Практична робота № 10 Тема: Розрахунок теплового балансу мартенівської плавки

При складанні теплового балансу визначаються його прибуткові і витратні статті.

У прибутковій частині визначають: фізичне тепло чавуну, залежне від його температури; тепло екзотермічних реакцій; тепло шлакоутворення; хімічне тепло палива (що тепло вноситься долями природного газу і мазуту або одного природного газу); тепло нагрітого в регенераторах повітря і загальний прихід тепла.

У витратній частині визначають: фізичне тепло на нагрів стали і шлаку; тепло, що відноситься продуктами згорання і газами, що виділяються з ванни; на нагрів і відновлення вапняку, а також втрати тепла через футерування і інші джерела.

Шляхом прирівнювання прибуткової і витратної частин балансу визначають тепло, що вноситься паливом. Потім складається зведений тепловий баланс.

Піч опалюються природним газом і мазутом.

Приймаємо:

- витрата мазуту 30 % по теплу;

- коефіцієнт надлишку повітря п=1,2;

- температуру чавуну при заливці в пекти - 1 300 °С;

- температуру стали перед розкислюванням - 1620 °С;

I. Прихід тепла

1.1 Фізичне тепло чавуну (Q), що заливається, кДж.

Q =η ×(Сч×t +q+С (t-t))

де η - частка (маса) рідкого чавуну в металошихте, кг (за завданням);

Сч - середня теплоємність твердого чавуну від 0°С до температури плавлення, кДж/кг град.

Складає Сч= 0,755 кДж/кг×град;

t- температура плавлення чавуну °С.

Приймаємо t- =1180 °С (коливається в межах 1150-1200 °С);

q- прихована теплота плавління твердого чавуну, кДж/кг.

Складає q- =218 кДж/кг

С- середня теплоємність рідкого чавуну, кДж/кг×град.

Складає С=0,92 кДж/кгград;

t - температура рідкого чавуну, що заливається °С (за завданням).

Тоді

Q= 54× (0,755 ×118О + 218 + 0,92×(1300 -1180)] = 65842,1 кгДж.

1.2. Тепло екзотермічних реакцій окислення домішок (Q), кДж

С→СО Q ×0,9× ηспр= Q

С→СО Q×0,1× ηспр= Q

Si→SіO Q× η= Q

Mn→MnO Q × η= Q

P→PO Q×η= Q

Fe→FO (шлак) Q×η = Q

Fe→FeO Q×η = Q

Fe→ FO (дим) Q×η = Q

де Qєф - теплові ефекти реакцій окислення домішок, кДж/кг;

η пр - кількість відповідних домішок, що окислюються, кг (дивись таблицю 6 матеріального балансу плавки, 2 стовпчик ).

Тоді

С→СО 10470×2,197×0,9=20702

С→СО 34090×2,197×0,1=7489

Si→ SіO 31100×0,554=17229

Mn→MnO 7370×0,681=5018

P→PO 25000×0,065 ( т.9 СгO )=1625

Fe→FO (шлак) 7370×0,4012( т.8 А) =2956

Fe→FeO 4820× ( 1,8337+0,209 )=9845

Fe→ FO (дим) 73 70×0,394( після т.12)=2903

Q =67566 кДж

1.3 Тепло шлакоутворення (Q), кДж.

Вважаємо, що при формуванні шлаку що знаходяться в нім SіO і PO утворюють з'єднання (CaO) × SіO і (СaО) × PO з виділенням тепла по реакціях:

SіO+2CaO=(CaO) × SіO

PO+4СаО=(СaО) × PO

Q= η ×Q+ η× Q

де η, η - маса оксидів, що утворюються, кг;

Q, Q - тепло від витрати 1 кг оксидів на утворення з'єднення, кДж/кг, дивись табл.6. стовбчик5.

2320×1,187=2753

4740×0,1488=705

Q=3458 кДж.

1.4 Хімічне тепло палива позначимо через "X". При опалюванні печі природним газом і мазутом і при витраті мазуту 30% по теплу, тепло, те, що вноситься Хімічне тепло складе 0,7 Х кДж, а тепло, що вноситься мазутом 0,З Х кДж.

