Мартеновская печь

4) тепло на разложение известняка (если в печь загружался известняк)  и на нагрев образующегося при разложении известняка СО._::

5) тепло на нагрев С0₂, образовавшегося в результате окисления (догорания) выделяющегося из ванны СО;

6) потери тепла с выбивающимися  из печи газами;

7) потери на диссоциацию и  от недогорания топлива; 

8) потери тепла через кладку рабочего пространства печи и с водой, охлаждающей отдельные элементы печи;

9) потери тепла от его излучения  в открытые завалочные окна  и через щели в кладке печи;

10) потери тепла с дымовыми  газами. Приравнивая приходную и  расходную части теплового баланса можно расчетом по разности определить теплоту сгорания топлива и по этим данным определить его расход (табл. 1).

Примерный расчет мартеновской печи.

Рассчитать мартеновкую печь, емкостью ванны G=250t каждая, принимая общую продолжительность плавки равной 14400 с (4 ч), из которых: выпуск и заправка— 1440 с (0,4 ч); завалка и прогрев — 4680 с (1,3 ч); заливка чугуна и плавление — 4680 (1,3 ч); доводка — 3600 с (1,0 ч). Чугун, скрап и выплавляемый металл имеют состав:

 

 

	C	Si	Mn	P	S
Чугун	3,8
Скрап
Средний состав
Металл:
После расплавления
Перед раскислекнием в конце

 

Продувка ванн проводится техническим  кислородом. Недостаток тепла от дожигания  СО в «холодной» ванне компенсируется подачей природного газа.

Расчет  сталеплавильной печи включает:

1) расчет материального баланса; 

2) расчет теплового баланса;

3) расчет расхода топлива (природного  газа) по периодам плавки.

 

Материальный баланс

Расчет шихты проводят на 100 кг металлической  садки, причем плавку условно делят на два периода: I период — от завалки до полного расплавления, II период — от расплавления до раскисления стали.

I период

Найдем  средний состав шихты, учитывая, что  в 100 кг металлической шихты содержится 65 кг чугуна и 35 кг скрапа (см. выше).

Угар  примесей определим  как разность между содержанием примеси в  шихте и в стали    после расплавления. Примем, что при продувке ванны техническим кислородом 10 % S окисляется до S0₂,    а угар железа в дым принят равным 1 % (по 0,5 % в каждом периоде).

Теперь  можно определить расход кислорода  и количество образовавшихся оксидов (вторая колонка цифр — молекулярная масса кислорода в продукте; третья — молекулярная масса примеси):

Для расчета состава и количества шлака следует сделать следующие допущения.

При завалке со скрапом вносится 2 % загрязнений  типа глины, имеющей состав: 52 % SiO_z; 25 % Al₂0₃; 23 % Н₂0. Таким образом загрязнениями вносится, кг:

Обычно  скрап окислен (~1 %), т. е. со скрапом попадает 0,35 кг окалины в виде Fe₂C>3. Вместе с чугуном из миксера попадает некоторое количество шлака, которое для данного расчета примем равным 0,5 кг следующего состава: 46 % СаО; 8 % А1₂0₃; 6 % MgO; 2 % S.

В шлак поступает некоторое количество материала футеровки, износ которой принимаем равным, кг:

 

Согласно технологии производства стали после заливки чугуна скачивают 5—6 % шлака. Принимаем, что в рассматриваемом  случае скачивают 6 % шлака (6 кг) состава, %: 21 Si0₂; 3,5 А1₂0₃; 4 МпО; 8 MgO; 25 СаО; 4 Р₂0₃; 0,3 S; 0,1 Сг₂0₃; 27,6 FeO; 6,5 Fe. Со скачиваемым шлаком уходит, кг:

Со скачиваемым шлаком теряется 1,5:0,53=2,83 кг известняка (0,53 — содержание СаО в 1 кг известняка).

Состав неметаллических  материалов приведен в табл 1

.

Обозначая расход известняка за х, будем считать общий расход известняка равным (2,83+x) кг с учетом потерь со скачиваемым шлаком. Теперь находим:

Принимая по практическим данным, что в шлаке содержится 16 % FeO и 6 °/о Fe₂0₃, составим с учетом скачивания шлака, формулу количества его в конце 1 периода, кг:

Полагая, что основность шлака в  конце I периода должна быть равна 2,6, получим уравнение для определения расхода известняка:

Теперь можно найти количество шлака L_m31 = 3,617 + 0,737-2,24 = 5,987 кг. Окончательный состав и количество шлака:

Суммарный расход известняка равен 2,83+2,24=5,07 кг. Общее количество шлака 6+5,987=11,987 кг.

Составим  баланс железа на I период плавки (табл. 42).

Количество  окислившегося железа равно 0,232+1,949= =2,181 кг.

Расход  кислорода на окисление железа до Fe₂Оз 0,232∙48: 112=0,099 кг; до FeO 1,949-16:56=0,557 кг.

