблицу 1.

Т а б л и ц а 1. Тепловой баланс периода расплавления дуговой сталеплавильной печи

Статья прихода	ГДж (%)	Статья расхода	ГДж (%)
1. Теплота, вносимая шихтой	0,91	1. Физическая теплота стали	130,7
2. Энергия, вносимая дугами	112	2. Физическая теплота стали, теряемой со шлаком	0,98
3. Теплота экзотермических реакций	49,9	3.Физическая теплота шлака	1,63
4. Теплота шлакообразования	1,4	4.Теплота, уносимая газообразными продуктами реакций	0,029
5. Теплота, вносимая в ДСП с топливом	0,01	5.Теплота, уносимая частицами Fe203	8,21
		6. Потери теплоты теплопроводностью	15,4
		7. Потери теплоты в период межплавочного простоя	7,3
ИТОГО	164,2	ИТОГО	164,2

Удельный расход электроэнергии на 1 кг металлической завалки, ГДж/кг:

ω₂ = W_эл /G=124,4*10⁶/10⁵=1244 ГДж/кг

Тепловой коэффициент полезного действия равен:

η_Т= (Q_ст+ Q_ст-шл+ Q_шл)/ Q_прих=(130,7+0,98+1,63)164,2=0,81

Учитывая, что η_эл = 0,9, общий коэффициент полезного действия будет равен:

η_общ= η_эл· η_Т=0,9*0,81=0,729

Несколько повышенный расход электроэнергии и соответственно пониженные значения величин η_Т и η_общ обусловлены большой потерей теплоты с уходящими газами. Для уменьшения этих потерь целесообразно подать в ванну в период расплавления технический кислород.