Виконаємо розрахунок горіння палива (таблиця 1)

Таблиця 1 - Розрахунок горіння природного газу

Складові, м	Рівняння реакції горіння	Витрата О, м	Продукти згорання, м
			СО	Н О	N	О
СН - 93,9 СН-1,3 СН-0,2 СО-0,3 N-4,3	СН+2 О= СО +2 НО СН+3,5 О=2СО+З НО СН+5 О=ЗСО+4 НО	187,80 4,55 1,0 - -	93,9 2,60 0,6 0,3 -	187,80 3,90 0,80 - -	4,3 - - - -
Витрата О і кількість продуктів згорання СО і О повітря при п=1,0 п=1,2		193,35 232,02	97,4 97,4	192,5 192,5	731,66 877,14	38,67

Кількість повітря, необхідна для спалювання 100 м природного газу

232,02:21×100=1104,85 /100=11,04м3

Визначаємо теплоту згорання природного газу

Qрн= 35988×93,9+63721×1,3+90554×0,2=3480221 кДж/ 100 м

де 35988, 63721 і 90554 - теплові ефекти згорання газу, кДж/ м

Розрахунки проведені на 100 м газу.

У таблиці 2 приведений розрахунок горіння мазуту.

Таблиця 2. Розрахунок горіння мазуту

Складові мазуту, кг	Число молей	реакції горіння	Витрата, моль Оа	Продукти згорання, моль
				СО	НО	N	О
С-84,00 Н -10,4 S-0,64 О-0,32 N-0,08 НО 4,26 А-0,3	84:12=7,00 10,4:2=5,20 0,64:32=0,02 0,32:32=0,01 0,08:28=0,003 4,26:18=0,236	С+ О= СО Н+0,5О= НО S+О=SО	7,00 2,6 0,02 0,01	7,00	5,2 0,236	0,003
Витрата і кількість продуктів згорання з N і О повітря
при п= 1,0			9,61	7,00	5,436	36,11
при п= 1,2			11,532	7,00	5,436	43,382	1,92

Кількість повітря, необхідна для спалювання мазуту

11,532:21×100=54,914 моль або 54,914×22,4:100=12,29 м/кг

Визначаємо теплоту згорання мазуту по формулі Д.И.Менделеева:

Q=81 ×84+300×10,4-26 (0,32-0,64)-6 (9×10,4+4,26)=9345 к кал/кг=39155 кДж/кг,

де 81, 300, 26, 6 - теплові коефіцієнти, віднесені до 0,01 кг відповідної складової мазуту.

1.5. Тепло, що вноситься нагрітим до1100 °С повітрям.

Визначувана витрата повітря для спалювання палива, м:

природного газу 0,7х:11,04:34800=0,000222х

мазуту 0,3х( 12,29-0,6):39155=0,000090х,

де 0,6 - витрата компресорного повітря, що приймається, на розпилювання мазуту

м /кг (коливається в межах від 0,39-0,77 м /кг).

Загальна витрата повітря складе, м:

0,000222х+0,000090х=0,000312х

Q= 1,45 • 1100•0,000312х =0,498х кДж,

де 1,45 - середня теплоємність повітря, кДж/кг×град.

Загальний прихід тепла рівний

Q= Q+ Q + Q+ Q+ Q

Q= 65842+67757+3458+0,498х+х=137057+1,498х.

2. Витрата тепла.

2.1. Фізичне тепло сталі, нагрітою до tст1620 °С (Q), кДж:

Q = η (С× t +q + С (t -t)

де η- маса рідкої сталі, кг; η-92,2 01кг;

С - середня теплоємність твердої сталі, кДж/кг-град;

С =0,7 кДж/кг×град;

t- температура плавління металу °С; t=1532 °С;

q -скрытая теплота плавлення твердої сталі, кДж/кг; q =272 кДж/кг;

С - середня теплоємність рідкої сталі, кДж/кг×град; С =0,9кДж/кг×град

t- визначається по залежності 1540-85×0,09= 1532 °С,

де 1540 - температура плавління чистого заліза;

85 - зниження температури плавління металу на 1% вуглецю;

0,14 - вміст вуглецю в металі перед розкислюванням (з матеріального балансу).

Q=91,948× [0,7×1532+272+0,90× ( 1620-1532)]= 130897 кДж

2.2. Фізичне тепло шлаку, тобто шлак відносить тепло (Q), кДж:

Q =1,3×η (С×t+q)

де η - маса кінцевого шлаку (із зведеної таблиці матеріального балансу), кг;

С =1,2 - середня теплоємність шлаку, кДж/кг×град;

q =210 - прихована теплота плавління шлаку, кДж/кг;

t=1630 - температура кінцевого шлаку °С;

1,3 - коефіцієнт, що враховує втрати тепла з тим, що скидається в період плавління і доведення шлаком.

Тоді

Q =1,3×8,9065× (1,2×1630+210)=25078кДж

2.3. Тепло, що відноситься продуктами згорання:

Кількість природного газу, м: 0,7х:34800=0,0000201 х;

Кількість мазуту, кг: 0,Зх:39155=0,0000077х;

Кількість продуктів згорання, м:

СО 0,0000201х ×0,974+0,0000077х ×7,0 ×22,4:100=0,0000316х;

НО 0,0000201х ×1,925+0,0000077х ×5,44×22,4:100=0,0000479х;

N 0,0000201x ×8,771+0,0000077x ×43,34×22,4:100=0,0002510х;

О 0,0000201х ×0,387+0,0000077х ×1,92×22,4:100=0,0000111х.