Принимая, что из атмосферы печи в ванну поступает 10 % от общего количества кислорода, найдем    величину последнего      3,0175+0,099+0,557+0,1       (3,0175+0,099+ +0,557) =4,04 кг.      Таблица 42. Баланс железа за 1-й период плавки

Учитывая, что в первом периоде  ванна недостаточно и неравномерно прогрета и процессы массообмена  замедлены, принимаем коэффициент  усвоения подаваемого в ванну  кислорода равным 0,9. Тогда расход технического кислорода составит:

 Здесь 0,95 — доля 0₂ в техническом кислороде (остальное — азот).

Расход чистого кислорода 4,04-22,4/32=2,828 м³.

Расход чистого кислорода с  учетом коэффициента усвоения 2,828/0,9=3,142 м³.

Количество неусвоенного кислорода 3,142—2,828= =0,314 м³ или 0,486 кг.

Количество азота, подаваемого  с техническим кислородом 3,3—3,142=0,158 м³ или 0,197 кг.

Количество технического кислорода, поступающего в ванну 4,04+0,486+0,197=4,723 кг.

Выход годного с учетом металла, уносимого скачиваемым  шлаком (10 % от количества шлака)

100—3,216—2,181—0,6825—0,35—0,5—0,6=92,47    кг, где 3,216 — угар примесей; 2,181—количество окислившегося железа; 0,6825 — загрязнения скрапа; 0,35 — окалина скрапа; 0,5 — миксерный шлак; 0,6 — потери металла со скачиваемым шлаком.

В течение I периода из ванны выделяются газы, кг; из:

II период

Расчет материального баланса  для второго периода плавки от расплавления до раскисления стали  проводится аналогично расчету для  I периода. Результаты расчета представим в виде таблицы.

Материальный баланс II периода плавки.

 

Тепловой баланс

Целью расчета теплового баланса  рабочего простран 
ства камеры печи является определение средней тепловой 
нагрузки и тепловой нагрузки холостого хода. Расчет про 
изводим для одной камеры печи. '

Приход   тепла

1. Тепло, вносимое скрапом

Здесь с_ск=0,469 кДж/(кг-К)—удельная теплоемкость скрапа при t_CK=20°C; D_CK=0,35— доля  скрапа в шихте; ' G=250 т емкость одной ванны печи.

2. Тепло,  вносимое чугуном

3.Тепло экзотермических реакций

Здесь первый столбик чисел — доля выгоревшей примеси; второй — емкость ванны, кг; третий — тепловые эффекты реакций, отнесенные к 1 кг элемента, МДж/кг.

4. Тепло шлакообразования

5. Тепло от горения природного газа

6. Тепло, вносимое подсасываемым в рабочее простран 
ство воздухом, идущим на сжигание природного газа и СО.

Расход тепла

1. Физическое тепло стали

2. Физическое тепло стали, теряемой со шлаком

3. Физическое тепло шлака

Здесь 1,25 кДж/(кг-К) —теплоемкость  шлака, средняя в интервале температур 0—1600 °С; 209,35 кДж/кг — скрытая теплота плавления шлака; 0,06 и 0,0628 — доля шлака скаченного и конечного соответственно (см. материальный баланс).

4. Тепло, уносимое продуктами сгорания при средней 
температуре t_ух=1600^оС

Здесь:

Доли С0₂, Н₂0, N₂ и V_yx заимствованы из табл., их энтальпии — из приложения II при t= 1600 °С.

5. Тепло, расходуемое на разложение известняка

6. Тепло, затрачиваемое на испарение влаги и нагрев 
паров воды до t_ух=1600°С.

7. Тепло, затраченное на нагрев выделяющихся из ван 
ны газов до ty_X= 1600 °С.

Здесь первый столбик чисел — энтальпия газов при t_yx= = 1600°С (приложение II); второй столбик чисел — доля газа от массы садки (см. материальный баланс).

8. Тепло, теряемое с уносимыми частицами Fe₂C>3

9. Потери тепла с охлаждающей водой.

В рабочем пространстве двухванной печи водой охлаждаются заслонки окон (расход воды по 1,67-10~³м*/с), змеевики столбиков (по 0,56-10^_3 м³/с), амбразура шлаковой летки (1,12-10^_3 м³/с) и кислородные фурмы (по 0,28-10~³ м³/с). Принимая, что повышение температуры воды в водоохлаждаемом элементе не должно превышать 20 К, находим потери тепла с охлаждающей водой:

Здесь первый столбец чисел — количество водоохлаждае-мых элементов; второй — расход воды, м³/с; третий — теплоемкость воды, кДж/(м³-К); четвертый — время теплового воздействия на водоохлаждаемый элемент, с; пятый — разность температур выходящей и входящей воды, К.