Q, складе, кДж:

СО 2,41×0,0000316х×1700=0,129х;

НО 1,88×0,0000479х×1700=0,153х;

N 1,46×0,000251 Ох×1700==0,623х;

О 1,55×0,0000111 х×1700=0,029х

Q=0,934x

де перший стовпчик чисел - теплоємність відповідних газів, кДж/ м×град;

1700 - середня температура продуктів згорання при виході з робочого простору печі ° С.

2.4. Тепло, що витрачається на нагрів газів, що виділяються з металевої вани при прийнятой середной їх температурі, рівній 1700 °С (Q), кДж.

CO 2526-4,5469×22,4:28=9188

СО 4090-3,3295×22,4:44=6932

НО 3205-0,65×22,4:18=2592

Q=18712 кДж

де перший стовпчик чисел - теплосодержание 1 м гази при температурі 1700 °С, кДж/ м

другий стовпчик чисел - кількість газів, що відходять, кг (таблиця 13 матеріального балансу);

2.5. Тепло, що відноситься частиками FeO в дим (Q) кДж

Q=0,334× (160/112) × (1,2×1700+216)= 1269 кДж

2.6. Тепло, що витрачається на розкладання вапняку (Q), кДж.

Q=1780-5,11=9095 кДж

де 1780 - теплота розкладання вапняку, кДж/кг

5,11 - витрата вапняку з матеріального балансу, кг.

2.7. Тепло, що витрачається на відновлення FeO (Q) кДж,

з вапняку (0,016) кДж, (дивись табл.9 матеріального балансу)

бокситу (0,0527) кДж, (дивись табл. 11 матеріального балансу)

матеріали зведення(0,0025) кДж, (дивись табл.8 А матеріального балансу)

FeO до Fe [(0,016+0,0527+0,0025) ×0,9] ×824000:160=330

FeO до FeO [(0,016+0,0527+0,0025) ×0,1] × 290000:160=13

Q=343 кДж

де проізвідна в дужках - кількість FeO, що відновилися (90% до Fe і 10% до FeO), кг;

другий стовпчик чисел - тепловий ефект реакцій відновлення віднесений до 1 молю FeO, кДж/к моль.

2.8. Витрати тепла, що витрачається на водяне охолодження (Q) кДж,

Q=0,5Х кДж

2.9. Загальна витрата тепла рівна кДж:

Q= Q+ Q + Q+ Q+ Q+ Q+ Q+ Q

Q=130897+25078+0,934х+18712+1269+9095+343+0,5х=137057+1,434х287204+1,498х=137057-287204=1,434х-1,498х

-150147= -0,064х

х= -35254/-0,064

х=2346046 кДж

Таблиця 3 - тепловий баланс мартенівської плавки

Прихід тепла	кДж	%
Фізичне тепло: Чавун( Q) Повітря (0,498х)	65842 1168330	1,8 31,99
Тепло реакцій: екзотермічних(Q ) шлакоутворення (Q),	67767 3458	1,85 0,09
Хімічне тепло: природним газом 0,7х мазутом 0,З х	1642232 703813	44,97 19,27
Усього	3651442	100,0
Витрата тепла
Фізичне тепло : сталі(Q ) шлаку(Q )	130897 25078	3,68 0,7
Тепло, що відноситься продуктами згорання ( Q=0,934 x)	2191206	61,7
Тепло, що витрачається на нагрів газів: (Q)	18712	0,53
Тепло, що відноситься частиками FeO (Q)	1269	0,036
Тепло, що витрачається на розкладання вапняку (Q),	9095	0,26
Тепло, що витрачається на відновлення FeO (Q)	343	0,009
Витрати тепла, що витрачається на водяне охолодження (Q=0,5 х )	1173023	33,046
Усього	3549623	100,0

Додаток 8

Завдання на виконання теплового балансу

Варіант	Температура, °С		Варіант	Температура, °С
	чавуну	сталі		чавуну	сталі
1	1315	1600	14	1315	1620
2	1310	1590	15	1325	1620
3	1305	1610	16	1315	1615
4	1310	1620	17	1310	1620
5	1315	1620	18	1305	1630
6	1320	1630	19	1310	1620
7	1315	1620	20	1320	1625
8	1320	1620	21	1315	1610
9	1315	1625	22	1305	1600
10	1320	1630	23	1310	1600
11	1310	1640	24	1315	1610
12	1300	1620	25	1320	1600
13	1305	1620