Рамы завалочных окон и пятовые  балки свода имеют испарительное  охлаждение. Принимая расход химически  очищенной воды на каждый элемент 0,11 • 10 ³ м³/с, найдем общий расход воды:

Считая, что выход пара составляет 90 % (0,89- 10~³м³/с), найдем потери тепла с испарительным   охлаждением

10. Потери тепла через  футеровку [формула (155)]. Потери тепла через свод

Коэффициент теплопроводности магнезитохромита согласно приложению XI при средней температуре свода 0,5(1580+300)= 940 °С равен £,_мх=4,1— 0,0016-940=2,6 Вт/(м-К). Коэффициент теплотдачи конвекцией равен а= = 10+0,06-300=28 Вт/(м²-К). Толщина футеровки 6_х= =0,5 (0,46+0,10) =0,28 м взята средней за кампанию печи.

Потери тепла через стены печи

Задняя стенка имеет слой магнезита  средней толщиной δм=0,75 м и слой легковесного шамота толщиной δл=0,065 м. Принимая температуру наружной поверхности  футеровки равной 200°С, а на границе  раздела слоев 1100°С, получим

Тогда

Потери тепла через  переднюю стенку

 

11. Потери тепла излучением через окна печи

12. Потери тепла на диссоциацию СО₂ и Н₂0 примем 
равными 2 % от тепла, получаемого при сжигании природ 
ного газа, т. е.

13. Потери тепла с выбивающимися газами и примем 
равными 2,5 % от тепла, получаемого при сжигании при 
родного газа

Расход природного газа найдем из уравнения теплового баланса

Откуда В=2943,9 м³.

Тепловой баланс рабочего пространства камеры мартеновской печи представлен в табл.2 Средняя тепловая нагрузка равна: Q_ср= 35,0-2943,9:14400 = 7,155 МВт. Тепловая нагрузка холостого хода равна: (39,87 + 23,08 + 6,7): 14400 = 4,84 МВт.

 

Тепловой баланс мартеновской печи    Табл.2

Расход  топлива по периодам плавки

Период выпуска и заправки (продолжительность 1440 с). Примем, что тепловая нагрузка в период выпуска и заправки равна 75 % средней тепловой нагрузки. Тогда Q_x = 0,75-7,155 = 5,366 МВт, а расход природного газа В₁ = 5,366-1440/35,0 = 220,64 м³/период.

Период завалки и  прогрева (продолжительность 4680 с). В этом периоде поддерживают максимальную тепловую нагрузку, составляющую 125 % от средней. Тогда Q₂ = 1,25-7,155 = 8,94 МВт и В₂ = 8,94-4680/35,0 = 1195,69м³/период.

Период заливки чугуна и плавления (продолжительность 4680 с). Обычно период заливки и плавления проходит при средней тепловой нагрузке. Тогда Q₃ = 7,155 МВт и В₃ = 7,155 • 4680/35,0=956,87 м³/период.

Период завалки  и прогрева (продолжительность 4680 с). В этом периоде поддерживают максимальную тепловую нагрузку, составляющую 125 % от средней. Тогда Q₂ = 1,25-7,155 = 8,94 МВт и В₂ = 8,94-4680/35,0 = 1195,69м³/период.

Период заливки  чугуна и плавления (продолжительность 4680 с). Обычно период заливки и плавления проходит при средней тепловой нагрузке. Тогда Q₃ = 7,155 МВт и В₃ = 7,155 • 4680/35,0=956,87 м³/период.

Период доводки  (продолжительность 3600 с) Q₄ = (7,155-14400 — 5,366-1440 — 8,94 -4680 —— 7,155 ∙ 4680)/3600 = 5,55 МВт.Тогда В = 5,55 • 3600/35,0 = 570,7 м³/период. Правильность расчета проверяем, суммируя расходы природного газа по периодам 220,64+1195,69+956,87+570,70 = 2943,9 м³, что соответствует значению, найденному из теплового баланса.

 

Таблица3. Тепловой баланс рабочего пространства мартеновской печи

Уменьшить абсолютную величину расхода тепла на нагрев стали и шлака невозможно, так как и сталь, и шлак необходимо нагревать до определенной температуры. Однако повысить долю этих статей в тепловом балансе можно, уменьшая другие статьи расходной части баланса: количество тепла, уносимого продуктами, потери тепла в окружающую среду при охлаждении и других процессах (в результате уменьшения продолжительности плавки и улучшения конструкции печи). Все мероприятия, направленные на уменьшение продолжительности плавки, изменяют тепловой баланс таким образом, что доля полезно расходуемого тепла возрастает. К этим мероприятиям прежде всего относятся:

1) уменьшение продолжительности  завалки шихты;

2) применение кислорода  (вместо воздуха) для повышения  температуры факела, в результате чего улучшается теплопередача и снижается продолжительность плавки;

3) подача в факел высокоскоростной  струи кислорода, сжатого воздуха  или перегретого пара, в результате  чего повышается мощность факела, улучшается его излучательная  способность и возрастает доля  тепла, передаваемого конвекцией;

4) ускорение реакций окисления  примесей при замене железной  руды газообразным кислородом;

5) интенсификация процессов  теплопереноса в результате дополнительных  мер по организации перемешивания  ванны; 

6) автоматизация работы печи с целью организации ведения плавки при оптимальных расходах топлива и добавочных материалов.